掺工业废料混凝土的正交试验研究

摘 要：用硅粉、粉煤灰和锂渣为掺和料等量取代水泥，采用L16（43）正交表进行试验设计，利用极差分析方法处理试验数据。试验结果表明：适量的硅粉可以增加混凝土流动性和后期强度，降低混凝土早期强度，硅粉过量时，混凝土流动性和强度均有所降低；粉煤灰和锂渣可以增加混凝土流动性，对混凝土后期强度影响较小，但会降低混凝土早期强度；硅粉、粉煤灰和锂渣对混凝土拉压比影响较小；可以借助极差分析手段制备具有特定功能要求的混凝土。

关键词：硅粉；粉煤灰；锂渣；正交试验；极差分析

硅粉、粉煤灰和锂渣均为工业废料，产生环境污染、占用土地资源、危害健康等影响，若将其作为混凝土掺和料，不仅避免了上述危害，还具有良好的经济效益和社会效益，实现变废为宝。[1]本文运用极差分析[2]手段，以硅粉掺量、粉煤灰掺量和锂渣掺量为影响因素设计正交试验，以混凝土坍落度、3d、7d、28d和56d抗压强度、28d劈裂强度和拉压比7项评价指标对混凝土综合性能进行评估，以期用工业废料制备具有特定功能的混凝土，为工程实践提供参考。

1 试验方案

1.1 原材料

选用P·O 42.5级水泥；砂为中砂，细度模数2.6；石子为碎石，粒径5-15mm；硅粉由科明瑞非金属有限公司生产；粉煤灰由平圩电厂生产；锂渣由和生复合材料有限公司生产；材料的特征参数见表1。

1.2 配合比与试验结果

考虑硅粉掺量（α）、粉煤灰掺量（β）和锂渣掺量（γ）3个影响因素，每个因素4个水平（α为4%、8%、12%和16%，β为6%、12%、18%和24%，γ为8%、16%、24%和32%），按正交表L16（43）进行配合比设计，对其坍落度、3d、7d、28d和56d抗压强度以及28d劈裂强度进行试验，配合比见表2，试验结果见表3。

2 分析与讨论

2.1 极差分析

以坍落度（Y1）、3d、7d、28d和56d抗压强度（Y2，Y3，Y4，Y5）、28d劈裂强度（Y6）和拉压比（Y7）作为评价指标，yi，j表示第j组Yi的值（i=1，2…7；j=1，2…16），bi，j表示对试验结果yi，j的满意度，[3]其計算公式见式（1），Kk表示对某因素第k水平的满意度（k=1，2…4），其值为某因素在第k水平下的bi，j之和，故最大的Kk值对应于最优的水平，R为Kk的极差，其值越大，说明该因素变动时对试验结果的影响越大，从而可按照R的大小来确定影响因素的主次顺序。[4]bi，j的计算结果见表4，Kk和R的计算结果见表5。

通过表5可以看出：（1）影响因素对评价指标Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6和Y7的影响顺序分别为γ﹥β﹥α，β﹥γ﹥α，β﹥γ﹥α，α﹥β﹥γ，β﹥α﹥γ，α﹥β﹥γ以及β﹥α﹥γ；（2）对应于Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6和Y7的最佳因素水平组合分别为α2β4γ4，α1β1γ1，α2β1γ1，α2β2γ2，α2β3γ2，α2β2γ2和α2β3γ2。

2.2 机理分析

由表1可知，锂渣和粉煤灰具有较低的需水率和较小的比表面积，故将其等量取代水泥后会增加混凝土的坍落度，硅粉的颗粒极细，将其掺入混凝土中可以改善水泥浆体的颗粒级配，产生所谓的“滚珠效应”，[5]从而增加混凝土坍落度，但是硅粉的需水率较大，若掺入量过大，会导致混凝土更粘稠，降低了坍落度，[6]因此，可以选择掺入过量的粉煤灰和锂渣以及适量的硅粉以制备大坍落度的混凝土；由于锂渣的底活性以及硅粉在高浓度碱环境下才能激发出其火山灰活性，[7]粉煤灰、锂渣和硅粉的掺入均会降低混凝土早期强度，若对于早期强度有要求的混凝土，不掺或者尽量少掺粉煤灰、锂渣和硅粉为宜；对于混凝土后期抗压强度，以适量硅粉掺量为宜，当硅粉掺量过大时，水泥水化产生的Ca（OH）2不足以将硅粉消耗完全，[8]而硅粉本身不会发生水化反应，从而导致混凝土强度有一定的降低；各因素对劈裂强度的影响与对抗压强度的影响原理相同，不再赘述；由表5可知，拉压比一栏的极差相对较小切相近，说明各因素对拉压比影响均较小且差异不大。

3 结论

1）适量的硅粉可以增加混凝土流动性，硅粉过量时，混凝土流动性和强度均有所降低；

2）粉煤灰和锂渣可以增加混凝土流动性；

3）硅粉、粉煤灰和锂渣对混凝土拉压比影响较小；

4）可以借助极差分析手段制备具有特定功能要求的混凝土。

参考文献：

[1]李清富，孙振华，张海洋.粉煤灰和硅粉对混凝土强度影响的试验研究[J].混凝土，2011，（5）：77-79.

[2]孙庆和，魏永起，孟云芳.煅烧硅藻土改性高性能再生混凝土的制备及性能[J].混凝土，2012（9）：129-133.

[3]苏宏华，姚正军.多指标正交试验的模糊分析方法[J].南京航空航天大学学版，2001，36（1）：29-33.

[4]毛海涛，王晓菊，何华祥，等.锂、钢渣掺合混凝土强度性能的正交试验研究[J].硅酸盐通报，2013，32（12）：2427-2434.

[5]韩长菊，张育才，周惠群，等.钢渣粉取代矿渣粉配置水泥混凝土的试验研究[J].混凝土与水泥制品，2014，（8）：83-88.

[6]冯辉红，胡现石，杨可，等.硅粉再普通硅酸盐水泥中合理掺量的试验研究[J].应用化工，2015，44（11）：2011-2014.

[7]何小芳，卢军太，李小楠，等.硅灰对混凝土性能影响的研究进展[J].硅酸盐通报，2013，32（3）：423-428.

[8]罗小宝，马芹永，顾皖庆，等.硅藻土掺量和硅粉掺量对混凝土抗压强度影响的试验与分析[J].科学技术与工程，2018，18（20）：310-314.

作者简介：刘真（1993-），男，江苏徐州人，在读硕士，研究方向：新型混凝土材料。