基于正交試驗的水泥_鐵尾礦膠凝材料最佳配比

李建剛 董學超 杜昊

（1.山西路橋建設集團有限公司，山西 太原 030006；2.安徽省城鄉規劃設計研究院有限公司，安徽 合肥 230033；3.長安大學公路學院，陜西 西安 710064）

鐵尾礦是鐵礦石經過選別后剩余的固體廢棄物。我國現存鐵尾礦數量巨大。其中不穩定的鐵尾礦較多，大量堆積形成了尾礦庫，危害經濟社會和自然環境。本文基于山西省紅色和藍色鐵尾礦，探究一種新型鐵尾礦使用方法，即作為水泥活性混合材料。通過機械研磨法活化鐵尾礦，開發出一種水泥-鐵尾礦膠凝材料，并設計正交試驗，通過極差分析得到最佳水泥-鐵尾礦膠凝材料的配比，分析了各因素對水泥-鐵尾礦膠凝材料強度的影響。

一、原材料與試驗方案

本文研究的水泥-鐵尾礦膠凝材料是由紅色鐵尾礦粉、藍色鐵尾礦粉、水泥、水及機制砂構成。

（一）鐵尾礦

本文所用兩種鐵尾礦取自山西省忻州市繁峙鎮東山底村。由于這二者樣品在顏色上有明顯特點，因此將其分為紅色鐵尾礦與藍色鐵尾礦，記為SXH和SXL。

紅色鐵尾礦顏色較深，細集料含量較多，顆粒粒徑分布范圍較廣，集料表面附著大量泥灰，大粒徑碎石的顆粒形狀接近立方體，集料形態較好；藍色鐵尾礦顏色較淺，多為粗集料，集料表面較為潔凈，但針片狀含量較高，礦石種類雜亂。

（二）水泥

本文采用朔州金圓水泥有限公司生產的P.042.5型號水泥，水泥技術指標均滿足規范要求。

（三）標準砂

本文采用的標準砂由廈門艾斯歐標準砂有限公司生產，符合標準：GB/T1764-1999。每次試驗為一包標準砂1350±5g，粒徑范圍分布從0.08mm～2mm。

（四）試驗方案

本文首先利用球磨機將鐵尾礦研磨30min，然后設計正交試驗，影響因素為A（鐵尾礦總摻量）、B（水膠比）、C（紅藍鐵尾礦比值），每個因素取4個水平，其中A因素水平設置為10%、20%、30%、40%和50%，B因素水平設置為0.35、0.4、0.45、0.5和0.55，C因素水平設置為3:1、2:1、1:1、1:2和1:3，具體的每項正交試驗的配比如表1所示。最后對正交試驗25組試件分別進行3d、7d、28d的抗折強度和抗壓強度試驗，記錄試驗結果，并通過極差分析比較得到最佳水泥-鐵尾礦膠凝材料配比。

二、結果與分析

（一）力學試驗結果

對養護齡期為3d、7d、28d的水泥-鐵尾礦凝膠材料試件分別進行抗折、抗壓強度試驗，結果如表2所示。

該正交試驗中使用水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，而在定義水泥-鐵尾礦膠凝材料時可將其定義為礦渣硅酸鹽水泥。由表2可知，其抗折強度可以滿足《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規程》中對于水泥強度規定，而抗壓強度只有T2與T8滿足礦渣硅酸鹽水泥規范要求，即鐵尾礦總摻量在20%左右時滿足要求。

表1 水泥-鐵尾礦正交試驗配合比

表2 水泥-鐵尾礦膠凝材料抗折、抗壓強度試驗結果

表3 各齡期抗折強度正交試驗極差分析結果

（二）極差分析

如表3和表4所示，為3d、7d、28d各強度試驗值計算所得的極差分析。

由抗折強度、抗壓強度正交試驗極差分析結果表可知，在水泥-鐵尾礦膠凝材料抗折強度的三個影響因素中，按照對試驗結果的影響程度排序：3d、7d齡期順序：因素A（鐵尾礦總摻量）＞因素B（水膠比）＞因素C（紅藍鐵尾礦比值）；28d齡期順序：因素B（水膠比）＞因素A（鐵尾礦總摻量）＞因素C（紅藍鐵尾礦比值）。

表4 各齡期抗壓強度正交試驗極差分析結果

根據抗折強度試驗結果，齡期為3d時強度比較好的一組是10%摻量的鐵尾礦總量+0.4水膠比+1：1紅藍鐵尾礦比值，齡期為7d時強度比較好的一組是20%摻量的鐵尾礦總量+0.45水膠比+1：1紅藍鐵尾礦比值，齡期為28d時強度比較好的一組是20%摻量的鐵尾礦總量+0.4水膠比+1：3紅藍鐵尾礦比值。

根據抗壓強度試驗結果，齡期為3d時強度比較好的一組是20%摻量的鐵尾礦總量+0.4水灰比+2：1紅藍鐵尾礦比值，齡期為7d時強度比較好的一組是20%摻量的鐵尾礦總量+0.4水膠比+1：1紅藍鐵尾礦比值，齡期為28d時強度比較好的一組是20%摻量的鐵尾礦總量+0.45水膠比+1：1紅藍鐵尾礦比值。

因此最佳配比為20%摻量的鐵尾礦總量+0.4水灰比+1：1紅藍鐵尾礦比值。

（三）各因素對水泥_鐵尾礦膠凝材料強度影響分析

各因素對水泥-鐵尾礦膠凝材料3d、7d和28d抗折強度和抗壓強度影響分析如下：

因素A（鐵尾礦總摻量），抗折強度與抗壓強度隨著鐵尾礦總摻量增加先增加后減少。說明雖然鐵尾礦有活性，但是由于鐵尾礦的活性而產生活性物質膠結力遠不及水泥的膠結力，故無論鐵尾礦總摻量為多少，抗壓強度與抗折強度是小于單使用水泥的強度。隨著鐵尾礦總摻量的增加，增加活性成分的膠結力是大于減小的水泥膠結力，故強度總體呈現上升趨勢。當超過最佳摻量后，增加的活性成分膠結力小于減少的水泥膠結力，故強度呈現總體下降趨勢。

因素B（水膠比），抗折強度與抗壓強度隨著水膠比的增大先增加后減小。主要原因在于水膠比較小無法使水泥完全水化，在拌和膠砂試件時振搗過程中過于干硬無法振搗密實，成型時產生較多空隙甚至裂紋，使得強度較低。隨著水膠比增大，膠砂有了較好的流動性，成型的試件更加密實，試件的強度也得到了提高。當超過最佳水膠比，即用水量過多，雖然使得膠砂流動性更好，但是過多的水會游離在膠砂之間形成水泡，并可能在養護過程中形成氣孔結構，這將大大減小膠砂試件在抵抗外部荷載時的有效截面積，同時可能會在空隙周圍產生應力集中，從而逐漸降低強度。

因素C（紅藍鐵尾礦比值），由于紅色鐵尾礦活性值大于藍色鐵尾礦，壓碎值小于藍色鐵尾礦，所以紅色鐵尾礦作為填料的強度不及藍色鐵尾礦。因此當紅色鐵尾礦多于藍色鐵尾礦時，隨著紅藍鐵尾礦比值的降低，由紅色鐵尾礦量的減少而降低的強度較小，而由藍色鐵尾礦作為填料而增加的強度較大，故整體強度逐漸增加；當藍色鐵尾礦的量多于紅色鐵尾礦時，隨著紅藍鐵尾礦比值的降低，由藍色鐵尾礦作為填料對強度的增長已趨于平緩，由紅色鐵尾礦量減少而降低的強度較大，故整體強度呈下降趨勢。

四、結語

基于正交試驗，利用極差分析法分別研究了水泥-鐵尾礦膠凝材料的最佳配比和各因素對水泥-鐵尾礦膠凝材料強度的影響，得出以下結論：

1.由抗折強度、抗壓強度正交試驗極差分析結果得出，水泥-鐵尾礦膠凝材料最佳的配比為20%摻量的鐵尾礦總量+0.4水灰比+1：1紅藍鐵尾礦比值。

2.分析各因素對水泥-鐵尾礦膠凝材料強度影響得到：抗折強度與抗壓強度隨著鐵尾礦總摻量的增加先增加后減少；抗折強度與抗壓強度隨著水膠比的增大先增加后減小；隨著紅藍鐵尾礦比值的降低，抗折強度與抗壓強度呈現先增加再下降趨勢。