用正交試驗(yàn)法確定復(fù)合水泥配方(1)
0 前言
硅酸鹽水泥從發(fā)明至今已有100多年的歷史?,F(xiàn)已被廣泛應(yīng)用。但是,這種水泥存在不少缺陷(1~3),主要是資源和能源消耗量大、環(huán)境污染嚴(yán)重、水泥的后期性能(包括長期強(qiáng)度發(fā)展和耐久性)并不理想,為了克服這些缺點(diǎn),人們在保持熟料礦物組成不變的情況下,研究用各種混合材代替部分熟料來生產(chǎn)復(fù)合硅酸鹽水泥(簡稱復(fù)合水泥)。
以往水泥常用的混合材主要是礦渣、火山灰、粉煤灰、窯灰、石灰石和砂巖等6種材料,復(fù)合水泥除了可用上述6種主要材料外,還可同時(shí)使用其它工業(yè)廢料作混合材,如磷渣、鉻鐵渣、鈦渣等對人體無害,但對水泥性能有利的工業(yè)廢渣,這對工業(yè)廢渣的綜合利用和緩解混合材短缺的矛盾具有重大的意義。復(fù)合水泥是以混合材復(fù)摻為基礎(chǔ)的水泥,與單摻的水泥相比,既有優(yōu)勢又有不足。優(yōu)勢在于可明顯改善水泥的性能,提高水泥的質(zhì)量和產(chǎn)量,降低水泥生產(chǎn)成本;不足在于,復(fù)摻時(shí)如配比選擇不當(dāng),就無法控制生產(chǎn),難以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)復(fù)合水泥。本文將數(shù)學(xué)方法應(yīng)用于復(fù)合水泥配方的選擇,可為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)復(fù)合水泥提供可靠的理論依據(jù)。
1 正交試驗(yàn)
熟料、石灰石取自南京某水泥廠;沸石取自山東某沸石礦;石膏取自南京;外加劑Ⅰ和Ⅱ?yàn)槟硰S產(chǎn)品,上述材料的化學(xué)成分見表1。
表1 原材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)w) %
名稱 燒失量 SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO SO3 Na2O K2O H2O f-CaO Σ
熟料 1.35 21.22 4.88 4.88 64.55 1.75 — — — — 0.38 98.63
沸石 7.52 70.80 12.48 0.89 2.91 0.76 — 1.42 2.70 — — 95.10
石灰石 26.43 35.97 2.23 1.60 32.76 0.93 — — — — — 99.92
石 膏 0.58* — 0.16 0.12 32.24 — 44.97 — — 20.63 — 98.70
注:*為不溶物
由于沸石對水泥早期強(qiáng)度不利,而石灰石對水泥后期強(qiáng)度不利,根據(jù)科研及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),分別按沸石摻量7%、14%和21%,石灰石摻量5%、10%和15%進(jìn)行配料,并采用外加劑Ⅰ和Ⅱ,來改善復(fù)合水泥的早期和后期強(qiáng)度。按四因素三水平表,選擇L9(34)正交表,確定實(shí)驗(yàn)方案,見有2、表3。
表2 因素和水平表
水平 因素石灰石(A) 沸石(B) 外加劑Ⅰ(C) 外加劑Ⅱ(D)
1 5 7 0 0
2 10 14. 2 * 1
3 15 21 2 2
注:*經(jīng)加工處理。
表3 正交表和水泥強(qiáng)度試驗(yàn)配方
試驗(yàn)號 列號 相應(yīng)配比 外加劑/% 石膏/% 混合材/% 熟料/%
A B C D A B C D
1 1 1 1 1 5 7 0 0 0 4 12 84
2 1 2 2 2 5 14 2* 1 3 4 19 74
3 1 3 3 3 5 21 2 2 4 4 26 66
4 2 1 2 3 10 7 2* 2 4 4 17 75
5 2 2 3 1 10 14 2 0 2 4 24 70
6 2 3 1 2 10 21 0 1 1 4 31 64
7 3 1 3 2 15 7 2 1 3 4 22 71
8 3 2 1 3 15 14 0 2 2 4 29 65
9 3 3 2 1 15 21 2* 0 2 4 36 58
按表3配方進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表4,其中#0樣為純熟料水泥(熟料:96%,石膏4%)。
表4 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果 MPa
編號 抗壓強(qiáng)度 抗折強(qiáng)度
3d 7d 28d 90d 3d 7d 28d 90d
0 36.7 45.6 62.0 71.4 6.3 8.1 8.7 9.8
1 28.2 39.4 60.2 72.7 5.6 7.2 9.0 10.5
2 33.5 41.2 58.0 66.0 5.6 7.7 9.3 10.6
3 25.9 36.5 49.2 54.5 4.9 7.1 9.5 10.2
4 32.0 37.1 51.0 56.9 5.7 6.9 8.8 10.0
5 22.8 30.4 53.4 60.7 4.6 6.6 8.9 10.6
6 18.0 28.7 46.5 49.0 3.7 6.0 8.0 9.8
7 29.7 35.0 47.9 52.5 5.5 6.4 8.3 9.6
8 25.4 36.0 47.6 53.5 4.7 6.8 9.0 10.1
9 17.4 28.4 46.5 59.3 3.9 6.0 8.5 10.0
2 分析與討論
2.1 各因素對復(fù)合水泥28 d抗壓強(qiáng)度的影響?yīng)?br>
表5是各因素水平變化時(shí)對28 d抗壓強(qiáng)度影響的計(jì)算結(jié)果,由表5按極差Rj的數(shù)值由大至小依次為:石灰石、沸石、外加劑Ⅱ、外加劑Ⅰ,故對復(fù)合水泥后期抗壓強(qiáng)度影響的次序亦為石灰石、沸石、外加劑Ⅱ、外加劑Ⅰ。對照表5,比較各自mij;值的大小(結(jié)果數(shù)值越大越好),可知m11、m22、m23和m14分別為各列中較大值,因此復(fù)合水泥的最佳配比為:石灰石5%,沸石14%,經(jīng)處理的外加劑Ⅰ2%。以每個(gè)因子各水平代表的實(shí)際狀態(tài)為橫坐標(biāo),以試驗(yàn)結(jié)果之和(mij)為縱坐標(biāo),畫出各種因素對復(fù)合水泥28 d抗壓強(qiáng)度影響的示意圖(見圖1),從圖中我們很容易看出各因素對復(fù)合水泥28d抗壓強(qiáng)度的影響情況。
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