正交试验分析不同掺合料对混凝土强度的影响

孙志彬，张思雨

（河北建设集团股份有限公司混凝土分公司，河北 保定 071000）

0 引言

混凝土作为目前建筑业最广泛的建筑材料，其原材日益紧张，不仅砂、石品质不稳定，水泥、粉煤灰、高炉粒化矿渣粉等胶凝材料也出现价格上升、性能参差不齐等现象，因此亟需探寻性价比高的掺合料。

选矿废弃物铁尾矿近年来备受关注，将铁尾矿作为骨料进行的试验研究更是不计其数，本文以铁尾矿粉作为掺合料进行试验，探寻铁尾矿掺合料的可用性及其对强度的影响。

1 试验内容与方法

1.1 试验内容

首先对所用原料进行各项性能指标测试，选定用料，然后以粉煤灰掺量、矿渣粉掺量、铁尾矿粉掺量、水胶比为因素，采用正交试验法设计 C30 混凝土配合比。用极差法分析各因素对混凝土强度的影响，根据极差法分析结果，结合控制变量法，用铁尾矿粉进行试验，以混凝土工作性能与强度为指标，验证铁尾矿粉掺合料的可用性，研究出符合各项性能指标的铁尾矿粉掺合料混凝土，实现铁尾矿粉的综合利用。

1.2 试验方法

（1）正交试验法

正交试验法就是利用正交表来对试验进行整体设计、综合比较、统计分析，实现通过较少的试验次数找到较好的配合比，以达到最好效果，这种试验设计法是从大量的试验点中挑选适量的具有代表性的点，利用已经造好的正交表来安排试验并采用数据分析的方法。正交表能够在因素变化范围内均衡抽样，使每次试验都具有较强的代表性，由于正交表具备均衡分散的特点，保证了全面试验的某些要求，这些试验往往能够较好或更好的达到试验的目的。

（2）混凝土拌合方法

混凝土选用 HJW-60 型单轴强制式混凝土搅拌机拌合。拌合前先冲洗搅拌机，且预拌少量同水胶比的砂浆或配合比相同的混凝土拌合物，当搅拌机内壁挂浆后卸出剩余浆料。将称量好的胶凝材料、砂、石干拌1min，加水和外加剂后搅拌 2min，卸出拌合物手拌均匀，测定混凝土工作性能。

（3）混凝土拌合物性能评定方法

混凝土拌合物工作性能主要测定其坍落度和扩展度以及倒排空时间。在试验过程中结合混凝土和易性综合评定其工作性能。具体试验标准参照 GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》。

（4）混凝土抗压强度评定方法

混凝土不同龄期抗压强度按照 GB/T 50081—2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行测定。

2 试验过程及结果分析

2.1 原材料

（1）水泥：选用河北京兰 P·O42.5 水泥，该水泥各项性能指标均符合 GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》的规定要求，主要性能指标见表 1。

表 1 水泥的物理性能指标

（2）粉煤灰：选用保定雄华商贸Ⅱ级粉煤灰，主要性能指标见表 2。

（3）矿粉：选用保定乾华建材 S95 级矿渣粉，主要性能指标见表 3。

表 3 矿渣粉性能指标

（4）铁尾矿粉：选用涞源铁尾矿，磨成粉体作为掺合料，主要性能指标见表 4。铁尾矿粉粒径分布表见表 5。

表 4 铁尾矿粉性能指标

（5）外加剂：选用保定慕湖恒源新型建材有限公司生产的聚羧酸减水剂。

表 5 铁尾矿粉粒径分布表

（6）碎石：选用保定满城 5～25mm 连续级配碎石。

（7）砂：选用满城天然中砂，级配良好。

2.2 混凝土工作性能研究

粉煤灰与矿渣粉以不同比例取代水泥，同时将铁尾矿粉作为掺合料取代粉煤灰进行复掺，水胶比为 0.5 进行试配。利用正交试验对其进行探究，记录混凝土工作性能。正交试验配合比及坍落度、扩展度、倒排空时间和拌合物状态见表 6。

当用铁尾矿粉作为掺合料取代粉煤灰时，混凝土拌合物性能较不稳定，在矿粉掺量较低时，混凝土拌合物流动性差，铁尾矿粉保水性能较差，混凝土拌合物容易泌水，拌合物状态需调整。

表 6 铁尾矿粉取代粉煤灰配合比及拌合物性能

2.3 混凝土强度对比及分析

将 SP1～SP25 重新整理编号，按掺合料掺量比例重新排序，测定混凝土 7d、28d 抗压强度，利用极差法分析掺合料对试体强度影响显著程度。

铁尾矿粉取代粉煤灰配合比及抗压强度见表 7。

利用极差法分析当铁尾矿粉做为掺合料时，粉煤灰取代率、铁尾矿粉取代率、矿渣粉掺量对试体强度影响显著程度，极差分析结果见表 8。

表 7 铁尾矿粉取代粉煤灰配合比及抗压强度

表 8 试体强度极差分析

级差分析结果显示，用铁尾矿作为掺合料部分取代粉煤灰时，对混凝土强度影响显著性由高到低的因素分别是：铁尾矿粉掺量、粉煤灰掺量、矿渣粉掺量，其中影响最显著的因素为铁尾矿粉掺量，铁尾矿粉掺量水平差为 5.26，粉煤灰掺量水平差为 3.67，矿渣粉掺量水平差为 2.24。结合混凝土强度分析，混凝土强度均能达到C30，但混凝土拌合物性能不够稳定，状态不好控制，因此将进一步验证材料可用性。

2.4 铁尾矿粉掺合料可用性试验

为验证铁尾矿粉掺合料可用性，选取试验中其他掺合料较高掺量，其中粉煤灰掺量为 20%，矿渣粉掺量为30%，同时铁尾矿粉以 0、10%、20%、30%、40% 取代率部分取代粉煤灰，水胶比为 0.5，采用控制变量法进行试配。

表 9 不同比例铁尾矿粉掺合料混凝土试验数据

试配过程中混凝土拌合物性能不稳定，坍落度较小，流动性差，因此提高水胶比为 0.53，过程中，记录拌合物坍落度数据，并测定试体抗压强度，本次以 7d和 28d 强度作为参考数据。具体配合比及试验数据见表9。

粉煤灰掺量为 20%，矿粉掺量为 30% 时，混凝土7d、28d 抗压强度随铁尾矿粉取代量的变化曲线图见图1。

图 1 铁尾矿粉取代量对混凝土抗压强度的影响

粉煤灰掺量为 20%、矿渣粉掺量为 30%时，加入铁尾矿粉会使混凝土 7d、28d 强度降低，但混凝土 28d 强度均满足 C30 要求，其中铁尾矿粉取代率为 20% 时，混凝土强度最高达 38.9MPa，铁尾矿粉取代率为 40%时，强度最低为 37.3MPa。

3 结论

（1）铁尾矿粉对混凝土拌合物性能及强度影响较为显著，但在可控范围内，可以适宜配比进行利用，实现铁尾矿粉掺合料综合利用。

（2）当以铁尾矿粉作为掺合料部分取代粉煤灰时，铁尾矿粉掺量对混凝土强度影响最显著，水胶比0.5 时，级差为 5.26。

（3）采用粉煤灰以 20% 取代率取代水泥作为掺合料，铁尾矿粉取代率为 20% 取代粉煤灰，矿渣粉以30% 取代率取代水泥，试件 28d 强度可达 38.9MPa，最终确定配合比为：C: IIIF: Fe: K: S: G: W: A=1.00: 0.32:0.08: 0.60: 5.89: 4.56: 0.73: 0.0480。