用正交試驗法確定復合水泥配方(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)境污染嚴重、水泥的后期性能(包括長期強度發(fā)展和耐久性)并不理想，為了克服這些缺點，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)復合硅酸鹽水泥(簡稱復合水泥)。
　　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，復合水泥除了可用上述6種主要材料外，還可同時使用其它工業(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。復合水泥是以混合材復摻為基礎的水泥，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，復摻時如配比選擇不當，就無法控制生產(chǎn)，難以生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)復合水泥。本文將數(shù)學方法應用于復合水泥配方的選擇，可為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)復合水泥提供可靠的理論依據(jù)。 
　　1 正交試驗
　　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為某廠產(chǎn)品，上述材料的化學成分見表1。
表1 原材料的化學成分(質(zhì)量分數(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度不利，而石灰石對水泥后期強度不利，根據(jù)科研及生產(chǎn)經(jīng)驗，分別按沸石摻量7%、14%和21%，石灰石摻量5%、10%和15%進行配料，并采用外加劑Ⅰ和Ⅱ，來改善復合水泥的早期和后期強度。按四因素三水平表，選擇L9(34)正交表，確定實驗方案，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 正交表和水泥強度試驗配方
試驗號 列號 相應配比 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配方進行強度試驗，試驗結(jié)果見表4，其中#0樣為純熟料水泥(熟料：96%，石膏4%)。
　表4 強度試驗結(jié)果 MPa
編號 抗壓強度 抗折強度 
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 各因素對復合水泥28 d抗壓強度的影響
　　表5是各因素水平變化時對28 d抗壓強度影響的計算結(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，故對復合水泥后期抗壓強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%。以每個因子各水平代表的實際狀態(tài)為橫坐標，以試驗結(jié)果之和(mij)為縱坐標，畫出各種因素對復合水泥28 d抗壓強度影響的示意圖(見圖1)，從圖中我們很容易看出各因素對復合水泥28d抗壓強度的影響情況。