李學(xué)進，閆振民，張勇，謝慧東

（1. 濟南章丘市工程質(zhì)量與安全生產(chǎn)監(jiān)督站，山東 濟南 250200；2. 濟南市工程質(zhì)量與安全生產(chǎn)監(jiān)督站，山東 濟南 250014；3. 山東華森混凝土有限公司，山東 濟南 250101）

不同因素對泵送鋼渣配重混凝土性能影響及正交試驗分析

李學(xué)進1，閆振民2，張勇3，謝慧東3

（1. 濟南章丘市工程質(zhì)量與安全生產(chǎn)監(jiān)督站，山東 濟南 250200；2. 濟南市工程質(zhì)量與安全生產(chǎn)監(jiān)督站，山東 濟南 250014；3. 山東華森混凝土有限公司，山東 濟南 250101）

試驗研究了不同膠凝材料比例、砂率、石粉砂及 5～10mm 細石石子比例對鋼渣混凝土表觀密度的影響，通過正交設(shè)計，設(shè)計鋼渣混凝土配合比，并進行鋼渣混凝土的性能試驗，結(jié)果表明：膠凝材料比例是影響鋼渣混凝土性能的主要因素，其次是石粉砂摻量，再次是細石摻量，影響最小的是砂率。鋼渣混凝土總功效系數(shù)隨不同因素數(shù)值的增加均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，得出最優(yōu)組合為 A2B2C3D3。

鋼渣混凝土；表觀密度；正交試驗；功效系數(shù)

0 引言

鋼渣是煉鋼產(chǎn)生的工業(yè)廢渣，約占鋼產(chǎn)量的15%～20%。我國鋼渣整體利用率很低，僅為 10% 左右，而歐洲的利用率達到 65%，日本美國的利用率則達到了100%[1,2]。大量鋼渣堆存，占用了大量的土地，造成了嚴重的環(huán)境污染，破壞了生態(tài)環(huán)境[3]。有研究表明，鋼渣主要礦物組成為 C3S、C2S、CaCO3、Ca(OH)2、SiO2和 RO 相，其中C3S和 C2S 常溫下有一定的水硬活性，用于混凝土中有利于混凝土后期強度的發(fā)展及界面過渡區(qū)的改善，鋼渣取代粗骨料配制的混凝土強度優(yōu)于普通混凝土[4-6]。應(yīng)用石灰石配制的混凝土干表觀密度一般在 2400kg/m3左右，對于密度要求大于2600kg/m3的配重混凝土，需要采用較重的骨料才可以實現(xiàn)。鋼渣表觀密度一般在 3000kg/m3以上，且資源較豐富，本試驗以鋼渣為混凝土粗骨料，以機制砂或石粉砂為細骨料，通過改善骨料級配，配制混凝土干表觀密度大于 2600kg/m3的泵送混凝土，分析膠凝材料、砂、5～10mm 細石等對混凝土表觀密度的影響，同時設(shè)計正交試驗并對各因素對混凝土性能的影響做出分析。

1 試驗原材料與測試方法

1.1 試驗原材料

水泥：山東水泥廠 P·O42.5 水泥；粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰；石灰石機制砂，石灰石石料廠尾礦石粉砂，物理性能見表 1；鋼渣粗骨料，物理性能見表 2，粒徑分布見表 3；5～10mm 石灰石細石，物理性能見表 4；脂肪族復(fù)合外加劑，減水率 16%，摻量為 3.0%。

表 1 機制砂、石粉砂物理性能

表 2 鋼渣物理性能

表 3 鋼渣各粒徑分級篩余

表 4 5～10mm 細石物理性能

1.2 試驗方法

配合比設(shè)計參照執(zhí)行 JGJ55－2011 《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，鋼渣配重混凝土設(shè)計干表觀密度≥2600kg/m3，設(shè)計強度等級 C30。由于強度等級要求不是很高，首先應(yīng)考慮配制的混凝土干表觀密度滿足設(shè)計配重密度要求，同時要求混凝土出機坍落度大于 200mm，和易性良好，滿足泵送施工要求?；炷涟韬衔镄阅茉囼瀰⒄?GB/T 50080－2002 《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，測定混凝土拌合物表觀密度，出機及 40min 坍落度，觀察坍落后混凝土試體的和易性。參照 GB/T 50081－2002 《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準》，成型 (100×100×100)mm 的混凝土試塊，在溫度為 (20±5)℃ 環(huán)境中靜置一天，然后編號、拆模。拆模后放入溫度為 (20±2)℃、相對濕度為 95% 以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護，測試其不同齡期抗壓強度。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 不同因素對鋼渣混凝土表觀密度影響

鋼渣表觀密度較大，鋼渣混凝土中鋼渣骨料與砂、膠凝材料的密度相差較大，在泵送混凝土或大流動性混凝土中很容易出現(xiàn)離析分層現(xiàn)象，為保證拌合物和易性，鋼渣混凝土中膠凝材料用量相對較高，對骨料級配要求會更加嚴格，本試驗在前期試驗的基礎(chǔ)上，配合比膠凝材料用量選用470kg/m3，試驗中分別通過調(diào)整砂率、膠凝材料中粉煤灰比例、石粉砂占細骨料比例及細石占粗骨料比例改善混凝土級配。試驗配合比及試驗結(jié)果見表 5 及圖 1～4。

表 5 試驗配合比及試驗結(jié)果

圖 1 砂率對混凝土表觀密度影響曲線

圖 2 膠凝材料比例對混凝土表觀密度影響曲線

圖 3 石粉砂占細骨料比例對混凝土表觀密度影響曲線

圖 4 細石占粗骨料比例對混凝土表觀密度影響曲線

表 6 正交試驗方案設(shè)計 L16 (44)

由表 5 試驗結(jié)果及圖 1～4 可以得出，通過調(diào)整混凝土用水量，在滿足鋼渣混凝土出機坍落度大于 200mm 要求的前提下：鋼渣混凝土表觀密度隨砂率逐漸增大而減小，但和易性隨砂率提高而改善，而且由于鋼渣表觀密度較大，砂率低于普通石灰石骨料混凝土，當砂率達到 38% 時，鋼渣混凝土表觀密度達到 2760kg/m3，拌合物工作性良好，坍落度基本沒有損失；出機混凝土坍落度大于 200mm，鋼渣骨料表觀密度較大，較石灰石更容易下沉，為保證混凝土拌合物和易性，膠凝材料用量相對較高，鋼渣混凝土表觀密度隨粉煤灰摻量增加先增加后減小，當水泥∶粉煤灰為 360∶110 時，拌合物表觀密度最大，和易性較好；砂率相同，鋼渣混凝土表觀密度隨石粉砂占細骨料比例的增加先增加后減小，當取代比例為40% 時，拌合物表觀密度最大，為 2770kg/m3，混凝土工作性良好，但是由于石粉砂中石粉含量較高，當石粉砂取代比例過高時，拌合物粘度較大；鋼渣表觀密度隨細石占粗料比例增加先增大后減小，當細石取代比例為 9% 時，鋼渣表觀密度達到最大，且拌合物工作性良好，易于施工。

2.2 鋼渣配重混凝土正交試驗分析

根據(jù)上述不同因素對鋼渣混凝土表觀密度的影響試驗，正交試驗中膠凝材料用量為 470kg/m3，骨料總重量為2100kg/m3，出機坍落度大于 200mm。砂率分別設(shè)計取 34%、36%、38%、40%，石粉砂占細骨料比例為 20%、40%、60%、80%，細石占粗骨料比例為 3%、6%、9%、12%。通過調(diào)整用水量，保證鋼渣混凝土出機坍落度在大于 200mm 的前提下，試驗研究水泥、粉煤灰比例、砂率、石粉砂比例、細石取代鋼渣比例對鋼渣混凝土性能的影響，確定其相互之間的最佳值。結(jié)合以上試驗，確定每一個參數(shù)取四個水平進行正交試驗，選取 L16(44) 正交表。以混凝土強度、工作性能、表觀密度、干密度作為評價指標，換算成總功效系數(shù)，進行綜合評價，并進行極差分析。正交試驗方案設(shè)計及結(jié)果分析如表 6 所示。

由表 6 可以直觀的看出：

（1）膠凝材料比例的極差為 0.048，最大；石粉砂極差為 0.018，次之；細石比例與砂率極差分別為 0.016 和 0.007。正交試驗中極差大小表示對試驗結(jié)果的影響程度，極差越大則說明該因素對評價指標的影響越明顯，因此各因素對混凝土總體性能的影響主次順序為：水泥粉煤灰比例＞石粉砂比例＞細石比例＞砂率。

（2）隨著各不同因素數(shù)值的增大，均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，得出最優(yōu)方案為 A2B2C3D3，根據(jù)試驗結(jié)果，混凝土出機坍落度 215mm，和易性良好，濕表觀密度為2770kg/m3，干密度為 2680kg/m3，28d 抗壓強度為 42.6MPa。

3 試驗結(jié)論

（1）鋼渣混凝土表觀密度隨砂率增加而降低，隨粉煤灰摻量、石粉砂比例及細石比例增加均先增大后減小。拌合物工作性能隨砂率、粉煤灰摻量和細石摻量增加而改善，流動性能更好。

（2）正交試驗分析表明各因素對混凝土總體性能的影響主次順序為：水泥粉煤灰比例＞石粉砂比例＞細石比例＞砂率，最佳方案為 A2B2C3D3。

[1] 楊波，石林．鋼渣混凝土研究現(xiàn)狀分析[J]．高新技術(shù)，2011(7):11-12．

[2] MOTZ H，CEISELER J．Products of steel slag an opportunity to save natural resources．Waste Management，2001,，21(3):285-293.

[3]楊華明，張廣業(yè)．鋼渣資源化的現(xiàn)狀與前景[J]．礦產(chǎn)綜合利用，1999(6):35-37.

[4]白敏．尚建麗．張松榆．等．鋼渣替代粗集料配制混凝土的試驗研究[J]．混凝土，2005(7):62-70．

[5]王保民，胡斌，藺懷義．鋼渣混凝土強度特性的試驗研究[J]．特種結(jié)構(gòu)，2004,21(4):77-79．

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［通訊地址］山東濟南高新區(qū)鳳山路山東華森混凝土有限公司 （250101）

Influence of different factors on the performance of steel concrete and orthogonal experiment analysis

Li Xuejin1, Yan Zhenmin2, Zhang Yong3, Xie Huidong3
(1. Jinan Zhangqiu Center for Quality Supervision and Safety in Production of Building Engineering, Shandong Jinan 250200; 2. Jinan Center for Quality Supervision and Safety in Production of Building Engineering,Shandong Jinan 250014; 3. Shandong Huasen Concrete Co. Ltd.,Shandong Jinan 250101)

The influences of binding material, sand ratio, power sand and 5-10mm finger stone on steel concrete bulk density was studied. Orthogonal test was carried out, results show as follows:affect the steel concrete performance of the main facts is the binding material proportion followed by power sand content, 5-10mm finger stone content and sand ratio. Total efficacy coefficient of concrete was first increased and then decreasesd as the different factors numerical increase, the best design project was A2B2C3D3.

steel concrete; bulk density; orthogonal test; efficacy coefficient

李學(xué)進（1972－），本科，從事建筑材料檢測工作。