用正交试验法确定复合水泥配方(1)

　　0 前言
　　硅酸盐水泥从发明至今已有100多年的历史。现已被广泛应用。但是，这种水泥存在不少缺陷(1～3)，主要是资源和能源消耗量大、环境污染严重、水泥的后期性能(包括长期强度发展和耐久性)并不理想，为了克服这些缺点，人们在保持熟料矿物组成不变的情况下，研究用各种混合材代替部分熟料来生产复合硅酸盐水泥(简称复合水泥)。
　　以往水泥常用的混合材主要是矿渣、火山灰、粉煤灰、窑灰、石灰石和砂岩等6种材料，复合水泥除了可用上述6种主要材料外，还可同时使用其它工业废料作混合材，如磷渣、铬铁渣、钛渣等对人体无害，但对水泥性能有利的工业废渣，这对工业废渣的综合利用和缓解混合材短缺的矛盾具有重大的意义。复合水泥是以混合材复掺为基础的水泥，与单掺的水泥相比，既有优势又有不足。优势在于可明显改善水泥的性能，提高水泥的质量和产量，降低水泥生产成本；不足在于，复掺时如配比选择不当，就无法控制生产，难以生产出优质复合水泥。本文将数学方法应用于复合水泥配方的选择，可为生产优质复合水泥提供可靠的理论依据。 
　　1 正交试验
　　熟料、石灰石取自南京某水泥厂；沸石取自山东某沸石矿；石膏取自南京；外加剂Ⅰ和Ⅱ为某厂产品，上述材料的化学成分见表1。
表1 原材料的化学成分(质量分数w) %
名称 烧失量 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：*为不溶物
　　由于沸石对水泥早期强度不利，而石灰石对水泥后期强度不利，根据科研及生产经验，分别按沸石掺量7%、14%和21%，石灰石掺量5%、10%和15%进行配料，并采用外加剂Ⅰ和Ⅱ，来改善复合水泥的早期和后期强度。按四因素三水平表，选择L9(34)正交表，确定实验方案，见有2、表3。
表2 因素和水平表
水平　因素石灰石(A) 沸石(B) 外加剂Ⅰ(C) 外加剂Ⅱ(D) 
　　　　1 　　5 　　　7 　　　　0　　　　　 0
　　　　2　　 10　　 14. 2　 * 1　　
　　　　3　　 15 　　21　　　　 2　　　　　 2
　注：*经加工处理。
　表3 正交表和水泥强度试验配方
试验号 列号 相应配比 外加剂/% 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配方进行强度试验，试验结果见表4，其中#0样为纯熟料水泥(熟料：96%，石膏4%)。
　表4 强度试验结果 MPa
编号 抗压强度 抗折强度 
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 分析与讨论
　　2.1 各因素对复合水泥28 d抗压强度的影响
　　表5是各因素水平变化时对28 d抗压强度影响的计算结果，由表5按极差Rj的数值由大至小依次为：石灰石、沸石、外加剂Ⅱ、外加剂Ⅰ，故对复合水泥后期抗压强度影响的次序亦为石灰石、沸石、外加剂Ⅱ、外加剂Ⅰ。对照表5，比较各自mij；值的大小(结果数值越大越好)，可知m11、m22、m23和m14分别为各列中较大值，因此复合水泥的最佳配比为：石灰石5%，沸石14%，经处理的外加剂Ⅰ2%。以每个因子各水平代表的实际状态为横坐标，以试验结果之和(mij)为纵坐标，画出各种因素对复合水泥28 d抗压强度影响的示意图(见图1)，从图中我们很容易看出各因素对复合水泥28d抗压强度的影响情况。