基于正交试验的水泥_铁尾矿胶凝材料最佳配比

李建刚 董学超 杜昊

（1.山西路桥建设集团有限公司，山西 太原 030006；2.安徽省城乡规划设计研究院有限公司，安徽 合肥 230033；3.长安大学公路学院，陕西 西安 710064）

铁尾矿是铁矿石经过选别后剩余的固体废弃物。我国现存铁尾矿数量巨大。其中不稳定的铁尾矿较多，大量堆积形成了尾矿库，危害经济社会和自然环境。本文基于山西省红色和蓝色铁尾矿，探究一种新型铁尾矿使用方法，即作为水泥活性混合材料。通过机械研磨法活化铁尾矿，开发出一种水泥-铁尾矿胶凝材料，并设计正交试验，通过极差分析得到最佳水泥-铁尾矿胶凝材料的配比，分析了各因素对水泥-铁尾矿胶凝材料强度的影响。

一、原材料与试验方案

本文研究的水泥-铁尾矿胶凝材料是由红色铁尾矿粉、蓝色铁尾矿粉、水泥、水及机制砂构成。

（一）铁尾矿

本文所用两种铁尾矿取自山西省忻州市繁峙镇东山底村。由于这二者样品在颜色上有明显特点，因此将其分为红色铁尾矿与蓝色铁尾矿，记为SXH和SXL。

红色铁尾矿颜色较深，细集料含量较多，颗粒粒径分布范围较广，集料表面附着大量泥灰，大粒径碎石的颗粒形状接近立方体，集料形态较好；蓝色铁尾矿颜色较浅，多为粗集料，集料表面较为洁净，但针片状含量较高，矿石种类杂乱。

（二）水泥

本文采用朔州金圆水泥有限公司生产的P.042.5型号水泥，水泥技术指标均满足规范要求。

（三）标准砂

本文采用的标准砂由厦门艾斯欧标准砂有限公司生产，符合标准：GB/T1764-1999。每次试验为一包标准砂1350±5g，粒径范围分布从0.08mm～2mm。

（四）试验方案

本文首先利用球磨机将铁尾矿研磨30min，然后设计正交试验，影响因素为A（铁尾矿总掺量）、B（水胶比）、C（红蓝铁尾矿比值），每个因素取4个水平，其中A因素水平设置为10%、20%、30%、40%和50%，B因素水平设置为0.35、0.4、0.45、0.5和0.55，C因素水平设置为3:1、2:1、1:1、1:2和1:3，具体的每项正交试验的配比如表1所示。最后对正交试验25组试件分别进行3d、7d、28d的抗折强度和抗压强度试验，记录试验结果，并通过极差分析比较得到最佳水泥-铁尾矿胶凝材料配比。

二、结果与分析

（一）力学试验结果

对养护龄期为3d、7d、28d的水泥-铁尾矿凝胶材料试件分别进行抗折、抗压强度试验，结果如表2所示。

该正交试验中使用水泥为42.5普通硅酸盐水泥，而在定义水泥-铁尾矿胶凝材料时可将其定义为矿渣硅酸盐水泥。由表2可知，其抗折强度可以满足《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》中对于水泥强度规定，而抗压强度只有T2与T8满足矿渣硅酸盐水泥规范要求，即铁尾矿总掺量在20%左右时满足要求。

表1 水泥-铁尾矿正交试验配合比

表2 水泥-铁尾矿胶凝材料抗折、抗压强度试验结果

表3 各龄期抗折强度正交试验极差分析结果

（二）极差分析

如表3和表4所示，为3d、7d、28d各强度试验值计算所得的极差分析。

由抗折强度、抗压强度正交试验极差分析结果表可知，在水泥-铁尾矿胶凝材料抗折强度的三个影响因素中，按照对试验结果的影响程度排序：3d、7d龄期顺序：因素A（铁尾矿总掺量）＞因素B（水胶比）＞因素C（红蓝铁尾矿比值）；28d龄期顺序：因素B（水胶比）＞因素A（铁尾矿总掺量）＞因素C（红蓝铁尾矿比值）。

表4 各龄期抗压强度正交试验极差分析结果

根据抗折强度试验结果，龄期为3d时强度比较好的一组是10%掺量的铁尾矿总量+0.4水胶比+1：1红蓝铁尾矿比值，龄期为7d时强度比较好的一组是20%掺量的铁尾矿总量+0.45水胶比+1：1红蓝铁尾矿比值，龄期为28d时强度比较好的一组是20%掺量的铁尾矿总量+0.4水胶比+1：3红蓝铁尾矿比值。

根据抗压强度试验结果，龄期为3d时强度比较好的一组是20%掺量的铁尾矿总量+0.4水灰比+2：1红蓝铁尾矿比值，龄期为7d时强度比较好的一组是20%掺量的铁尾矿总量+0.4水胶比+1：1红蓝铁尾矿比值，龄期为28d时强度比较好的一组是20%掺量的铁尾矿总量+0.45水胶比+1：1红蓝铁尾矿比值。

因此最佳配比为20%掺量的铁尾矿总量+0.4水灰比+1：1红蓝铁尾矿比值。

（三）各因素对水泥_铁尾矿胶凝材料强度影响分析

各因素对水泥-铁尾矿胶凝材料3d、7d和28d抗折强度和抗压强度影响分析如下：

因素A（铁尾矿总掺量），抗折强度与抗压强度随着铁尾矿总掺量增加先增加后减少。说明虽然铁尾矿有活性，但是由于铁尾矿的活性而产生活性物质胶结力远不及水泥的胶结力，故无论铁尾矿总掺量为多少，抗压强度与抗折强度是小于单使用水泥的强度。随着铁尾矿总掺量的增加，增加活性成分的胶结力是大于减小的水泥胶结力，故强度总体呈现上升趋势。当超过最佳掺量后，增加的活性成分胶结力小于减少的水泥胶结力，故强度呈现总体下降趋势。

因素B（水胶比），抗折强度与抗压强度随着水胶比的增大先增加后减小。主要原因在于水胶比较小无法使水泥完全水化，在拌和胶砂试件时振捣过程中过于干硬无法振捣密实，成型时产生较多空隙甚至裂纹，使得强度较低。随着水胶比增大，胶砂有了较好的流动性，成型的试件更加密实，试件的强度也得到了提高。当超过最佳水胶比，即用水量过多，虽然使得胶砂流动性更好，但是过多的水会游离在胶砂之间形成水泡，并可能在养护过程中形成气孔结构，这将大大减小胶砂试件在抵抗外部荷载时的有效截面积，同时可能会在空隙周围产生应力集中，从而逐渐降低强度。

因素C（红蓝铁尾矿比值），由于红色铁尾矿活性值大于蓝色铁尾矿，压碎值小于蓝色铁尾矿，所以红色铁尾矿作为填料的强度不及蓝色铁尾矿。因此当红色铁尾矿多于蓝色铁尾矿时，随着红蓝铁尾矿比值的降低，由红色铁尾矿量的减少而降低的强度较小，而由蓝色铁尾矿作为填料而增加的强度较大，故整体强度逐渐增加；当蓝色铁尾矿的量多于红色铁尾矿时，随着红蓝铁尾矿比值的降低，由蓝色铁尾矿作为填料对强度的增长已趋于平缓，由红色铁尾矿量减少而降低的强度较大，故整体强度呈下降趋势。

四、结语

基于正交试验，利用极差分析法分别研究了水泥-铁尾矿胶凝材料的最佳配比和各因素对水泥-铁尾矿胶凝材料强度的影响，得出以下结论：

1.由抗折强度、抗压强度正交试验极差分析结果得出，水泥-铁尾矿胶凝材料最佳的配比为20%掺量的铁尾矿总量+0.4水灰比+1：1红蓝铁尾矿比值。

2.分析各因素对水泥-铁尾矿胶凝材料强度影响得到：抗折强度与抗压强度随着铁尾矿总掺量的增加先增加后减少；抗折强度与抗压强度随着水胶比的增大先增加后减小；随着红蓝铁尾矿比值的降低，抗折强度与抗压强度呈现先增加再下降趋势。