矿物成分掺量对无熟料胶凝材料性能影响的正交试验

课程设计(论文)课程名称计算机在材料科学与工程中的应用题目L9（34）或其他正交试验设计及实验结果分析——矿物成分掺量对无熟料胶凝材料性能影响的正交试验院（系）（系）材料与矿资学院专业班级材料工程1301班姓名韩园园学号130502133指导教师赵炜范金禾2016年7月8日西安建筑科技大学课程设计（论文）任务书专业班级：材料工程1301班学生姓名：韩园园指导教师（签名）：一、课程设计（论文）题目L9（34）或其它正交试验设计及实验结果分析——矿物成分掺量对无熟料胶凝材料性能影响的正交试验二、本次课程设计（论文）应达到的目的掌握正交试验设计方法，熟练应用常规直观分析和方差分析来判断试验结果，给出最优的试验方案。三、本次课程设计（论文）任务的主要内容和要求（包括原始数据、技术参数、设计要求等）主要内容和要求：1.选择合适的正交表；2.利用直观分析寻求最优的试验条件；3.利用方差分析给出误差大小的估计；课程设计（论文）结束后，提交约6000字设计说明书。四、应收集的资料及主要参考文献：参考文献：1.计算机在材料科学中的应用等书目2.数据分析与试验最优化设计等书目3.概率论和数理统计等书目五、审核批准意见教研室主任（签字）摘要基于正交试验，以再生微粉、脱硫石膏、矿渣和钢渣为主要原料，并复掺少量激发剂，探讨了各种矿物成分掺量对新型无熟料胶凝材料强度、安定性、标准稠度需水量和凝结时间的影响，找出了与32.5级复合水泥强度等级相当的无熟料胶凝材料的配合比，并得到了各矿物组成的最佳配合比设计。同时，分别研究了养护条件对不同强度的新型无熟料胶凝材料的影响，当配合比中钢渣含量低于15%时，在标准条件下养护效果最好；当钢渣含量高于15%时，在空气中的养护效果最好。关键词：正交试验，再生微粉，矿渣，激发剂，配合比ABSTRACTBasedonorthogonaltest,renewablepowder,desulfurizedgypsum,slagandsteelslagasthemainrawmaterial,mixedappropriateamountofactivator,theinfluenceofvariousmineralingredientsdosageonstrengthofnewtypebindingmaterialwithoutcementclinker,stability,waterrequirementofstandardconsistencyandsettingtimeisdiscussed.Theintensitylevelreached32.5Rstrengthgrademixingratioofcementisfound,thebestofmixdesignformineralcompositionisobtained.Atthesametime,theeffectsofcuringconditionsondifferentstrengthofnewtypebindingmaterialwithoutcementclinkerisstudied.Whenthemixratioofsteelslagcontentislessthan15%,curingeffectsisthebestundernormalstandard;whenthecontentofsteelslagishigherthan15%,curingeffectisthebestintheair.Keywords:Orthogonaltest，Renewablepowder，Slag，Activator，Mixratio目录1引言................................................................................................................12试验内容..........................................................................................................22.1试验材料................................................................................................22.2正交试验方案........................................................................................23结果与分析......................................................................................................53.1直观分析法分析无熟料胶凝材料物理性能........................................53.2方差分析法分析标准稠度需水量........................................................93.3养护条件对无熟料复合胶凝材料强度影响......................................114全文总结........................................................................................................134.1全文总结..............................................................................................134.2试验反思..............................................................................................13参考文献..............................................................................................................14致谢....................................................................................................................15第1页1引言近年来，随着经济不断的快速发展以及城市化进程的加快，工业固体废弃物成为城市环境污染的最主要来源之一，资源的浪费以及环境的污染让我们为工业的发展付出了巨大的代价，这让我们与构建和谐社会中的资源节约型和环境友好型社会背道而驰。尤其是近些年频繁的旱涝与雾霾等极端天气使得这个问题更加突出，无熟料胶凝材料无疑是有效解决这个矛盾的一剂“妙药良方”。无熟料胶凝材料的制备与应用已成为世界各国的研究热点，希冀未来能够大幅替代乃至取代硅酸盐熟料胶凝材料[1]。事实上，多数“工业废物”都是非常宝贵的可利用资源，具有很高的经济价值，所以工业固体废弃物资源化是最符合实际的处理方法，不仅回收了有用的物质和资源，还大大减轻了固体废弃物对环境的危害，产生了巨大的社会和经济效益。在城市化的进程中，废弃混凝土是城市发展的负担，世界上许多城市均有过建筑垃圾围城的局面。目前，对于矿渣的研究比较成熟，已经开发出了矿渣-碱胶凝材料[2]、生态矿渣水泥[3]等高强材料。钢渣和脱硫石膏都是有活性成分的工业废渣，目前，钢渣和脱硫石膏都有多年在水泥和混凝土中使用的历史，然而在以前的研究中[4][5][6]，都是以钢渣和脱硫石膏掺入到现有的水泥基材料中，且掺入量很有限，钢渣的活性较低是制约钢渣大掺量使用的重要因素。另外，建筑垃圾是城市固体废弃物，而如今，其被认为是最具开发潜力的，永不枯竭的“城市矿藏”资源。所以利用好建筑垃圾，也是减少污染、最大效率利用资源的有效途径之一[7]。于是，开发和充分利用固体废弃物成为当今世界的重要研究。从道路工程学科的发展来看，研究在公路建设中使用廉价的工业废渣和固体废弃物是一个重要的发展方向[8][9].鉴于此，本试验考虑将建筑垃圾再生微粉用于性能调节辅助胶凝材料的生产[10]。本试验利用工业废渣和建筑垃圾来研制新型无熟料复合胶凝材料，使其各项性能可以达到32.5级复合水泥的性能指标，拟研制的无熟料再生微粉矿渣复合胶凝材料主要成分就是脱硫石膏、钢渣、矿渣和再生微粉。脱硫石膏的掺量可达10%~20%、钢渣用量10%~40%、矿渣用量20%~40%、再生微粉用量30%~40%或以上，同时使用少量激发剂。该复合胶凝材料不仅利用了固体废渣，解决了环境污染染问题，还可以减少水泥熟料用量，节约资源并降低能源消耗。第2页2试验内容2.1试验材料本试验主要原料有厦门某公司产“中国ISO标准砂”；宝钢产磁选除铁钢渣和水淬高炉矿渣；上海某电厂产脱硫石膏；上海某公司产的再生微粉；自制激发剂A和无机盐类激发剂B。试验所用激发剂的细度见表2-1，其它试验材料的化学组成见表2-2。表2-1试验用激发剂A、B磨细细度筛孔直径/μm8045筛余激发剂A/%7.620.7激发剂B/%5.318.7表2-2试验材料的化学组成材料名称SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3其它烧失量再生微粉61146.5112.250.755.52.5矿渣32.314.30.2397.715.53.7脱硫石膏1.50.80.2939.40.1252.595.39.24钢渣133.7214690.67.71.752.2正交试验方案在试验准备阶段，对脱硫石膏先在进行65℃烘干处理，然后进行粉磨;对钢渣、矿渣和再生微粉进行了粉磨处理，得到和普通水泥同等细度的矿物粉料。胶凝材料的胶砂强度试验按GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验法（ISO法）》进行，标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法按GB/T1346-2001《水泥标准稠度用量、凝结时间、安定性检验方法》进行，胶细度测定按GB/T1345-2005《水泥细度检验方法》进行。S.Kumar[11]的研究表明，经过粉磨后的矿渣微粉具有优化胶凝体系中孔隙的能力；H.Binici[12]的研究表明，磨细矿渣能降低胶凝体系的水化热，并可以增加胶凝体系的后期强度。所以，将材料在MH.III数显洛第3页杉矶磨耗试验机中进行两次粉磨，每次粉磨完成后均对粉磨机进行清洗。在前期试验经验及综合比选的基础上，确定了单掺激发剂对各种矿物组分活性激发效果不是特别明显，因此采用复掺激发剂来激发各种矿物组分活性。激发剂的复掺比例为激发剂A:激发剂B=2.78%:2.22%时，其强度等各项性能能达到最佳，因此在本次正交试验中暂不考虑激发剂这一因素。为了进一步科学研究各原材料掺量对该胶凝材料强度、凝结时间、标准稠度需水量等物理力学性能的影响，设计了如下A组、B组两组三因素、三水平正交试验[13]。A组选取了脱硫石膏、再生微粉和矿渣作为正交试验的三因素。脱硫石膏分别为12%、15%、18%三水平，再生微粉分别为20%、30%、40%，矿渣分别为20%、30%、40%三水平。表2-3所示为A组试验的正交试验的三水平、三因素，表2-4为A组对应的正交试验表各矿物的质量百分比含量。B组选取了脱硫石膏、再生微粉和钢渣作为正交试验的三因素。脱硫石膏分别为12%、15%、18%三水平，再生微粉分别为20%、30%、40%，钢渣分别为20%、30%、40%三水平。表2-5所示为B组试验的正交试验的三水平、三因素，表2-6为B组对应的正交试验表各矿物的质量百分比含量。在试验中，对每个配合比按表中比例称取好各矿物粉料后进行均匀搅拌，然后按照相关规