基于響應(yīng)面法的礦渣基全固廢膠凝材料配比優(yōu)化

劉樹龍，李公成，劉國磊，王發(fā)剛，王 劼，齊兆軍，楊紀(jì)光

(1.山東理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，淄博 255049；2.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，淄博 255049； 3.山東黃金礦業(yè)科技有限公司充填工程實(shí)驗(yàn)室分公司，萊州 261400)

0 引 言

伴隨我國經(jīng)濟(jì)社會的高速發(fā)展，人們對礦產(chǎn)資源的需求量日益攀升，資源開采逐漸轉(zhuǎn)向深部區(qū)域，尾礦堆置和采空區(qū)處理是限制充填采礦法大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015年全國礦山固廢累計(jì)堆存量達(dá)600億t，占工業(yè)固廢總量的80%以上，每年以10億t的速度逐步遞增，是引發(fā)土地資源破壞、生態(tài)環(huán)境污染和地質(zhì)工程災(zāi)害的嚴(yán)重危險(xiǎn)源。傳統(tǒng)上，礦山充填膠凝劑將水泥作為首選項(xiàng)，高昂的水泥成本不僅影響企業(yè)的經(jīng)營效果，而且制約了充填采礦技術(shù)的推廣[2]。我國每年產(chǎn)生大量的高爐礦渣、鋼渣和脫硫石膏等工業(yè)固體廢棄物，將這些具有潛在膠凝活性的工業(yè)固廢完全替代水泥制備膠凝材料，既可以提高尾砂消納比例，減少固體廢棄物地表堆存面積，又可大幅度降低礦山充填采礦成本，實(shí)現(xiàn)大宗工業(yè)固廢資源化和高值化利用，為礦山企業(yè)帶來豐厚的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，具有廣闊的應(yīng)用前景[3]。

眾多研究學(xué)者對礦渣基全固廢膠凝材料的激發(fā)劑選擇[4]、配合比優(yōu)化[5]、微觀水化機(jī)理[6]及綜合化利用[7]等方面做了廣泛研究。崔孝煒等[8]量化分析了CaO和Na2SO4的摻量對全固廢膠凝材料力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。Sun等[9]闡述了相同條件下堿激發(fā)鋼渣和42.5普通硅酸鹽水泥材料的微觀結(jié)構(gòu)特征。鄧曉軒等[10]綜述了礦渣在尾砂膠結(jié)充填采礦中的應(yīng)用及固化機(jī)理。董越等[11]建立了BP(Back Propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，探討了以礦渣、鋼渣和鐵尾砂為原料制備的高水充填材料力學(xué)性能的變化規(guī)律。黃麗萍等[12]借助XRD、TG-DSC、EDS等分析手段揭示了礦渣-水玻璃復(fù)合膠凝材料的水化產(chǎn)物作用機(jī)理。劉仍光等[13]考察了不同養(yǎng)護(hù)溫度下礦渣的堿激發(fā)水化性能。

綜合前人研究成果，采用響應(yīng)面Box-Behnken設(shè)計(jì)試驗(yàn)來揭示鋼渣、石灰、脫硫石膏摻量單一因素和交互作用對充填體28 d抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，建立響應(yīng)面回歸模型優(yōu)化各因素參數(shù)，尋求適合礦山充填全固廢膠凝材料的最佳配合比，為相應(yīng)領(lǐng)域科研院所和礦山企業(yè)研究提供理論依據(jù)和技術(shù)參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

全固廢膠凝材料由礦渣、鋼渣、脫硫石膏三部分組成。礦渣是高爐冶煉生鐵過程中排出的熔融廢渣經(jīng)水淬處理后得到的?；碑a(chǎn)品，經(jīng)粉磨至一定顆粒級配可達(dá)到相應(yīng)潛在的活性指標(biāo)要求[14-15]。借助X射線熒光光譜儀檢測原料化學(xué)成分，結(jié)果見表1。通過氧化物比值評定礦渣質(zhì)量，經(jīng)計(jì)算，堿性系數(shù)M0、活性系數(shù)Ma、質(zhì)量系數(shù)K分別為1.17、1.63、2.41，表明該礦渣為高品質(zhì)堿性礦渣。

表1 原材料的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of raw materials

圖1(a)為礦渣粒徑分布曲線，主要為粒徑小于200 μm的顆粒，其中20～80 μm的顆粒占多數(shù)，顆粒較細(xì)，與骨料搭配使用利于提高固結(jié)體早期強(qiáng)度。圖1(b)為脫硫石膏的XRD分析，脫硫石膏主要礦物相為CaSO4·2H2O，無其他玻璃相，其微觀形態(tài)如圖1(c)所示，主要由菱形板狀和橢圓形塊狀顆粒組成，顆粒尺寸差別不大，相鄰顆粒搭接較緊密。鋼渣是工業(yè)冶煉鋼鐵產(chǎn)生的廢渣，主要化學(xué)成分為CaO和Fe2O3，通過掃描電鏡觀察其微觀結(jié)構(gòu)可知(圖1(d))，顆粒主要以不規(guī)則的棱角狀形態(tài)存在，顆粒尺寸差異較大。選用高鈣石灰作為全固廢膠凝材料激發(fā)劑，有效成分CaO的含量為95.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，為膠凝材料玻璃相結(jié)構(gòu)的解聚反應(yīng)和離子鍵合提供堿性環(huán)境。采用全尾砂作為充填骨料，密度為2.69 g/cm3，松散密度為1.31 g/cm3，密實(shí)密度為1.57 g/cm3，松散孔隙率為51.35%，密實(shí)孔隙率為41.64%，主要化學(xué)成分為SiO2和Al2O3，膠凝組分含量較少，尾砂基本無活性，可作為固結(jié)體的核心骨架，有利于砂漿制備和漿體密實(shí)。

圖1 原材料物理性質(zhì)分析Fig.1 Physical property analysis of raw materials

1.2 響應(yīng)面Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了考察膠凝原料對充填固結(jié)體強(qiáng)度性能的影響規(guī)律，選擇鋼渣、石灰、脫硫石膏摻量為自變量，分別用X1、X2、X3表示，固結(jié)體28 d抗壓強(qiáng)度為響應(yīng)值，采用Y表示?；谖墨I(xiàn)[8]和室內(nèi)前期試驗(yàn)工作總結(jié)可知，鋼渣摻量控制在30%～40%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))范圍內(nèi)、料漿中固相質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%、砂灰比為6的條件下，充填固結(jié)體后期強(qiáng)度增長明顯。為降低工作量和減少試驗(yàn)成本，確定各因素水平分別為：鋼渣摻量30%、35%和40%，石灰摻量2%、4%和6%，脫硫石膏摻量6%、8%和12%(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。借助Design-Expert軟件中的Box-Behnken設(shè)計(jì)3因素3水平試驗(yàn)來揭示各試驗(yàn)因素及其交互耦合作用對充填固結(jié)體強(qiáng)度性能的影響，因素編碼與水平設(shè)計(jì)見表2。

表2 響應(yīng)面設(shè)計(jì)因素編碼與水平Table 2 Code and level of response surface design factors

按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案稱取試驗(yàn)干料與水倒入攪拌容器將其混勻，漿體成型采用長×寬×高為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的三聯(lián)立方模具，24 h后對自立試塊進(jìn)行脫模處理，脫模后的試塊做好標(biāo)記放至20 ℃、濕度90%的標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)至28 d，采用強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)勻速對固結(jié)試塊施加載荷，測定其抗壓強(qiáng)度，每組共產(chǎn)生3個試塊，取平均值作為最終抗壓強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案與結(jié)果見表3，采用Design-Expert軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行多元回歸擬合，建立固結(jié)體28 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度響應(yīng)面函數(shù)關(guān)系式。

Y=2.34+0.26X1+0.98X2+0.28X3+0.15X1X2+0.043X1X3+0.073X2X3(1)

表3 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果Table 3 Response surface test design and results

2.2 響應(yīng)面模型方差分析及精確性評估

表4 響應(yīng)面回歸模型方差分析Table 4 Analysis of variance of response surface regression model

表5 模型相關(guān)性評估Table 5 Model correlation evaluation

圖2 響應(yīng)面模型的試驗(yàn)值與預(yù)測值的比較Fig.2 Comparison of experimental values and predicted values of the response surface model

以固結(jié)體齡期28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)值和預(yù)測值為橫縱坐標(biāo)繪制散點(diǎn)圖，比較結(jié)果如圖2所示,散點(diǎn)均勻散布在y=x直線和兩側(cè)位置，說明模型試驗(yàn)值與預(yù)測值吻合程度高，模型擬合效果好，試驗(yàn)結(jié)果誤差小，與模型方差分析結(jié)果相互印證。

2.3 響應(yīng)面影響因素分析

圖3 28 d強(qiáng)度響應(yīng)面因素交互作用影響分析Fig.3 Influence analysis of strength response surface factor interaction on 28 d

2.4 充填配合比參數(shù)目標(biāo)尋優(yōu)

根據(jù)Design-Expert中的優(yōu)化模塊獲得充填料漿配合比最優(yōu)參數(shù)組合為鋼渣摻量40%，石灰摻量6%，脫硫石膏摻量12%，礦渣摻量42%，此條件下充填固結(jié)體28 d抗壓強(qiáng)度為4.03 MPa。為了驗(yàn)證響應(yīng)曲面模型在最優(yōu)條件下的準(zhǔn)確性和可靠度，開展5組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果分別為4.02 MPa、3.82 MPa、3.91 MPa、4.04 MPa、3.79 MPa，相對誤差為2.83%<5%，與模型預(yù)測值基本一致，證實(shí)了基于響應(yīng)面法優(yōu)化的模型最優(yōu)參數(shù)精確可靠，從理論和實(shí)踐角度驗(yàn)證了回歸模型的可信度，對于全固廢膠凝材料配合比尋優(yōu)具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。

3 結(jié) 論

(1)在礦渣-鋼渣-脫硫石膏的全固廢復(fù)合膠凝體系中，礦渣作為主要活性來源，通過物理化學(xué)性質(zhì)分析可知，其質(zhì)量系數(shù)大于1.8，表明該礦渣為高品質(zhì)礦渣，顆粒粒徑集中分布在20～80 μm之間，有利于料漿制備與骨料密實(shí)。

(2)基于響應(yīng)面Box-Behnken設(shè)計(jì)17組試驗(yàn)，構(gòu)建鋼渣、石灰、脫硫石膏摻量與充填固結(jié)體28 d抗壓強(qiáng)度的多元回歸擬合方程，回歸相關(guān)系數(shù)R2為0.983 4，模型擬合效果好,可信度強(qiáng)。綜合模型方差分析和三維響應(yīng)曲面可知，單一因素對固結(jié)體28 d抗壓強(qiáng)度影響作用顯著，各因素影響顯著性排序?yàn)閄2>X3>X1，因素交互作用影響顯著性排序?yàn)閄1X2>X2X3>X1X3。

(3)借助Design-Expert軟件中優(yōu)化模塊得到充填料漿最優(yōu)配合比為鋼渣摻量40%，石灰摻量6%，脫硫石膏摻量12%，礦渣摻量42%，經(jīng)5次平行驗(yàn)證試驗(yàn)，其相對誤差為2.83%，預(yù)測值與實(shí)際值基本吻合，證實(shí)了響應(yīng)面法優(yōu)化全固廢膠凝材料配合比的精確性和科學(xué)性。