NaOH激發(fā)鎢尾礦強(qiáng)度影響因素分析

壽 凱, 劉之葵, 陳小宇, 包 歡, 馮 超, 李善梅

(1.桂林理工大學(xué) a.土木與建筑工程學(xué)院; b.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣西 桂林 541004;2.廣東理工學(xué)院 建設(shè)學(xué)院, 廣東 肇慶 526000)

0 引 言

堿激發(fā)材料是一種無機(jī)非金屬材料, 是由活性硅鋁化合物在強(qiáng)堿作用和晶格重構(gòu)等作用下形成的無機(jī)膠凝材料[1]。堿激發(fā)過程包括硅、 鋁等在堿性溶液中釋放, 再通過共享氧原子形成新的三維混凝土狀硬化結(jié)構(gòu)[2-3]。堿激發(fā)材料的早期強(qiáng)度較高, 力學(xué)性能較好, 有良好的機(jī)械性能[4-6], 可替代水泥作為混凝土粘結(jié)劑使用[7]。與普通水泥混凝土相比, 采用堿激發(fā)材料制得的混凝土可減少45%的水泥用量[1], 同時(shí)制備堿激發(fā)材料的原料來源廣泛, 包含黏土、 偏高嶺土、 粉煤灰、 廢玻璃及礦渣等含有硅鋁原料的物質(zhì)[8-9]。根據(jù)堿激發(fā)材料的工程性質(zhì)及生產(chǎn)原理可知, 其發(fā)展不僅可減少由于生產(chǎn)水泥造成的CO2排放量, 還可使大量廢棄物被資源化利用, 符合我國(guó)綠色發(fā)展政策。

針對(duì)堿激發(fā)材料研究取得了豐碩成果, 主要集中在堿含量、 含水率和固化溫度對(duì)堿激發(fā)過程的影響, 如: Zhang等[10]采用氫氧化鈉溶液作為堿性反應(yīng)劑, 研究了NaOH濃度對(duì)銅尾礦堿激發(fā)過程的影響, 制備了強(qiáng)度為21.2 MPa的堿激發(fā)材料; Ahmari等[11]研究了NaOH濃度、 含水率和60～120 ℃固化溫度等條件對(duì)銅尾礦物理機(jī)械性質(zhì)的影響; Lang等[12]研究了不同含水率條件下堿激發(fā)磨細(xì)礦渣固定疏浚污泥的強(qiáng)度影響; Wei等[13]以粉煤灰和磨細(xì)高爐礦渣為原料, 研究了在低溫條件下含水率對(duì)堿激發(fā)材料性能的影響; Dehnavi等[14]以偏高嶺土為原材料、氫氧化鈉為激發(fā)劑制備堿激發(fā)材料, 試樣分別在25、 50和75 ℃條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù), 結(jié)果表明, 所制試樣強(qiáng)度隨溫度的升高而增大, 當(dāng)養(yǎng)護(hù)溫度為75 ℃時(shí)的最大抗壓強(qiáng)度為115 MPa; Mashifana等[15]分別在60、 90和120 ℃條件下, 利用金屬尾礦和堿性氧爐渣合成堿激發(fā)材料, 結(jié)果表明, 固化溫度為90 ℃時(shí)所制堿激發(fā)材料強(qiáng)度最高。

以上研究表明, 堿濃度、 含水率和固化溫度對(duì)堿激發(fā)過程的作用顯著, 但三者對(duì)堿激發(fā)過程影響的重要程度尚不明確, 一定程度上容易造成資源浪費(fèi)。基于此, 本文以鎢尾礦為主要原料、 NaOH為堿激發(fā)劑, 為使所制試樣的成型效果較好, 另添加了少量偏高嶺土和商業(yè)地聚合物, 考慮堿含量、 含水率和固化溫度時(shí)對(duì)試樣7 d抗壓強(qiáng)度的影響, 通過灰色關(guān)聯(lián)分析法確定NaOH激發(fā)鎢尾礦抗壓強(qiáng)度的各因素敏感性, 確定其關(guān)鍵影響因素。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

所用材料包含鎢尾礦、 偏高嶺土、 地聚合物和氫氧化鈉。其中, 鎢尾礦取自桂林市某鎢尾礦, 將鎢尾礦置于105 ℃的烘箱中烘干后研磨, 呈灰白色粉末狀, 相對(duì)密度為2.76, 礦渣顆粒細(xì)而均勻, 粒徑為0.075～0.250 mm的顆粒占71%, 按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL 237—1999)劃分主要為細(xì)砂, 顆粒級(jí)配曲線見圖1; 偏高嶺土購(gòu)自鞏義萬瑩公司; 地聚合物購(gòu)自北京中德新亞建筑技術(shù)有限公司; 氫氧化鈉為分析純, 含量大于96%。

圖1 鎢尾礦顆粒級(jí)配曲線

利用XRD衍射試驗(yàn)測(cè)試鎢尾礦和地聚合物的主要礦物組分(表1), 其中鎢尾礦的主要礦物成分為石英和方解石, 占其總礦物成分的74%; 地聚合物的主要礦物成分為方解石和硅酸三鈣, 占其總礦物成分的77%。用熒光光譜測(cè)試鎢尾礦和偏高嶺土的主要氧化物類型(表2), 其中鎢尾礦主要包含SiO2、 CaO和Fe2O3, 占總氧化物成分的81.77%; 偏高嶺土主要包含SiO2和Al2O3, 占總氧化物成分的98.08%。

表1 鎢尾礦和地聚合物主要礦物成分

表2 鎢尾礦和偏高嶺土氧化物含量

圖2為鎢尾礦和地聚合物的X射線衍射試驗(yàn)圖譜。鎢尾礦主要是由石英、 碳酸鈣、 鈣鋁榴石、 輝石和斜綠泥石等礦物組成, 其中石英的特征峰相對(duì)峰強(qiáng)最強(qiáng)(約在26.8°處), 碳酸鈣的次之(約在29.8°處), 其他物質(zhì)的較弱, 各物質(zhì)的特征峰主要集中在20°～60°, <20°的主要為斜綠泥石特征峰, >60°的主要為石英特征峰; 地聚合物的主要礦物成分為碳酸鈣和硅酸三鈣, 其中碳酸鈣的特征峰相對(duì)峰強(qiáng)最強(qiáng), 石英次之, 其他物質(zhì)較弱。

圖2 鎢尾礦(a)和地聚合物(b)原材料X射線衍射圖譜

圖3為鎢尾礦和地聚合物的微觀結(jié)構(gòu)特征?？芍? 鎢尾礦顆粒松散, 內(nèi)部無明顯特殊結(jié)構(gòu)的物質(zhì), 主要以塊狀和片狀物質(zhì)為骨架結(jié)構(gòu), 結(jié)構(gòu)松散并有較大孔隙, 骨架結(jié)構(gòu)周圍無規(guī)律分布一些碎屑狀顆粒和小片狀物質(zhì), 這些碎屑狀顆粒和小片狀物質(zhì)主要依附在骨架結(jié)構(gòu)上, 排列無序, 顆粒間排列的離散性較大; 地聚合物微觀結(jié)構(gòu)致密, 孔隙較小, 內(nèi)部也無明顯特殊結(jié)構(gòu)的物質(zhì), 主要以大片塊狀物質(zhì)作為骨架結(jié)構(gòu), 有部分小塊狀和少量柱狀結(jié)晶物質(zhì)吸附在結(jié)構(gòu)表面, 同時(shí)有一些碎屑狀顆粒無規(guī)則分布在骨架結(jié)構(gòu)上和填充在孔隙內(nèi)部, 顆粒間較為松散。

圖3 鎢尾礦(a)和地聚合物(b)微觀結(jié)構(gòu)特征

1.2 試樣制備與試驗(yàn)方法

采用相同固體成分(通過反復(fù)試驗(yàn), 根據(jù)試樣的成型質(zhì)量確定試樣的配比為586 g鎢尾礦、 7 g地聚合物和59 g偏高嶺土)分別設(shè)計(jì)不同堿含量、 含水率和固化溫度條件下試樣的7 d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。攪拌過程主要采用JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī), 制樣過程和測(cè)量試樣的抗壓強(qiáng)度過程主要采用UTM5305型微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)。

試驗(yàn)前, 將鎢尾礦放入105 ℃的烘箱中烘干, 捶碎, 過10目篩(2 mm)后備用, 根據(jù)相應(yīng)的配合比設(shè)計(jì)制備試樣。制備氫氧化鈉溶液時(shí)首先取相應(yīng)質(zhì)量的蒸餾水與氫氧化鈉顆粒, 在干燥通風(fēng)處進(jìn)行混合并攪拌, 待氫氧化鈉顆粒完全溶解后停止攪拌, 將溶液靜置冷卻至室溫; 分別稱取相應(yīng)質(zhì)量的鎢尾礦、 地聚合物和偏高嶺土, 攪拌使其混合均勻; 將冷卻后的氫氧化鈉溶液緩慢加入到固體混合物中, 繼續(xù)攪拌10 min, 以保證混合料的均勻性; 攪拌完成后將混合料分層填充到70 mm×70 mm×120 mm的自制鋼模具中, 每層厚度約為20 mm, 用40 mm×40 mm的壓板分別輕壓試樣表面的四周及中間各2次使試樣表面平整, 接著用刮土刀分別在四周及中間輕刮10次對(duì)試樣進(jìn)行刮毛處理, 以減少試樣內(nèi)部空隙并保證試樣的平整性, 繼續(xù)填充, 最后用萬能試驗(yàn)機(jī)將試樣高度壓縮到70 mm使之成型, 壓縮時(shí)為了防止壓縮速度過快, 試樣不能均勻受力而導(dǎo)致壓縮結(jié)束后產(chǎn)生回彈, 軸向壓縮速率控制為0.1 kN/s, 且壓縮完成后試驗(yàn)機(jī)也不能立即卸載, 應(yīng)保持壓縮狀態(tài)2 min， 壓縮結(jié)束后將試驗(yàn)機(jī)歸零, 抬起壓力板, 取出試樣, 并用DTM-150型電動(dòng)脫模機(jī)脫模。試樣脫模后, 將其編號(hào), 用保鮮膜包裹, 分別置于60、 70、 80、 90和100 ℃烘箱中養(yǎng)護(hù)7 d。為減小試驗(yàn)誤差, 每種配比均制備3組平行試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度與堿含量的關(guān)系

3組平行試驗(yàn)試樣在同一含水率(w=19%)、 7種不同堿含量(w(NaOH)=0、 7%、 8%、 10%、 12%、 14%、 15%)、 80 ℃的烘箱中養(yǎng)護(hù)7 d后, 測(cè)試試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。 不同堿含量條件下的平均抗壓強(qiáng)度的變化曲線見圖4。

圖4 抗壓強(qiáng)度與堿含量的關(guān)系曲線

加入NaOH溶液后， 試樣的7 d抗壓強(qiáng)度明顯增長(zhǎng), 且強(qiáng)度隨堿含量增加先增大后減小再增大, 其中, 堿含量12%為拐點(diǎn)。未加入NaOH時(shí)試樣抗壓強(qiáng)度僅為1.0 MPa, 加入7%NaOH后試樣強(qiáng)度快速提升至18.9 MPa, 當(dāng)堿含量為15%時(shí)達(dá)到最大值31.0 MPa, 可見NaOH激發(fā)鎢尾礦所制試樣的抗壓強(qiáng)度有顯著增長(zhǎng), 但其影響程度并未隨堿濃度呈線性關(guān)系, 堿含量在0至10%、 10%至12%、 12%至15%的抗壓強(qiáng)度分別變化23.1、 0.16和0.55倍。在同一溫度、 同一水固比條件下, 抗壓強(qiáng)度與堿含量的關(guān)系規(guī)律為:fcu(w(NaOH)=15%)>fcu(w(NaOH)=14%)>fcu(w(NaOH)=10%)>fcu(w(NaOH)=8%)>fcu(w(NaOH)=12%)>fcu(w(NaOH)=7%)>fcu(w(NaOH)=0)。

2.2 抗壓強(qiáng)度與固化溫度的關(guān)系

同一含水率和堿含量下, 不同固化溫度(60、 70、 80、 90、 100 ℃)下的試樣7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果見圖5。

圖5 抗壓強(qiáng)度與溫度的關(guān)系曲線

不同堿含量和含水率試樣的抗壓強(qiáng)度均隨固化溫度升高先增大再減小, 在90 ℃時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn), 不同固化溫度條件下的試樣強(qiáng)度最小值為5.4 MPa, 最大值為42.8 MPa; 不同固化溫度下的抗壓強(qiáng)度滿足以下變化規(guī)律:fcu(90 ℃)>fcu(100 ℃)>fcu(80 ℃)>fcu(70 ℃)>fcu(60 ℃)。

2.3 抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

同一堿含量, 不同含水率(w=16%、 17%、 18%、 19%)下, 試樣在80 ℃的烘箱中養(yǎng)護(hù)7 d后的抗壓強(qiáng)度變化曲線見圖6。

圖6 抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線

試樣的抗壓強(qiáng)度隨含水率的增長(zhǎng)先增大后減小。 當(dāng)含水率為18%時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn), 不同含水率條件下的試樣強(qiáng)度最小值為19.2 MPa, 最大值為30.9 MPa; 當(dāng)固化溫度為80 ℃時(shí), 不同含水率條件下的試樣的抗壓強(qiáng)度并不是隨著堿含量的增加而增大, 當(dāng)堿含量到達(dá)一定程度后, 試樣的抗壓強(qiáng)度反而有所減小, 這與前文中堿含量對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度影響的研究結(jié)果一致。 試樣抗壓強(qiáng)度具體表現(xiàn)為: 同一溫度、 含水率條件下,fcu(w(NaOH)=9%)>fcu(w(NaOH)=8%)>fcu(w(NaOH)=11%)>fcu(w(NaOH)=7%); 同一溫度、 堿含量條件下,fcu(w=18%)>fcu(w=17%)>fcu(w=16%)>fcu(w=19%)。

3 關(guān)鍵影響因素分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)基本原理

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是根據(jù)因素在發(fā)展過程中的變化[16], 通過尋求系統(tǒng)中各因素之間的數(shù)值關(guān)系, 分析和確定系統(tǒng)中的主要因素、 次要因素、 有利因素和不利因素。它是將研究對(duì)象和影響因素的因子值視為某一曲線上的一點(diǎn), 并與待識(shí)別對(duì)象和影響因素的因子值所繪制的曲線進(jìn)行比較, 通過比較它們之間的接近程度而分別進(jìn)行量化處理, 計(jì)算出研究對(duì)象與待識(shí)別對(duì)象影響因素之間的接近程度的相關(guān)度, 通過比較各相關(guān)度的大小來判斷待識(shí)別對(duì)象對(duì)研究對(duì)象的影響程度。如果影響因素和目標(biāo)值在系統(tǒng)發(fā)展過程中相對(duì)變化一致, 則認(rèn)為該影響因素與目標(biāo)值的關(guān)聯(lián)程度較大; 反之, 則認(rèn)為該影響因素與目標(biāo)值的關(guān)聯(lián)程度較小[17]。

3.2 模型建立

本文以堿含量、 含水率和固化溫度為影響因素組成比較數(shù)列矩陣X, 即為影響因素子序列

Xi={Xi(1),Xi(2),Xi(3), …,Xi(n)}。

(1)

各影響因素對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度組成的矩陣Y為母序列

Yj={Yj(1),Yj(2),Yj(3), …,Yj(m)},

(2)

其中,i,j=1, 2, 3。

對(duì)子序列和母序列進(jìn)行均值化處理, 得到新的子序列矩陣x和新的母序列矩陣y:

xi={xi(1),xi(2),xi(3), …,xi(n)}

(3)

yj={yj(1),yj(2),yj(3), …,yj(m)}

(4)

將原始數(shù)據(jù)序列進(jìn)行無量綱處理, 得到參考序列和比較序列關(guān)聯(lián)系數(shù)[17]為

(5)

式中,λ為介于(0,1)的分辨系數(shù),本文λ=0.5。

不同時(shí)刻的參考數(shù)據(jù)序列與比較數(shù)據(jù)序列存在表征關(guān)聯(lián)程度的值, 即為灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。取所有關(guān)聯(lián)系數(shù)的平均值來表述關(guān)聯(lián)程度即關(guān)聯(lián)度ri, 其中灰色關(guān)聯(lián)度表達(dá)式為

(6)

運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析出堿含量、 含水率和固化溫度與抗壓強(qiáng)度的影響因素子序列矩陣X為

(7)

母序列矩陣Y為

(8)

對(duì)子序列和母序列進(jìn)行均值化處理, 得新的子序列矩陣x為

(9)

新的母序列矩陣y為

(10)

參考序列和比較序列關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)為

(11)

關(guān)聯(lián)度r為

(12)

通過灰色關(guān)聯(lián)分析可知, 堿含量、 含水率和固化溫度對(duì)堿激發(fā)鎢尾礦的抗壓強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度分別為67.92%、 71.50%和74.69%。關(guān)聯(lián)度越大, 說明該因素對(duì)目標(biāo)值的影響越敏感, 由此可得影響堿激發(fā)鎢尾礦抗壓強(qiáng)度的各因素敏感性順序依次為: 固化溫度>含水率>堿含量。

4 結(jié) 論

測(cè)試了多因素作用下堿激發(fā)鎢尾礦的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn), 分析試樣的強(qiáng)度與堿含量、 固化溫度和含水量的關(guān)系。 通過灰色關(guān)聯(lián)理論分析堿含量、 固化溫度和含水率對(duì)試樣抗壓強(qiáng)度的影響權(quán)重, 得出以下結(jié)論:

(1)堿激發(fā)鎢尾礦的抗壓強(qiáng)度隨堿含量的增加先增大再減小再增大, 在堿含量為12%時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn); 隨固化溫度的升高先增大再減小, 當(dāng)固化溫度為90 ℃時(shí)試樣抗壓強(qiáng)度最大; 隨含水率的增加先增大再減小, 當(dāng)含水率為18%時(shí)試樣的抗壓強(qiáng)度最大。

(2)堿含量、 固化溫度和含水率均對(duì)堿激發(fā)鎢尾礦的抗壓強(qiáng)度均有較大影響, 其中堿含量、 含水率和固化溫度對(duì)NaOH激發(fā)鎢尾礦所制試樣抗壓強(qiáng)度的關(guān)聯(lián)度分別為67.92%、 71.50%和74.69%, 即固化溫度對(duì)NaOH激發(fā)鎢尾礦所制試樣的抗壓強(qiáng)度的影響效果最大, 含水率的影響效果次之, 堿含量的影響效果最小。