最優(yōu)混料設計法優(yōu)化甘蔗制糖廢渣制備水泥基輕質(zhì)材料配方

周永升，張思原，龍勇益，王小明，柳富杰*

(1廣西科技師范學院食品與生化工程學院，廣西來賓 546199；2廣西科技師范學院廣西現(xiàn)代蔗糖業(yè)發(fā)展研究院，廣西來賓 546199；3廣西大學輕工與食品工程學院，廣西南寧 530004)

0 引言

泡沫混凝土(Foamed Concrete)是一種新型水泥基輕質(zhì)保溫材料，也稱為輕質(zhì)微孔混凝土。其通過物理方式發(fā)泡，再將泡沫和水泥漿等基料混合均勻，最后澆注成型[1-2]，養(yǎng)護后具備保溫阻燃、隔音降噪等優(yōu)點[3]。近年來，關于添加粉煤灰[4-6]、礦渣[7-9]等制備泡沫混凝土的研究時有報道，其特點在于利廢環(huán)保、降低成本、改善試件部分性能[10]，這表明了部分工業(yè)固體廢棄物用于生產(chǎn)該新型建筑材料的可行性。同時，添加改性的植物纖維制備泡沫混凝土的研究表明，其料漿固化沉降率、干密度、抗壓強度、導熱系數(shù)、孔隙結構及吸水率等性能得到不同程度的改善[11]。

甘蔗制糖廢渣主要包括蔗葉、蔗渣、濾泥、粉煤灰等，亟待被綠色、高效地開發(fā)利用[12]。蔗渣是甘蔗提汁后的副產(chǎn)物，開發(fā)利用的效果相對較好，主要集中在制漿造紙及其生產(chǎn)相關制品方面[13]。甘蔗收割后廢棄的蔗梢質(zhì)量大約占整根新鮮甘蔗的20%，但研究開發(fā)甚少，只有少部分用作動物飼料和回田物料[14]。濾泥是蔗汁澄清后過濾得到的濾渣，糖廠的粉煤灰是蔗渣和煤炭燃燒后的殘渣，兩者一般只用于生產(chǎn)肥料，其他利用方法仍處在小中試階段[15-17]。本研究嘗試使用經(jīng)過改性或預處理的蔗葉、濾泥和粉煤灰等來制備水泥基輕質(zhì)保溫材料，旨在保證傳統(tǒng)泡沫混凝土特點的前提下提高其部分性能，綠色利用制糖工業(yè)廢渣，為拓寬制糖工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈提供一定的參考依據(jù)。

1 實驗

1.1 主要材料與儀器設備

泡沫劑：IQ601型，廣西青龍化學建材有限公司；水泥：P.O 42.5普通硅酸鹽水泥，扶綏新寧海螺水泥有限責任公司；減水劑：FDN-I型，廣西大海建材有限公司；改性蔗葉纖維：明膠膜甘蔗葉纖維(Modified Sugarcane Leaf Fiber，MSLF)，實驗室自制[18]；濾泥和粉煤灰：廣西某糖業(yè)公司提供，干燥恒重后過40目篩備用。

FW177型高速粉碎機，天津市泰勒特儀器有限公司；DL-D100型攪拌器，廣東東菱電器有限公司；G2X-DH.400S型鼓風烘箱，上海躍進醫(yī)療器械有限公司；WAW-20M型實驗室萬能材料試驗機，濟南中路昌試驗機制造有限公司；LC-GZT03型控溫冰柜，廣東樂創(chuàng)電器有限公司。

1.2 使用3種糖廠廢渣分別制備水泥基輕質(zhì)材料

樣品制備[18]：①將1%減水劑(相對于粉末基料，包含水泥、粉煤灰和濾泥)與粉末基料混合均勻，再加入自來水(水灰比為0.45)攪拌1.5 min，之后在15 s內(nèi)把攪拌器和容器內(nèi)壁上的水泥漿刮到容器中，繼續(xù)攪拌1.5 min后制得水泥凈漿，備用；②將明膠膜甘蔗葉纖維加入到稀釋20倍的泡沫劑溶液中，打發(fā)起泡約5 min，直到底部沒有流動的液體，備用；③將制備好的泡沫在1 min內(nèi)倒入水泥凈漿中充分攪拌2 min，筑模1天后脫模，在室內(nèi)標準養(yǎng)護28天。

水泥基蔗葉輕質(zhì)材料試件：分別使用質(zhì)量百分比0.5%、1%、1.5%、2.0%、2.5%的MSLF代替部分水泥；水泥基粉煤灰輕質(zhì)材料試件：分別使用質(zhì)量百分比10%、20%、30%、40%、50%粉煤灰代替部分水泥；水泥基濾泥輕質(zhì)材料試件：分別使用質(zhì)量百分比5%、10%、15%、20%、25%濾泥代替部分水泥。以抗壓強度和干密度為指標，分析這3種糖廠廢渣對材料品質(zhì)的影響。進行抗壓強度和干密度分別按照GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[19]和JC/T 266-2011《泡沫混凝土》[20]進行檢測。

1.3 D-最優(yōu)混料設計優(yōu)化水泥基糖廠廢渣輕質(zhì)材料配方

參考1.2節(jié)試驗結果，確定各影響因素比例范圍及混料試驗方案，見表1。水泥(A)質(zhì)量百分比限定60%～80%，MSLF(B)質(zhì)量百分比限定1%～2%，粉煤灰(C)質(zhì)量百分比限定10%～30%，濾泥(D)質(zhì)量百分比限定5%～15%，其中限制A、B、C和D的總和為100%，采用Design-Expert軟件進行D-最優(yōu)混料試驗設計(D-optimal)，以抗壓強度和干密度為評價指標，優(yōu)化水泥基糖廠廢渣輕質(zhì)材料的配方。

1.4 水泥基糖廠廢渣輕質(zhì)材料基本性能檢測

根據(jù)1.3節(jié)試驗結果，制備水泥基糖廠廢渣輕質(zhì)材料和傳統(tǒng)試件（空白對照），對比基本性能指標。干密度參考JC/T 266-2011《泡沫混凝土》測定[20]， 導熱系數(shù)參考GB/T 10294-2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關特性的測定 防護熱板法》送檢[21]，抗壓強度參考GB/T 50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》測定[19]，吸水率參考JC/T 266-2011《泡沫混凝土》測定[20]，比表面積與孔隙度參考GB/T 19587-2017《氣體吸附BET法測定固態(tài)物質(zhì)比表面積》送檢[22]，料漿固化沉降率參考JC/T 2199-2013《泡沫混凝土用泡沫劑》測定[23]，凍融質(zhì)量損失率參考GBT50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準 慢凍法》測定[24]。

表1 混料設計因素取值范圍

1.5 數(shù)據(jù)處理

通過Excel 2016進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和表格制作。每種試件做3個平行樣品，使用Minitab 18.0進行標準偏差計算和多重比較分析(α=0.05)，運用Origin 2018繪圖。

2 結果與討論

2.1 糖廠廢渣對抗壓強度和干密度的影響

圖1 糖廠3種廢渣對抗壓強度和干密度的影響

按照本試驗制作的傳統(tǒng)試件（空白樣品）的抗壓強度在3.5 MPa左右，干密度在950 kg/m3左右。圖1中(a)、(b)、(c)分別為MSLF摻量、粉煤灰摻量、 濾泥摻量與樣品抗壓強度和干密度的關系。從圖1可知，三者對抗壓強度的影響顯著(P＜0.05)，趨勢基本相同，均為先升高后降低，這是因為添加適當?shù)腗SLF、粉煤灰摻量和濾泥可以提高“骨料”的比例使得抗壓強度增大，但是過量添加會導致水泥的凝結強度降低[6-7,11]。粉煤灰和濾泥對干密度的影響顯著(P＜0.05)，趨勢也基本相同，均為先降低后升高，這可能是因為適當?shù)姆勖夯液蜑V泥可以提高發(fā)泡劑性能，過量添加導致消泡而發(fā)生料漿固化沉降過大[4,8]。而MSLF密度相對很小，當添加量大于1%時，隨著摻量的增加，泡沫混凝土的干密度顯著減小(P＜0.05)，并且纖維發(fā)揮了類似“晶種”的作用，使膠凝物質(zhì)快速在纖維表面形成聚集體，加速了水泥水化進程，促進了水泥固化速率[11]。綜合考慮，采用MSLF摻量為1%～2%，粉煤灰摻量為10%～30%、濾泥摻量為5%～15%的參數(shù)進行混料試驗的研究

2.2 D-最優(yōu)混料設計試驗結果

使用Design-Expert軟件進行數(shù)據(jù)分析，試驗設計方案及結果見表2，通過統(tǒng)計檢驗，采用Special Cubic回歸方程進行分析，分別得到抗壓強度(Y1)、干密度(Y2)與水泥(A)、MSLF(B)、粉煤灰(C)、濾泥(D)的回歸方程⑴和⑵：

表2 D-最優(yōu)混料設計表及試驗結果

對2個回歸模型進行方差分析，結果見表3和表4，回歸模型達到極顯著水平(P＜0.01)，水泥、MSLF、粉煤灰和濾泥具有極顯著的交互作用。從表3可知，AC對抗壓強度有顯著影響(P＜0.05)，CD、ABD、ACD和BCD對抗壓強度有極顯著影響(P＜0.01)，其余項對抗壓強度影響不顯著(P＞0.05)；從表4可知，BD和BCD對干密度有顯著影響(P＜0.05)，ABD對干密度有極顯著影響(P＜0.01)，其余項對干密度影響不顯著(P＞0.05)。Y1、Y2回歸模型的失擬項均不顯著，試驗結果有良好的數(shù)學模型擬合度?？箟簭姸软憫档男Ｕ_定系數(shù)R2=0.9986，干密度響應值的校正確定系數(shù)R2=0.9859，模型方程能很好地擬合兩個指標與配方比例的關系。校正后Y1變異系數(shù)CV=0.63%，Y2變異系數(shù)CV=0.58%，模型置信 度較高，方程可較好地反映真試驗值，可運用此模型進行分析。

表3 抗壓強度回歸方程Y1的方差分析

表4 干密度回歸方程Y2的方差分析

其余3個重要組分對抗壓強度影響的等高線圖和3D圖如圖2所示，對干密度影響的等高線圖和3D圖如圖3所示。響應面均呈曲面，三者存在一定交互作用；抗壓強度圖形呈現(xiàn)波峰，干密度圖形呈現(xiàn)波谷，說明在三者對抗壓強度和干密度影響顯著，當取適宜比例時，抗壓強度有極大值且干密度有極小值。由回歸方程中因素項的系數(shù)結合等高線圖和3D圖可知，各組分對抗壓強度的影響MSLF(B)＞水泥(A)＞粉煤灰(C)＞濾泥(D)，對干密度的影響MSLF(B)＞粉煤灰(C)＞濾泥(D)＞水泥(A)。MSLF對抗壓強度和干密度影響最為顯著，分別隨添加量的增加而顯著升高和下降。推測原因有：泡沫混凝土微型縫隙兩側被MSLF所連接，防止或減少裂縫，加固了試件骨架，提高了其抗壓強度；同時MSLF減少了氣泡的破裂，泡沫性能得到較顯著的提高，使樣品內(nèi)部的氣孔變多變小，干密度變小[18]。

圖2 水泥、粉煤灰、濾泥交互作用對抗壓強度影響的等高線圖和3D圖

圖3 水泥、粉煤灰、濾泥交互作用對干密度影響的等高線圖和3D圖

通過Design-Expert軟件計算的最佳配方為：水泥69.74%、MSLF 2.00%、粉煤灰18.20%、濾泥10.06%，此時抗壓強度6.00 MPa、干密度665 kg/m3，可取性為0.9910。根據(jù)最佳配方進行5次重復驗證實驗，抗壓強度分別為5.89、6.03、5.94、5.91、6.05 MPa，干密度分別為665、661、669、671、675 kg/m3。用t檢驗法檢驗，在顯著性水平α=0.05時，抗壓強度t=1.118，雙尾檢驗時，t＜t0.025(4)=2.776，雙尾概率＝0.326＞0.05，說明優(yōu)方案樣品的抗壓強度無顯著差異；單尾檢驗時，0＜t＜t0.05(4)=2.132，單尾概率＝0.163＞0.05，說明優(yōu)方案樣品的抗壓強度無顯著減小。同理，在顯著性水平α=0.05時，干密度t=1.324，雙尾檢驗時，t＜t0.025(4)=2.776，雙尾概率＝0.256＞0.05，說明優(yōu)方案樣品的干密度無顯著差異；單尾檢驗時，0＜t＜t0.05(4)=2.132，單尾概率＝0.128＞0.05，說明優(yōu)方案樣品的干密度無顯著增大。

2.3 基本性能的評價結果

水泥基糖廠廢渣輕質(zhì)材料和空白對照樣品（傳統(tǒng)樣品）的基本性能指標對比見表5，通過多重比較統(tǒng)計分析可知，除了吸水率無顯著差異之外(P＞0.05)，其余指標均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)樣品。其中干密度降低28.63%，導熱系數(shù)降低35.37%，孔隙度提高7.97%，料漿固化沉降率降低60.99%，抗壓強度提高65.36%，比表面積提高14.66%，孔徑減小47.84%。圖4為凍融循環(huán)條件下，28天齡期試件的質(zhì)量損失率對比結果。

由圖4可知，兩者的質(zhì)量損失率隨凍融次數(shù)的增大呈上升趨勢，凍融循環(huán)25次之后，2種試件的質(zhì)量損失率顯著增大(P＜0.01)。凍融150次后，試件的質(zhì)量損失率均低于4%，但甘蔗制糖廢渣泡沫混凝土試件有較小的質(zhì)量損失率。這是因為微型縫隙兩側被MSLF所連接且MSLF減少氣泡破裂，導致材料性能顯著提高[18]。

表5 泡沫混凝土的基本性能檢測結果

圖4 凍融循環(huán)條件下試件的質(zhì)量損失率對比圖

3 結論

進過單因素試驗及分析，分別添加1%～2%MSLF、10%～30%粉煤灰、5%～15%濾泥的試件的抗壓強度和干密度優(yōu)于傳統(tǒng)試件。采用D-最優(yōu)混料設計法能很好預測水泥基糖廠廢渣輕質(zhì)材料的抗壓強度和干密度，模型擬合效果顯著(P＜0.01)。通過響應面分析得到最佳配方為：水泥69.74%、MSLF 2.00%、粉煤灰18.20%、濾泥10.06%，此時抗壓強度6.00 MPa、干密度665 kg/m3。除了吸水率無顯著差異之外，水泥基糖廠廢渣輕質(zhì)材料的其余指標均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)樣品。