堿激發(fā)煤矸石礦渣結(jié)合料配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化

高蒙成,王長(zhǎng)柏,肖 偉,吳劍揚(yáng),劉晨旭

(安徽理工大學(xué) 土木建筑學(xué)院,安徽 淮南 232001)

煤矸石是一種煤礦開挖的伴生礦物,總體呈灰黑色,主要組成礦物含有鐵、鈣、鋁、硅等元素,有機(jī)質(zhì)含有氮、氧、碳、硫、氫等元素[1]。長(zhǎng)期的煤炭采集工作導(dǎo)致煤矸石大量積累,衍生出許多煤矸石山。這不僅占用大量的土地資源[2],若不加以利用,還會(huì)造成水體、土壤、大氣污染[3]。因此,探索煤矸石因地制宜、廢物利用是環(huán)境保護(hù)者和科研工作者們的熱門課題[4],對(duì)于煤炭行業(yè)綠色循環(huán)發(fā)展也具有重大意義[5]。

堿激發(fā)材料是使用堿溶液與硅鋁鈣質(zhì)或者硅鋁質(zhì)固體廢物混合制備的粘結(jié)材料[6-7],是目前可以替代普通波蘭特水泥比較好的一種膠凝材料[8-9],具有良好耐久性,低環(huán)境影響的特點(diǎn)[10]。煤矸石和礦渣都可以利用堿激發(fā)生產(chǎn)膠凝材料[11-12],煤矸石的活性鈣含量低,而礦渣含有占比很高的氧化鈣,二者結(jié)合能使煤矸石基地質(zhì)聚合物強(qiáng)度明顯提高[13]。

在道路建設(shè)領(lǐng)域,眾多科研工作者對(duì)煤矸石的路用性展開研究。閆廣宇[14]采用選擇性破碎分選工藝制備煤矸石集料,研究了配合比、穩(wěn)定類型對(duì)煤矸石集料路面基層材料的抗擊碎性能、力學(xué)性能的影響規(guī)律。孫磊[15]通過(guò)一系列的不排水三軸循環(huán)加載試驗(yàn),探索了煤矸石路基填料在單向三軸循環(huán)加載下的軸向累積應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增加近似呈兩階段增長(zhǎng)模式。煤矸石在道路基層建設(shè)中用料占比很大[16],而在設(shè)計(jì)這種大摻量堿激發(fā)礦物結(jié)合料配合比設(shè)計(jì)時(shí),需要考慮堿當(dāng)量、骨料率、水膠比等變量,實(shí)驗(yàn)變量有多種不同取值,會(huì)造成實(shí)驗(yàn)工作量大的結(jié)果。利用正交試驗(yàn)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題,正交試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)在于它的代表性比較強(qiáng),以及通過(guò)較少的實(shí)驗(yàn)組合數(shù)就可以對(duì)各變量的重要程度進(jìn)行評(píng)估[17-18]。

本次研究使用正交試驗(yàn)法對(duì)堿激發(fā)煤矸石礦渣結(jié)合料配合比進(jìn)行優(yōu)化,在此次實(shí)驗(yàn)中,以結(jié)合料的抗壓強(qiáng)度和孔隙率作為測(cè)試指標(biāo),利用直觀分析各個(gè)變量對(duì)測(cè)試指標(biāo)的影響,并且利用極差和方差分析方法對(duì)配合比設(shè)計(jì)中的各個(gè)變量進(jìn)行研究[19]。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 原材料

無(wú)機(jī)結(jié)合料試塊原材料有煤矸石、礦渣、堿激發(fā)劑、城市自來(lái)水。煤矸石選自淮南張集礦,表觀密度為2.49g/cm3,堆積密度為1.31g/cm3,壓碎值為18.8%,吸水率為4.07%,骨料級(jí)配見圖1,滿足JTG/TF20-2015公路路面基層施工技術(shù)細(xì)則[20]的要求。

圖1 煤矸石的級(jí)配曲線

采用日本理學(xué)ZSX PRIMUS II X射線熒光光譜分析儀(XRF),對(duì)淮南張集礦煤矸石和礦渣的礦物組成進(jìn)行探究(如表1所示)?；茨蠌埣V煤矸石主要由云母、石英和方解石組成,且元素主要以SiO2和Al2O3為主。礦渣的主要成分為玻璃相硅酸鋁,由SiO2、Al2O3和Fe2O3組成。選用堿激發(fā)劑為純片狀NaOH。

表1 煤矸石和礦渣的化學(xué)成分表 %

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在實(shí)驗(yàn)研究中,改變一個(gè)因素而保持其他因素不變是很常見的。然而,采用這種方法將需要大量的實(shí)驗(yàn)工作來(lái)優(yōu)化堿礦渣煤矸石結(jié)合料的混合設(shè)計(jì)。為了節(jié)省進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的成本和時(shí)間,采用正交試驗(yàn)來(lái)確定結(jié)合料的最佳配合比,以最大化結(jié)合料強(qiáng)度,正交實(shí)驗(yàn)分析過(guò)程如下。

選取合適的控制因子和水平,構(gòu)建正交試驗(yàn)組。根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)工作[21],確定了影響強(qiáng)度的三個(gè)主要因素:骨料率、堿當(dāng)量(Na2O,wt%)和水膠比。每個(gè)因子選取3個(gè)水平:骨料率為70%、75%和80%;堿當(dāng)量為3%、5%、7%;水膠比為0.4、0.45、0.5,由此設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)各因素水平取值表(如表2所示)。

表2 正交試驗(yàn)各因素水平取值表

(1)在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中,每個(gè)水平組合出現(xiàn)在相同的重復(fù),并且添加了空白列,共四因素三水平,故選取L9(34)正交實(shí)驗(yàn)表(如表3所示)。

表3 正交試驗(yàn)配合比表

(2)進(jìn)行極差分析,評(píng)估各控制因素的顯著性水平,確定各因素的最優(yōu)水平。

(3)對(duì)結(jié)果進(jìn)行方差分析,分析評(píng)價(jià)各因素的影響顯著性。通過(guò)方差分析,確定了堿激發(fā)煤矸石礦渣結(jié)合料配合比的最佳設(shè)計(jì)方案。

1.3 試樣制備與性能測(cè)定

按照實(shí)驗(yàn)組配合比拌制結(jié)合料,試模的直徑×高=Φ150mm×150mm試塊,在室溫下養(yǎng)護(hù)1d后拆模,一天之內(nèi)的養(yǎng)護(hù)需要在試塊表面加一次薄膜,然后在相對(duì)濕度95%、(20±2)℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期。

混凝土抗壓強(qiáng)度由長(zhǎng)春機(jī)械院2000kN抗壓性能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定,加荷速度為0.5mm/min,每個(gè)試驗(yàn)組需要測(cè)量3天、7天、28天的抗壓強(qiáng)度,每組試塊都有6個(gè)平行試樣,取平均值為測(cè)試結(jié)果。

根據(jù)ASTMC20,測(cè)定煤矸石道路穩(wěn)定材料的孔隙率。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)初步分析

依據(jù)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn),并對(duì)各試驗(yàn)組3個(gè)齡期的強(qiáng)度以及28d的孔隙率分別進(jìn)行測(cè)試并收集。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果(見表4)來(lái)看,對(duì)于3天、7天、28天的試塊來(lái)說(shuō),第2組的抗壓強(qiáng)度最高,為9.93MPa、20.42MPa、22.01MPa。對(duì)應(yīng)的各因素取值:骨料率70%,堿當(dāng)量5%,水膠比0.5。第2組試塊的孔隙率最低,為6.27%。

表4 正交實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

通過(guò)實(shí)驗(yàn),收集了各齡期抗壓強(qiáng)度和孔隙率并建立正交試驗(yàn)表(見表5和表6)。表5中的Ks1、Ks2、Ks3分別為1、2、3級(jí)某因子條件下的抗壓強(qiáng)度之和,ks1、ks2、ks3分別為Ks1、Ks2、Ks3對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度均值。表6中的Kp1、Kp2、Kp3分別為1、2、3級(jí)某因子條件下的孔隙率之和,kp1、kp2、kp3分別為Kp1、Kp2、Kp3對(duì)應(yīng)的孔隙率的均值。由正交試驗(yàn)表的性質(zhì)可知,ksi的大小表示各試驗(yàn)組的配合比因素的第i個(gè)水平對(duì)抗壓強(qiáng)度的有利程度。

表5 正交試驗(yàn)表1

表6 正交試驗(yàn)表2

2.2 各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

將各個(gè)因素的最大ksi值找出,便可以得到對(duì)混凝土強(qiáng)度最有利的水平取值組合。同理找出孔隙率最小kpi值,并且繪制了ksi和kpi的變化趨勢(shì)圖(見圖2和圖3)。

圖2 實(shí)驗(yàn)因素對(duì)試塊平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖3 實(shí)驗(yàn)因素與對(duì)28天試塊平均孔隙率的影響

(1)骨料率的影響(因素A)

如圖2所示,高骨料率會(huì)降低試塊的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,70%的骨料率是抗壓強(qiáng)度的最佳取值。較高的骨料率會(huì)導(dǎo)致單位煤矸石混合的NaOH減少,降低煤矸石水化速率,膠凝體含量減少。同時(shí),在圖3中可以看出,由于骨料率增加,使得混合料的孔隙率也增大,28天平均孔隙率從6.79%提高到7.58%也證實(shí)了這一點(diǎn)。

(2)堿當(dāng)量的影響(因素B)

在圖2中可以看出,堿當(dāng)量從3%提高到5%,平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也相應(yīng)提高。但是,堿當(dāng)量從5%提高到7%,平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低,合理的的堿度會(huì)生成合適的鈣礬石晶體,對(duì)縫隙起到充填作用,增加試件的密實(shí)度和抗壓強(qiáng)度,但過(guò)高的堿含量生成的鈣礬石會(huì)阻礙凝膠的產(chǎn)生[13]。同時(shí),在圖3中可以看出,孔隙率隨著堿當(dāng)量的提高,有先減后增的趨勢(shì)。因此,5%的堿當(dāng)量對(duì)應(yīng)最高的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和最低的孔隙率。

(3)水膠比(因素C)

在圖2中可以看出,3天的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水膠比增大先升后降,7天的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水膠比增大而增大,28天的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著水膠比增大先降后升。

在圖3中,孔隙率隨著水膠比的提高,先增后減。因此,0.5的水膠比對(duì)應(yīng)的平均無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為最佳水平。

2.3 極差分析

極差Ri描述了因素在水平變化時(shí),實(shí)驗(yàn)指標(biāo)變化的幅度,Ri越大,指標(biāo)變化的幅度越大,說(shuō)明該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響程度越大,因此也越重要。極差分析可以定性評(píng)價(jià)不同因素對(duì)結(jié)合料抗壓強(qiáng)度的顯著性。表5和表6列出了各因素的Rs和Rp計(jì)算結(jié)果,圖4為不同齡期時(shí)的各因素的極差值比較。根據(jù)極差分析的特性,當(dāng)空白列的極差值相對(duì)比較大時(shí),說(shuō)明實(shí)驗(yàn)因素可能存在交互作用。而在本次試驗(yàn)中空白列的極差值保持在相對(duì)較低水平,說(shuō)明了在選取的因素沒有交互作用。

圖4 各因素在不同齡期的極差值

從正交試驗(yàn)表中提取極差數(shù)據(jù)繪制出圖4和圖5。從圖4可以看出,對(duì)于3天、7天齡期的極差值來(lái)說(shuō),因素B(堿當(dāng)量)對(duì)應(yīng)的極差值均大于另外3種,說(shuō)明堿當(dāng)量對(duì)3天、7天的抗壓強(qiáng)度影響最大。因素C(水膠比)對(duì)應(yīng)的極差值最小,說(shuō)明水膠比對(duì)3天、7天的抗壓強(qiáng)度影響最小。而對(duì)于28天齡期孔隙率的極差值來(lái)說(shuō),骨料率對(duì)應(yīng)的最大,其次是堿當(dāng)量,水膠比最小。同時(shí),從圖可以看出,骨料率對(duì)應(yīng)的Rp最大,說(shuō)明骨料率對(duì)28天齡期的孔隙率影響最大,水膠比對(duì)28天齡期的孔隙率影響最小。

圖5 各因素對(duì)應(yīng)的28天孔隙率極差值

2.4 方差分析

方差分析,指的是利用對(duì)多個(gè)樣本的方差的分析,得出總體均值是否相等的判定,可以用于定量度量每種變量對(duì)控制指標(biāo)的影響程度,精確地評(píng)價(jià)各因素影響的顯著性。方差分析結(jié)果見表7。

從方差分析的結(jié)果來(lái)看,在3天齡期時(shí),骨料率的F值大于F0.05(2,2)=19.00,因此在置信概率95%的區(qū)間內(nèi)認(rèn)為骨料率對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度影響顯著。在7天和28天齡期時(shí),骨料率的F值大于F0.01(2,2)=99.00,因此在置信概率99%的區(qū)間內(nèi)認(rèn)為骨料率對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度影響顯著。

堿當(dāng)量在三個(gè)齡期中F值均大于F0.01(2,2)=99.00,因此堿當(dāng)量對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度影響顯著的概率為99%。

水膠比在三個(gè)齡期中F值均大于F0.05(2,2)=19.00,因此水膠比對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度影響顯著的概率為95%。

對(duì)于28天孔隙率來(lái)說(shuō),堿當(dāng)量對(duì)應(yīng)的F值最大,其次是骨料率對(duì)應(yīng)的F值,水膠比對(duì)應(yīng)的F值最小,所有因素對(duì)應(yīng)的F值均大于F0.005(2,2)=199。因此在置信概率99.5%的區(qū)間內(nèi)堿當(dāng)量、骨料率、水膠比對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度影響顯著。

方差分析與極差分析結(jié)果一致。本次實(shí)驗(yàn)中,對(duì)試塊的抗壓強(qiáng)度和孔隙率影響程度從大到小依次為堿當(dāng)量、骨料率、水膠比。

2.5 微觀分析

為分析堿激發(fā)煤矸石礦渣結(jié)合料的微觀結(jié)構(gòu),取第2組試件的7天和28天代表性試塊,用乙醇浸泡終止水化,然后真空干燥,再噴上金顆粒提高試樣的導(dǎo)電性。在15kV加速電壓下,采用FlexSEM1000掃描電鏡(SEM)對(duì)樣品進(jìn)行微觀形貌觀察和分析,其SEM圖6所示。

圖6 第2組的煤矸石礦渣結(jié)合料SEM圖

可以看出,活化劑與爐渣反應(yīng)生成C-A-S-H凝膠和少量鈣礬石。但由于水化時(shí)間短,煤矸石與堿激發(fā)材料界面相對(duì)疏松,孔隙率較大。隨著水化時(shí)間的延長(zhǎng),如圖6所示,試樣中產(chǎn)生大量水化產(chǎn)物,這些水化產(chǎn)物與煤矸石表面緊密附著并交織在一起,填充孔隙,使?jié){體與煤矸石就近膠結(jié)。由于膠結(jié)材料用量少,煤矸石與漿體界面處存在裂隙和孔隙。但隨著水化時(shí)間的延長(zhǎng),孔隙不斷被填充,促進(jìn)了致密微觀結(jié)構(gòu)的形成。

2.6 最優(yōu)配合比確定

依據(jù)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果,以試塊的強(qiáng)度和孔隙率為優(yōu)化指標(biāo),各因素均取最優(yōu)水平,最優(yōu)配合比組合為A1B2C3,也就是骨料率70%,堿當(dāng)量5%,水膠比0.5。

3 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)利用正交分析的方法,對(duì)堿激發(fā)煤矸石礦渣結(jié)合料在多個(gè)性能目標(biāo)下探究配合比設(shè)計(jì)。同時(shí),利用直觀分析、方差分析對(duì)影響結(jié)合料性能的各因素進(jìn)行趨勢(shì)分析和顯著性分析,得出結(jié)論如下。

(1)骨料率、堿當(dāng)量和水膠比這三種因素在此次實(shí)驗(yàn)中沒有交互作用。

(2)各因素對(duì)結(jié)合料力學(xué)性能和孔隙率影響的顯著性順序:堿當(dāng)量>骨料率>水膠比。

(3)堿當(dāng)量對(duì)結(jié)合料力學(xué)性能的影響主要在前期,這說(shuō)明了堿激發(fā)反應(yīng)對(duì)試塊前期強(qiáng)度影響較大。骨料率對(duì)結(jié)合料力學(xué)性能的影響主要在后期,就是說(shuō)骨料的整體強(qiáng)度對(duì)于試塊的后期強(qiáng)度影響較大。

(4)以試塊的強(qiáng)度和孔隙率為優(yōu)化指標(biāo),各因素均取最優(yōu)水平,最優(yōu)配合比為骨料率70%,堿當(dāng)量5%,水膠比0.5。