吳 蓬，呂憲俊，王俊祥，胡術(shù)剛

(山東科技大學 化學與環(huán)境工程學院， 山東 青島 266590)

利用響應(yīng)面設(shè)計優(yōu)化微細粒尾礦固結(jié)用礦渣膠凝材料配比的研究

吳 蓬，呂憲俊，王俊祥，胡術(shù)剛

(山東科技大學 化學與環(huán)境工程學院， 山東 青島 266590)

為了研發(fā)適用于微細粒尾礦固結(jié)的礦渣膠凝材料，以?；郀t礦渣為主要原料，采用Design-Expert軟件中的響應(yīng)面實驗設(shè)計，考查了熟料、石膏配比及其交互作用對礦渣膠凝材料抗壓強度的影響，并通過對實驗結(jié)果的回歸分析，提供了各因素對抗壓強度影響的可視化模型。結(jié)果表明：與石膏相比，熟料為更為顯著的影響因素，且隨著養(yǎng)護齡期的延長，礦渣水化對熟料的需求量增加，對石膏的需求量減少；擬合的二階回歸方程模型具有良好可靠性，以3 d養(yǎng)護齡期的抗壓強度最大值為優(yōu)化目標，可得出預(yù)測優(yōu)化方案中熟料、石膏占礦渣質(zhì)量的最佳百分比分別為52.47%、19.36%。與P·O 42.5普通硅酸鹽水泥相比，礦渣膠凝材料具有早強和高效的特點，同等條件下，其3、28 d的抗壓強度可分別提高122%和104%以上。

響應(yīng)面設(shè)計；?；郀t礦渣；水泥熟料；石膏

礦渣是一種以CaO、MgO、Al2O3、SiO2等為主要成分的隱晶質(zhì)材料，采用化學活化的方法能夠使其潛在膠凝活性得到激發(fā)，從而可作為制備水硬性膠凝材料的原料[1]。近年來，礦渣膠凝材料在國內(nèi)外礦山充填采空區(qū)中得到大規(guī)模的應(yīng)用[2-5]，然而其應(yīng)用性能取決于激發(fā)材料的性能和配比。為了充分激發(fā)其膠凝性能，通常采用多種活化劑進行復(fù)合活化[6-8]，活化劑的最佳組合是決定礦渣膠凝材料性能的關(guān)鍵因素。而且，隨著膠結(jié)骨料的不同，礦渣膠凝材料的原料組成和配比需要相應(yīng)改變。

Design-Expert可以設(shè)計出高效的試驗方案，并對試驗數(shù)據(jù)進行專業(yè)分析，建立全面、可視的模型及優(yōu)化結(jié)果[9]，在材料配比設(shè)計等試驗中有廣泛應(yīng)用[10-14]。響應(yīng)面設(shè)計是Design-Expert的核心試驗設(shè)計方法，充分考慮各因素間交互效應(yīng)的影響，通過多水平的試驗，擬合二階以上的模型，找出設(shè)計的最優(yōu)點[15-16]。

目前，針對微細粒尾礦的膠結(jié)尚缺乏有效的膠凝材料，由于其具有粒度細、濃度低等特點，采用傳統(tǒng)的水泥膠凝材料固結(jié)時存在著用量大、固結(jié)時間長等缺陷，不適合微細粒尾礦的膠結(jié)[17]。為了開發(fā)適用于微細粒尾礦膠結(jié)用膠凝材料，為微細粒尾礦安全處置開發(fā)新的途徑，本研究以粒化高爐礦渣為主要原料，熟料、石膏為激發(fā)劑，采用Design-Expert 8.0試驗設(shè)計中的響應(yīng)面設(shè)計，設(shè)計出不同熟料和石膏摻量下活化礦渣膠凝材料直接膠結(jié)微細粒尾礦抗壓強度的實驗，并通過擬合影響因素熟料摻量、石膏摻量與響應(yīng)值抗壓強度之間的回歸方程，預(yù)測能夠滿足微細粒尾礦有效膠結(jié)的礦渣膠凝材料的最優(yōu)激發(fā)劑摻量；最后，采用優(yōu)化配比的礦渣膠凝材料與普通硅酸鹽水泥進行膠結(jié)微細粒尾礦對比，分析礦渣膠凝材料在微細粒尾礦膠結(jié)方面的應(yīng)用性能特點。

1 實驗原料和方法

1.1 實驗原料

制備膠凝材料的礦渣為濰坊特鋼集團有限公司產(chǎn)出的?；郀t礦渣微粉，比表面積為400 m2/kg，密度為2.86 g/cm3， 具有隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)(圖1(a))， 根據(jù)其化學成分歸類為酸性礦渣(表1)。 激發(fā)劑為水泥熟料、石膏，其中水泥熟料為泰山中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的硅酸鹽水泥熟料，比表面積為350 m2/kg，其結(jié)晶物相主要為C3S、C3A等(圖1(b))；石膏為南京特種建筑材料股份有限公司產(chǎn)出的天然硬石膏粉，比表面積為415 m2/kg，結(jié)晶物相主要為硬石膏，另含少量方解石(圖1(c))。礦渣、水泥熟料、石膏的化學成分如表1所示。

圖1 礦渣、水泥熟料、石膏和尾礦的X射線衍射圖譜

原料化學成分/%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOK2ONa2OSO3MnOTiO2活性指數(shù)礦渣32.0518.310.9234.0010.780.50—0.290.400.650.89熟料20.545.223.0362.015.050.290.150.750.050.23—石膏0.680.400.1439.001.950.120.0850.50—0.05—

所用微細粒尾礦為南京梅山冶金發(fā)展有限公司礦業(yè)分公司鐵礦選礦廠的旋流器溢流分級尾砂，采用BT-9300Z型激光粒度分析儀測得其D95約為24 μm，D50約為6 μm，粒度極細，其結(jié)晶物相主要有菱鐵礦、方解石、石英、赤鐵礦、高嶺石、白云石等(圖1(d))。

所用對比膠凝材料為泰山中聯(lián)水泥廠生產(chǎn)的42.5強度等級的P·O普通硅酸鹽水泥。

表2 響應(yīng)面分析因素與水平表

表3 響應(yīng)面分析方案與實驗結(jié)果

1.2 實驗方法

1.2.1 礦渣膠凝材料的制備

通過單因素實驗確定出礦渣膠凝材料響應(yīng)面實驗設(shè)計中自變量的變化范圍：熟料25%～65%，石膏10%～30%(均為占礦渣質(zhì)量的百分比)，把以上兩個自變量作為考察因素，以不同養(yǎng)護齡期3、28 d膠結(jié)體的抗壓強度為響應(yīng)值，在尾礦濃度54%(塌落度實驗確定)、膠凝材料用量16%(膠結(jié)實驗確定)的條件下，采用響應(yīng)面設(shè)計中的Miscellaneous法進行2因素3水平實驗設(shè)計。各因素取值見表2，響應(yīng)面分析方案與實驗結(jié)果見表3。

1.2.2 微細粒尾礦膠結(jié)強度實驗

參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》，將膠凝材料、尾礦和自來水按照比例加入到JJ-6型水泥膠砂攪拌機中攪拌混勻，灌入4 cm×4 cm×16 cm三聯(lián)試模立即用ZT-96型水泥膠砂成型振實臺振實成型，水平放置在(20±1)℃、濕度95%的HBY-40型水泥標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護。采用WAY-300型電液式壓力實驗機測定養(yǎng)護3、28 d樣品的無側(cè)限抗壓強度。每個樣品測3個數(shù)值，取其平均值作為最終強度數(shù)值，強度數(shù)值越高，代表膠凝材料的性能越好。測試過程中，以(2 400±200) N/s的速率勻速地加荷，直至樣品被破壞。

2 結(jié)果及討論

2.1 礦渣膠凝材料的配方優(yōu)化

2.1.1 實驗結(jié)果回歸分析

實驗中以熟料摻量-X1(百分含量)，石膏摻量-X2(百分含量)為自變量，以膠結(jié)體強度Y為響應(yīng)值，進行響應(yīng)面實驗分析，回歸分析結(jié)果見表4。

表4 以膠結(jié)體強度為指標的回歸分析結(jié)果

不同養(yǎng)護齡期響應(yīng)值與各因素進行回歸擬合后，得到二階回歸方程為：

表4中P值表示因子影響的顯著性，其數(shù)值越小表示此因子影響越顯著，通常P值<0.05的因子認為是顯著影響因子，P值>0.1認為是非顯著影響因子；信噪比數(shù)值>4表明擬合模型可以用于預(yù)測。3 d養(yǎng)護齡期的回歸模型F值為19.23，表明回歸模型是顯著的，P值0.000 6<0.05，表明F值是由噪值引起的可能性僅有0.06%，即擬合方程所用的各個因素對膠結(jié)體強度的影響是可靠的，其中X1、X12、X22為顯著影響因子，即熟料、石膏對3 d抗壓強度均有顯著影響；信噪比數(shù)值12.274>4表明該擬合方程可用于預(yù)測。28 d養(yǎng)護齡期的回歸模型F值為9.35，表明回歸模型是顯著的，P值0.005 3<0.05，表明F值是由噪值引起的可能性僅有0.53%，即擬合方程所用的各個因素對膠結(jié)體強度的影響是可靠的，其中X1、X12為顯著影響因子，即僅熟料對28 d抗壓強度有顯著影響；信噪比數(shù)值8.97>4，表明該擬合方程可用于預(yù)測。

綜上所述，不同養(yǎng)護齡期的擬合方程均較為顯著，并且擬合方程所用的各個因素對膠結(jié)體強度的影響是可靠的，擬合方程均可用于預(yù)測。各養(yǎng)護齡期擬合方程中X1、X2項系數(shù)均為正值，且X1項系數(shù)大于X2項系數(shù)，說明熟料、石膏能夠激發(fā)礦渣的膠凝活性，且影響大小為熟料>石膏；X12、X22項系數(shù)均為負值，且X12項系數(shù)絕對值小于X22項系數(shù)絕對值，說明熟料、石膏摻量過多均會給抗壓強度帶來不利影響，且石膏摻量過多會帶來更多不利影響；交互項X1X2系數(shù)均為正值，說明熟料、石膏的交互作用有利于對礦渣活性的激發(fā)；常數(shù)項3 d養(yǎng)護齡期為負值(-0.86)，28 d養(yǎng)護齡期為正值(0.05)，說明不添加這兩種活化劑的情況下，養(yǎng)護早期膠結(jié)體不會有強度，養(yǎng)護后期雖然為正值，但數(shù)值僅為0.05，處于很低的水平，其強度的獲得與活化劑的活化效果有明顯的關(guān)系。

2.1.2 響應(yīng)曲面與等高線分析

不同養(yǎng)護齡期各因素對膠結(jié)體強度的影響等高線圖及響應(yīng)曲面圖如圖2所示。

圖2 不同齡期熟料、石膏及其交互作用對膠結(jié)體抗壓強度的影響

由圖2可知，響應(yīng)曲面的曲率半徑隨著養(yǎng)護齡期的延長而變大，表明隨著養(yǎng)護齡期的延長，熟料、石膏及其交互作用對膠結(jié)體強度影響的顯著性越來越小。在熟料一定摻量的情況下，改變石膏的摻入量對抗壓強度的影響并不是特別顯著(尤其是在長期養(yǎng)護的情況下)，但在一定石膏摻量的情況下，改變熟料的摻入量對抗壓強度有十分顯著的影響，這表明熟料是影響膠結(jié)體抗壓強度的顯著因素。

圖2中顏色深淺的過渡表征不同抗壓強度的變化過程，顏色由淺到深表征抗壓強度由小到大，顏色越深表征強度值越高。根據(jù)等高線圖可知，對于3 d養(yǎng)護齡期，在熟料一定摻量的情況下，抗壓強度隨著石膏摻入量的增大先增大后減?。辉谝欢ㄊ鄵搅康那闆r下，抗壓強度隨著熟料摻入量的增大也先增大后減小，在考慮熟料和石膏交互作用對抗壓強度影響的前提下，熟料的最佳摻量為46%～60%，石膏的最佳摻量為15%～23%。對于28 d養(yǎng)護齡期，在熟料摻量一定的情況下，抗壓強度隨著石膏摻量的增大而減小，但石膏對強度的影響程度明顯減??；在一定石膏摻量情況下，抗壓強度隨著熟料摻入量的增加不斷增大，在考慮熟料和石膏交互作用對抗壓強度影響的前提下，熟料的最佳摻量為>50%，石膏的最佳摻量為<15%。

結(jié)合回歸分析的結(jié)果可知，熟料在堿激發(fā)礦渣膠凝材料整個水化過程中對抗壓強度一直有顯著影響，且隨著養(yǎng)護齡期的延長，所需熟料的摻量增大。這主要由于在水化初期(3 d)，熟料首先水解形成一定的堿性環(huán)境，礦渣在OH-作用下顆粒表面的Ca2+、Mg2+首先與OH-作用生成Ca(OH)2、Mg(OH)2，破壞礦渣顆粒的表面，連續(xù)的富鈣相為OH-進入礦渣顆粒內(nèi)部提供必要通道，促使礦渣的進一步水化，溶液中的Na+、K+等離子與Ca2+、Mg2+進行替換，連接在Si—O鍵或/和Al—O鍵上，進一步導致礦渣網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的破壞、解離，解離后的Si—O、Al—O等陰離子團與溶液中的Ca(OH)2作用生成具有膠凝性能的水化產(chǎn)物[6]；隨著養(yǎng)護齡期的延長，礦渣的水化反應(yīng)不斷消耗OH-，在水化后期(28 d)要保證礦渣繼續(xù)水化，必須有更多的熟料為礦渣的水化提高OH-。石膏在養(yǎng)護初期對抗壓強度有顯著影響，而在養(yǎng)護后期對抗壓強度影響較小，且隨著養(yǎng)護齡期的延長，對石膏的需求量減小。這主要由于石膏的加入能夠改變熟料激發(fā)礦渣體系的水化產(chǎn)物種類，促進鈣礬石(AFt)的生成，提高水化產(chǎn)物生成總量，且石膏的這種作用主要集中在水化反應(yīng)初期[18]，此階段鈣礬石的生成對抗壓強度的發(fā)展起到主導作用；而在水化后期，隨著養(yǎng)護齡期的延長，堿激發(fā)礦渣體系生成的凝膠類水化產(chǎn)物不斷增多，最終對抗壓強度起到主要作用，從而降低了對鈣礬石的依賴性，減小了對石膏的需求量。石膏的加入還能夠加快對體系中Ca(OH)2的消耗，因此為保證礦渣的有效水化，在有石膏存在的條件下應(yīng)該適當提高熟料的摻量。

通過上述實驗設(shè)計、實驗結(jié)果回歸分析，得出熟料、石膏及其交互作用對抗壓強度的影響規(guī)律，提供了各因素對抗壓強度影響的可視化模型。為了找出熟料、石膏設(shè)計的最優(yōu)點，利用Design-Expert對數(shù)據(jù)模型進行預(yù)測優(yōu)化，選定熟料摻量25%～65%、石膏摻量10%～30%(均為占礦渣質(zhì)量的百分比)為限制條件，3 d抗壓強度最大值為優(yōu)化目標，利用Optimization預(yù)測優(yōu)化設(shè)計方案為熟料摻量52.47%、石膏摻量19.36%；以28 d抗壓強度最大值為優(yōu)化目標時，預(yù)測優(yōu)化設(shè)計方案為熟料摻量58.73%、石膏摻量10%；以3、28 d抗壓強度均最大值為優(yōu)化目標時，預(yù)測優(yōu)化設(shè)計方案為熟料摻量54.54%、石膏摻量16.59%，此預(yù)測結(jié)果與回歸分析結(jié)果保持一致，具有良好的可靠性。為了獲得具有良好早強性能的礦渣膠凝材料，最終選定以3 d抗壓強度最大值為優(yōu)化目標，對應(yīng)預(yù)測優(yōu)化方案中熟料、石膏的最佳摻量(占礦渣質(zhì)量的百分比)分別為52.47%、19.36%。

2.2 礦渣膠凝材料的應(yīng)用性能

為了考察所制備礦渣膠凝材料對微細粒尾礦的膠結(jié)效果，以P·O 42.5普通硅酸鹽水泥作為參比材料，梅山微細粒尾礦為骨料，考察了膠凝材料用量(8%～16%)和尾礦濃度(48%～56%)對砂漿抗壓強度的影響，并通過對比礦渣膠凝材料與普通硅酸鹽水泥對微細粒尾礦固結(jié)效果的差異，探討礦渣膠凝材料的應(yīng)用性能及特點。

2.2.1 膠凝材料用量對砂漿抗壓強度的影響

在尾礦濃度54%，分別由不同添加量(8%～16%)的礦渣膠凝材料(alkali-activated slag, AAS)和普通硅酸鹽水泥制備砂漿試塊，并測其3、28 d的抗壓強度，考察膠凝材料用量對砂漿抗壓強度的影響。

圖3 3 (a)和28 d (b)砂漿抗壓強度隨膠凝材料用量的變化

圖3為礦渣膠凝材料和普通硅酸鹽水泥用量對砂漿抗壓強度影響的變化曲線，圖中AAS代表礦渣膠凝材料，OPC代表普通硅酸鹽水泥。結(jié)果表明，礦渣膠凝材料對微細粒尾礦的膠結(jié)效果均明顯優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，且隨著膠凝材料用量的增加，各養(yǎng)護齡期的砂漿抗壓強度均明顯提高。養(yǎng)護齡期3 d時，膠凝材料用量由8%提高到16%，礦渣膠凝材料的砂漿抗壓強度由0.11 MPa提高到0.67 MPa，普通硅酸鹽水泥的砂漿抗壓強度由0提高到0.26 MPa，相同膠凝材料用量情況下，礦渣膠凝材料的砂漿抗壓強度較普通硅酸鹽水泥提高158%以上。養(yǎng)護齡期28 d時，膠凝材料用量由8%提高到16%，礦渣膠凝材料的砂漿抗壓強度由0.40 MPa提高到1.92 MPa，普通硅酸鹽水泥的砂漿抗壓強度由0.18 MPa提高到0.79 MPa，相同膠凝材料用量情況下，礦渣膠凝材料的砂漿抗壓強度較普通硅酸鹽水泥提高111%以上。

2.2.2 尾礦濃度對砂漿抗壓強度的影響

在膠凝材料用量16%的條件下，制備不同尾礦濃度(48%～56%)的砂漿試塊并測其3、28 d的抗壓強度，考察尾礦濃度對砂漿抗壓強度的影響。

圖4 3 d (a)和28 d (b)砂漿抗壓強度隨尾礦濃度的變化

圖4為尾礦濃度對砂漿抗壓強度影響的變化曲線，圖中AAS為礦渣膠凝材料，OPC為普通硅酸鹽水泥。結(jié)果同樣表明，礦渣膠凝材料對微細粒尾礦的膠結(jié)效果明顯優(yōu)于普通硅酸鹽水泥，且隨著尾礦濃度的增加，各養(yǎng)護齡期的砂漿抗壓強度均明顯提高。養(yǎng)護齡期3 d時，尾礦濃度由48%提高到56%，礦渣膠凝材料的砂漿抗壓強度由0.24 MPa提高到0.84 MPa，普通硅酸鹽水泥砂漿的抗壓強度由0提高到0.38 MPa，同等條件下，礦渣膠凝材料的砂漿抗壓強度較普通硅酸鹽水泥提高122%以上。養(yǎng)護齡期28 d時，尾礦濃度由48%提高到56%，礦渣膠凝材料的砂漿抗壓強度由0.71 MPa提高到2.20 MPa，普通硅酸鹽水泥的砂漿抗壓強度由0.31 MPa提高到0.95 MPa，同等條件下，礦渣膠凝材料的砂漿抗壓強度較普通硅酸鹽水泥高104%以上。

綜上所述，在不同膠凝材料用量、不同尾礦濃度條件下，礦渣膠凝材料對微細粒尾礦的膠結(jié)效果均明顯優(yōu)于P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，同等條件下，養(yǎng)護3 d、28 d礦渣膠凝材料的砂漿抗壓強度較P·O 42.5普通硅酸鹽水泥分別提高122%、104%以上，礦渣膠凝材料展現(xiàn)出良好的高效、早強的特點。

3 結(jié)論

1) 通過熟料摻量、石膏摻量的響應(yīng)面實驗設(shè)計、實驗結(jié)果的回歸分析，為各因素對礦渣膠凝材料抗壓強度的影響提供了一個可視化模型，擬合的二階回歸方程模型具有良好可靠性，以3 d抗壓強度最大值為優(yōu)化目標，可以得出預(yù)測優(yōu)化方案中熟料、石膏的最佳摻量(占礦渣質(zhì)量的百分比)分別為52.47%、19.36%。

2) 查明了熟料、石膏及其交互作用對抗壓強度的影響規(guī)律，熟料在整個水化過程中一直為顯著影響因素，石膏僅在水化初期為顯著影響因素，且隨著養(yǎng)護齡期的延長，礦渣水化對熟料的需求量增加，對石膏的需求量減少。

3) 制備出的礦渣膠凝材料具有早強、高效的特點，與P·O 42.5普通硅酸鹽水泥相比，同等條件下，其3、28 d砂漿抗壓強度可分別提高122%、104%以上。

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(責任編輯：呂海亮)

Formulation Optimization of Slag Cementitious Materials for Cementation of Ultrafine Tailings Based on Response Surface Method

WU Peng, Lü Xianjun, WANG Junxiang, HU Shugang

(College of Chemical and Environmental Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590, China)

In order to prepare the slag cementitious materials for the cementation of ultrafine tailings, granulated blast furnace slag (GBFS) was mixed with clinker and gypsum powders under different proportions and the effect of the proportions of clinker and gypsum and their interaction on the performance of the slag cementitious material was studied by using response surface design in Design-Expert software. Based on the regression analysis of test results, a visual model was provided. The results show that clinker is a more significant influencing factor than gypsum, and with the extension of curing age, the demand of slag hydration for clinker is increased, but the demand for gypsum is reduced. The fitting of the two order regression equation model has good reliability. With the maximum of the compressive strength at 3 days as the optimized goal, the optimal ratios of clinker/slag and gypsum/slag were predicted as 52.47% and 9.36% respectively. Compared with P·O 42.5 ordinary Portland cement(OPC), the prepared slag cementitious material has the characteristics of early strength and high efficiency. With the same dosage, after a curing period of 3 and 28 days, its compressive strength can be increased by 122% and 104% respectively.

response surface design; granulated blast furnace slag; cement clinker; gypsum

2016-10-17

國家自然科學基金項目(51674161)；高等學校博士學科點專項科研基金項目(20133718110005)；山東省2016年重點研發(fā)計劃項目(2016GSF116013)；青島市黃島區(qū)科技計劃項目(2014-1-37)

吳 蓬(1987—)，男，山東泰安人，博士研究生，主要從事礦物資源綜合利用方面的研究. 呂憲俊(1965—)，男，河南內(nèi)黃縣人，教授，博士生導師，主要從事礦物資源綜合利用方面的研究，本文通信作者. E-mail: lu_xianjun@163.com

TD989

A

1672-3767(2017)02-0034-08