(重慶交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 重慶 400041)

引言

膠凝材料通常是指在物理、化學(xué)作用下，能從流動(dòng)漿體硬化成堅(jiān)硬的固體，同時(shí)能黏結(jié)其它填充材料，制成具有一定機(jī)械強(qiáng)度的物質(zhì)。硅酸鹽水泥(P·I)、普通硅酸鹽水泥(P·O)的主要成分是硅酸鹽礦物，作為主要的無(wú)機(jī)膠凝材料之一，在膠凝材料中占有極其重要的地位。硅酸鹽水泥的成分與生態(tài)環(huán)境相互融合，是一種生態(tài)制品，但因傳統(tǒng)水泥工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、工藝設(shè)備等改進(jìn)不足、管理落后，傳統(tǒng)水泥工業(yè)給社會(huì)發(fā)展和生活環(huán)境帶來(lái)了十分不利的影響。

一、堿激發(fā)膠凝材料的提出

堿激發(fā)膠凝材料是指具有火山灰性質(zhì)或潛在水硬性質(zhì)的原料(如礦渣、粉煤灰、鋼渣等)與堿性激發(fā)劑(如 NaOH、水玻璃、Na2CO3、Na2SO4等)反應(yīng)制成的一類膠凝材料。堿激發(fā)膠凝材料的發(fā)展可追溯到上個(gè)世紀(jì)30年代，世界各國(guó)研究者開(kāi)始進(jìn)行廣泛、大量的探索。許多學(xué)者已總結(jié)出具有重大意義的研究理論，指導(dǎo)實(shí)際工程利用此類材料。堿激發(fā)膠凝材料的發(fā)展歷程如圖2-1。

圖2-1 堿激發(fā)膠凝材料的發(fā)展歷程

堿激發(fā)膠凝材料可使用的原材料范圍廣泛，也可以實(shí)現(xiàn)不同材料的復(fù)合選擇。目前，更多學(xué)者致力于堿激發(fā)復(fù)合膠凝材料的研究工作，嘗試堿激發(fā)劑的復(fù)合以及摻合料的復(fù)合使用，研制復(fù)合高效激發(fā)劑可以彌補(bǔ)單一激發(fā)劑激發(fā)效果的不足，而摻合料的復(fù)合使用可以實(shí)現(xiàn)在不降低膠凝材料性能的前提下，大量利用工業(yè)、農(nóng)業(yè)廢渣，起到固廢再利用的效果。同時(shí)，不同品種的廢渣粉體細(xì)顆粒結(jié)合既可以起到填充密實(shí)漿體的作用，也可以在一定程度上改善砂漿、混凝土的工作性和硬化性能。

二、堿激發(fā)膠凝材料的研究與利用

堿礦渣膠凝材料是利用堿金屬化合物作為堿組分激發(fā)粒化高爐礦渣的活性，產(chǎn)生水化反應(yīng)，從而制得的一種水硬性膠凝材料。?；郀t礦渣為高爐煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的工業(yè)固廢，若不進(jìn)行合理的再利用，對(duì)環(huán)境承受力存在較大隱患，未經(jīng)磨細(xì)的礦渣粒如圖3-1所示。常見(jiàn)品種的礦渣化學(xué)成分主要為 CaO、SiO2、Al2O3、MgO，磨細(xì)至一定程度的礦渣顆粒具有較大的潛在水硬活性。關(guān)于礦渣在強(qiáng)堿環(huán)境下的活化機(jī)理，已有眾多學(xué)者提出合理的理論及模型。目前，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)可的理論為激發(fā)劑中的強(qiáng)堿能破壞礦渣顆粒表面的Si-O-Si、A-O-Al、S-O-Al等共價(jià)鍵，以Si-O-Si為例，解體過(guò)程的反應(yīng)如式(3-1)式(3-2)所示：

≡Si-O-Si≡O(shè)H-→≡Si-OH-≡Si-O

(3-1)

≡Si-OH+OH-≡Si-O+H2O

(3-2)

三、響應(yīng)面法的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

響應(yīng)面法是一種從多因素體系中找出最優(yōu)因素相關(guān)參數(shù)的方法，是數(shù)學(xué)方法和統(tǒng)計(jì)方法協(xié)同的典型。響應(yīng)面法可以在所選取因素的初選范圍內(nèi)利用設(shè)計(jì)方案，模擬多元二次回歸方程來(lái)擬合因素與響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系，通過(guò)對(duì)回歸方程進(jìn)行方差、顯著性等分析來(lái)尋求最優(yōu)工藝參數(shù)。在建筑領(lǐng)域，目前國(guó)內(nèi)外利用響應(yīng)面法來(lái)優(yōu)化因素分析的研究越來(lái)越多。常用的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，可以很好地解決多因素、多水平影響下的響應(yīng)問(wèn)題并指出優(yōu)化方向，但由于正交設(shè)計(jì)是以線性模型為基礎(chǔ)的，當(dāng)響應(yīng)達(dá)到最優(yōu)點(diǎn)附近需要進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)化時(shí)，正交設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)顯現(xiàn)出來(lái)，而響應(yīng)面法(RSM)正好可以彌補(bǔ)這方面的不足。

研究結(jié)果表明，復(fù)合堿(鹽)組分中，NaOH對(duì)響應(yīng)值膠凝材料強(qiáng)度的影響最為顯著，NaOH含量在1%時(shí)，激發(fā)效果最為理想，NaOH與CaO的交互作用高于NaOH與CaSO4的交互作用。

在堿激發(fā)膠凝材料的研究過(guò)程中運(yùn)用響應(yīng)面法，能較好的分析各項(xiàng)因素及因素之間的交互作用對(duì)膠凝材料性能的影響，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。響應(yīng)面法處理問(wèn)題的基本步驟為：

(1)試驗(yàn)因素的選擇及單因素最優(yōu)值范圍的確定。

(2)響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法常用的有中心復(fù)合設(shè)計(jì)Central Composite Design(CCD)和Box Behnken Design(BBD)。

(3)構(gòu)建模型及檢驗(yàn)

結(jié)論

本文研究了石灰石粉對(duì)堿激發(fā)礦渣水泥力學(xué)性能的影響。在此基礎(chǔ)上，利用響應(yīng)面分析法確定堿激發(fā)組分膠凝材料組分的含量，并進(jìn)行驗(yàn)證。堿激發(fā)多組分膠凝材料早期水化迅速，產(chǎn)生了大量的水化產(chǎn)物，漿體早期強(qiáng)度高。隨著齡期的增加，水化產(chǎn)物數(shù)量不斷增多，漿體結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。國(guó)內(nèi)外少有將礦渣、石灰石粉、玻璃粉復(fù)摻作為膠凝材料的研究，本文對(duì)堿激發(fā)多組分膠凝材料各項(xiàng)性能的研究仍然較少，除了力學(xué)性能和耐腐蝕性能外，膠凝材料的收縮性能、抗高低溫性能同樣需要細(xì)致的研究。