高蒙成,王長柏,肖 偉,吳劍揚,劉晨旭

(安徽理工大學 土木建筑學院,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,有機質(zhì)含有氮、氧、碳、硫、氫等元素[1]。長期的煤炭采集工作導致煤矸石大量積累,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)境保護者和科研工作者們的熱門課題[4],對于煤炭行業(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[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,二者結合能使煤矸石基地質(zhì)聚合物強度明顯提高[13]。

在道路建設領域,眾多科研工作者對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)定類型對煤矸石集料路面基層材料的抗擊碎性能、力學性能的影響規(guī)律。孫磊[15]通過一系列的不排水三軸循環(huán)加載試驗,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變隨著循環(huán)次數(shù)的增加近似呈兩階段增長模式。煤矸石在道路基層建設中用料占比很大[16],而在設計這種大摻量堿激發(fā)礦物結合料配合比設計時,需要考慮堿當量、骨料率、水膠比等變量,實驗變量有多種不同取值,會造成實驗工作量大的結果。利用正交試驗可以很好地解決這個問題,正交試驗的優(yōu)點在于它的代表性比較強,以及通過較少的實驗組合數(shù)就可以對各變量的重要程度進行評估[17-18]。

本次研究使用正交試驗法對堿激發(fā)煤矸石礦渣結合料配合比進行優(yōu)化,在此次實驗中,以結合料的抗壓強度和孔隙率作為測試指標,利用直觀分析各個變量對測試指標的影響,并且利用極差和方差分析方法對配合比設計中的各個變量進行研究[19]。

1 實驗研究

1.1 原材料

無機結合料試塊原材料有煤矸石、礦渣、堿激發(fā)劑、城市自來水。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%,骨料級配見圖1,滿足JTG/TF20-2015公路路面基層施工技術細則[20]的要求。

圖1 煤矸石的級配曲線

采用日本理學ZSX PRIMUS II X射線熒光光譜分析儀(XRF),對淮南張集礦煤矸石和礦渣的礦物組成進行探究(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成分表 %

1.2 實驗設計

在實驗研究中,改變一個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驗工作來優(yōu)化堿礦渣煤矸石結合料的混合設計。為了節(jié)省進行實驗的成本和時間,采用正交試驗來確定結合料的最佳配合比,以最大化結合料強度,正交實驗分析過程如下。

選取合適的控制因子和水平,構建正交試驗組。根據(jù)初步實驗工作[21],確定了影響強度的三個主要因素:骨料率、堿當量(Na2O,wt%)和水膠比。每個因子選取3個水平:骨料率為70%、75%和80%;堿當量為3%、5%、7%;水膠比為0.4、0.45、0.5,由此設計了正交試驗各因素水平取值表(如表2所示)。

表2 正交試驗各因素水平取值表

(1)在本實驗設計中,每個水平組合出現(xiàn)在相同的重復,并且添加了空白列,共四因素三水平,故選取L9(34)正交實驗表(如表3所示)。

表3 正交試驗配合比表

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

(3)對結果進行方差分析,分析評價各因素的影響顯著性。通過方差分析,確定了堿激發(fā)煤矸石礦渣結合料配合比的最佳設計方案。

1.3 試樣制備與性能測定

按照實驗組配合比拌制結合料,試模的直徑×高=Φ150mm×150mm試塊,在室溫下養(yǎng)護1d后拆模,一天之內(nèi)的養(yǎng)護需要在試塊表面加一次薄膜,然后在相對濕度95%、(20±2)℃的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

混凝土抗壓強度由長春機械院2000kN抗壓性能試驗機測定,加荷速度為0.5mm/min,每個試驗組需要測量3天、7天、28天的抗壓強度,每組試塊都有6個平行試樣,取平均值為測試結果。

根據(jù)ASTMC20,測定煤矸石道路穩(wěn)定材料的孔隙率。

2 實驗分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)初步分析

依據(jù)正交試驗方案進行試驗,并對各試驗組3個齡期的強度以及28d的孔隙率分別進行測試并收集。從實驗結果(見表4)來看,對于3天、7天、28天的試塊來說,第2組的抗壓強度最高,為9.93MPa、20.42MPa、22.01MPa。對應的各因素取值:骨料率70%,堿當量5%,水膠比0.5。第2組試塊的孔隙率最低,為6.27%。

表4 正交實驗測試結果

通過實驗,收集了各齡期抗壓強度和孔隙率并建立正交試驗表(見表5和表6)。表5中的Ks1、Ks2、Ks3分別為1、2、3級某因子條件下的抗壓強度之和,ks1、ks2、ks3分別為Ks1、Ks2、Ks3對應的抗壓強度均值。表6中的Kp1、Kp2、Kp3分別為1、2、3級某因子條件下的孔隙率之和,kp1、kp2、kp3分別為Kp1、Kp2、Kp3對應的孔隙率的均值。由正交試驗表的性質(zhì)可知,ksi的大小表示各試驗組的配合比因素的第i個水平對抗壓強度的有利程度。

表5 正交試驗表1

表6 正交試驗表2

2.2 各因素對實驗結果的影響

將各個因素的最大ksi值找出,便可以得到對混凝土強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的變化趨勢圖(見圖2和圖3)。

圖2 實驗因素對試塊平均無側限抗壓強度的影響

圖3 實驗因素與對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,高骨料率會降低試塊的平均無側限抗壓強度,70%的骨料率是抗壓強度的最佳取值。較高的骨料率會導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,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%也證實了這一點。

(2)堿當量的影響(因素B)

在圖2中可以看出,堿當量從3%提高到5%,平均無側限抗壓強度也相應提高。但是,堿當量從5%提高到7%,平均無側限抗壓強度降低,合理的的堿度會生成合適的鈣礬石晶體,對縫隙起到充填作用,增加試件的密實度和抗壓強度,但過高的堿含量生成的鈣礬石會阻礙凝膠的產(chǎn)生[13]。同時,在圖3中可以看出,孔隙率隨著堿當量的提高,有先減后增的趨勢。因此,5%的堿當量對應最高的平均無側限抗壓強度和最低的孔隙率。

(3)水膠比(因素C)

在圖2中可以看出,3天的平均無側限抗壓強度隨著水膠比增大先升后降,7天的平均無側限抗壓強度隨著水膠比增大而增大,28天的平均無側限抗壓強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的水膠比對應的平均無側限抗壓強度為最佳水平。

2.3 極差分析

極差Ri描述了因素在水平變化時,實驗指標變化的幅度,Ri越大,指標變化的幅度越大,說明該因素對實驗結果影響程度越大,因此也越重要。極差分析可以定性評價不同因素對結合料抗壓強度的顯著性。表5和表6列出了各因素的Rs和Rp計算結果,圖4為不同齡期時的各因素的極差值比較。根據(jù)極差分析的特性,當空白列的極差值相對比較大時,說明實驗因素可能存在交互作用。而在本次試驗中空白列的極差值保持在相對較低水平,說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,對于3天、7天齡期的極差值來說,因素B(堿當量)對應的極差值均大于另外3種,說明堿當量對3天、7天的抗壓強度影響最大。因素C(水膠比)對應的極差值最小,說明水膠比對3天、7天的抗壓強度影響最小。而對于28天齡期孔隙率的極差值來說,骨料率對應的最大,其次是堿當量,水膠比最小。同時,從圖可以看出,骨料率對應的Rp最大,說明骨料率對28天齡期的孔隙率影響最大,水膠比對28天齡期的孔隙率影響最小。

圖5 各因素對應的28天孔隙率極差值

2.4 方差分析

方差分析,指的是利用對多個樣本的方差的分析,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控制指標的影響程度,精確地評價各因素影響的顯著性。方差分析結果見表7。

從方差分析的結果來看,在3天齡期時,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)認為骨料率對試塊抗壓強度影響顯著。在7天和28天齡期時,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)認為骨料率對試塊抗壓強度影響顯著。

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

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

對于28天孔隙率來說,堿當量對應的F值最大,其次是骨料率對應的F值,水膠比對應的F值最小,所有因素對應的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)堿當量、骨料率、水膠比對試塊抗壓強度影響顯著。

方差分析與極差分析結果一致。本次實驗中,對試塊的抗壓強度和孔隙率影響程度從大到小依次為堿當量、骨料率、水膠比。

2.5 微觀分析

為分析堿激發(fā)煤矸石礦渣結合料的微觀結構,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電性。在15kV加速電壓下,采用FlexSEM1000掃描電鏡(SEM)對樣品進行微觀形貌觀察和分析,其SEM圖6所示。

圖6 第2組的煤矸石礦渣結合料SEM圖

可以看出,活化劑與爐渣反應生成C-A-S-H凝膠和少量鈣礬石。但由于水化時間短,煤矸石與堿激發(fā)材料界面相對疏松,孔隙率較大。隨著水化時間的延長,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。由于膠結材料用量少,煤矸石與漿體界面處存在裂隙和孔隙。但隨著水化時間的延長,孔隙不斷被填充,促進了致密微觀結構的形成。

2.6 最優(yōu)配合比確定

依據(jù)正交實驗結果,以試塊的強度和孔隙率為優(yōu)化指標,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%,堿當量5%,水膠比0.5。

3 結論

本次實驗利用正交分析的方法,對堿激發(fā)煤矸石礦渣結合料在多個性能目標下探究配合比設計。同時,利用直觀分析、方差分析對影響結合料性能的各因素進行趨勢分析和顯著性分析,得出結論如下。

(1)骨料率、堿當量和水膠比這三種因素在此次實驗中沒有交互作用。

(2)各因素對結合料力學性能和孔隙率影響的顯著性順序:堿當量>骨料率>水膠比。

(3)堿當量對結合料力學性能的影響主要在前期,這說明了堿激發(fā)反應對試塊前期強度影響較大。骨料率對結合料力學性能的影響主要在后期,就是說骨料的整體強度對于試塊的后期強度影響較大。

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