馬驍，朱杰，陳雄

(1.廣東石油化工學(xué)院 建筑工程學(xué)院，廣東 茂名 525000；2.廣東省綠色建材與裝配式建筑工程技術(shù)研究中心，廣東 茂名 525000；3.江西省建科工程咨詢有限公司，江西 南昌 330000)

近年來，地聚合物因其性能優(yōu)良、制備方法簡單、低碳環(huán)保而受到許多研究者關(guān)注[1]。鈣基地聚合物是將鈣組分引入鋁硅酸鹽材料中制備而成的、部分具有硅氧四面體或鋁氧四面體聚合結(jié)構(gòu)特征的固溶膠，在常溫下即能獲得較理想的力學(xué)及耐久性能[2]。目前鈣基地聚合物的各種反應(yīng)機(jī)理尚未清晰知曉，原材料對(duì)力學(xué)性能的影響仍處于探索階段，已有學(xué)者[3,4]在地聚合物的引入鈣源種類及其反應(yīng)機(jī)理、對(duì)力學(xué)性能的影響因素等方面做了許多研究，但大多是采用單因素分析法或者正交試驗(yàn)法，這些方法在分析不同條件的交互作用以及建立自變量與因變量回歸方程方面存在一定的不足。本文在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，從引入鈣源種類與激發(fā)劑角度出發(fā)，采用響應(yīng)面法對(duì)鈣基地聚合物的抗壓強(qiáng)度影響因素進(jìn)行分析，探究了不同影響因素及其交互作用對(duì)鈣基地聚合物抗壓強(qiáng)度最優(yōu)值的影響規(guī)律，以期為鈣基地聚合物抗壓強(qiáng)度的優(yōu)化分析與預(yù)測提供依據(jù)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

偏高嶺土選用廣東湛江產(chǎn)水洗高嶺土為原材料，在800 ℃溫度下煅燒3 h制得；高爐礦渣為廣西產(chǎn)S95級(jí)水淬礦渣微粉；水泥為廣西產(chǎn)P·O 42.5硅酸鹽水泥；堿性激發(fā)劑采用水玻璃與NaOH配制，NaOH為新疆產(chǎn)分析純。水玻璃為市售工業(yè)水玻璃，模數(shù)為3.26。

1.2 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)法(GB 17671—1999)》進(jìn)行鈣基地聚合物抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

本試驗(yàn)?zāi)z凝材料由偏高嶺土、硅酸鹽水泥以及高爐礦渣復(fù)合而成，其中高爐礦渣摻量為膠凝材料總質(zhì)量的10%，設(shè)定水固比為0.48。通過建立響應(yīng)面模型，研究水泥摻量(A)、堿摻量(B，堿性激發(fā)劑中堿組分的質(zhì)量與膠凝材料總質(zhì)量的比值，以等效Na2O計(jì))以及水玻璃模數(shù)(C)三種因素對(duì)鈣基地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響。根據(jù)前期單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定了水泥摻量、堿摻量及水玻璃模數(shù)的取值范圍[5]。以上述三種因素作為自變量，選取鈣基地聚合物7 d和28 d抗壓強(qiáng)度作為響應(yīng)值，根據(jù)Box-Behnken中心組合試驗(yàn)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)17組試驗(yàn)，其中5組為中心水平試驗(yàn)。表1為響應(yīng)面因素水平編碼表，表2為響應(yīng)面分析方案與試驗(yàn)結(jié)果。

表1 響應(yīng)面因素以及水平因素因素水平-1.00+1.0A/%152025B/%121416C1.21.31.4

表2 響應(yīng)面分析方案與試驗(yàn)結(jié)果編號(hào)ABCY7d/MPaY28d/MPa120141.336.747.1225161.331.941.2320141.334.645.8415141.433.643.6525141.430.936.9620141.334.943.7725141.224.333.9820141.335.145.8920121.429.538.5編號(hào)ABCY7d/MPaY28d/MPa1015161.335.945.81120161.227.936.41215121.328.538.41315141.227.934.71420141.334.144.91520121.222.831.31625121.319.930.41720161.440.550.7注:Y7d為7d抗壓強(qiáng)度,Y28d為28d抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果建模與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2試驗(yàn)結(jié)果，將不同影響因素與響應(yīng)值進(jìn)行擬合，得到以鈣基地聚合物7 d、28 d抗壓強(qiáng)度為目標(biāo)函數(shù)的回歸方程：

Y7 d=35.08-2.37A+4.45B+3.94C+1.14AB+0.24AC+1.45BC-3.50A2-2.52B2-2.39C2

(1)

Y28 d=45.44-2.49A+4.45B+4.19C+0.86AB-1.49AC+1.74BC-4.20A2-2.30B2-3.94C2

(2)

對(duì)式(1)、(2)進(jìn)行方差分析以及回歸系數(shù)顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果見表3、表4。

表3 以7d抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)的方差分析結(jié)果參數(shù)平方和自由度均方FP顯著性模型455.28950.5921.940.0003顯著A44.79144.7919.430.0031顯著B158.421158.4268.70<0.0001顯著C124.111124.1153.820.0002顯著AB5.2415.242.270.1753不顯著AC0.2410.240.100.7588不顯著BC8.4718.473.670.0969不顯著A251.69151.6922.420.0021顯著B226.66126.6611.560.0114顯著C224.13124.1310.460.0144顯著失擬項(xiàng)12.2334.084.160.1010不顯著總和471.4216 注:決定系數(shù)R2=0.9658,調(diào)整決定相關(guān)系數(shù)R2Adj=0.9217,差異系數(shù)為4.88%。表4 以28d抗壓強(qiáng)度為指標(biāo)的方差分析結(jié)果參數(shù)平方和自由度均方FP顯著性模型552.57961.4020.640.0003顯著A49.75149.7516.730.0046顯著B158.781158.7853.380.0002顯著C140.531140.5347.250.0002顯著AB2.9612.960.990.3518不顯著AC8.8518.852.980.1282不顯著BC12.11112.114.070.0834不顯著A274.41174.4125.010.0016顯著B222.30122.307.500.0290顯著C265.32165.3221.960.0022顯著失擬項(xiàng)14.8334.943.300.1396不顯著總和552.57961.4020.640.0003 注:決定系數(shù)R2=0.9637,調(diào)整決定相關(guān)系數(shù)R2Adj=0.9170,差異系數(shù)為4.26%。

2.2 響應(yīng)曲面與等高線分析

各影響因素及其交互作用對(duì)鈣基地聚合物抗壓強(qiáng)度的影響分別如圖1～3所示。

由圖1可以看出，在堿摻量一定的情況下，水泥摻量為15%～19%時(shí)對(duì)鈣基地聚合物抗壓強(qiáng)度有增強(qiáng)作用，隨著水泥摻量的繼續(xù)增加，鈣基地聚合物的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)樵诠桎X酸鹽材料中摻入水泥后，水泥的水化反應(yīng)會(huì)與硅鋁酸鹽材料的聚合反應(yīng)產(chǎn)生疊加效果[6]。但當(dāng)水泥摻量達(dá)到一定數(shù)值后，過多的水泥與堿性激發(fā)劑在反應(yīng)早期發(fā)生速凝，導(dǎo)致材料的抗壓強(qiáng)度下降[7,8]。圖1b響應(yīng)面比圖1a較陡，說明堿摻量與水泥摻量的交互作用對(duì)鈣基地聚合物28 d的影響大于對(duì)7 d抗壓強(qiáng)度的。

圖1 堿摻量、水泥摻量與7 d、28 d抗壓強(qiáng)度的響應(yīng)曲面

由圖2可以看出，在水玻璃模數(shù)固定時(shí)，隨著堿摻量的增加，鈣基地聚合物7 d、28 d抗壓強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)增加，當(dāng)堿摻量為15%～16%時(shí)，鈣基地聚合物抗壓強(qiáng)度增長趨勢逐漸變緩。當(dāng)堿摻量較低時(shí)，體系中的堿度比較低，影響了原材料中硅、鋁單體的釋放速度以及偏高嶺土的聚合反應(yīng)。隨著堿摻量增加，水玻璃水解生成的NaOH與含水硅膠數(shù)量逐漸增加。NaOH提高了反應(yīng)體系的堿度，其包含的OH-使偏高嶺土與礦渣中的Si—O—Si、Al—O—Si和Al—O—Al鍵斷裂，釋放出活性硅、鋁單體，與水泥水化產(chǎn)生的Ca2+一同形成水化硅酸鈣和水化硅鋁酸鈉凝膠[9]。但堿摻量提高到一定程度后，水玻璃反應(yīng)產(chǎn)生的含水硅膠在與Ca2+反應(yīng)產(chǎn)生水化硅酸鈣的同時(shí)，產(chǎn)生的硅溶膠數(shù)量也在增加。硅溶膠的力學(xué)性能較差且會(huì)導(dǎo)致體系黏度增加，不利于鈣基地聚合物的聚合反應(yīng)，因此抗壓強(qiáng)度增長速度放緩[10]。圖2b響應(yīng)面更陡，說明堿摻量與水玻璃模數(shù)的交互作用對(duì)鈣基地聚合物28 d抗壓強(qiáng)度的影響更明顯。

圖2 堿摻量、水玻璃模數(shù)與7 d、28 d抗壓強(qiáng)度的響應(yīng)曲面

由圖3a可以看出，水玻璃模數(shù)的變化對(duì)鈣基地聚合物7 d抗壓強(qiáng)度的影響不大。圖3b的響應(yīng)面較陡，在水泥摻量一定的情況下，水玻璃模數(shù)對(duì)鈣基地聚合物的28 d強(qiáng)度影響比較明顯。綜合圖3a、圖3b，鈣基地聚合物的抗壓強(qiáng)度隨著水玻璃模數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增后減的變化趨勢。隨著水玻璃模數(shù)的增加，偏高嶺土的反應(yīng)產(chǎn)物結(jié)構(gòu)逐漸從PS形結(jié)構(gòu)向具有更好力學(xué)性能的PSS形結(jié)構(gòu)靠近。當(dāng)水玻璃模數(shù)進(jìn)一步增大，一方面體系中生成的水化產(chǎn)物主要為PSS形結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度變化不再明顯；另一方面，水玻璃溶液中含有的高聚硅氧四面體含量增加，也會(huì)影響體系中原材料的反應(yīng)進(jìn)程[11]。

圖3 水玻璃模數(shù)、水泥摻量與7 d、28 d抗壓強(qiáng)度的響應(yīng)曲面

2.3 模型最優(yōu)化預(yù)測與試驗(yàn)驗(yàn)證

通過求解得出鈣基地聚合物抗壓強(qiáng)度模型的響應(yīng)理論值。在試驗(yàn)設(shè)定的影響因素水平內(nèi)，當(dāng)水泥摻量為18.31%、堿摻量為16.0%、水玻璃模數(shù)為1.38時(shí)，鈣基地聚合物7 d的強(qiáng)度最優(yōu)預(yù)測值為39.8 MPa， 28 d的為50.3 MPa。通過3組平行試驗(yàn)驗(yàn)證，得出鈣基地聚合物28 d抗壓強(qiáng)度的實(shí)測平均值為52.3 MPa，與模型預(yù)測結(jié)果符合，說明響應(yīng)面法可以對(duì)鈣基地聚合物抗壓強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)測，并對(duì)其抗壓強(qiáng)度進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)，具有良好的實(shí)用性與可靠性。

3 結(jié)論

以偏高嶺土、高爐礦渣、水泥制備鈣基地聚合物，根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，選出水泥摻量、堿摻量及水玻璃模數(shù)為影響因子，并確定它們的取值范圍，以鈣基地聚合物抗壓強(qiáng)度為因變量(響應(yīng)值)，利用響應(yīng)面法獲得材料抗壓強(qiáng)度的預(yù)測值及優(yōu)化依據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)水泥摻量為18.31%，堿摻量為16.0%，水玻璃模數(shù)為1.38時(shí)，鈣基地聚合物28 d強(qiáng)度預(yù)測值為50.3 MPa，驗(yàn)證實(shí)測值為52.3 MPa。