基于正交優化設計研究氯氧鎂水泥強度的影響因素

寧亞瑜，張冷慶，丁向群

(1.盤錦職業技術學院建筑工程分院，盤錦　124010;2.沈陽建筑大學材料科學與工程學院，沈陽　110168)

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基于正交優化設計研究氯氧鎂水泥強度的影響因素

寧亞瑜1，張冷慶2，丁向群2

(1.盤錦職業技術學院建筑工程分院，盤錦124010;2.沈陽建筑大學材料科學與工程學院，沈陽110168)

本文通過正交實驗法研究了溫度、MgCl2濃度、MgO/MgCl2摩爾比對氯氧鎂水泥(MOC，下稱鎂水泥)強度的影響，用極差分析和方差分析討論了各因素對強度的影響規律，并利用曲線估計預測了鎂水泥強度隨齡期變化的發展規律。研究表明，在室溫下(20 ℃)、MgCl2濃度為24%、MgO/MgCl2摩爾比為6時，鎂水泥的強度最高；溫度對鎂水泥強度的影響較大，MgO/MgCl2摩爾比次之，MgCl2濃度對強度的影響較小；隨著溫度的升高，鎂水泥的早期強度逐漸降低，在40 ℃左右時，略有提高但幅度不大；隨著MgCl2濃度逐漸提高，鎂水泥的強度逐漸增大，達到24%左右時，28 d強度基本保持不變；隨著MgO/MgCl2摩爾比的增大，鎂水泥的強度逐漸增大；鎂水泥的強度隨齡期的變化呈S型增長。采用多元二次回歸研究各因素間的交互作用對鎂水泥強度和軟化系數的影響。

氯氧鎂水泥； 強度； 正交設計； 曲線估計

1　引　言

鎂水泥是由輕燒氧化鎂粉、氯化鎂溶液拌合而成的氣硬性膠凝材料，1867年由法學者Sorrel發明，故又稱Sorrel水泥[1]。與硅酸鹽水泥相比，鎂水泥具有早期強度高，凝結時間短，耐火性好等特點[2-4]，但其耐水性差，易泛霜返堿、翹曲變形[5]。

許多學者針對鎂水泥及其制品進行了深入的研究，巴恒靜[6]、李愛蓮[7]研究了MgO/MgCl2摩爾比對MOC相穩定性的影響，文靜[8]研究了鎂水泥水化化機理，劉倩倩[9]、崔可浩[10]研究了自然環境下鎂水泥水化產物及其轉變規律，李創[11]研究了鎂水泥吸潮性能，但對于鎂水泥配比及強度發展的研究較少。

本文通過正交優化設計研究了對鎂水泥強度的影響的主要因素(養護溫度、MgCl2濃度、MgO/MgCl2摩爾比)對強度的影響作用，并用曲線估計估計了鎂水泥強度的發展規律，為鎂水泥的生產與應用奠定了基礎。

2　實　驗

2.1原材料與儀器

(1)輕燒氧化鎂(MgO)

氧化鎂是遼寧大石橋市某廠生產的由菱鎂礦破碎、粉磨，經750～850 ℃煅燒而成的輕燒氧化鎂。MgO含量大于90%，MgO活性含量55%，分子量為40.23。主要性能指標見表1。

表1　輕燒氧化鎂的主要性能

(2)氯化鎂(MgCl2·6H2O)

氯化鎂是沈陽某化工廠生產的精制工業氯化鎂，MgCl2·6H2O含量≥96%。主要成分見表2。

表2　氯化鎂(MgCl2·6H2O)的主要成分

(3)儀器

水泥凈漿20 mm×20 mm×20 mm六聯模；XY系列電子天平；101型電熱鼓風干燥箱；XY系列精密電子天平；HH-2數顯恒溫水浴鍋；SVC-4500VA壓力機。

2.2試驗方法

本文采用L9(34)正交優化實驗表進行試驗。選取溫度A(20 ℃、40 ℃、60 ℃)、氯化鎂濃度B(20%、24%、28%)和MgO/MgCl2摩爾比C(4、5、6)作為試驗因素，按試驗配合比配制9組不同的鎂水泥。按配比分別稱取MgO、MgCl2·6H2O和蒸餾水，先將MgCl2·6H2O溶于蒸餾水，然后將其緩緩加入到MgO中，以120 r/min攪拌5 min[12]至均勻，注入20 mm×20 mm×20 mm的六聯模具中，養護1 d脫模，再養護27 d(共28 d)。在28 d齡期時，每組水泥取3塊，以5 mm/min的速度測試抗壓強度；將另外3塊置于自來水中浸泡(水面浸沒試塊5 cm)28 d，測試其浸水后抗壓強度[13]。

3　結果與討論

3.1直觀分析

各組試驗抗壓強度結果柱狀圖見圖1。

由圖1可以直接看出：試驗3(20℃、28%、6)的3 d、7 d和28 d強度最高；試驗1、2的較高；試驗5、7、8的強度較差，實驗4、6的強度最差。

3.2極差分析

通過極差分析法分析各因素對鎂水泥抗壓強度影響的程度大小。記kij為試驗結果中第j列各水平對應的各次試驗結果的平均值(式1)，Rj為第j列各kij最大值與最小值之差(式2)，"空列"表示試驗中存在的隨機誤差。

(1)

Rj=max{kij}-min{kij}

(2)

鎂水泥抗壓強度極差分析結果見圖2。

圖1　正交設計試驗結果柱狀圖Fig.1　Histogram of orthogonal optimization test

圖2　試驗結果極差分析Fig.2　Extreme difference histogram of orthogonal experiment

由圖2可以看出，在選定的因素水平范圍內，各因素的鎂水泥抗壓強度的影響程度由大到小依次為：溫度、摩爾比、氯化鎂濃度。

根據各組kij值繪制各因素水平影響曲線圖，各因素對強度的影響見圖3。

圖3　各因素對強度的影響趨勢圖(a)溫度對抗壓強度的影響;(b)MgCl2濃度對強度的影響; (c)MgO/MgCl2摩爾比對強度的影響Fig.3　Trend diagram of Various factors influenced on strength

由圖3可以直觀的得出各因素對鎂水泥抗壓強度的影響趨勢。圖3(a)表明，鎂水泥3 d、7 d、28 d強度發展規律基本相同，隨著溫度的升高，鎂水泥的抗壓強度逐漸降低，當溫度達到40 ℃左右時，鎂水泥強度逐漸升高，但升高的幅度較小，即常溫養護條件下的鎂水泥強度較高。圖3(b)表明，隨著MgCl2濃度的增加，鎂水泥的強度逐漸提高，當MgCl2濃度達到24%左右時，7 d強度提高，但增加幅度減小；28 d強度呈略有降低。圖3(c)表明，隨著MgO/MgCl2摩爾比的增加，3 d、7 d、28 d強度均不同程度的增加。

利用正交優化試驗優化后，鎂水泥的優組合為A1B2C3，即溫度為20 ℃、摩爾比為6、氯化鎂濃度為24%，此時鎂水泥強度為34.03(3 d)、40.06(7 d)、58.91(28 d)。

3.3方差分析

分別對3 d、7 d、28 d抗壓強度進行方差分析，分析結果見圖4。

圖4　不同齡期下各因素的F比Fig.4　The F ratio of different faters at diffreent ages

由方差分析可知，溫度對3 d、7 d強度的影響較為顯著，對28 d強度影響不顯著；濃度和摩爾比對3 d強度的影響一般，對7 d、28 d強度影響不顯著。

3.4回歸分析

3.4.1多元線性回歸

利用多元線性回歸模型對28 d強度進行線性回歸，回歸模型如式3所示，響應如式4所示。

y=a+bi∑xi

(3)

y=7.462-0.489x1+1.065x2+

5.032x3,(R2=0.610)

(4)

在線性回歸模型中，各變量系數的絕對值表示該因素對因變量影響程度的大小，其符號表示影響方向。例如，x1項的系數為-0.489，表示x1對y有負影響，即隨著x1的增大y減小，這與前面方差分析相同。根據分析軟件給出的R2=0.610可知，線性模型對此數據的回歸效果不好。

3.4.2多元非線性回歸

為了更好的表示各因素及其間的交互作用對鎂水泥強度的影響，采用二次回歸模型對數據進行回歸分析，回歸模型如式4所示，回歸表達式如式5所示。

(5)

y=19.003-5.129x1+14.218x2-31.997x3+0.077x1x2-0.008x1x3+

(6)

由式5可知，溫度(x1)與氯化鎂濃度(x2)、摩爾比(x3)間有交互作用，鎂水泥28 d抗壓強度與溫度、氯化鎂濃度和溫度、摩爾比間的關系見圖5和圖6。

圖5　溫度與MgCl2濃度間的交互作用Fig.5　The interaction between temperature and MgCl2 concentration

圖6　溫度與MgO/MgCl2摩爾比間的交互作用Fig.6　The interaction between temperature and MgO/MgCl2 ratio

3.5氯氧鎂水泥強度發展規律

選擇溫度20 ℃、氯化鎂濃度為23.4、摩爾比為5的組合，作為鎂水泥基準配合比，研究鎂水泥強度隨時間變化的規律。鎂水泥強度隨時間的變化規律如圖7所示，經曲線估計得到如圖8所示曲線。

圖7　鎂水泥強度隨時間的變化規律Fig.7　The MOC strength changing with the time

圖8　強度-齡期擬合曲線Fig.8　The fitting curve of Strength-age

曲線估計模型為：

y=exp(3.992-1.260/x)

(7)

其中，x為養護齡期，d；y為抗壓強度，MPa。R2=0.999表明曲線與試驗數據的擬合行較好，因此可以用式3近似估計鎂水泥強度的增長規律。

由圖5可以看出，鎂水泥的強度發展趨勢與硅酸鹽水泥相近，呈S型增長，在早期強度發展較快，當達到一定齡期后，強度趨于穩定，但仍有小幅度的增長。

4　結　論

(1)溫度、MgO/MgCl2摩爾比和MgCl2濃度對鎂水泥強度有一定的影響。溫度對強度影響最為顯著，尤其是早期強度；MgO/MgCl2摩爾比次之，MgCl2濃度對強度影響不顯著，當影響新拌鎂水泥的性能；

(2)隨著溫度的升高，鎂水泥的早期強度逐漸降低，在40 ℃左右時，略有提高但幅度不大；

(3)隨著MgCl2濃度逐漸提高，鎂水泥的強度逐漸增大，達到24%左右時，28 d強度基本保持不變；

(4)隨著MgO/MgCl2摩爾比的增大，鎂水泥的強度逐漸增大；

(5)鎂水泥的強度隨齡期的變化呈S型增長。

[1] SORREL S．On a new magnesium cement [J].CRAcadSci.，1867，1965，102-104．

[2] 吳金焱，朱書全．氯氧鎂水泥及其制品的研發進展[J]．中國非金屬礦工業導刊，2006(1) ：15-18．

[3] 曹永敏，常維峰，王翔，等．鎂質產品及改性技術的研究與發展[J]．玻璃鋼/復合材料，2004(9)：46-48．

[4] 曹永敏，常維峰，王翔，等．鎂質產品及改性技術的研究與發展[J]．玻璃鋼/復合材料，2004(9)：46-48．

[5] 嚴育通，景燕，馬軍．氯氧鎂水泥的研究進展[J]．鹽湖研究,2008，16(1)．

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[12] 周梅，鞏玉發，齊證．粉煤灰對氯氧鎂水泥制品改性的試驗研究[J]．粉煤灰綜合利用,2005(5)：29-31．

[13] 陳常明．新型鎂水泥基復合材料的組成與性能研究[D]．武漢，武漢理工大學，2010．

Influencing Factors of MOC Strength Based on Orthogonal Optimization Design

NINGYa-yu1,ZHANGLeng-qinq2,DINGXiang-qun2

(1.College of Architecture Engineering,Panjin Vocational and Technical College,Panjin 124010,China;2.School of Materials Science and Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China)

The influences of temperature, the concentration of MgCl2and the MgO/MgCl2molar ratio on magnesium oxychloride cement (MOC) strength were studied by orthogonal optimization design, discussed the rules of all the influences of factors on strength by range analysis and variance analysis, and predicated the development law of strength change with age through Curve estimation.Studies show that, at room temperature(20 ℃),MgCl2concentration was 24% and MgO/MgCl2mole ratio was 6,the MOC had the highest strength. The temperature significantly influenced the strength, MgO/MgCl2molar ratio flows, and the concentration of MgCl2slightly. With the increasing of temperature, MOC early strength gradually reduced.With MgCl2concentration increasing, the strength increased gradually, around 24%, the strength of 28 d substantially unchanged.With the increasing of MgO/MgCl2molar ratio, the strength increased gradually.The strength of MOC Changes with age as S-shaped growth.

magnesium oxychloride cement;strength;orthogonal optimization design;curve estimation

住房和城鄉建設部項目(2015-K4-002)；中國建材聯合會項目(2103-M3-8)

寧亞瑜(1970-)，女，副教授.主要從事膠凝材料方面的研究.

丁向群，教授.

TQ172

A

1001-1625(2016)07-2089-05