響應(yīng)曲面法優(yōu)化土聚水泥的制備研究

葛文彬 孫鵬

摘 ?要：該文以煤系高嶺土和堿激發(fā)劑水玻璃為原料，煅燒溫度、水玻璃模數(shù)和摻量為3個試驗因素，以凝結(jié)時間、強度和收縮值為響應(yīng)值，利用響應(yīng)曲面法進行設(shè)計3因素3水平試驗，通過對回歸方程分析探討制備性能優(yōu)異的土聚水泥的最優(yōu)條件參數(shù)。研究結(jié)果表明，土聚水泥的最佳制備參數(shù)為：偏高嶺土煅燒溫度約為850℃，水玻璃模數(shù)為1.1，水玻璃摻量介于19%～20%之間。

關(guān)鍵詞：土聚水泥 ?偏高嶺土 ?堿激發(fā)劑 ?響應(yīng)曲面法

中圖分類號：TQ172 ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）05（a）-0001-05

Abstract： Geopolymer was prepared with coal-kaolinite and alkali activator， the calcined temperature of kaolin， modulus and dosage of alkali activator for test factors; the setting time， strength and shrinkage for response value. The three-factor-three-level response surface methodology was adopted to select the optimum extraction scheme of best mix proportion. The results show that coal-kaolinite calcination which is calcined at about 850℃， sodium silicate of modulus 1.1 and dosage about 19%～20% were the best optimal parameters.

Key Words： Geopolymer; Coal-kaolinite; Alkali activator; Response surface methodology

土聚水泥（Geopolymer）是20世紀70年代末首先由J.Davidovits[1-2]提出的，是指由硅氧四面體和鋁氧四面體通過氧原子連接在一起聚合而成的一類新型綠色環(huán)保無機膠凝材料。它具有傳統(tǒng)水泥所不具有的優(yōu)異性能：早強快硬;體積穩(wěn)定性好;耐化學(xué)腐蝕;界面結(jié)合力強;抗?jié)B性好;耐高溫性好;耐水熱作用;耐久性好;可自調(diào)溫調(diào)濕等。它以其獨特的性能以及在建筑材料、高強材料、固核固廢材料、密封材料和耐高溫材料等方面所顯示出的巨大應(yīng)用前景，成為世界各國材料科學(xué)工作者關(guān)注的目標之一[3-4]。

該文以煤系高嶺土為原料，經(jīng)煅燒活化后加入堿性激發(fā)劑，在常溫常壓條件下采用響應(yīng)曲面法[5]，以高嶺土的煅燒溫度、水玻璃的摻量和模數(shù)參數(shù)對土聚水泥凝結(jié)時間、強度和收縮之間的函數(shù)關(guān)系，通過對回歸方程的分析來尋求最優(yōu)條件參數(shù)，制備性能優(yōu)異的土聚水泥。

1 ?原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料

（1）煤系高嶺土：淮北金巖高嶺土開發(fā)有限責(zé)任公司，化學(xué)成分表（見表1）。

（2）分析純NaOH：無錫市展望化工試劑有限公司。

（3）分析純CaF2：無錫市展望化工試劑有限公司。

（4）水玻璃：市購，模數(shù)M=2.80。

1.2 試驗所需組數(shù)和條件參數(shù)

具體情況見表2。

1.3 試驗方法

土聚水泥的制備是將偏高嶺土與水玻璃按實驗設(shè)計配比拌和均勻，同時記錄下加水時間。然后將凈漿注入規(guī)格為20mm×20mm×80mm鋼制六聯(lián)模中，插搗密實。試模兩端埋有不銹鋼釘頭以方便長度的測量。其中3個用于干燥收縮的測量，3個用于力學(xué)性能測試。

（1）對應(yīng)齡期的干燥收縮計算公式如下。

（2）強度用WEW-600C型液壓萬能試驗機測定。

2 ?試驗結(jié)果討論

2.1 土聚水泥凝結(jié)時間的研究

2.1.1 偏高嶺土煅燒溫度與水玻璃模數(shù)對初凝時間的影響

由圖1煅燒溫度和水玻璃模數(shù)的等高線圖可知，土聚水泥的初凝時間隨著偏高嶺土煅燒溫度升高和水玻璃模數(shù)的減少而縮短，初凝時間回歸模型方差分析表可知煅燒溫度和水玻璃模數(shù)之間的交互作用不是很顯著。結(jié)合其響應(yīng)曲面圖，初凝時間控制在200min以內(nèi)，偏高嶺土煅燒溫度和模數(shù)分別集中在850℃和M=1.1（回歸方程為：Y1=12957.5-21.2925X1-7388.75X2+1175X3+4.1X1X2-52.5X1X3+250X2X3+0.0163X12+1875X22+1.05E+005X32）。

2.1.2 偏高嶺土煅燒溫度與水玻璃摻量對終凝時間的影響

由圖2偏高嶺土溫度和水玻璃摻量等高線圖可知，從淺色到深色，即偏高嶺土煅燒溫度升高和水玻璃摻量降低，土聚水泥的終凝時間縮短。結(jié)合終凝時間回歸模型方差分析表可知偏高嶺土溫度與水玻璃摻量之間的交互作用較為顯著。從響應(yīng)曲面圖綜合考慮，偏高嶺土溫度高于800℃，水玻璃摻量大于19%時，終凝時間延長。綜合考慮土聚水泥成型和施工性能，偏高嶺土煅燒溫度和水玻璃摻量分別控制在850℃和19%左右（回歸方程為：Y=14856.4-30.702X1-6169.5X2+12700X3+1.1X1X2-36X1X3-500X2X3+0.022420X12+2405X22+45500X32）。

2.2 土聚水泥強度的研究

2.2.1 偏高嶺土煅燒溫度與水玻璃摻量對土聚水泥3d抗折強度的影響

由偏高嶺土煅燒溫度和水玻璃摻量的等高線圖可知（見圖3），等高線圖近似橢圓，偏高嶺土的煅燒溫度和水玻璃的摻量之間的交互作用比較顯著。隨著偏高嶺土溫度越高，堿激發(fā)劑摻量越小，試件的3d抗折強度越大。結(jié)合響應(yīng)曲面圖可知，抗折強度最大值時，偏高嶺土煅燒溫度和水玻璃摻量分別控制在850℃和19%（回歸方程為：Y=382.3674-0.10882X1-118.1095X2-2542.45X3-0.0133X1X2+0.297X1X3+4532X3+4.15200E-005X12+12.73X22+4283X32）。

2.2.2 偏高嶺土煅燒溫度與水玻璃模數(shù)對土聚水泥3d抗壓強度的影響

由圖4可知，偏高嶺土煅燒溫度增加和水玻璃模數(shù)降低，土聚水泥3d抗壓強度增大，等高線接近圓形，偏高嶺土煅燒溫度和水玻璃模數(shù)之間的交互作用不是很顯著。煅燒溫度和水玻璃模數(shù)分別控制在850℃和1.1時，抗壓強度最佳（回歸方程為：Y=884.076+0.66332X1-37.4675X2-10632.875X3-0.05175X1X2+1.7275X1X3+2153.75X2X3-5.86450E-004X12-155.3625X22+162263.75X32）。

2.3 土聚水泥體積穩(wěn)定性能的研究

2.3.1 偏高嶺土煅燒溫度與水玻璃摻量對土聚水泥7d收縮率的影響

由圖5的等高線圖可知，等高線近似橢圓線，偏高嶺土煅燒溫度和水玻璃摻量之間的交互作用比較顯著，對7d收縮率影響較大。隨著偏高嶺土煅燒溫度和堿激發(fā)劑摻量的增大，土聚水泥7d收縮率呈減小趨勢。反之，偏高嶺土煅燒溫度越低，試件的7d收縮率越大。結(jié)合響應(yīng)曲面圖，綜合考慮收縮率最小時，偏高嶺土煅燒溫度和水玻璃摻量分別控制在850℃和19%（回歸方程為：Y=-25.8595+0.042323X1+5.42875X2+54.9X3-5.45000E-003X1X2-0.067X1X3+20X2X3-1.48500E-005X12-1.6625X22-53.75X32）。

2.3.2 偏高嶺土煅燒溫度與水玻璃摻量對土聚水泥21d收縮率的影響

由圖6可知，當水玻璃摻量低于20%時，對21d收縮率較小。當偏高嶺土煅燒溫度大于800℃，水玻璃摻量大于20%時，兩者的交互作用比較明顯。隨著偏高嶺土煅燒溫度和水玻璃摻量的增加，21d收縮率呈減小趨勢。結(jié)合響應(yīng)曲面圖，綜合考慮收縮率最小時，偏高嶺土煅燒溫度和水玻璃摻量分別控制在850℃和20%左右（回歸方程為：Y=-25.1767+0.038914X1+6.011X2+57.9875X3-5.4E-003X1X2-0.0625X1X3+17.5X2X3-1.33100E-005X12-1.7025X22-62.75X32）。

3 ?結(jié)論

（1）優(yōu)化土聚水泥凝結(jié)時間的最優(yōu)配比為偏高嶺土煅燒溫度在850℃左右，水玻璃模數(shù)為1.1，水玻璃摻量在19%～20%之間。

（2）土聚水泥的3d抗折、抗壓強度隨著偏高嶺土煅燒溫度的升高、水玻璃模數(shù)的減小、水玻璃摻量的降低而降低，其最佳參數(shù)為偏高嶺土煅燒溫度在850℃左右，水玻璃模數(shù)為1.1，水玻璃摻量為19%。

（3）土聚水泥的收縮率隨著偏高嶺土煅燒溫度的升高、水玻璃模數(shù)的減小、水玻璃摻量的增加而減小，其最佳參數(shù)為偏高嶺土煅燒溫度在850℃左右，水玻璃模數(shù)為1.1，水玻璃摻量為20%。

參考文獻

[1] Davidovits J.The Ancient Egyptian Pyramids-Concrete or Rock[J].Concrete International，1987，9（12）：28-37.

[2] Davidovits J.Geopolymers：Inorganic polymer New Materials[J].Journal of Thermal Analysis，1991，37（8）：1633-1656.

[3] 王愛國，孫道勝，胡普華，等.堿激發(fā)偏高嶺土制備土聚水泥的試驗研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，31（4）：617-621.

[4] 曹德光，蘇達根，宋國勝.低模數(shù)硅酸鈉溶液的結(jié)構(gòu)及其鍵合反應(yīng)特性[J].硅酸鹽學(xué)報，2002，32（8）：1036-1039.

[5] Hong Huang，Xiaodong Shen，Jiaoling Zheng. Modeling， analysis of interaction effects of several chemical additives on the strength development of silicate cement[J].Construction and Building Materials，2010，24（3）：1937-1943.