基于砂漿強度解耦法量化研究對鉻鐵渣的改性影響

杭美艷，彭雅娟，，劉欣欣，張海燕，陶 旭

（1.內蒙古科技大學，內蒙古包頭014010；2.南昌工學院；3.明拓集團鉻業科技有限公司）

鉻鐵渣作為一種排量較大的固體廢棄物具有潛在的資源屬性，通過正交試驗設計鉻鐵渣改性劑對其改性，從而使之成為優質骨料可100%替代天然砂，解決天然砂資源短缺問題［1-2］。正交試驗是研究多因素試驗問題的重要方法，但極差分析準確性較低，方差分析一般需預留誤差列和交互作用空白列，需要增加試驗總數或減少獨立因子數。在鉻鐵渣改性和將之充當骨料制作砂漿的試驗過程中，一個變量的波動往往會影響其他變量的變化，從而存在耦合現象，而解除這種耦合關系的過程稱之為解耦［3-4］。基于砂漿強度解耦法定性分析其間的影響關系，利用SPSS 軟件回歸分析功能定量研究鉻鐵渣改性對砂漿強度的影響，將定性分析與定量分析相結合，實現量化研究鉻鐵渣的改性對強度的影響。

本文通過四因素三水平正交試驗配制鉻鐵渣改性劑，對鉻鐵渣進行改性從而降低其吸水率和壓碎值，在利用改性鉻鐵渣制備砂漿時通過影響水膠比來影響砂漿強度。在這個“制作改性劑-對鉻鐵渣改性-制備改性鉻鐵砂漿”的有序試驗過程中，改性鉻鐵渣的吸水率作為中間變量不僅受改性劑四因子的影響，同時也通過影響水膠比間接影響了砂漿強度［4］。故通過砂漿強度解耦法分析了各變量的影響關系，結合回歸模型的建立與回歸方程擬合對其間的相互影響進行定量研究，有效彌補了正交試驗極差和方差分析的不足，實現由定性分析到定量分析的轉變。

1 原材料

鉻鐵渣：屬于Ⅰ類一般工業固廢，對生物體無毒、無害，可開發其資源屬性作建筑材料使用。鉻鐵渣主要化學成分為Al2O3、SiO2和MgO，含少量MgO和CaO，鉻離子主要以Cr2O3的形式存在。

2 試驗

試驗包括兩個部分，其一是配制鉻鐵渣改性劑，對鉻鐵渣改性并測定其吸水率和壓碎值［5］，確保鉻鐵渣通過改性實現可替代天然砂的特性。其二將改性鉻鐵渣100%代替天然砂制備砂漿，測其和易性及抗壓強度。

2.1 鉻鐵渣改性劑的設計

依據材料屬性和試驗條件選擇水泥質量（A）、硅酸鈉質量（B）、礦粉質量（C）及浸泡鉻鐵渣時間（D）作為正交試驗因素；考慮到改性劑濃度太低時不具備成膜性、不能覆蓋或填充鉻鐵渣開口孔隙；濃度太高時又容易粘結在鉻鐵渣表面甚至造成結塊現象，影響改性效果。經試驗確定改性劑添加量為10%～30%。

在改性劑濃度范圍確定的條件下，初定水泥和礦渣微粉漿劑混合濃度，進一步調節硅酸鈉摻量。因改性劑是由具有膠凝性質的硅酸鈉、 水泥和礦渣粉組成的三元混合漿劑體系，且硅酸鈉膠體微粒帶負電荷與水泥和礦渣粉帶電荷性質相反，混合后會發生電性中和。其次，硅酸鈉引入鈉離子有可能引起腐蝕等問題，故需調節硅酸鈉到合適濃度范圍。試驗中不斷加入硅酸鈉，反應產生的水合硅酸鈣凝膠會與各種晶體包裹并夾雜許多未來得及水化的水泥、礦粉顆粒和水玻璃凝結沉淀，顆粒呈現無序排列狀態，顆粒間空隙（毛細孔）較大而削弱了凝膠體中范德華力、氫鍵等作用，此時三元體系的改性劑呈黏稠凝膠，即發生了硅酸鈉超摻現象［6］。故不斷增加硅酸鈉摻量找到其適宜摻量，經過多次調試試驗，得到四因素三水平的正交試驗表頭，以1 kg 水按照正交試驗設計配制改性劑浸泡鉻鐵渣得到9 組試樣，分別烘至飽和面干狀態測定其吸水率，結果如表1 所示。

表1 鉻鐵渣改性劑正交表

按照GB/T 14684—2011《建設用砂》對9 個改性鉻鐵渣試樣取樣及烘干后進行篩分，測定各組2.36 ～4.75 mm（Ⅰ）、1.18 ～2.36 mm（Ⅱ）、0.6 ～1.18 mm（Ⅲ）及0.3～0.6 mm（Ⅳ）4 個粒級的壓碎值，并與天然砂（T）和未經改性原鉻鐵渣（Y）進行對比，結果如圖1 所示。

通過圖1 看出，鉻鐵渣的各級壓碎值均高于天然砂，尤其2.36～4.75 mm 粒級壓碎值高出非常多；通過改性的9 組改性鉻鐵渣試樣相比原鉻鐵渣壓碎值有所改善，2.36～4.75 mm 粒級、1.18～2.36 mm 粒級大幅度降低，而其余兩級也有所降低，故說明對鉻鐵渣改性有利于骨料壓碎值的降低。

圖1 雷達圖表征改性鉻鐵渣各級壓碎值

2.2 改性鉻鐵渣砂漿制備試驗

將表1 的9 組改性鉻鐵渣試樣烘至飽和面干后作為骨料制備砂漿，并與天然砂組（T-1）和未經改性原鉻鐵渣組（Y-2）對比，其配合比、表觀密度及28 d強度如表2 所示。

表2 改性鉻鐵渣砂漿試驗結果

根據表2 配合比計算各組砂漿水膠比，觀察跳桌流動度、 砂漿稠度及強度的變化趨勢并與天然砂和原鉻鐵渣組對比。為了便于比較，將水膠比×10，跳桌流動度、稠度以cm 為單位制圖，如圖2 所示。由圖2 看出，由于在砂漿試驗過程中控制各組砂漿稠度，稠度基本趨于平緩、在小范圍波動。而跳桌流動度基本上是隨著水膠比增大而增大，隨其減小而減小，保持一致變化。對于強度：未經改性的原鉻鐵渣組相比天然砂強度明顯較低，而經過改性的幾組鉻鐵渣砂漿強度基本與天然砂強度持平，說明鉻鐵渣改性后作為砂漿骨料對提高砂漿強度具有一定作用，現依據強度解耦法分析其間的影響關系。

雖然最密切聯系原則已經作為一項“兜底條款”寫入了我國《法律適用法》的總則部分，其在我國的司法實踐中也成為了法官運用的最多的法律選擇方法之一，但是我國學界對于該原則的評價始終是褒貶不一的。大部分學者對該原則持支持贊成的態度，認為最密切聯系原則使得連結因素多樣化，增強了法律選擇的靈活性，增強了國際私法對新情況的適應能力；同時賦予了法官很大的自由裁量權，拋棄了“法律關系本座說”的機械性做法，并采用了柯里的“政府利益分析說”利益分析的方法決定法律的適用，“最密切聯系原則已成為當今國際私法界共同的語言與趨勢，并被某些國際私法學者奉為至高無上、神圣不可侵犯的理論。”但是，學界依然存在對該原則的批判之聲：

圖2 各組砂漿性能變化趨勢

3 鉻鐵渣的改性對砂漿強度的影響

通過正交試驗設計鉻鐵渣改性劑對鉻鐵渣進行改性，得到吸水率有所降低的改性鉻鐵渣，利用其制備砂漿。在對鉻鐵渣改性過程中，改性劑4 因子對改性鉻鐵渣吸水率有直接影響，在改性鉻鐵渣100%代替天然砂制備砂漿時，由于骨料吸水率的降低導致統一膠料、膠砂比、控制稠度一致條件下水膠比發生變化，即改性鉻鐵渣吸水率影響了砂漿的水膠比，而水膠比是決定砂漿強度的重要因素。換言之：改性劑4 因子影響了改性鉻鐵渣吸水率，進一步通過影響水膠比影響強度，對于改性鉻鐵渣砂漿強度的解耦則為改性劑4 因子對強度影響關系的逆推［7-9］。通過對改性鉻鐵渣砂漿強度解耦，進一步借助SPSS軟件回歸分析功能進行定量研究。

3.1 改性劑4 因子對改性鉻鐵渣吸水率影響分析

對正交表1 改性鉻鐵渣飽和面干時吸水率指標進行極差和方差分析，結果如表3 所示。

表3 改性鉻鐵渣吸水率極差與方差分析

根據表3 得知： 改性劑4 因子對砂漿強度影響順序由大到小為B、C、A、D，最優組合為A3B1C2D3。對于方差分析：當α=0.1 時，F 臨界值為9.0，B 因子F 值大于9.0，故具有顯著性［8］。建立改性劑4 因子與改性鉻鐵渣吸水率線性回歸模型：

其中，y1為改性鉻鐵渣吸水率；x1、x2、x3、x4分別為改性劑的4 個影響因子；a1為常數項；b1、b2、b3、b4為各因子的系數。

采用SPSS 軟件進行回歸分析，回歸模型的顯著性等結果如表4 所示。改性劑4 因子與改性鉻鐵渣吸水率的模型系數見表5。

表4 改性劑4 因子與改性鉻鐵渣吸水率回歸模型

表5 改性劑4 因子與改性鉻鐵渣吸水率的模型系數

由表5 可知，砂漿強度的回歸方程為：

而如表4 所示回歸方程顯著性檢驗的概率為0.029＜0.05，表明鉻鐵渣吸水率與改性劑4 因子具有非常顯著的線性關系［10-11］。通過各因子系數的比較，發現與正交試驗極差和方差分析的影響順序一致，由大到小依次為B、C、A、D；此外，由于A 因子和D 因子系數為負值，當x1和x4增大時y1值減小，表明水泥的加入和浸泡可以降低鉻鐵渣吸水率； 而B因子和C 因子系數為正值，當x2和x3增大時y1值增大，對本身具有防水作用的硅酸鈉來說，通過降低水泥漿水膠比來降低骨料吸水率符合水泥量的增加降低鉻鐵渣吸水率這一結論。由于礦渣粉本身為親水性物質，增加礦渣粉會增大骨料吸水率［6，12-14］。

3.2 改性鉻鐵渣吸水率與水膠比的關系

根據上述分析，在得到了改性劑4 因子與鉻鐵渣吸水率影響關系后，接下來通過趨勢變化觀測鉻鐵渣吸水率與水膠比的影響關系，為了更直觀觀測兩者變化趨勢，將改性鉻鐵渣吸水率與水膠比×10作圖3［15］。通過圖3 看出，砂漿水膠比隨著改性鉻鐵渣吸水率變化而變化，并不是保持固定變化，但可以明確改性鉻鐵渣的吸水率直接影響了砂漿的水膠比。

圖3 改性鉻鐵渣吸水率與水膠比的趨勢圖

3.3 改性鉻鐵渣砂漿水膠比對強度的影響分析

水膠比是決定砂漿強度的主要因素，采用SPSS軟件對水膠比和強度建立回歸模型及系數輸出如表6、表7 所示，其擬合情況如圖4 所示。

表6 模型匯總和參數估計值

由表6 可知，回歸模型顯著性檢驗中只有三次回歸模型概率為0.049＜0.05，R2較其他模型最接近1，故建立關于水膠比和強度的三次回歸模型具有顯著性［15］。

表7 模型系數輸出表

根據表7 的系數輸出結果統計確定強度與水膠比回歸方程為：

圖4 砂漿強度與水膠比回歸模型擬合圖

故通過上述分析，說明了對鉻鐵渣進行的改性研究主要是通過降低其吸水率來降低制作砂漿時骨料用水量，進而通過降低水膠比提高砂漿強度。另外，由于改性劑浸泡鉻鐵渣在通過自然干燥或烘干至飽和面干狀態時應用于砂漿充當骨料，在此試驗過程中不僅完成了對鉻鐵渣的改性也可以起到預濕骨料的作用，更加有利于改善砂漿和易性和提高砂漿強度［16］。

4 鉻鐵渣的改性對砂漿強度影響的機理分析

鉻鐵渣是在高溫下急冷沖擊成粒的冶煉渣，故造就了其表面粗糙、開口孔聚集的結構形貌。利用鉻鐵渣改性劑對其改性不僅可以改善鉻鐵渣的結構形貌，也能夠改善改性鉻鐵渣骨料與漿體的界面結構，提高作為砂漿薄弱區的界面粘結強度，以提升砂漿整體強度。圖5a 和b 分別是改性鉻鐵渣和28 d 的改性鉻鐵渣砂漿掃描電鏡圖。

圖5 改性鉻鐵渣與改性鉻鐵渣砂漿SEM 圖

根據圖5a 可清晰看到鉻鐵渣表面的開口孔被鉻鐵渣改性劑及其反應產物填充，當改性鉻鐵渣處于飽和面干狀態時作為骨料來制備砂漿時，其吸水率因開口孔隙被堵塞而有所降低，從而可避免泌水現象的出現；另外，改性鉻鐵渣表面的改性劑會與界面處的水膜發生反應，降低了界面處水膠比，從而提高界面處粘結強度［17］。從圖5b 可發現大量棒狀、網狀的C-S-H 相和細化的Ca （OH）2晶體等反應產物，這些反應產物會與本體漿體的水化產物連為一體，改性鉻鐵渣骨料更像是嵌鎖在漿體中，以致界面結構得到了充分改善。

5 結論

1）通過改性劑對鉻鐵渣的改性，其相比于未經改性鉻鐵渣各級壓碎值、吸水率均有所降低，對鉻鐵渣的改性有利于其實現優質骨料的特性。2）改性劑4因子通過影響改性鉻鐵渣的吸水率間接影響水膠比進而影響砂漿強度，通過砂漿強度解耦法結合SPSS回歸分析功能進行由定性到定量的分析，量化了鉻鐵渣改性對砂漿強度的影響，準確地分析了正交試驗數據，有效解決了極差和方差分析的不足。3）通過改性劑改性的鉻鐵渣具有優質骨料特性，制備砂漿時改性鉻鐵渣骨料與漿體界面結構和粘結強度得到改善，進而提高了改性鉻鐵渣砂漿強度。充分開發了鉻鐵渣的資源屬性，解決了天然砂嚴重短缺等問題，對于資源可持續發展有重要意義。