基于響應面法的片麻巖尾礦燒結磚優化工藝研究

江浩,易進翔,謝勝軍,黃傳勝,于文霞,李昕明

(1.東華理工大學土木與建筑工程學院,南昌 330013;2.東華理工大學核資源與環境國家重點實驗室,南昌 330013)

片麻巖尾礦是指片麻巖礦石經選礦工藝回收有價組分后排放的固體廢棄物,在中國有著廣泛的分布。片麻巖尾礦存在可利用率低、處置手段單一等問題,常作為廢棄土渣,片麻巖尾礦廢渣堆載不僅占用大量的土地資源,還對周圍環境造成嚴重污染[1],有效處置片麻巖尾礦廢渣已成為中國保護生態環境所面臨的難題。

目前,中外針對片麻巖尾礦廢渣處理處置研究方向主要分為:①片麻巖尾礦的材料應用[2-4],Schankoski等[5]通過流變學試驗,發現含有片麻巖填料的漿料具有較低的絮凝和較高的黏度,并且可以利用片麻巖廢渣作為石灰石填料的替代品,用作黏度增強劑;②片麻巖尾礦的工程應用[6-8],房艷偉[9]將片麻巖壓碎成粗集料,研究其對混凝土的力學性能、收縮性等工程特性的影響,結果表明,片麻巖粗集料可以增大11.1%的混凝土的抗折強度。基于上述研究,片麻巖尾礦可以代替石灰石制備燒結磚,提高燒結磚的抗折強度,為以片麻巖尾礦作為主料制備建筑燒結磚提出的設想提供了理論支撐。

響應面法是綜合數學建模和試驗設計的一種優化方法,可同時對多個設計變量的不同水平進行試驗分析,尋求響應值的最優解。與傳統的正交試驗設計方法相比,響應面法具有試驗次數少、預測性能好、精密度高等特點,近年來在土木工程、生物工程、化學化工等領域取得顯著成效[10]。

基于此,采用統計軟件Design-Expert中的響應面法建立了片麻巖尾礦燒結磚燒制工藝條件中的黏土摻量、顆粒粒徑、成型水分以及燒結溫度4個因素與響應值抗壓強度的數學模型,探究了這4個變量因素對片麻巖尾礦燒結磚抗壓強度的影響,并對燒制工藝進行優化。采用X射線衍射(diffraction of X-rays,XRD)分析儀和掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)對燒結磚樣品進行表征。基于本研究成果既可實現片麻巖尾礦的減量化,同時還最大限度地實現了廢棄物的資源化利用,并可為制備出性能良好的燒結磚提供理論指導。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗材料主要為片麻巖尾礦和黏土,片麻巖尾礦取自江西撫州片麻巖礦山,呈黑色細微顆粒狀;黏土取自江西南昌某工地,呈紅色顆粒狀。片麻巖尾礦和黏土的化學成分如表1所示,可以看出,片麻巖尾礦與黏土的化學成分相似,以及含有含量較高的SiO2和Al2O3的關鍵燒制磚成分因素[11],說明片麻巖尾礦具備制備燒結磚的潛力,進一步證實利用片麻巖尾礦制備燒結磚設想的可行性。片麻巖尾礦和黏土晶體成分簡明如圖1所示,片麻巖尾礦主要礦物成分有:石英、云母、鉀長石以及少量的硼磷酸鹽和氧化鐵;黏土的主要礦物成分為:云母、石英、蒙脫石、鋁硅酸鈉以及方解石。

表1 原料的主要成分Table 1 Main component of experimental raw materials

圖1 原材料樣品的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of raw material sample

1.2 片麻巖尾礦燒結磚工藝流程

(1)原料處理。按照設定的原料配比(片麻巖尾礦質量分數為65%～75%,黏土質量分數為25%～35%),將磨細、干燥以及過篩等預處理后的片麻巖尾礦和黏土準確稱重,在干基狀態下將兩種原料混合均勻,制備成坯料待用。

(2)壓制成型。在混合均勻后的原料中加入自來水(質量分數分別為9%、10%、11%)并攪拌;將攪拌均勻后的混合料用保鮮袋密封并置于室溫下陳化48 h,以增強混合料的可塑性,提高磚坯表面平滑度;將陳化后的物料分5次放入三瓣膜制樣器中(尺寸為直徑39.1 mm,高80 mm)壓制成型,再將成型磚坯在室溫下干燥24 h,即可以得到濕磚坯。

(3)焙燒試驗。將制得的濕磚坯放入105 ℃的恒溫干燥箱中干燥10 h,以去除濕磚坯中的水分;之后,將干磚坯置于高溫電爐中,以5 ℃/min的升溫速率升至最高燒結溫度(1 020、1 050、1 080 ℃)后保溫2 h,使原料之間充分反應。

(4)冷卻降溫。焙燒結束后,將磚坯置于室內自然冷卻至室溫,即可得到片麻巖尾礦燒結磚試樣。片麻巖尾礦燒結磚的制備工藝流程如圖2所示。

圖2 片麻巖尾礦燒結磚制備工藝流程圖Fig.2 Flow chart of preparation process of gneiss tailings sintered brick

1.3 響應曲面法試驗方案設計

按照響應面法中的Box-Behnken試驗設計原理,選取黏土摻量A(x1)、燒結溫度B(x2)、顆粒粒徑C(x3)以及成型水分D(x4)4個影響因素作為考察變量,以片麻巖尾礦燒結磚抗壓強度作為響應值,并根據單因素試驗[12-13],制定了4因素3水平響應面分析試驗,共28個試驗組合。Box-Behnken試驗自變量因素編碼及水平如表2所示。

表2 響應曲面試驗因素與水平Table 2 Factors and levels of response surface test

2 結果與討論

2.1 響應面對燒結磚燒制工藝優化

2.1.1 響應面法數據處理

根據軟件設計給出的試驗條件,測定不同條件下片麻巖尾礦燒結磚的抗壓強度,試驗設計及結果如表3所示。采用Design-Expert軟件對表3中的試驗結果數據進行多元二次回歸分析,得到了黏土摻量(A)、燒結溫度(B)、顆粒粒徑(C)以及成型水分(D)與片麻巖尾礦燒結磚抗壓強度(Y)的二次回歸模擬方程,如式(1)所示。

表3 響應面試驗設計與結果Table 3 The design and results of response surface

Y=17.42+0.58A-0.35B-1.52C-0.11D-

0.16AB-0.7AC+0.87AD+0.73BC+0.053BD+

1.22CD+0.71A2-1.21B2+0.32C2-1.11D2

(1)

2.1.2 方差分析

表4 響應值Y的方差分析Table 4 Anova of the response value Y

2.1.3 殘差分析

圖3中呈現了殘差正態概率分布圖,可以看出,試驗點分布都在有意義的范圍內且基本在一條直線上,線性相關性較好,這表明模型可行性高、擬合度較好[19-20]。圖4為燒結磚抗壓強度預測值與實際值分布,可以看出,試驗結果基本分布在擬合直線上,預測值與實際值相差較小,表明擬合的回歸模型準確度較高、適應性較好[21],能良好地反映試驗結果。

圖3 殘差正態概率分布圖Fig.3 Residual normal probability distribution diagram

圖4 預測值與實際值分布圖Fig.4 Predicted value and actual value distribution diagram

2.1.4 響應面交互作用分析

通過Design-Expert軟件對所建立的數學模型進行分析,并探究擬合后的3D響應曲面和等高線圖的形狀與趨勢變化來分析兩兩變量因素之間的交互作用以及所選變量因素對響應值的影響。等高線的形狀是橢圓形的,其偏心程度影響著相互作用效應的強弱,偏心率越大,等高線線與線之間相對越密集,影響因素中穿過的等值線越多,交互作用越顯著;3D響應曲面圖可以直觀地表示這3個因素之間的相互作用,曲面越陡,趨勢變化越大,表明所選自變量參數對響應值的影響越明顯[21-23]。

影響因子交互作用的響應面圖及等高線圖分別如圖5、圖6所示,從A和B交互作用圖[圖5(a)、圖6(a)]可以看出,3D曲面[圖6(a)]彎曲程度較陡,說明A和B交互作用顯著,當A一定時,燒結磚抗壓強度Y隨著B的增大呈先增后減的趨勢;同樣的,當B一定時,燒結磚抗壓強度Y隨A的增大而增大。從A和C交互作用圖[圖5(b)、圖6(b)]可以看出,等高線[圖6(b)]呈明顯的橢圓,3D圖[圖5(b)]中C方向上曲線的坡度變化比A方向上的大,這說明A、C交互作用時,C比A對燒結磚抗壓強度影響更顯著。當A、D交互[圖5(c)、圖6(c)]作用時,等高線[圖6(c)]較為密集,3D圖[圖5(c)]較為陡峭,D方向上的曲線較A方向上的變化更大,即表明A、D交互作用時,D比A對燒結磚抗壓強度影響更顯著。當B、C交互作用[圖5(d)、圖6(d)]時,等高線[圖6(d)]呈明顯的橢圓狀,3D曲[圖5(d)]面呈滑坡狀,且C方向上的坡度變化比B方向上的大得多,說明B、C交互作用時,C比B對燒結磚抗壓強度的影響更明顯。當B、D交互作用[圖5(e)、圖6(e)]時,等高線[圖6(e)]呈明顯的圓形,3D曲面[圖5(e)]呈圓弧形,且B方向上的曲線坡度變化較D方向上的更大,即表明B、D交互作用時,B比D對燒結磚抗壓強度的影響更顯著。當C、D交互作用[圖5(f)、圖6(f)]時,等高線[圖6(f)]無明顯橢圓狀,3D曲面[圖5(f)]較為陡峭,C方向上曲線變化比D更大,這說明C比D對燒結磚抗壓強度的影響更明顯。綜上所述,易得出影響因子對燒結磚抗壓強度影響程度為:C>B>D>A,這與方差分析結果一致。

圖5 影響因子交互作用響應面圖Fig.5 Response surface diagram of impact factor interaction

圖6 影響因子交互作用等高線圖Fig.6 Interaction contour map of impact factors

2.1.5 響應曲面的優化分析及回歸模型的驗證

利用Design-Expert軟件中Box-Behnken方法對二次回歸模擬方程進行預測,結果顯示片麻巖尾礦燒結磚最佳燒制工藝條件為黏土摻量35%、燒結溫度1 034.5 ℃、顆粒粒徑0.3 mm、成型水分9.78%。在此燒制工藝條件下,片麻巖尾礦燒結磚的抗壓強度預測值為21.62 MPa。

根據實際試驗情況、試驗設備條件并結合響應面交互作用分析,將此燒制工藝條件調整為:顆粒粒徑0.3 mm、燒結溫度1 050 ℃、黏土摻量35%、成型水分10%,在該條件下進行3次平行驗證試驗,結果如表5所示,燒結磚的抗壓強度的平均試驗值為21.57 MPa,而預測值為21.25 MPa,相對誤差僅為1.48%,試驗值和預測值基本吻合,表明通過Box-Behnken響應面法得到的二次回歸模型能夠較真實地反應實際情況,應用響應面法對片麻巖尾礦燒結磚的燒制工藝進行優化是準確有效、科學合理的。

表5 工藝優化驗證結果Table 5 Verification results of process optimization

2.2 不同黏土摻量制備燒結磚的性能表征

2.2.1 XRD表征

在B=1 050 ℃、C=0.3 mm、D=10%、不同黏土摻量的條件下制得的燒結磚的XRD圖如圖7所示。可以看出,燒結磚的主要礦物為石英(SiO2)、鈣長石(CaAl2Si2O8)、赤鐵礦(Fe2O3)以及磷鋁礦(AlPO4)。這些礦物成分組成了燒結磚的基本骨架,保證了燒結磚良好的機械性能與物理性能[24]。隨著黏土摻量的增加,燒結磚產物中的SiO2以及Fe2O3總體含量均有不同程度的增加,這是因為黏土和片麻巖尾礦中都含有豐富的SiO2以及Fe2O3。通過圖1與圖7對比分析可知,燒結后原本出現于兩種原料中的主要礦物硼磷酸鹽、氧化鐵、方解石以及蒙脫石的衍射峰均有不同程度的削減,甚至消失,出現了赤鐵礦、鈣長石以及磷鋁礦的衍射峰。這說明在焙燒過程中硼磷酸鹽、氧化鐵、方解石以及蒙脫石發生了分解,形成了新礦物赤鐵礦、鈣長石和磷鋁礦。長石在燒結過程中可以與石英以及鋁硅酸鹽等其余礦物進行結合,形成低共熔物,從而促進礦物不斷分解形成熔融玻璃,最終坯體達到致密狀態[25]。綜上分析可知,當B=1 050 ℃、C=0.3 mm、D=10%,黏土摻量為35%時,制得的燒結磚性能最好。

圖7 不同黏土摻量條件下的燒結磚樣品的XRD圖Fig.7 XRD patterns of sintered brick samples with different clay content

2.2.2 SEM表征

圖8為不同黏土摻量條件下的燒結磚微觀結構。可以看出,圖8(a)、圖8(b)中有少許裂縫,這可能是因為燒結過程中產生大量氣孔,使結構變得疏松。對比圖8(a)和圖8(b)可知,隨著黏土摻量的增加,燒結磚的孔隙率減少,密實度增加,同時熔融玻璃相增加,從而導致燒結磚性能提高。這可能是因為燒結過程中硅鋁質礦物不斷熔融熔解,導致玻璃相生成越來越多,從而填充坯體內的孔隙,使得燒結磚內部結構更加緊密,提高了燒結磚的性能。這與XRD的分析結果一致,進一步證明了黏土摻量為35%時制得的燒結磚性能最好。

圖8 不同黏土摻量條件下的燒結磚微觀結構圖(1 050 ℃,0.3 mm,10%)Fig.8 Microstructure diagram of sintered brick with different clay content(1 050 ℃,0.3 mm,10%)

3 結論

(1)基于Box-Behnken響應面法對片麻巖尾礦燒結磚的燒制工藝參數進行優化,并建立了多元回歸方程模型,得到的響應曲面模型顯著性概率P=0.000 4,R2=0.888,結果表明,模型顯著性高,相關性好,準確度高。

(2)試驗中所選因素對片麻巖尾礦燒結磚抗壓強度影響程度由大到小排列順序依次為:顆粒粒徑、燒結溫度、成型水分、黏土摻量(C>B>D>A)。

(3)通過分析考察響應曲面法所創建的二次回歸模型,在滿足國家普通燒結磚抗壓強度MU 10標準的基礎上,得到了片麻巖尾礦燒結磚的最佳燒制工藝條件:黏土摻量35%,顆粒粒徑0.3 mm,燒結溫度1 050 ℃,成型水分10%。在此燒制工藝下,片麻巖尾礦燒結磚的抗壓強度的平均試驗值為21.57 MPa,預測值為21.25 MPa,試驗值與預測值相對誤差僅為1.48%,通過室內試驗制備的片麻巖尾礦燒結磚的抗壓強度最大符合《燒結普通磚》(GB/T 5101—2017)中MU 20的標準。

(4)通過對不同黏土摻量條件下制得的燒結磚進行性能表征及分析,結果與響應面法獲得的最佳燒制工藝一致,進一步驗證了響應曲面模型預測結果的準確性。