基于 Design-Expert 的堿激發(fā)粉煤灰建筑外墻膩?zhàn)优浜媳葍?yōu)化試驗(yàn)研究

梁 楊，楊 兵，王連盛，郭 晶，姜廣明，陳寶雨

（1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.建研院檢測中心有限公司，北京 100013）

0 引言

在貫徹實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的新發(fā)展理念下，隨著經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，國家對于綠色建筑、低能耗建筑、綠色建材、環(huán)境保護(hù)越來越重視。粉煤灰是燃煤發(fā)電廠產(chǎn)生的工業(yè)固體廢棄物，長期堆積不僅占用大量土地資源空間，其中含有的重金屬等有害物質(zhì)還會逐漸滲透到地表和周圍水體中，造成環(huán)境污染，露天堆積的粉煤灰揚(yáng)塵也會造成空氣污染［1］。目前粉煤灰的回收利用主要集中于水泥、混凝土的生產(chǎn)，制備廢水廢氣吸附劑，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的土壤添加劑等。

粉煤灰早期活性較低是限制其在建筑材料中應(yīng)用的主要原因。因此，如何對粉煤灰進(jìn)行有效激發(fā)成為當(dāng)前粉煤灰利用研究的技術(shù)關(guān)鍵和難點(diǎn)。建筑外墻膩?zhàn)臃壑饕怯蔁o機(jī)膠凝材料水泥、非活性填料、可分散乳膠粉、添加劑等配制而成的具有膠凝固化功能的建筑材料。利用激發(fā)劑激發(fā)粉煤灰的部分活性替代部分水泥、非活性填料制備膩?zhàn)臃郏粌H可以降低產(chǎn)品成本，而且還可以綜合利用廢棄物。

化學(xué)激發(fā)劑激發(fā)粉煤灰的活性是一種相對有效的途徑，少量的激發(fā)劑可以達(dá)到活化的目的。激發(fā)劑的選用應(yīng)從粉煤灰的組成、結(jié)構(gòu)和水化環(huán)境進(jìn)行考慮。粉煤灰（CaO 含量一般＜10 %）與硅酸鹽水泥相比“先天性缺鈣”，由水泥化學(xué)可知，Ca2+是形成膠凝性水化產(chǎn)物的必要條件，僅靠水泥水化產(chǎn)生提供的 Ca2+不足以滿足其需求，因此，應(yīng)適當(dāng)?shù)貫樗w系補(bǔ)充 Ca2+，其次，形成的水化產(chǎn)物必須是穩(wěn)定的，而且能裂解粉煤灰的結(jié)構(gòu)，因此水化環(huán)境必須是強(qiáng)堿環(huán)境。

孫國文等［2］研究發(fā)現(xiàn)，Ca（OH）2是粉煤灰水化的前提條件，Na2SiO3能加速粉煤灰顆粒的水化。在粉煤灰－水泥體系中加入堿性激發(fā)劑Ca（OH）2、Na2SiO3比例為 3∶1，激發(fā)效果最佳。激發(fā)劑既促進(jìn)了水泥的水化又激發(fā)了粉煤灰早期活化，使粉煤灰結(jié)構(gòu)在鈉－鈣－硫共同作用下快速裂解、水化，提高了粉煤灰－水泥的早期強(qiáng)度。在建筑外墻膩?zhàn)又袚饺敕勖夯摇⒓ぐl(fā)劑后，除了粉煤灰－水泥膠凝體系外又摻入乳膠粉、非活性填料、纖維素醚等使體系更加復(fù)雜，目前相關(guān)的研究未見報道。

本文擬將堿性激發(fā)劑（Ca（OH）2、Na2SiO3質(zhì)量比為 3∶1）、粉煤灰摻入到某廠家提供的膩?zhàn)臃壑校勾髶搅糠勖夯姨娲佔(zhàn)臃壑械牟糠痔盍希ㄖ刭|(zhì)碳酸鈣）和少量水泥，部分發(fā)生解聚的粉煤灰發(fā)生水化反應(yīng)，粘接填料充當(dāng)水泥的作用，剩余未發(fā)生反應(yīng)的粉煤灰起到填料的作用。通過與未添加激發(fā)劑的粉煤灰膩?zhàn)臃蹖Ρ龋芯科浼ぐl(fā)效果。利用響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計(jì)的技術(shù)途徑，研究堿激發(fā)劑、粉煤灰、水泥、乳膠粉等主要成分的摻量對建筑外墻膩?zhàn)有阅艿挠绊憽?/p>

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)所用原材料為 P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，200 目重質(zhì)碳酸鈣、SH40ZS 羥丙甲基纖維素、聚合物粉末為 6015 膠粉，市售分析純化學(xué)試劑 Ca（OH）2、Na2SiO3，粉煤灰為山西大同某火力發(fā)電廠通過濕排法收集得到的低活性粉煤灰。粉煤灰的化學(xué)成分如表1 所示，顆粒級配如圖1 所示。

圖1 某廠濕排法收集的粉煤灰顆粒級配

表1 粉煤灰的化學(xué)成分 %

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在原廠家配比基礎(chǔ)上加入一定量的粉煤灰、堿性激發(fā)劑替代重質(zhì)碳酸鈣，其余組分不變。根據(jù) JG/T 157－2009《建筑外墻膩?zhàn)印窚y定堿激發(fā)粉煤灰膩?zhàn)拥恼辰Y(jié)強(qiáng)度、吸水量。將堿激發(fā)劑、粉煤灰、乳膠粉、水泥作為試驗(yàn)變量，粘結(jié)強(qiáng)度、吸水量作為試驗(yàn)指標(biāo)值。通過 Design-Expert 中的 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì) 4 因素 3 水平共 29 個試驗(yàn)點(diǎn)。

1.3 堿激發(fā)粉煤灰建筑外墻膩?zhàn)有阅軠y定

1.3.1 膩?zhàn)悠崮の康臏y定

吸水量直接影響涂飾工程的質(zhì)量，當(dāng)膩?zhàn)幽さ奈窟^高會直接導(dǎo)致涂刷在膩?zhàn)幽ど蠈拥耐苛鲜^快而粉化脫落，同時耐候性能降低。根據(jù) JG/T 157－2009《建筑外墻膩?zhàn)印分械囊螅瑢⑴渲坪玫哪佔(zhàn)訚M批在 70 mm×70 mm×20 mm 的砂漿試塊上，濕膜厚度為 2 mm，在溫度 23±2 ℃、相對濕度 50 %±5 % 的環(huán)境下養(yǎng)護(hù) 7 d 后將試塊的 4 個側(cè)面和底面進(jìn)行封邊處理，標(biāo)準(zhǔn)條件下放置 1 d 后進(jìn)行試驗(yàn)。吸水量計(jì)算，如式（1）所示。

式中:x為吸水量，g；a為試塊10min后吸水質(zhì)量，g；b為試塊吸水前質(zhì)量，g。

1.3.2 膩?zhàn)悠崮だ煺辰Y(jié)強(qiáng)度的測定

膩?zhàn)拥恼辰Y(jié)強(qiáng)度是指去除附著在基體的膩?zhàn)油繉铀枰膽?yīng)力，主要包括膩?zhàn)訉拥膬?nèi)聚強(qiáng)度和膩?zhàn)訉优c基體的粘結(jié)強(qiáng)度。本試驗(yàn)中所有試樣的破壞形式均發(fā)生在膩?zhàn)訉蛹磧?nèi)聚破壞。

根據(jù) JG/T 157－2009《建筑外墻膩?zhàn)印分械囊螅瑢⑴渲坪玫哪佔(zhàn)犹顫M型框（面積 40 mm×40 mm）并刮平表面，去除型框在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù) 14 d，養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后將常溫固化高強(qiáng)度膠粘劑均勻涂抹在膩?zhàn)幽け砻妫⒃谏厦娣胖娩撝茒A具，標(biāo)準(zhǔn)條件下放置 1 d 后進(jìn)行試驗(yàn)。

粘結(jié)強(qiáng)度計(jì)算，如式（2）所示。

式中:p粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；f為最大拉力，N；s為膩?zhàn)幽け砻娣e，mm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 堿性激發(fā)劑的激發(fā)效果

原廠家的配比:P.O42.5 普通硅酸鹽水泥 32 %、200 目重質(zhì)碳酸鈣 65 %、SH40ZS 羥丙甲基纖維素 0.5、6015 膠粉 2.5 %。在此基礎(chǔ)上加入一定量的粉煤灰、堿性激發(fā)劑替代重質(zhì)碳酸鈣，其余組分不變。膩?zhàn)拥奈俊⒄辰Y(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2、3 所示。

圖2 不同粉煤灰摻量下膩?zhàn)悠崮さ奈?/p>

如圖2 所示中可以看出，加入堿性激發(fā)劑后的建筑外墻膩?zhàn)拥奈棵黠@降低；隨著粉煤灰摻量的增加，吸水量均增加，但加入堿性激發(fā)劑的吸水量增加較少。當(dāng)堿性激發(fā)劑為 5 %，粉煤灰摻量為 32.5 % 時，吸水量減少 14 %。如圖3 所示加入堿性激發(fā)劑后，粘結(jié)強(qiáng)度較未添加激發(fā)劑的明顯提高，且隨著粉煤灰摻量的增加，粘結(jié)強(qiáng)度均出現(xiàn)先增加后降低。當(dāng)堿性激發(fā)劑為 5 %，粉煤灰摻量為 32.5 % 時，粘結(jié)強(qiáng)度增加率達(dá)到 43 %。

如圖3 所示未添加激發(fā)劑的曲線，隨著粉煤灰摻量的增加粘結(jié)強(qiáng)度先增加后降低，這是由于將少量粉煤灰加入后水泥水化產(chǎn)生的 Ca2+能夠激發(fā)極少量的粉煤灰活性，隨著粉煤灰摻量的增多，Ca2+不足以滿足其需求，產(chǎn)生的膠凝性物質(zhì)相對于非活性粒料比例降低，因此粘結(jié)強(qiáng)度會降低。

加入堿性激發(fā)劑 Ca（OH）2、Na2SiO3后，粉煤灰摻量 0 % 時，粘結(jié)強(qiáng)度大幅增加，說明激發(fā)劑對水泥也有激發(fā)作用，促進(jìn)水泥的水化反應(yīng)。Ca（OH）2的加入，提供大量的 Ca2+，促進(jìn)膠凝性水化產(chǎn)物的形成。同時 OH-濃度提高，使粉煤灰玻璃態(tài)網(wǎng)絡(luò)中 Si-O，Al-O 鍵斷裂，成為不飽和活性鍵，促使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)解聚和硅鋁的溶解擴(kuò)散，加速形成水化產(chǎn)物。Na2SiO3是一種強(qiáng)堿弱酸鹽，與 Ca（OH）2反應(yīng)生成 NaOH，對粉煤灰表面有強(qiáng)烈的腐蝕作用，同時堿金屬 Na+離子使得活性低的粉煤灰玻璃體出現(xiàn)斷裂解聚，逐漸破壞硅（鋁）氧網(wǎng)絡(luò)，使玻璃體結(jié)構(gòu)解離，并在粉煤灰表面形成許多活性硅酸根離子和鋁酸根離子。因此，堿性激發(fā)劑激發(fā)部分粉煤灰的活性，當(dāng)體系中粉煤灰的摻量較少時粘結(jié)強(qiáng)度明顯增加，當(dāng)粉煤灰摻量增大時，膠凝性水化產(chǎn)物不足以包裹粘接非活性填料，粘結(jié)強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢。

2.2 主要成分對膩?zhàn)有阅苡绊懛治?/h3>

通過 Design-Expert 中的 Box-Behnken 試驗(yàn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì) 4 因素 3 水平共 29 個試驗(yàn)點(diǎn)，因素編碼水平如表2所示，試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表2 Box-Behnken 響應(yīng)面設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平和編碼

運(yùn)用 Design-Expert軟件，按表3 中試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的吸水量、粘結(jié)強(qiáng)度擬合方程，如式（3）、（4）所示。

式中:x為吸水量，g；p為粘結(jié)強(qiáng)度，MPa；A為堿激發(fā)劑，%；B為粉煤灰，%；C為水泥，%；D為乳膠粉，%。

對模型（3）、（4）的方差和可靠性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表4 所示。F值是方差分析中的重要指標(biāo)，用于確定模型中的任何項(xiàng)是否與響應(yīng)相關(guān)聯(lián)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量。P值表示原假設(shè)出現(xiàn)的概率，用來度量否定原假設(shè)的證據(jù)。P值越低，否定原假設(shè)的證據(jù)越充分即模型的可靠性越高。F值越大，P值越小，表明對試驗(yàn)分析的結(jié)果越可靠［3］，由表4 可以看出，吸水量、粘結(jié)強(qiáng)度的模型 P 值均＜0.000 1，說明本實(shí)驗(yàn)擬合的方程極其顯著。

表4 吸水量與粘結(jié)強(qiáng)度模擬方差及可靠性分析

表4 中單一因素乳膠粉對吸水量、粘結(jié)強(qiáng)度的影響非常顯著（P＜0.000 1），其次是粉煤灰的加入量。水泥的加入量對響應(yīng)值影響不顯著。主要是乳膠粉對孔隙和毛細(xì)管具有填充作用，可以有效降低吸水量，同時對非活性填料具有粘接作用。

圖4、5 是根據(jù)式（3）、（4）擬合的響應(yīng)曲面，從中可以更直觀地看出乳膠粉的加入量對響應(yīng)值影響最顯著，隨著乳膠粉的增加吸水量降低，粘結(jié)強(qiáng)度增加。通過擬合方程確定的等高線，如圖6、7 所示。在其他組分不變的情況下，隨著堿性激發(fā)劑的增加，粘結(jié)強(qiáng)度有增大趨勢，吸水量顯著降低。

圖4 吸水量響應(yīng)面曲線

圖5 粘結(jié)強(qiáng)度響應(yīng)面曲線

圖6 粉煤灰與激發(fā)劑粘結(jié)強(qiáng)度等高線

圖7 粉煤灰與激發(fā)劑吸水量等高線

2.3 優(yōu)化方案

在試驗(yàn)結(jié)果和模型擬合的基礎(chǔ)上，運(yùn)用 Design-Expert 軟件中的 Optimization 對配比進(jìn)行優(yōu)化，本次優(yōu)化擬在摻入粉煤灰的情況下得到建筑外墻膩?zhàn)拥脑O(shè)計(jì)指標(biāo)粘結(jié)強(qiáng)度≥0.6 MPa，吸水量≤2.5 g。通過軟件分析得到的配比如表5 所示。

表5 優(yōu)化配比結(jié)果

從表5 可以看出，配比 7 中粉煤灰的最大摻量達(dá)到 65 %，且水泥添加 1.28 %（原廠家 32 %）。配比 10 中，粉煤灰摻量為 60 %，不需要添加水泥，可以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求。相比于原廠配比中水泥 32 %，乳膠粉 2.5 %，從表5 中可以看出在原廠配比中摻入粉煤灰 32 %～65 %，水泥的摻量相對減少 0 %～16 %，同時需要增加乳膠粉的量。

3 結(jié)語

在建筑外墻膩?zhàn)又屑尤雺A性激發(fā)劑（Ca（OH）2、Na2SiO3）、粉煤灰后膩?zhàn)悠崮さ奈拷档停辰Y(jié)強(qiáng)度增加。加入堿性激發(fā)劑 5 %，粉煤灰 32.5 % 時，吸水量減少 14 %，粘結(jié)強(qiáng)度增加 43 %。

將堿激發(fā)劑、粉煤灰、乳膠粉、水泥作為試驗(yàn)變量，粘結(jié)強(qiáng)度、吸水量作為試驗(yàn)指標(biāo)值通過 Design-Expert 軟件分析，結(jié)果表明乳膠粉對吸水量、粘結(jié)強(qiáng)度的影響非常顯著（P＜0.0001），其次是粉煤灰的加入量。在其他變量不變的情況下，隨著堿性激發(fā)劑的增加，粘結(jié)強(qiáng)度有增大趨勢，吸水量顯著降低。

從軟件給出給出的最優(yōu)配比中表明，通過加入堿性激發(fā)劑、提高乳膠粉占比，粉煤灰摻量能達(dá)到 32 %～65 %，水泥的摻量相對減少 0 %～16 %。