基層用固廢基膠凝材料配合比優(yōu)化設(shè)計

摘 要：為探究采用固體廢棄物全部代替水泥用作公路基層膠凝材料的可能性，對不同配合比三摻料（礦渣粉（SP）、粉煤灰（FA）、脫硫石膏（FGD））與四摻料（SP，F(xiàn)A，F(xiàn)GD和鋼渣粉（SS））膠砂試件進行了28 d抗壓強度（R）試驗，分析膠凝材料水化反應(yīng)機理，構(gòu)建R預(yù)測模型并求解最佳配合比，根據(jù)最佳配合比制作膠砂試件與凈漿試件并進行試驗。結(jié)果顯示：三摻料體系中單因素顯著性排序為FAgt;SP，F(xiàn)A與SP存在交互作用，最佳配合比為w（SP）∶w（FA）∶w（FGD）=35∶55∶10；四摻料體系中單因素顯著性排序為SPgt;SSgt;FA，交互作用顯著性排序為（SP+FA）gt;（FA+SS）gt;（SP+SS），最佳配合比為w（SP）∶w（FA）∶w（SS）∶w（FGD）=43.8∶24.1∶22.5∶9.6。根據(jù)最佳配合比制作的三摻料膠砂試件R不滿足規(guī)范要求，四摻料試件所有指標均滿足規(guī)范要求并優(yōu)于P·S·A 32.5級水泥，四摻料膠凝材料可替代水泥用于公路基層。

關(guān)鍵詞：固體污染防治工程；無機結(jié)合料穩(wěn)定基層；固廢基膠凝材料；機理分析；多元二次回歸；最佳配合比

中圖分類號：X751

文獻標識碼：A

DOI：10.7535/hbkd.2024yx01012

收稿日期：2023-12-05；修回日期：2024-01-02；責任編輯：張士瑩

基金項目：國家自然科學(xué)基金（1633201）；河北高速公路集團2021年科技創(chuàng)新計劃項目（2021008）；河北省高等學(xué)校科技重點項目（ZD2021050）

第一作者簡介：李光宇（1993—），男，河北石家莊人，工程師，碩士，主要從事固廢高附加值路用方面的研究。

通信作者：趙全勝，教授。E-mail：zony8@163.com

李光宇，趙全勝，劉卓曉，等.基層用固廢基膠凝材料配合比優(yōu)化設(shè)計[J].河北科技大學(xué)學(xué)報，2024，45（1）：101-110.

LI Guangyu，ZHAO Quansheng，LIU Zhuoxiao，et al.Optimization of mix proportion design of solid waste-based cementitious material for base[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2024，45（1）：101-110.

Optimization of mix proportion design of solid waste-based

cementitious material for base

LI Guangyu¹， ZHAO Quansheng²， LIU Zhuoxiao²， JIA Yipeng²

（1.Shi′an Branch， Hebei Expressway Group Corporation Limited， Shijiazhuang， Hebei 050000， China;

2.School of Civil Engineering， Hebei University of Science and Technology， Shijiazhuang， Hebei 050018， China）

Abstract：To explore the possibility of using solid waste instead of cement as the cementitious material for bases， the 28 d compressive tests on the mortar specimens with different mix proportions of three admixtures （slag powder （SP）， fly ash （FA）， and desulfurization gypsum （FDG）） and four admixtures （SP，F(xiàn)A，F(xiàn)DG， and steel slag powder） were conducted， and the mechanism of each component in the hydration reaction in three admixture and four admixture cementitious material were analyzed. Then an 28 d compressive strength R prediction model was proposed， and based on the optimal mix proportion， sand specimens and slurry specimens were made and tested. The results show that the significant effects of single factor in three admixture system is ranked as FAgt;SP， there is an interaction between FA and SP， and the optimal mix proportion is w（SP）∶w（FA）∶w（FGD）=35∶5∶10; The significant effects of single factor in four admixture system is ranked as SPgt;SSgt;FA， the order of significant interaction is（SP+FA）gt;（FA+SS）gt;（SP+SS）， and the optimal mix proportion is w（SP）∶w（FA）∶w（SS）∶w（FGD）=43.8∶24.1∶22.5∶9.6. The R of mortar specimens made of three admixtures according to the optimal mix proportion do not meet the specification requirements. All indicators of specimens in four admixture meet the specification requirements， and are superior to P·S·A 32.5 grade cement. The four admixture cementitious materials can replace cement for bases.

Keywords：solid pollution prevention and control project；inorganic binder stabilized base；solid waste-based cementitious materials；mechanism analysis；multiple quadratic regression；optimal mix proportion

中國公路建設(shè)持續(xù)保持較大的規(guī)模，水泥是目前常用的無機結(jié)合料穩(wěn)定基層膠凝材料，基層鋪筑過程中需要大量的水泥^[1]。水泥生產(chǎn)過程中會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生明顯破壞^[2-3]，由于水泥凝結(jié)時間較短，在施工階段交通荷載的作用下基層中極易產(chǎn)生裂縫，嚴重影響道路的正常使用^[4]，因此有必要尋找性能優(yōu)異、低污染的膠凝材料替代水泥。目前中國火電、鋼鐵等行業(yè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的礦渣粉、粉煤灰、鋼渣等固體廢棄物，此類廢棄物堆放除了占用大量土地，還有可能污染土壤和地下水^[5]。礦渣粉、粉煤灰、鋼渣等具有一定的膠凝活性^[6-8]，若能利用此類固廢基膠凝材料代替水泥，不僅能解決公路耗材需求，還能消解大量的固體廢棄物，具有重大的社會效益和經(jīng)濟效益。

國內(nèi)外學(xué)者對固廢基膠凝材料進行了廣泛研究，但大多數(shù)研究需要對固廢基膠凝材料進行堿激發(fā)^[9-10]，非堿激發(fā)固廢基膠凝材料研究較少^[11-12]。堿激發(fā)固廢基膠凝材料成本較高^[13]，施工過程中存在一定的安全隱患，工程實用性較差。礦渣粉與鋼渣粉2種常見固廢中含有一定量的活性氧化鈣，活性氧化鈣屬于堿性物質(zhì)，增加礦渣粉與鋼渣粉含量能夠增強膠凝材料的環(huán)境堿性，在一定程度上可以替代堿激發(fā)劑，但過強的堿性環(huán)境可能會抑制膠凝材料水化過程中某些高強度產(chǎn)物的生成，不利于提高基層板體的強度。配合比對膠凝材料至關(guān)重要，由試驗確定的最優(yōu)配合比可信度最高^[14-18]。本文通過試驗探索高效、可信的配合比優(yōu)化設(shè)計方法，并對膠凝材料水化機理進行分析。

1 試驗過程

1.1 原材料

使用的原材料包括標準砂、水和來自河北省辛集市某公司生產(chǎn)的礦渣粉（SP）、粉煤灰（FA）、鋼渣粉（SS）和脫硫石膏（FGD），以及某公司生產(chǎn)的P·S·A 32.5級水泥。標準砂與水用于制作膠砂試件，礦渣粉、粉煤灰、鋼渣粉、脫硫石膏為無熟料固廢基膠凝材料（以下簡稱“膠凝材料”）組成成分，P·S·A 32.5級水泥用于對比試驗。對原材料的密度和比表面積進行測定，礦渣粉的質(zhì)量密度為2.915 g/cm³，比表面積為490；粉煤灰的質(zhì)量密度為2.157 g/cm³，比表面積為537；脫硫石膏的質(zhì)量密度為2.483 g/cm³，比表面積為418；鋼渣粉的質(zhì)量密度為3.248 g/cm³，比表面積為479。各原材料的化學(xué)成分詳見表1。鋼渣主要成分為CaO，SiO和FeO等，堿度為2.53，屬于中堿度渣，主要礦物相為硅酸二鈣（C2S）、硅酸三鈣（C3S）和RO相，能夠發(fā)生水化反應(yīng)。

1.2 試樣制備方法

本研究中，先將各原材料分別在不高于65 ℃的環(huán)境下烘干至含水率lt;0.05%并混合均勻，再按照試驗方案，依據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO）法》GB/T 17671—2021對每步的每個配合比在干燥容器中將各原材料進行稱重，混合制備膠凝材料。稱取混合后的膠凝材料450 g、標準砂1 350 g、水225 g，制作膠砂試件。

具體制作步驟如下：將標準砂倒入漏斗中，同時使用浸濕的毛巾擦拭攪拌鍋與葉片，把稱取的水倒入攪拌鍋后，將膠凝材料倒入攪拌鍋，開啟攪拌機，待砂漿攪拌完成后分次倒入尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的膠砂試件三聯(lián)模具中制作膠砂試件。試件在溫度20 ℃和濕度90%±5%的環(huán)境下養(yǎng)護24 h后進行脫模，脫模時需觀察試件狀態(tài)并注意脫模力度，避免損壞試件。脫模后將試件放入溫度20 ℃、濕度90%±5%的標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d，達到養(yǎng)護齡期后進行強度試驗（見圖1）。每個試驗均進行2次平行試驗。

1.3 試驗設(shè)計與結(jié)果

采用兩步優(yōu)化法進行試驗，第1步進行三摻料試驗，采用礦渣粉、粉煤灰和脫硫石膏制作膠砂試件，考察膠砂試件28 d抗壓強度R，進行兩因素三水平試驗。第2步進行四摻料試驗，采用礦渣粉、粉煤灰、鋼渣粉和脫硫石膏制作膠砂試件，進行三因素三水平試驗。

1.3.1 三摻料試驗

以礦渣粉、粉煤灰和脫硫石膏為主要原材料制作膠砂試件，脫硫石膏摻量對R影響最小。本文重點研究礦渣粉、粉煤灰對膠砂試件R的影響，在溫度20 ℃、濕度90%±5%的環(huán)境下養(yǎng)護不同的齡期，膠砂試件配合比及R見表2。三摻料試驗結(jié)果顯示，第4組配合比的R最佳。

1.3.2 四摻料試驗

以第4組配合比作為第2步四摻料試驗的設(shè)計基礎(chǔ)，在第2步四摻料試驗中適當增加礦渣粉含量（提高至34%～38%），使用鋼渣粉替代部分粉煤灰以減少粉煤灰的含量，同時將粉煤灰與鋼渣粉的總含量提高至50%～58%，鋼渣含量設(shè)定在22%～26%。

以礦渣粉、粉煤灰、鋼渣粉、脫硫石膏為主要原材料制作膠砂試件，重點研究礦渣粉、粉煤灰、鋼渣粉對膠砂試件R的影響，在溫度20 ℃、濕度90%±5%的環(huán)境下養(yǎng)護28 d，膠砂試件配合比及R見表3。

2 機理分析

2.1 主要化學(xué)反應(yīng)

礦渣粉主要化學(xué)成分是CaO與SiO，粉煤灰主要化學(xué)成分是SiO和AlO，鋼渣粉主要化學(xué)成分是C3S和C2S，上述物質(zhì)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)主要有6種，分別見式（1）—式（6）：

CaO+H₂O→Ca（OH）₂，（1）

SiO₂+Ca（OH）₂→C-S-H ，（2）

Al₂O+Ca（OH）₂→CAH+C-S-H→C-（A）-S-H ，（3）

SiO₂+Al₂O+Ca（OH）₂→NA-S-H ，（4）

C3S+H₂O→C-S-H+Ca（OH）₂ ，（5）

C2S+H₂O→C-S-H+Ca（OH）₂ 。（6）

上述反應(yīng)產(chǎn)物中有利于提高膠砂試件強度的排序為C-S-Hgt;C-（A）-S-Hgt;NA-S-Hgt;CAHgt;Ca（OH）₂，環(huán)境堿性較差時，生成的C-S-H和C-（A）-S-H較少，膠砂試件強度相對較低；環(huán)境堿性適宜時，生成的C-S-H和C-（A）-S-H增多，膠砂試件強度相對較高；環(huán)境堿性較強時，Ca（OH）₂團聚與SiO₂和Al₂O等反應(yīng)生成NA-S-H，膠砂試件強度較最高值會有下降。

2.2 三摻料膠凝體系影響因素分析

2.2.1 不同礦渣粉摻量影響分析

礦渣粉摻量為25%，30%和35%時，粉煤灰摻量與R關(guān)系見圖2。

由圖2可知，各礦渣粉摻量下，隨著粉煤灰摻量由45%增加到55%，R均逐漸提高。比較各組試件R由粉煤灰摻量45%增加到55%對應(yīng)的增幅，礦渣粉摻量為25%時，R由22.8 MPa提高到了26.4 MPa，R28增加了13.6%；礦渣粉摻量為30%時，R由24.7 MPa提高到了28.9 MPa，增加了14.5%；礦渣粉摻量為35%時，R由24.5 MPa提高到了31.8 MPa，增加了29.5%。礦渣粉摻量越高，R隨粉煤灰摻量的增加提高越顯著。

9組試驗中，第1組粉煤灰摻量較低，堿性較差，活性SiO₂和Al₂O含量較少，生成的C-（A）-S-H和C-S-H較少，R最低；第3組和第5組增加了粉煤灰摻量，活性SiO₂和Al₂O含量增加，提高了C-（A）-S-H和C-S-H的生成量，但由于膠凝材料中的活性SiO₂和Al₂O總體含量較少，因此生成的C-（A）-S-H和C-S-H總量不高，與第1組相比R增幅較?。坏?、第4、第6組礦渣粉摻量較高，其中第2組粉煤灰摻量較低，環(huán)境堿性強于第1組，C-（A）-S-H和C-S-H生成量比第1組增多，R比第1組高，第4組和第6組增加了粉煤灰摻量，活性SiO₂和Al₂O含量增加，生成的C-（A）-S-H和C-S-H總量提高較多，R增幅較大。

2.2.2 不同粉煤灰摻量影響分析

粉煤灰摻量為45%，50%和55%時，礦渣粉摻量與R關(guān)系見圖3。

由圖3可知，不同粉煤灰摻量下R的變化規(guī)律不同。粉煤灰摻量為45%時，R隨礦渣粉含量的增加先增后減，R最大為24.7 MPa，最小為22.8 MPa，極差1.9 MPa為最小值的7.7%；粉煤灰摻量為50%時，R隨礦渣粉含量的增加先增后減，R最大為26.1 MPa，最小為25.3 MPa，極差0.8 MPa為最小值的3.2%，R波動幅度較??；粉煤灰摻量為55%時，R始終隨礦渣粉含量的增加而增加，R由26.4 MPa提高到了31.8 MPa，R增幅為20.5%。

9組試驗中，第1、第7、第2組粉煤灰含量均較低，其中第1組環(huán)境堿性較差，活性CaO和SiO₂含量較少，生成的C-（A）-S-H和C-S-H較少，R最低；第7組增加礦渣粉，增強了環(huán)境堿性及CaO和SiO₂含量，提高了C-（A）-S-H和C-S-H的生成量，R有一定提高；第2組增加的礦渣粉相對較多，導(dǎo)致環(huán)境堿性偏強，部分粉煤灰生成了NA-S-H凝膠，與第7組相比R降低；第3、第4、第8組粉煤灰摻量較高，其中第3組礦渣粉摻量較低，環(huán)境堿性強于第1組，C-（A）-S-H和C-S-H生成量比第1組多，R比第1組高，第4組和第8組增加礦渣粉，增加了CaO與SiO₂含量，因粉煤灰含量較高，環(huán)境仍適于C-（A）-S-H和C-S-H生長，因此R持續(xù)增加。

結(jié)果表明，在各礦渣粉摻量下，增加粉煤灰摻量均能顯著提高R，礦渣粉摻量越高，粉煤灰摻量對R的提高作用越明顯；粉煤灰摻量較小時，R對礦渣粉摻量變化不敏感，粉煤灰摻量較高時，R隨礦渣粉摻量的增加而增加；粉煤灰摻量對R影響較顯著，礦渣粉與粉煤灰之間的交互作用明顯。

2.3 四摻料膠凝體系影響因素分析

2.3.1 不同礦渣粉摻量影響分析

鋼渣粉（SS）含量為24%、礦渣粉摻量為34%和38%時，粉煤灰摻量與R關(guān)系見圖4。

由圖4可知，隨著粉煤灰摻量由28%增加到32%，不同礦渣粉摻量下R的變化規(guī)律不同。礦渣粉摻量為34%時，R隨粉煤灰摻量的增加而增加，礦渣粉摻量為38%時R隨粉煤灰摻量的增加而降低。比較各組試件R由粉煤灰摻量28%增加到32%，礦渣粉摻量為34%時，R由23.2 MPa提高到了30.4 MPa，R增加了31.0%；礦渣粉摻量為38%時，R由32.7 MPa降低到了29.5 MPa，減少了9.8%。

圖4所示的試驗中，第18、第20組礦渣粉摻量均較低，其中第18組粉煤灰摻量較低，環(huán)境堿性較差，活性SiO₂和Al₂O含量較少，生成的C-（A）-S-H和C-S-H較少，R最低；第20組增加了粉煤灰摻量，活性SiO₂和Al₂O含量增加，提高了C-（A）-S-H和C-S-H的生成量，與第18組相比R增加；第19、第21組礦渣粉摻量較高，其中第19組粉煤灰摻量較低，環(huán)境堿性強于第18組，C-（A）-S-H和C-S-H生成量比第18組多，R比第18組高；第21組增加了粉煤灰摻量，活性SiO₂和Al₂O含量增加，因環(huán)境堿性較強，C-（A）-S-H和C-S-H發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成了較多的NA-S-H凝膠，由于NA-S-H強度較低，所以R降低。

2.3.2 不同粉煤灰摻量影響分析

鋼渣粉含量為24%時，各粉煤灰摻量下礦渣粉摻量與R關(guān)系見圖5。

由圖5可知，在各粉煤灰摻量下，隨著礦渣粉摻量由34%增加到38%，不同粉煤灰摻量下R的變化規(guī)律不同。比較各組試件R由礦渣粉摻量34%增加到38%對應(yīng)的變化，粉煤灰摻量為28%時，R隨礦渣粉含量的增加而增加，R由23.2 MPa提高到了32.7 MPa，R增加了40.9%；粉煤灰摻量為32%時，R隨礦渣粉含量的增加而減少，R由30.4 MPa降低到了29.5 MPa，R減少了3.0%。

圖5所示的試驗中，第18、第19組粉煤灰含量均較低，其中第18組礦渣粉含量較低，環(huán)境堿性較差，活性CaO和SiO₂含量較少，生成的C-S-H較少，R最低；第19組增加礦渣粉，增強了環(huán)境堿性及CaO與SiO₂含量，提高了C-S-H的生成量，與第18組相比R有一定提高；第20、第21組粉煤灰摻量較高，其中第20組礦渣粉摻量較低，堿性強于第18組，C-S-H生成量比第18組多，R比第18組高；第21組增加了礦渣粉，增強了環(huán)境堿性及CaO與SiO₂含量，因環(huán)境堿性較強，C-（A）-S-H和C-S-H發(fā)生二次水化反應(yīng)，生成了較多的NA-S-H凝膠，因NA-S-H強度較低，所以R降低。

2.3.3 鋼渣粉作用影響分析

粉煤灰含量為30%時各礦渣粉（SP）摻量下不同鋼渣粉摻量與R關(guān)系見圖6。

由圖6可知，在各礦渣粉摻量下，隨著鋼渣粉摻量由22%增加到26%，R均增加。比較各組試件R由鋼渣粉摻量22%增加到26%對應(yīng)的增幅，礦渣粉摻量為34%時，R由25.7 MPa提高到了27.2 MPa，R增加了5.8%；礦渣粉摻量為38%時，R由28.3 MPa提高到了29.8 MPa，增加了5.3%；不同礦渣粉摻量下R增幅無明顯區(qū)別。

圖6所示試驗中，第14、第16組試驗礦渣粉摻量較低，其中第14組試驗鋼渣粉摻量較低，環(huán)境堿性較差，活性C2S和C3S含量較少，生成的C-S-H較少，R最低；第16組試驗增加了鋼渣粉摻量，活性C2S和C3S含量增加，環(huán)境堿性增強，提高了C-S-H生成量，與第14組相比R有一定的提高；第15、第17組試驗礦渣粉摻量較高，其中第15組試驗鋼渣粉摻量較低，環(huán)境堿性強于第14組，C-S-H生成量比第14組多，R比第14組高；第17組增加了鋼渣粉摻量，活性C2S和C3S含量增加，環(huán)境堿性增強，生成了更多的C-S-H，提高了R。

礦渣粉含量為36%時各粉煤灰摻量下鋼渣粉摻量與R關(guān)系見圖7。

由圖7可知，不同粉煤灰摻量下，隨著鋼渣粉摻量由22%增加到26%，R均增加。粉煤灰摻量為28%時，R由26.8 MPa提高到了27.7 MPa，增加了3.3%，R波動幅度不大，粉煤灰摻量為32%時，R由26.9 MPa提高到了28.5 MPa，增加了5.9%。

圖7所示的4組試驗中，第14、第15組粉煤灰含量較低，其中第14組鋼渣粉含量較低，活性C2S和C3S含量較少，生成的C-S-H較少，R最低；第15組增加了鋼渣粉摻量，活性C2S和C3S含量增加，環(huán)境堿性增強，提高了C-S-H的生成量，與第14組相比R有一定提高；第16、第17組粉煤灰摻量較高，其中第16組鋼渣粉摻量較低，C-S-H生成量比第14組多，R比第14組略高，第17組增加鋼渣粉摻量，活性C2S和C3S含量增加，環(huán)境堿性增強，提高了C-S-H的生成量，粉煤灰中部分SiO₂與C-S-H交織為空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)提升強度，與第16組相比R提高。上述分析表明，鋼渣粉-粉煤灰-礦渣粉-脫硫石膏膠凝體系下，各組分交互作用異常復(fù)雜，采用常規(guī)方法分析交互作用比較困難。

3 配合比優(yōu)化設(shè)計及試驗驗證

試驗表明，配合比對R影響顯著。配合比設(shè)計方法有響應(yīng)面法^[19]、聚類分析^[20]、均勻設(shè)計^[21]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)^[22]等，其中響應(yīng)面法根據(jù)實驗結(jié)果進行回歸擬合，精確度較高；聚類分析受分類界限影響，均勻設(shè)計數(shù)據(jù)處理過于復(fù)雜；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測水平主要受神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者的水平影響。本文采用多種方法構(gòu)建R預(yù)測模型，并對最優(yōu)模型進行試驗驗證。

3.1 預(yù)測模型

3.1.1 三摻料膠砂試件R預(yù)測模型

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，分別采用線性回歸模型、二元二次回歸模型、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立三摻料膠砂試件R預(yù)測模型，各模型預(yù)測結(jié)果及殘差平方和見表4。

綜合比較預(yù)測結(jié)果，二元二次回歸模型精度較高，并且能夠顯式表達，因此采用二元二次回歸模型預(yù)測R。三摻料試件R二元二次回歸模型表達式見式（7）：

R=26.07+1.13A+2.52B+0.925AB-0.541 4A²+0.898 6B² 。（7）

式中：A表示礦渣粉的量；B表示粉煤灰的量。

3.1.2 四摻料膠砂試件R預(yù)測模型

根據(jù)表3數(shù)據(jù)，分別采用線性回歸模型、三元二次回歸模型、RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、MLP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立四摻料膠砂試件R預(yù)測模型，各模型預(yù)測結(jié)果及殘差平方和見表5。

三元二次回歸模型精度較高，并且能夠顯式表達，因此采用三元二次回歸模型用于R預(yù)測。四摻料試件R三元二次回歸模型表達式見式（8）：

R=30.46+1.73A+0.612 5B+0.687 5C-2.6AB+0.175BC-0.617 5A²-0.892 5B²-2.09C² 。（8）

式中：A表示礦渣粉的量；B表示粉煤灰的量；C表示鋼渣粉的量。

3.2 基于預(yù)測模型的機理分析

3.2.1 三摻料膠凝體系水化機理分析

根據(jù)式（7），三摻料膠砂試件R與各摻料含量關(guān)系見圖8。

圖8 a）與圖8 b）中，R隨礦渣粉含量、粉煤灰含量的變化規(guī)律與前文分析結(jié)果一致。由式（7）可知，粉煤灰對R的影響比礦渣粉顯著，粉煤灰與礦渣粉也存在交互作用。

3.2.2 四摻料膠凝體系水化機理分析

根據(jù)式（8），四摻料膠砂試件R與各摻料含量關(guān)系見圖9。

圖9中，R隨礦渣粉含量、粉煤灰含量、鋼渣粉含量變化規(guī)律與前文分析結(jié)果一致。根據(jù)四摻料試驗三元二次回歸模型，單因素對R的影響顯著性排序為礦渣粉gt;鋼渣粉gt;粉煤灰。各摻料之間存在明顯的交互作用，交互作用對R影響顯著性排序為（礦渣粉+粉煤灰）gt;（粉煤灰+鋼渣粉）gt;（礦渣粉+鋼渣粉）。

3.3 最佳配合比及試驗驗證

3.3.1 最佳配合比

采用Design Expert軟件對式（7）求解，當A=35，B=55時，R有極大值30.9，三摻料最佳配合比為w（SP）∶w（FA）∶w（FGD）=35∶55∶10，預(yù)測該配合比下R為30.9 MPa；對式（8）求解，當A=43.8，B=24.1，C=22.5時，R有極大值為33.6，四摻料最佳配合比為w（SP）∶w（FA）∶w（SS）∶w（FGD）=43.8∶24.1∶22.5∶9.6，預(yù)測該配合比下R為33.6 MPa。

3.3.2 三摻料試驗

根據(jù)最佳配合比制備試件，28 d抗折強度試驗使用膠砂試件，初終凝時間、安定性使用凈漿試件，試驗結(jié)果及規(guī)范要求見表6。

表6 三摻料膠凝材料試驗結(jié)果

Tab.6 Test results of three admixture cementitious materials

性能指標R/MPa28 d抗折強度/MPa初凝時間/min終凝時間/min安定性28 d線膨脹率/%規(guī)范要求 gt;32.5gt;5.5gt;300360～720是否合格lt;0.50最佳配合比30.25.8351550合格0.16

由表6及表2可知，三摻料膠砂試件在最佳配合比條件下R實測值小于規(guī)范要求，其余指標均滿足規(guī)范要求。

3.3.3 四摻料試驗

根據(jù)最佳配合比制備試件，試驗結(jié)果及規(guī)范要求見表7。

由表7可知，試件R實測值與預(yù)測相差0.9%，預(yù)測結(jié)果較準確。試件所有指標均滿足規(guī)范要求。與常用的P·S·A 32.5級水泥相比，四摻料試件R高2.4%，28 d抗折強度高23.7%，初凝時間335 min，比P·S·A 32.5級水泥初凝時間225 min延長了110 min，終凝時間510 min，比P·S·A 32.5水泥終凝時間480 min延長了30 min，線膨脹率0.21%，優(yōu)于P·S·A 32.5水泥的線膨脹率0.3%，所有指標均優(yōu)于P·S·A 32.5級水泥。

4 結(jié) 語

本研究進行了多組三摻料和四摻料膠砂試件試驗，分析了三摻料和四摻料膠凝材料水化機理，對比確定了固廢基膠凝材料配合比優(yōu)化設(shè)計方法，將最優(yōu)配合比膠凝材料與P·S·A 32.5級水泥進行了對比，得到結(jié)論如下。

1）三摻料膠凝體系中，各礦渣粉摻量下，增加粉煤灰摻量能顯著提高R，并且礦渣粉摻量越高，粉煤灰摻量對R的提高作用越明顯；粉煤灰摻量較小時，R對礦渣粉摻量變化不敏感，粉煤灰摻量較高時，R隨礦渣粉摻量的增加而增加；粉煤灰摻量對R影響較顯著，礦渣粉與粉煤灰之間的交互作用明顯。

2）四摻料膠凝體系中，各組分作用比較復(fù)雜，三元回歸模型分析結(jié)果顯示，單因素對R的影響顯著性排序為礦渣粉gt;鋼渣粉gt;粉煤灰；各摻料之間存在明顯的交互作用，交互作用對R影響顯著性排序為（礦渣粉+粉煤灰）gt;（粉煤灰+鋼渣粉）gt;（礦渣粉+鋼渣粉）。

3）多元二次回歸模型對R預(yù)測精確度高，可以用于配合比優(yōu)化設(shè)計，三摻料最優(yōu)配合比w（SP）∶w（FA）∶w（FGD）=35∶55∶10，四摻料最佳配合比w（SP）∶w（FA）∶w（SS）∶w（FGD）=43.8∶24.1∶22.5∶9.6。

4）三摻料最佳配合比膠砂試件28 d抗壓強度不滿足規(guī)范要求，四摻料最佳配合比R和28 d抗折強度、初終凝時間、安定性均滿足規(guī)范要求，并且各項性能均優(yōu)于P·S·A 32.5級水泥。

本文提出了滿足規(guī)范要求的無水泥非堿激發(fā)四摻料膠凝材料配合比，但未研究材料細度對膠凝材料性質(zhì)的影響，今后擬針對膠凝材料細度變化對R的影響進行深入研究。

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