响应曲面法优化土聚水泥的制备研究

葛文彬 孙鹏

摘  要：该文以煤系高岭土和碱激发剂水玻璃为原料，煅烧温度、水玻璃模数和掺量为3个试验因素，以凝结时间、强度和收缩值为响应值，利用响应曲面法进行设计3因素3水平试验，通过对回归方程分析探讨制备性能优异的土聚水泥的最优条件参数。研究结果表明，土聚水泥的最佳制备参数为：偏高岭土煅烧温度约为850℃，水玻璃模数为1.1，水玻璃掺量介于19%～20%之间。

关键词：土聚水泥  偏高岭土  碱激发剂  响应曲面法

中图分类号：TQ172   文献标识码：A           文章编号：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，是指由硅氧四面体和铝氧四面体通过氧原子连接在一起聚合而成的一类新型绿色环保无机胶凝材料。它具有传统水泥所不具有的优异性能：早强快硬;体积稳定性好;耐化学腐蚀;界面结合力强;抗渗性好;耐高温性好;耐水热作用;耐久性好;可自调温调湿等。它以其独特的性能以及在建筑材料、高强材料、固核固废材料、密封材料和耐高温材料等方面所显示出的巨大应用前景，成为世界各国材料科学工作者关注的目标之一[3-4]。

该文以煤系高岭土为原料，经煅烧活化后加入碱性激发剂，在常温常压条件下采用响应曲面法[5]，以高岭土的煅烧温度、水玻璃的掺量和模数参数对土聚水泥凝结时间、强度和收缩之间的函数关系，通过对回归方程的分析来寻求最优条件参数，制备性能优异的土聚水泥。

1  原材料及试验方法

1.1 试验原材料

（1）煤系高岭土：淮北金岩高岭土开发有限责任公司，化学成分表（见表1）。

（2）分析纯NaOH：无锡市展望化工试剂有限公司。

（3）分析纯CaF2：无锡市展望化工试剂有限公司。

（4）水玻璃：市购，模数M=2.80。

1.2 试验所需组数和条件参数

具体情况见表2。

1.3 试验方法

土聚水泥的制备是将偏高岭土与水玻璃按实验设计配比拌和均匀，同时记录下加水时间。然后将净浆注入规格为20mm×20mm×80mm钢制六联模中，插捣密实。试模两端埋有不锈钢钉头以方便长度的测量。其中3个用于干燥收缩的测量，3个用于力学性能测试。

（1）对应龄期的干燥收缩计算公式如下。

（2）强度用WEW-600C型液压万能试验机测定。

2  试验结果讨论

2.1 土聚水泥凝结时间的研究

2.1.1 偏高岭土煅烧温度与水玻璃模数对初凝时间的影响

由图1煅烧温度和水玻璃模数的等高线图可知，土聚水泥的初凝时间随着偏高岭土煅烧温度升高和水玻璃模数的减少而缩短，初凝时间回归模型方差分析表可知煅烧温度和水玻璃模数之间的交互作用不是很显著。结合其响应曲面图，初凝时间控制在200min以内，偏高岭土煅烧温度和模数分别集中在850℃和M=1.1（回归方程为：Y1=12957.5-21.2925X1-7388.75X2+1175X3+4.1X1X2-52.5X1X3+250X2X3+0.0163X12+1875X22+1.05E+005X32）。

2.1.2 偏高岭土煅烧温度与水玻璃掺量对终凝时间的影响

由图2偏高岭土温度和水玻璃掺量等高线图可知，从浅色到深色，即偏高岭土煅烧温度升高和水玻璃掺量降低，土聚水泥的终凝时间缩短。结合终凝时间回归模型方差分析表可知偏高岭土温度与水玻璃掺量之间的交互作用较为显著。从响应曲面图综合考虑，偏高岭土温度高于800℃，水玻璃掺量大于19%时，终凝时间延长。综合考虑土聚水泥成型和施工性能，偏高岭土煅烧温度和水玻璃掺量分别控制在850℃和19%左右（回归方程为：Y=14856.4-30.702X1-6169.5X2+12700X3+1.1X1X2-36X1X3-500X2X3+0.022420X12+2405X22+45500X32）。

2.2 土聚水泥强度的研究

2.2.1 偏高岭土煅烧温度与水玻璃掺量对土聚水泥3d抗折强度的影响

由偏高岭土煅烧温度和水玻璃掺量的等高线图可知（见图3），等高线图近似椭圆，偏高岭土的煅烧温度和水玻璃的摻量之间的交互作用比较显著。随着偏高岭土温度越高，碱激发剂掺量越小，试件的3d抗折强度越大。结合响应曲面图可知，抗折强度最大值时，偏高岭土煅烧温度和水玻璃掺量分别控制在850℃和19%（回归方程为：Y=382.3674-0.10882X1-118.1095X2-2542.45X3-0.0133X1X2+0.297X1X3+4532X3+4.15200E-005X12+12.73X22+4283X32）。

2.2.2 偏高岭土煅烧温度与水玻璃模数对土聚水泥3d抗压强度的影响

由图4可知，偏高岭土煅烧温度增加和水玻璃模数降低，土聚水泥3d抗压强度增大，等高线接近圆形，偏高岭土煅烧温度和水玻璃模数之间的交互作用不是很显著。煅烧温度和水玻璃模数分别控制在850℃和1.1时，抗压强度最佳（回归方程为：Y=884.076+0.66332X1-37.4675X2-10632.875X3-0.05175X1X2+1.7275X1X3+2153.75X2X3-5.86450E-004X12-155.3625X22+162263.75X32）。

2.3 土聚水泥体积稳定性能的研究

2.3.1 偏高岭土煅烧温度与水玻璃掺量对土聚水泥7d收缩率的影响

由图5的等高线图可知，等高线近似椭圆线，偏高岭土煅烧温度和水玻璃掺量之间的交互作用比较显著，对7d收缩率影响较大。随着偏高岭土煅烧温度和碱激发剂掺量的增大，土聚水泥7d收缩率呈减小趋势。反之，偏高岭土煅烧温度越低，试件的7d收缩率越大。结合响应曲面图，综合考虑收缩率最小时，偏高岭土煅烧温度和水玻璃掺量分别控制在850℃和19%（回归方程为：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 偏高岭土煅烧温度与水玻璃掺量对土聚水泥21d收缩率的影响

由图6可知，当水玻璃掺量低于20%时，对21d收缩率较小。当偏高岭土煅烧温度大于800℃，水玻璃掺量大于20%时，两者的交互作用比较明显。随着偏高岭土煅烧温度和水玻璃掺量的增加，21d收缩率呈减小趋势。结合响应曲面图，综合考虑收缩率最小时，偏高岭土煅烧温度和水玻璃掺量分别控制在850℃和20%左右（回归方程为：Y=-25.1767+0.038914X1+6.011X2+57.9875X3-5.4E-003X1X2-0.0625X1X3+17.5X2X3-1.33100E-005X12-1.7025X22-62.75X32）。

3  结论

（1）优化土聚水泥凝结时间的最优配比为偏高岭土煅烧温度在850℃左右，水玻璃模数为1.1，水玻璃掺量在19%～20%之间。

（2）土聚水泥的3d抗折、抗压强度随着偏高岭土煅烧温度的升高、水玻璃模数的减小、水玻璃掺量的降低而降低，其最佳参数为偏高岭土煅烧温度在850℃左右，水玻璃模数为1.1，水玻璃掺量为19%。

（3）土聚水泥的收缩率随着偏高岭土煅烧温度的升高、水玻璃模数的减小、水玻璃掺量的增加而减小，其最佳参数为偏高岭土煅烧温度在850℃左右，水玻璃模数为1.1，水玻璃掺量为20%。

参考文献

[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] 王爱国，孙道胜，胡普华，等.碱激发偏高岭土制备土聚水泥的试验研究[J].合肥工业大学学报，2008，31（4）：617-621.

[4] 曹德光，苏达根，宋国胜.低模数硅酸钠溶液的结构及其键合反应特性[J].硅酸盐学报，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.