基于正交試驗(yàn)的新型膠凝材料配比優(yōu)化研究

基于正交試驗(yàn)的新型膠凝材料配比優(yōu)化研究

近年來(lái)，國(guó)家非常重視循環(huán)經(jīng)濟(jì)。對(duì)于高能耗高污染的礦山來(lái)說(shuō)，節(jié)能減排和綠色開(kāi)采已成為當(dāng)前礦業(yè)研究和開(kāi)發(fā)的兩個(gè)主題。目前，充礦技術(shù)的特點(diǎn)是其安全和環(huán)境破壞小。1試驗(yàn)材料和研究方法1.1脫硫石膏、熟料試驗(yàn)采用礦渣微粉、脫硫石膏、熟料、廢石和棒磨砂，其中礦渣微粉為活性材料，是由鋼鐵廠水淬渣經(jīng)過(guò)粉磨到細(xì)度（45μm篩余）為5%左右的粉體；脫硫石膏和熟料為激發(fā)劑材料，其中脫硫石膏為鋼鐵廠脫硫的副產(chǎn)品，細(xì)度為15.21%；熟料取自當(dāng)?shù)厮鄰S，粉磨后細(xì)度達(dá)到10.36%1.2y熵權(quán)法mn多屬性決策是多準(zhǔn)則決策的重要組成部分，其著重研究關(guān)于離散的、有限個(gè)方案的決策問(wèn)題.對(duì)于多屬性決策模型，其通過(guò)n個(gè)指標(biāo)對(duì)m個(gè)待選方案進(jìn)行綜合評(píng)判，則形成m×n的決策矩陣Y式中：y熵權(quán)法是根據(jù)信息熵的定義，反映各評(píng)判指標(biāo)的差異，差異越大，熵值越小，表明該指標(biāo)的相對(duì)重要度越大，權(quán)重也就越大，反之權(quán)重就越小.熵值E為：將標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣S與各指標(biāo)權(quán)重θ式中：J采用優(yōu)劣解距離法（TechniqueforOrderPreferencebySimilaritytoanIdealSolution,TOPSIS），利用歐氏公式計(jì)算各方案與正理想解和負(fù)理想解的距離D在得到D2橡膠凝膠材料的比例試驗(yàn)2.1脫硫石膏強(qiáng)度的檢測(cè)利用固廢資源開(kāi)發(fā)新型膠凝材料，在此之前進(jìn)行了大量探索性試驗(yàn)，根據(jù)前期試驗(yàn)結(jié)果，確定如下配比試驗(yàn)方案：以熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%～12%，脫硫石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%～14%設(shè)計(jì)兩因素三水平的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表3所示，然后按照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》（GB/T17671—1999），以水灰比0.5攪拌均勻后澆筑成40mm×40mm×160mm的標(biāo)準(zhǔn)膠砂試塊，脫模后放入養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期測(cè)試其強(qiáng)度.2.2熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)根據(jù)上述試驗(yàn)方案進(jìn)行膠凝材料配比試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果如圖5所示.根據(jù)膠凝材料配比膠砂試驗(yàn)和極差分析結(jié)果可以看出：對(duì)于7d強(qiáng)度，最優(yōu)配比為熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、脫硫石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%，而且脫硫石膏權(quán)重較大；對(duì)28d強(qiáng)度而言，最優(yōu)配比也是熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、脫硫石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)14%，但是熟料權(quán)重較大；隨著熟料質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，7d和28d強(qiáng)度均逐漸降低，而隨著脫硫石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，7d和28d強(qiáng)度均逐漸增大.綜上所述，確定膠凝材料配比為：熟料、脫硫石膏和礦渣微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%、14%和78%，并以此配比的膠凝材料進(jìn)行料漿配比優(yōu)化試驗(yàn).2.3膠凝材料的結(jié)構(gòu)表征為了研究膠凝材料水化機(jī)理，按照GB/T346—2001制備前期確定的膠凝材料凈漿試塊，脫模并養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期之后采用無(wú)水乙醇浸泡12h使其停止反應(yīng)，烘干后破碎進(jìn)行研磨或打磨噴金制樣，然后利用XRD對(duì)膠凝材料的水化產(chǎn)物和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析3充填料漿配比優(yōu)化試驗(yàn)利用固廢開(kāi)發(fā)新型膠凝材料替代水泥，以降低充填成本，針對(duì)前期開(kāi)發(fā)的膠凝材料，根據(jù)金川充填系統(tǒng)的要求，對(duì)充填料漿配比進(jìn)行優(yōu)化，在提高充填效果的同時(shí)進(jìn)一步降低充填成本，以期獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益.3.1充填材料配比根據(jù)金川充填系統(tǒng)和充填物料情況，進(jìn)行充填料漿配比試驗(yàn).試驗(yàn)方案如下：骨料采用廢石和棒磨砂混合骨料，廢砂比分別為6∶4、7∶3和8∶2；膠凝材料采用前期確定的配比為熟料8%、脫硫石膏14%和礦渣微粉78%，細(xì)度為5%左右的新型膠凝材料；膠砂比為1∶4；料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為76%、78%和80%.3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析3.2.1充填體強(qiáng)度、坍落度和泌水率試驗(yàn)根據(jù)上述試驗(yàn)方案分別測(cè)定各組混合骨料的7d和28d強(qiáng)度、坍落度和泌水率，具體試驗(yàn)方案及結(jié)果如表4所示，其中充填成本按照單位體積充填體所需各物料價(jià)格計(jì)算所得.3.2.2廢砂比對(duì)料漿坍落度和泌水率的影響根據(jù)充填料漿配比試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，混合骨料配比（廢砂比）和料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)包括充填體強(qiáng)度、料漿坍落度和泌水率均有顯著影響，如圖8所示.由圖8可知，各混合骨料配比的7d和28d強(qiáng)度均隨料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高而增大，并且在其他條件相同的情況下，廢砂比為7∶3時(shí)強(qiáng)度較其他配比高，表明此時(shí)骨料配比最優(yōu)；當(dāng)混合骨料中廢石質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高10%時(shí)，7d、28d強(qiáng)度分別降低33.7%和24.0%；當(dāng)廢石質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低10%時(shí)，7d、8d強(qiáng)度分別降低7.5%和6.3%；各廢砂比的料漿坍落度和泌水率均隨料漿質(zhì)量濃度的提高逐漸降低，且廢砂比7∶3時(shí)，各料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的坍落度均最小，當(dāng)混合骨料中廢石質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低或提高10%時(shí)，料漿坍落度分別平均增大了0.84%和2.06%.同樣，料漿泌水率在廢砂比7∶3時(shí)，各料漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的泌水率均最小；當(dāng)混合骨料中廢石質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低或提高10%時(shí)，料漿泌水率分別平均增大了2.26%和6.65%.3.3充填料漿配比優(yōu)化試驗(yàn)充填采礦活動(dòng)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不僅要考慮充填體強(qiáng)度、料漿流動(dòng)性，而且要考慮充填成本，在滿足充填效果的前提下，盡可能降低充填成本，才能獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益.充填料漿配比優(yōu)化是要綜合考慮多因素的一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化決策問(wèn)題，基于多屬性決策對(duì)充填料漿進(jìn)行配比優(yōu)化，以期獲得最優(yōu)的料漿配比方案.金川礦山要求充填體7d和28d強(qiáng)度分別不小于2.5MPa和5MPa，由表4可以看出，僅B1～B6組試驗(yàn)滿足強(qiáng)度要求，因此，將這6組方案作為待選方案，并將7d和28d強(qiáng)度、坍落度、泌水率及充填成本作為評(píng)判指標(biāo)，形成決策矩陣Y根據(jù)表4試驗(yàn)結(jié)果，得到?jīng)Q策矩陣Y根據(jù)確定的指標(biāo)類型，按照式（1）對(duì)決策矩陣Y并根據(jù)熵權(quán)法計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重θ然后由加權(quán)決策矩陣結(jié)合式（4）得到正負(fù)理想解向量W最后根據(jù)式（5)(6）分別計(jì)算各方案的貼近度，結(jié)果為：C4充填料漿配比確定1）對(duì)試驗(yàn)材料進(jìn)行物化分析，可以得到礦渣、脫硫石膏和熟料細(xì)度分別為5%、15.21%和10.36%；礦渣礦物成分分析表明其為活性較高的堿性礦渣，滿足開(kāi)發(fā)膠凝材料的要求；并對(duì)混合骨料進(jìn)行級(jí)配分析，確定廢砂比為6∶4、7∶3和8∶2的3種級(jí)配的混合骨料.2）基于前期探索性試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)膠砂試驗(yàn)并進(jìn)行極差分析，確定新型膠凝材料配比為熟料、脫硫石膏和礦渣微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為8%、14%和78%，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證滿足金川礦山充填要求.3）為了探究新型膠凝材料水化機(jī)理，采用XRD和SEM分析其水化產(chǎn)物、微觀結(jié)構(gòu)和水化過(guò)程，可以看出水化產(chǎn)物主要為水化硅酸鈣、鈣礬石和硫鋁酸鈣，同時(shí)含有少量石膏.并且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，膠凝材料水化產(chǎn)生的短棒狀A(yù)Ft明顯增加，且與C—S—H凝膠相互交錯(cuò)搭接，C—S—H凝膠含量增大，水化產(chǎn)物結(jié)晶度也逐漸增加，結(jié)構(gòu)慢慢變得密實(shí)，強(qiáng)度也逐漸提高.4）為了降低充填成本，采用新型膠凝材料替代水泥，針對(duì)金川礦山充填系統(tǒng)對(duì)充填料漿進(jìn)行配比試驗(yàn)，并以7d強(qiáng)度、28d強(qiáng)度、坍落度、泌水率及單位充填成本為評(píng)判指標(biāo)，基于多屬性決策對(duì)充填料漿進(jìn)行配比優(yōu)化，確定