基于砂浆强度解耦法量化研究对铬铁渣的改性影响

杭美艳，彭雅娟，，刘欣欣，张海燕，陶 旭

（1.内蒙古科技大学，内蒙古包头014010；2.南昌工学院；3.明拓集团铬业科技有限公司）

铬铁渣作为一种排量较大的固体废弃物具有潜在的资源属性，通过正交试验设计铬铁渣改性剂对其改性，从而使之成为优质骨料可100%替代天然砂，解决天然砂资源短缺问题［1-2］。正交试验是研究多因素试验问题的重要方法，但极差分析准确性较低，方差分析一般需预留误差列和交互作用空白列，需要增加试验总数或减少独立因子数。在铬铁渣改性和将之充当骨料制作砂浆的试验过程中，一个变量的波动往往会影响其他变量的变化，从而存在耦合现象，而解除这种耦合关系的过程称之为解耦［3-4］。基于砂浆强度解耦法定性分析其间的影响关系，利用SPSS 软件回归分析功能定量研究铬铁渣改性对砂浆强度的影响，将定性分析与定量分析相结合，实现量化研究铬铁渣的改性对强度的影响。

本文通过四因素三水平正交试验配制铬铁渣改性剂，对铬铁渣进行改性从而降低其吸水率和压碎值，在利用改性铬铁渣制备砂浆时通过影响水胶比来影响砂浆强度。在这个“制作改性剂-对铬铁渣改性-制备改性铬铁砂浆”的有序试验过程中，改性铬铁渣的吸水率作为中间变量不仅受改性剂四因子的影响，同时也通过影响水胶比间接影响了砂浆强度［4］。故通过砂浆强度解耦法分析了各变量的影响关系，结合回归模型的建立与回归方程拟合对其间的相互影响进行定量研究，有效弥补了正交试验极差和方差分析的不足，实现由定性分析到定量分析的转变。

1 原材料

铬铁渣：属于Ⅰ类一般工业固废，对生物体无毒、无害，可开发其资源属性作建筑材料使用。铬铁渣主要化学成分为Al2O3、SiO2和MgO，含少量MgO和CaO，铬离子主要以Cr2O3的形式存在。

2 试验

试验包括两个部分，其一是配制铬铁渣改性剂，对铬铁渣改性并测定其吸水率和压碎值［5］，确保铬铁渣通过改性实现可替代天然砂的特性。其二将改性铬铁渣100%代替天然砂制备砂浆，测其和易性及抗压强度。

2.1 铬铁渣改性剂的设计

依据材料属性和试验条件选择水泥质量（A）、硅酸钠质量（B）、矿粉质量（C）及浸泡铬铁渣时间（D）作为正交试验因素；考虑到改性剂浓度太低时不具备成膜性、不能覆盖或填充铬铁渣开口孔隙；浓度太高时又容易粘结在铬铁渣表面甚至造成结块现象，影响改性效果。经试验确定改性剂添加量为10%～30%。

在改性剂浓度范围确定的条件下，初定水泥和矿渣微粉浆剂混合浓度，进一步调节硅酸钠掺量。因改性剂是由具有胶凝性质的硅酸钠、 水泥和矿渣粉组成的三元混合浆剂体系，且硅酸钠胶体微粒带负电荷与水泥和矿渣粉带电荷性质相反，混合后会发生电性中和。其次，硅酸钠引入钠离子有可能引起腐蚀等问题，故需调节硅酸钠到合适浓度范围。试验中不断加入硅酸钠，反应产生的水合硅酸钙凝胶会与各种晶体包裹并夹杂许多未来得及水化的水泥、矿粉颗粒和水玻璃凝结沉淀，颗粒呈现无序排列状态，颗粒间空隙（毛细孔）较大而削弱了凝胶体中范德华力、氢键等作用，此时三元体系的改性剂呈黏稠凝胶，即发生了硅酸钠超掺现象［6］。故不断增加硅酸钠掺量找到其适宜掺量，经过多次调试试验，得到四因素三水平的正交试验表头，以1 kg 水按照正交试验设计配制改性剂浸泡铬铁渣得到9 组试样，分别烘至饱和面干状态测定其吸水率，结果如表1 所示。

表1 铬铁渣改性剂正交表

按照GB/T 14684—2011《建设用砂》对9 个改性铬铁渣试样取样及烘干后进行筛分，测定各组2.36 ～4.75 mm（Ⅰ）、1.18 ～2.36 mm（Ⅱ）、0.6 ～1.18 mm（Ⅲ）及0.3～0.6 mm（Ⅳ）4 个粒级的压碎值，并与天然砂（T）和未经改性原铬铁渣（Y）进行对比，结果如图1 所示。

通过图1 看出，铬铁渣的各级压碎值均高于天然砂，尤其2.36～4.75 mm 粒级压碎值高出非常多；通过改性的9 组改性铬铁渣试样相比原铬铁渣压碎值有所改善，2.36～4.75 mm 粒级、1.18～2.36 mm 粒级大幅度降低，而其余两级也有所降低，故说明对铬铁渣改性有利于骨料压碎值的降低。

图1 雷达图表征改性铬铁渣各级压碎值

2.2 改性铬铁渣砂浆制备试验

将表1 的9 组改性铬铁渣试样烘至饱和面干后作为骨料制备砂浆，并与天然砂组（T-1）和未经改性原铬铁渣组（Y-2）对比，其配合比、表观密度及28 d强度如表2 所示。

表2 改性铬铁渣砂浆试验结果

根据表2 配合比计算各组砂浆水胶比，观察跳桌流动度、 砂浆稠度及强度的变化趋势并与天然砂和原铬铁渣组对比。为了便于比较，将水胶比×10，跳桌流动度、稠度以cm 为单位制图，如图2 所示。由图2 看出，由于在砂浆试验过程中控制各组砂浆稠度，稠度基本趋于平缓、在小范围波动。而跳桌流动度基本上是随着水胶比增大而增大，随其减小而减小，保持一致变化。对于强度：未经改性的原铬铁渣组相比天然砂强度明显较低，而经过改性的几组铬铁渣砂浆强度基本与天然砂强度持平，说明铬铁渣改性后作为砂浆骨料对提高砂浆强度具有一定作用，现依据强度解耦法分析其间的影响关系。

虽然最密切联系原则已经作为一项“兜底条款”写入了我国《法律适用法》的总则部分，其在我国的司法实践中也成为了法官运用的最多的法律选择方法之一，但是我国学界对于该原则的评价始终是褒贬不一的。大部分学者对该原则持支持赞成的态度，认为最密切联系原则使得连结因素多样化，增强了法律选择的灵活性，增强了国际私法对新情况的适应能力；同时赋予了法官很大的自由裁量权，抛弃了“法律关系本座说”的机械性做法，并采用了柯里的“政府利益分析说”利益分析的方法决定法律的适用，“最密切联系原则已成为当今国际私法界共同的语言与趋势，并被某些国际私法学者奉为至高无上、神圣不可侵犯的理论。”但是，学界依然存在对该原则的批判之声：

图2 各组砂浆性能变化趋势

3 铬铁渣的改性对砂浆强度的影响

通过正交试验设计铬铁渣改性剂对铬铁渣进行改性，得到吸水率有所降低的改性铬铁渣，利用其制备砂浆。在对铬铁渣改性过程中，改性剂4 因子对改性铬铁渣吸水率有直接影响，在改性铬铁渣100%代替天然砂制备砂浆时，由于骨料吸水率的降低导致统一胶料、胶砂比、控制稠度一致条件下水胶比发生变化，即改性铬铁渣吸水率影响了砂浆的水胶比，而水胶比是决定砂浆强度的重要因素。换言之：改性剂4 因子影响了改性铬铁渣吸水率，进一步通过影响水胶比影响强度，对于改性铬铁渣砂浆强度的解耦则为改性剂4 因子对强度影响关系的逆推［7-9］。通过对改性铬铁渣砂浆强度解耦，进一步借助SPSS软件回归分析功能进行定量研究。

3.1 改性剂4 因子对改性铬铁渣吸水率影响分析

对正交表1 改性铬铁渣饱和面干时吸水率指标进行极差和方差分析，结果如表3 所示。

表3 改性铬铁渣吸水率极差与方差分析

根据表3 得知： 改性剂4 因子对砂浆强度影响顺序由大到小为B、C、A、D，最优组合为A3B1C2D3。对于方差分析：当α=0.1 时，F 临界值为9.0，B 因子F 值大于9.0，故具有显著性［8］。建立改性剂4 因子与改性铬铁渣吸水率线性回归模型：

其中，y1为改性铬铁渣吸水率；x1、x2、x3、x4分别为改性剂的4 个影响因子；a1为常数项；b1、b2、b3、b4为各因子的系数。

采用SPSS 软件进行回归分析，回归模型的显著性等结果如表4 所示。改性剂4 因子与改性铬铁渣吸水率的模型系数见表5。

表4 改性剂4 因子与改性铬铁渣吸水率回归模型

表5 改性剂4 因子与改性铬铁渣吸水率的模型系数

由表5 可知，砂浆强度的回归方程为：

而如表4 所示回归方程显著性检验的概率为0.029＜0.05，表明铬铁渣吸水率与改性剂4 因子具有非常显著的线性关系［10-11］。通过各因子系数的比较，发现与正交试验极差和方差分析的影响顺序一致，由大到小依次为B、C、A、D；此外，由于A 因子和D 因子系数为负值，当x1和x4增大时y1值减小，表明水泥的加入和浸泡可以降低铬铁渣吸水率； 而B因子和C 因子系数为正值，当x2和x3增大时y1值增大，对本身具有防水作用的硅酸钠来说，通过降低水泥浆水胶比来降低骨料吸水率符合水泥量的增加降低铬铁渣吸水率这一结论。由于矿渣粉本身为亲水性物质，增加矿渣粉会增大骨料吸水率［6，12-14］。

3.2 改性铬铁渣吸水率与水胶比的关系

根据上述分析，在得到了改性剂4 因子与铬铁渣吸水率影响关系后，接下来通过趋势变化观测铬铁渣吸水率与水胶比的影响关系，为了更直观观测两者变化趋势，将改性铬铁渣吸水率与水胶比×10作图3［15］。通过图3 看出，砂浆水胶比随着改性铬铁渣吸水率变化而变化，并不是保持固定变化，但可以明确改性铬铁渣的吸水率直接影响了砂浆的水胶比。

图3 改性铬铁渣吸水率与水胶比的趋势图

3.3 改性铬铁渣砂浆水胶比对强度的影响分析

水胶比是决定砂浆强度的主要因素，采用SPSS软件对水胶比和强度建立回归模型及系数输出如表6、表7 所示，其拟合情况如图4 所示。

表6 模型汇总和参数估计值

由表6 可知，回归模型显著性检验中只有三次回归模型概率为0.049＜0.05，R2较其他模型最接近1，故建立关于水胶比和强度的三次回归模型具有显著性［15］。

表7 模型系数输出表

根据表7 的系数输出结果统计确定强度与水胶比回归方程为：

图4 砂浆强度与水胶比回归模型拟合图

故通过上述分析，说明了对铬铁渣进行的改性研究主要是通过降低其吸水率来降低制作砂浆时骨料用水量，进而通过降低水胶比提高砂浆强度。另外，由于改性剂浸泡铬铁渣在通过自然干燥或烘干至饱和面干状态时应用于砂浆充当骨料，在此试验过程中不仅完成了对铬铁渣的改性也可以起到预湿骨料的作用，更加有利于改善砂浆和易性和提高砂浆强度［16］。

4 铬铁渣的改性对砂浆强度影响的机理分析

铬铁渣是在高温下急冷冲击成粒的冶炼渣，故造就了其表面粗糙、开口孔聚集的结构形貌。利用铬铁渣改性剂对其改性不仅可以改善铬铁渣的结构形貌，也能够改善改性铬铁渣骨料与浆体的界面结构，提高作为砂浆薄弱区的界面粘结强度，以提升砂浆整体强度。图5a 和b 分别是改性铬铁渣和28 d 的改性铬铁渣砂浆扫描电镜图。

图5 改性铬铁渣与改性铬铁渣砂浆SEM 图

根据图5a 可清晰看到铬铁渣表面的开口孔被铬铁渣改性剂及其反应产物填充，当改性铬铁渣处于饱和面干状态时作为骨料来制备砂浆时，其吸水率因开口孔隙被堵塞而有所降低，从而可避免泌水现象的出现；另外，改性铬铁渣表面的改性剂会与界面处的水膜发生反应，降低了界面处水胶比，从而提高界面处粘结强度［17］。从图5b 可发现大量棒状、网状的C-S-H 相和细化的Ca （OH）2晶体等反应产物，这些反应产物会与本体浆体的水化产物连为一体，改性铬铁渣骨料更像是嵌锁在浆体中，以致界面结构得到了充分改善。

5 结论

1）通过改性剂对铬铁渣的改性，其相比于未经改性铬铁渣各级压碎值、吸水率均有所降低，对铬铁渣的改性有利于其实现优质骨料的特性。2）改性剂4因子通过影响改性铬铁渣的吸水率间接影响水胶比进而影响砂浆强度，通过砂浆强度解耦法结合SPSS回归分析功能进行由定性到定量的分析，量化了铬铁渣改性对砂浆强度的影响，准确地分析了正交试验数据，有效解决了极差和方差分析的不足。3）通过改性剂改性的铬铁渣具有优质骨料特性，制备砂浆时改性铬铁渣骨料与浆体界面结构和粘结强度得到改善，进而提高了改性铬铁渣砂浆强度。充分开发了铬铁渣的资源属性，解决了天然砂严重短缺等问题，对于资源可持续发展有重要意义。