寧亞瑜，張冷慶，丁向群

(1.盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院，盤錦　124010;2.沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽　110168)

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基于正交優(yōu)化設(shè)計(jì)研究氯氧鎂水泥強(qiáng)度的影響因素

寧亞瑜1，張冷慶2，丁向群2

(1.盤錦職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程分院，盤錦124010;2.沈陽建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽110168)

本文通過正交實(shí)驗(yàn)法研究了溫度、MgCl2濃度、MgO/MgCl2摩爾比對(duì)氯氧鎂水泥(MOC，下稱鎂水泥)強(qiáng)度的影響，用極差分析和方差分析討論了各因素對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律，并利用曲線估計(jì)預(yù)測(cè)了鎂水泥強(qiáng)度隨齡期變化的發(fā)展規(guī)律。研究表明，在室溫下(20 ℃)、MgCl2濃度為24%、MgO/MgCl2摩爾比為6時(shí)，鎂水泥的強(qiáng)度最高；溫度對(duì)鎂水泥強(qiáng)度的影響較大，MgO/MgCl2摩爾比次之，MgCl2濃度對(duì)強(qiáng)度的影響較??；隨著溫度的升高，鎂水泥的早期強(qiáng)度逐漸降低，在40 ℃左右時(shí)，略有提高但幅度不大；隨著MgCl2濃度逐漸提高，鎂水泥的強(qiáng)度逐漸增大，達(dá)到24%左右時(shí)，28 d強(qiáng)度基本保持不變；隨著MgO/MgCl2摩爾比的增大，鎂水泥的強(qiáng)度逐漸增大；鎂水泥的強(qiáng)度隨齡期的變化呈S型增長(zhǎng)。采用多元二次回歸研究各因素間的交互作用對(duì)鎂水泥強(qiáng)度和軟化系數(shù)的影響。

氯氧鎂水泥； 強(qiáng)度； 正交設(shè)計(jì)； 曲線估計(jì)

1　引　言

鎂水泥是由輕燒氧化鎂粉、氯化鎂溶液拌合而成的氣硬性膠凝材料，1867年由法學(xué)者Sorrel發(fā)明，故又稱Sorrel水泥[1]。與硅酸鹽水泥相比，鎂水泥具有早期強(qiáng)度高，凝結(jié)時(shí)間短，耐火性好等特點(diǎn)[2-4]，但其耐水性差，易泛霜返堿、翹曲變形[5]。

許多學(xué)者針對(duì)鎂水泥及其制品進(jìn)行了深入的研究，巴恒靜[6]、李愛蓮[7]研究了MgO/MgCl2摩爾比對(duì)MOC相穩(wěn)定性的影響，文靜[8]研究了鎂水泥水化化機(jī)理，劉倩倩[9]、崔可浩[10]研究了自然環(huán)境下鎂水泥水化產(chǎn)物及其轉(zhuǎn)變規(guī)律，李創(chuàng)[11]研究了鎂水泥吸潮性能，但對(duì)于鎂水泥配比及強(qiáng)度發(fā)展的研究較少。

本文通過正交優(yōu)化設(shè)計(jì)研究了對(duì)鎂水泥強(qiáng)度的影響的主要因素(養(yǎng)護(hù)溫度、MgCl2濃度、MgO/MgCl2摩爾比)對(duì)強(qiáng)度的影響作用，并用曲線估計(jì)估計(jì)了鎂水泥強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律，為鎂水泥的生產(chǎn)與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2　實(shí)　驗(yàn)

2.1原材料與儀器

(1)輕燒氧化鎂(MgO)

氧化鎂是遼寧大石橋市某廠生產(chǎn)的由菱鎂礦破碎、粉磨，經(jīng)750～850 ℃煅燒而成的輕燒氧化鎂。MgO含量大于90%，MgO活性含量55%，分子量為40.23。主要性能指標(biāo)見表1。

表1　輕燒氧化鎂的主要性能

(2)氯化鎂(MgCl2·6H2O)

氯化鎂是沈陽某化工廠生產(chǎn)的精制工業(yè)氯化鎂，MgCl2·6H2O含量≥96%。主要成分見表2。

表2　氯化鎂(MgCl2·6H2O)的主要成分

(3)儀器

水泥凈漿20 mm×20 mm×20 mm六聯(lián)模；XY系列電子天平；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱；XY系列精密電子天平；HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋；SVC-4500VA壓力機(jī)。

2.2試驗(yàn)方法

本文采用L9(34)正交優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表進(jìn)行試驗(yàn)。選取溫度A(20 ℃、40 ℃、60 ℃)、氯化鎂濃度B(20%、24%、28%)和MgO/MgCl2摩爾比C(4、5、6)作為試驗(yàn)因素，按試驗(yàn)配合比配制9組不同的鎂水泥。按配比分別稱取MgO、MgCl2·6H2O和蒸餾水，先將MgCl2·6H2O溶于蒸餾水，然后將其緩緩加入到MgO中，以120 r/min攪拌5 min[12]至均勻，注入20 mm×20 mm×20 mm的六聯(lián)模具中，養(yǎng)護(hù)1 d脫模，再養(yǎng)護(hù)27 d(共28 d)。在28 d齡期時(shí)，每組水泥取3塊，以5 mm/min的速度測(cè)試抗壓強(qiáng)度；將另外3塊置于自來水中浸泡(水面浸沒試塊5 cm)28 d，測(cè)試其浸水后抗壓強(qiáng)度[13]。

3　結(jié)果與討論

3.1直觀分析

各組試驗(yàn)抗壓強(qiáng)度結(jié)果柱狀圖見圖1。

由圖1可以直接看出：試驗(yàn)3(20℃、28%、6)的3 d、7 d和28 d強(qiáng)度最高；試驗(yàn)1、2的較高；試驗(yàn)5、7、8的強(qiáng)度較差，實(shí)驗(yàn)4、6的強(qiáng)度最差。

3.2極差分析

通過極差分析法分析各因素對(duì)鎂水泥抗壓強(qiáng)度影響的程度大小。記kij為試驗(yàn)結(jié)果中第j列各水平對(duì)應(yīng)的各次試驗(yàn)結(jié)果的平均值(式1)，Rj為第j列各kij最大值與最小值之差(式2)，"空列"表示試驗(yàn)中存在的隨機(jī)誤差。

(1)

Rj=max{kij}-min{kij}

(2)

鎂水泥抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果見圖2。

圖1　正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖Fig.1　Histogram of orthogonal optimization test

圖2　試驗(yàn)結(jié)果極差分析Fig.2　Extreme difference histogram of orthogonal experiment

由圖2可以看出，在選定的因素水平范圍內(nèi)，各因素的鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響程度由大到小依次為：溫度、摩爾比、氯化鎂濃度。

根據(jù)各組kij值繪制各因素水平影響曲線圖，各因素對(duì)強(qiáng)度的影響見圖3。

圖3　各因素對(duì)強(qiáng)度的影響趨勢(shì)圖(a)溫度對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響;(b)MgCl2濃度對(duì)強(qiáng)度的影響; (c)MgO/MgCl2摩爾比對(duì)強(qiáng)度的影響Fig.3　Trend diagram of Various factors influenced on strength

由圖3可以直觀的得出各因素對(duì)鎂水泥抗壓強(qiáng)度的影響趨勢(shì)。圖3(a)表明，鎂水泥3 d、7 d、28 d強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律基本相同，隨著溫度的升高，鎂水泥的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)溫度達(dá)到40 ℃左右時(shí)，鎂水泥強(qiáng)度逐漸升高，但升高的幅度較小，即常溫養(yǎng)護(hù)條件下的鎂水泥強(qiáng)度較高。圖3(b)表明，隨著MgCl2濃度的增加，鎂水泥的強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)MgCl2濃度達(dá)到24%左右時(shí)，7 d強(qiáng)度提高，但增加幅度減??；28 d強(qiáng)度呈略有降低。圖3(c)表明，隨著MgO/MgCl2摩爾比的增加，3 d、7 d、28 d強(qiáng)度均不同程度的增加。

利用正交優(yōu)化試驗(yàn)優(yōu)化后，鎂水泥的優(yōu)組合為A1B2C3，即溫度為20 ℃、摩爾比為6、氯化鎂濃度為24%，此時(shí)鎂水泥強(qiáng)度為34.03(3 d)、40.06(7 d)、58.91(28 d)。

3.3方差分析

分別對(duì)3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行方差分析，分析結(jié)果見圖4。

圖4　不同齡期下各因素的F比Fig.4　The F ratio of different faters at diffreent ages

由方差分析可知，溫度對(duì)3 d、7 d強(qiáng)度的影響較為顯著，對(duì)28 d強(qiáng)度影響不顯著；濃度和摩爾比對(duì)3 d強(qiáng)度的影響一般，對(duì)7 d、28 d強(qiáng)度影響不顯著。

3.4回歸分析

3.4.1多元線性回歸

利用多元線性回歸模型對(duì)28 d強(qiáng)度進(jìn)行線性回歸，回歸模型如式3所示，響應(yīng)如式4所示。

y=a+bi∑xi

(3)

y=7.462-0.489x1+1.065x2+

5.032x3,(R2=0.610)

(4)

在線性回歸模型中，各變量系數(shù)的絕對(duì)值表示該因素對(duì)因變量影響程度的大小，其符號(hào)表示影響方向。例如，x1項(xiàng)的系數(shù)為-0.489，表示x1對(duì)y有負(fù)影響，即隨著x1的增大y減小，這與前面方差分析相同。根據(jù)分析軟件給出的R2=0.610可知，線性模型對(duì)此數(shù)據(jù)的回歸效果不好。

3.4.2多元非線性回歸

為了更好的表示各因素及其間的交互作用對(duì)鎂水泥強(qiáng)度的影響，采用二次回歸模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，回歸模型如式4所示，回歸表達(dá)式如式5所示。

(5)

y=19.003-5.129x1+14.218x2-31.997x3+0.077x1x2-0.008x1x3+

(6)

由式5可知，溫度(x1)與氯化鎂濃度(x2)、摩爾比(x3)間有交互作用，鎂水泥28 d抗壓強(qiáng)度與溫度、氯化鎂濃度和溫度、摩爾比間的關(guān)系見圖5和圖6。

圖5　溫度與MgCl2濃度間的交互作用Fig.5　The interaction between temperature and MgCl2 concentration

圖6　溫度與MgO/MgCl2摩爾比間的交互作用Fig.6　The interaction between temperature and MgO/MgCl2 ratio

3.5氯氧鎂水泥強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律

選擇溫度20 ℃、氯化鎂濃度為23.4、摩爾比為5的組合，作為鎂水泥基準(zhǔn)配合比，研究鎂水泥強(qiáng)度隨時(shí)間變化的規(guī)律。鎂水泥強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖7所示，經(jīng)曲線估計(jì)得到如圖8所示曲線。

圖7　鎂水泥強(qiáng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.7　The MOC strength changing with the time

圖8　強(qiáng)度-齡期擬合曲線Fig.8　The fitting curve of Strength-age

曲線估計(jì)模型為：

y=exp(3.992-1.260/x)

(7)

其中，x為養(yǎng)護(hù)齡期，d；y為抗壓強(qiáng)度，MPa。R2=0.999表明曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合行較好，因此可以用式3近似估計(jì)鎂水泥強(qiáng)度的增長(zhǎng)規(guī)律。

由圖5可以看出，鎂水泥的強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)與硅酸鹽水泥相近，呈S型增長(zhǎng)，在早期強(qiáng)度發(fā)展較快，當(dāng)達(dá)到一定齡期后，強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，但仍有小幅度的增長(zhǎng)。

4　結(jié)　論

(1)溫度、MgO/MgCl2摩爾比和MgCl2濃度對(duì)鎂水泥強(qiáng)度有一定的影響。溫度對(duì)強(qiáng)度影響最為顯著，尤其是早期強(qiáng)度；MgO/MgCl2摩爾比次之，MgCl2濃度對(duì)強(qiáng)度影響不顯著，當(dāng)影響新拌鎂水泥的性能；

(2)隨著溫度的升高，鎂水泥的早期強(qiáng)度逐漸降低，在40 ℃左右時(shí)，略有提高但幅度不大；

(3)隨著MgCl2濃度逐漸提高，鎂水泥的強(qiáng)度逐漸增大，達(dá)到24%左右時(shí)，28 d強(qiáng)度基本保持不變；

(4)隨著MgO/MgCl2摩爾比的增大，鎂水泥的強(qiáng)度逐漸增大；

(5)鎂水泥的強(qiáng)度隨齡期的變化呈S型增長(zhǎng)。

[1] SORREL S．On a new magnesium cement [J].CRAcadSci.，1867，1965，102-104．

[2] 吳金焱，朱書全．氯氧鎂水泥及其制品的研發(fā)進(jìn)展[J]．中國(guó)非金屬礦工業(yè)導(dǎo)刊，2006(1) ：15-18．

[3] 曹永敏，常維峰，王翔，等．鎂質(zhì)產(chǎn)品及改性技術(shù)的研究與發(fā)展[J]．玻璃鋼/復(fù)合材料，2004(9)：46-48．

[4] 曹永敏，常維峰，王翔，等．鎂質(zhì)產(chǎn)品及改性技術(shù)的研究與發(fā)展[J]．玻璃鋼/復(fù)合材料，2004(9)：46-48．

[5] 嚴(yán)育通，景燕，馬軍．氯氧鎂水泥的研究進(jìn)展[J]．鹽湖研究,2008，16(1)．

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[13] 陳常明．新型鎂水泥基復(fù)合材料的組成與性能研究[D]．武漢，武漢理工大學(xué)，2010．

Influencing Factors of MOC Strength Based on Orthogonal Optimization Design

NINGYa-yu1,ZHANGLeng-qinq2,DINGXiang-qun2

(1.College of Architecture Engineering,Panjin Vocational and Technical College,Panjin 124010,China;2.School of Materials Science and Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang 110168,China)

The influences of temperature, the concentration of MgCl2and the MgO/MgCl2molar ratio on magnesium oxychloride cement (MOC) strength were studied by orthogonal optimization design, discussed the rules of all the influences of factors on strength by range analysis and variance analysis, and predicated the development law of strength change with age through Curve estimation.Studies show that, at room temperature(20 ℃),MgCl2concentration was 24% and MgO/MgCl2mole ratio was 6,the MOC had the highest strength. The temperature significantly influenced the strength, MgO/MgCl2molar ratio flows, and the concentration of MgCl2slightly. With the increasing of temperature, MOC early strength gradually reduced.With MgCl2concentration increasing, the strength increased gradually, around 24%, the strength of 28 d substantially unchanged.With the increasing of MgO/MgCl2molar ratio, the strength increased gradually.The strength of MOC Changes with age as S-shaped growth.

magnesium oxychloride cement;strength;orthogonal optimization design;curve estimation

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部項(xiàng)目(2015-K4-002)；中國(guó)建材聯(lián)合會(huì)項(xiàng)目(2103-M3-8)

寧亞瑜(1970-)，女，副教授.主要從事膠凝材料方面的研究.

丁向群，教授.

TQ172

A

1001-1625(2016)07-2089-05