一种基于强度调控的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆配合比设计方法与流程

1.本发明属于建筑材料技术领域，具体涉及一种基于强度调控的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆配合比设计方法。


背景技术：

2.广西是甘蔗种植主要地区，其产量约占全国的68％，而甘蔗渣灰作为其工业副产品，其每年的堆置量高达900万吨，严重影响了空气质量与土壤环境，急需找到合适的方法对其加以利用。
3.利用甘蔗渣灰制备建筑材料是一种有效的固体废弃物处置与利用方法。中国专利201910643837.0公开了一种甘蔗渣灰砂浆的制备方法，该申请将预处理后的甘蔗渣灰10
‑
20份、砂100
‑
300份、水30
‑
55份、水泥100份、减水剂0
‑
2份混合搅拌、浇筑、振捣、制得甘蔗渣灰砂浆制品，进一步采用标准固化养护得到甘蔗渣灰砂浆。中国专利202011314377.6公开了一种大掺量粉煤灰混凝土及其制备方法，该申请将预处理后的甘蔗渣灰10
‑
20份、水泥100份、砂100
‑
250份、碎石150
‑
300份、水30
‑
55份、减水剂0.5
‑
2份混合搅拌、浇筑、振捣，制得甘蔗渣灰混凝土制品，两种方法可提高材料强度和耐久性。然而，以上方法甘蔗渣灰用量较少，仅占胶凝材料比例9～17％，难以达到高效资源化利用甘蔗渣灰的目标，且需配合硅酸盐水泥使用，其生产过程存在碳排放大、能源消耗大等问题。
4.此外，不同地区、不同工厂生产的甘蔗渣灰具有不同的化学组成、物相组成及反应活性，而已有的甘蔗渣灰砂浆配合比设计未考虑原材料物化性质的差异性，导致提出的配合比不具有普适性，难以根据当地实际情况生产出符合性能要求的砂浆。因此，有必要提出一种具有普适性的甘蔗渣灰砂浆配合比设计方法，从根本上实现并指导同类型砂浆的生产和应用。


技术实现要素：

5.针对以上问题，本发明提出一种基于强度调控的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆配合比设计方法。该方法建立了基于原材料参数的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆强度预测模型，具有较好的普适性，可用于解决因原材料区域性差异大而导致配合比设计难的问题。同时，本发明提出的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆还可充分资源化利用蔗渣灰，变废为宝，制备过程无需高温煅烧，能耗低，二氧化碳排放量少，有益于“碳达峰、碳中和”战略目标的实现。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：提供一种基于强度调控的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆配合比设计方法，包括如下步骤：
7.步骤1：制备不同原材料组成的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆；
8.步骤2：测试具有不同原材料组成的低碳砂浆强度；
9.步骤3：建立基于原材料参数的低碳砂浆强度预测模型；
10.步骤4：基于强度设计要求，计算原材料参数，确定低碳砂浆配合比。
11.步骤1所述制备不同原材料组成的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆包括如下步骤：前驱体的制备；碱性激发剂的配制；前驱体、激发剂和砂的拌合。具体步骤如下：
12.(1)前驱体的制备：分别称取一定量粉磨后的甘蔗渣灰与矿渣，其中甘蔗渣灰的质量份数为225
‑
450份，矿渣的质量份数为0
‑
225份，置于容器a中，混合均匀制得所需前驱体；
13.(2)碱性激发剂的配制：碱性激发剂由工业水玻璃溶液、氢氧化钠颗粒及水经过混合、搅拌、溶解配制而成，配制完成的碱性激发剂包括质量份数为18
‑
45份的氧化钠、质量份数为0
‑
44份的二氧化硅、质量份数为202
‑
247份的水；
14.(3)前驱体、激发剂和砂的拌合：往步骤(1)中的容器a倒入质量份数为252
‑
314份的步骤(2)所配制的碱性激发剂和质量份数为1350份的标准砂，搅拌均匀后制得碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆成品。
15.步骤2所述测试不同原材料组成的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆强度：
16.参照gb/t17671
‑
1999水泥胶砂强度检验方法(iso法)对所制碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆强度性能进行测试。
17.步骤3所述建立基于原材料参数的低碳砂浆强度预测模型包括如下步骤：
18.(1)选取甘蔗渣灰占前驱体比例、氧化钠物质的量、激发剂中二氧化硅与氧化钠物质的量的比值、水胶比、龄期作为自变量，分别记为γ、r
n
、n
s/n
、w/b、t，抗压强度作为因变量，记为y；
19.(2)基于步骤(1)选取的自变量与因变量建立含未知参数a～f的非线性强度预测模型：
[0020][0021]
(3)基于最小二乘法原理，将低碳砂浆的原材料组成参数及不同龄期强度值代入强度预测模型，求解未知参数，具体步骤包括：
[0022]
①
将所建立的预测模型展开整理得到：
[0023][0024]
②
令
[0025]
得到：
[0026]
y＝az1 bz2 cz3 dz4 ez5 f；
[0027]
③
基于抗压强度数据组数m列出相应的正规方程：
[0028][0029]
④
将抗压强度数据代入
③
中正规方程，求解未知参数a～f。
[0030]
(4)将步骤(3)中计算得到的a～f代入到所建立的预测模型中，得到强度预测模型；
[0031]
(5)根据步骤(4)中得到的强度预测模型，计算得到抗压强度预测值；
[0032]
(6)对比分析步骤(5)中抗压强度预测值与实测值，并进行拟合回归，回归系数宜大于等于0.90。
[0033]
步骤4所述基于强度设计要求，计算原材料参数，确定低碳砂浆配合比包括如下步骤：
[0034]
(1)将强度设计要求值y及所需的相关参数(在甘蔗渣灰占前驱体比例γ、氧化钠物质的量r
n
、激发剂中二氧化硅与氧化钠物质的量的比值n
s/n
、水胶比龄期t中选取)代入到所建立的强度预测模型：
[0035][0036]
(2)反解获得符合强度设计要求的原材料参数通解
[0037]
(3)基于经济指标和工程实际确定一组特解作为低碳砂浆配合比。
[0038]
本发明具有以下有益效果：
[0039]
(1)建立了基于原材料参数的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆强度预测模型，该配合比设计方法具有较好的普适性。
[0040]
(2)提供的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆材料，提高了甘蔗渣灰的利用率，并且未掺加水泥，可有效减小碳排放，降低资源消耗，达到低碳环保的目的，同时，该材料提升了砂浆的力学性能，制备的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆最高28d抗压强度为68.9mpa。
附图说明
[0041]
图1为碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆抗压强度实测值与预测值对比图。
[0042]
图2为抗压强度设计值为40mpa的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆所需激发剂中氧化钠物质的量r
n
与激发剂中二氧化硅与氧化钠物质的量的比值n
s/n
的函数关系图。
具体实施方式
[0043]
为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。
[0044]
实施例1
[0045]
本发明所述的基于强度调控的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆配合比设计方法，包括如下步骤：
[0046]
步骤一：制备不同原材料组成的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆：
[0047]
1、根据表1所示的原材料配合比，先称取相应质量的甘蔗渣灰与矿渣，置于混料机中混合均匀制得所需前驱体；
[0048]
2、根据表1所示原材料配合比，称取相应质量的工业水玻璃、氢氧化钠和水，混合、搅拌、溶解配制所需的碱性激发剂溶液，静置备用；
[0049]
3、参照gb/t17671
‑
1999水泥胶砂强度检验方法，拌合前驱体、碱激发剂和砂，制备碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆。
[0050]
表1原材料配合比
[0051][0052]
步骤二：测试不同原材料组成的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆强度：
[0053]
参照gb/t17671
‑
1999水泥胶砂强度检验方法(iso法)对所制碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆性能进行性能测试，分别测试不同龄期下的抗压强度，见表2
[0054]
表2实验组抗压强度测试值
[0055][0056]
由上述的检测结果可知，本发明制备的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆，不仅可以极大地提高甘蔗渣灰的利用率，而且力学性能也可以满足要求。
[0057]
步骤三：建立基于原材料参数的低碳砂浆强度预测模型，具体步骤包括：
[0058]
(1)选取甘蔗渣灰占前驱体比例、氧化钠物质的量、激发剂中二氧化硅与氧化钠物质的量的比值、水胶比、龄期作为自变量，分别记为γ、r
n
、n
s/n
、w/b、t，抗压强度作为因变量，记为y，见表3所示；
[0059]
表3不同配合比下的抗压强度
[0060][0061]
(2)结合(1)中所选取的自变量与因变量，建立以下含未知参数a～f的非线性强度预测模型：
[0062][0063]
(3)结合表3所示不同配合比、不同龄期的抗压强度数据，采用最小二乘法进行拟合，对预测模型中的未知参数进行求解，步骤如下：
[0064]
①
将所建立的预测模型展开整理得到：
[0065]
[0066]
②
令
[0067]
得到：
[0068]
y＝az1 bz2 cz3 dz4 ez5 f；
[0069]
③
抗压强度实测数据共22组，当激发剂中氧化钠物质的量为0时，砂浆的抗压强度为0mpa；当龄期为0d时，砂浆的抗压强度为0mpa。因此增加了12
‑
28、13
‑
28、1
‑
0、3
‑
0四组数据作为补充(见表3所示)，共26组，故正规方程如下：
[0070][0071]
④
将抗压强度数据代入
③
中正规方程，求解未知参数a～f，得到：
[0072]
a＝
‑
21.87,b＝16.50,c＝
‑
5.05,d＝
‑
38.49,e＝34.28,f＝0.33；
[0073]
(4)将(3)中计算得到的a～f代入到所建立的预测模型中，得到：
[0074][0075]
(5)根据(4)中得到的预测模型，计算得到抗压强度预测值，见表3；
[0076]
(6)对比分析(5)中抗压强度预测值与实测值，见图1，线性拟合得到的r2＝0.93，说明预测值与实测值的吻合程度较高，该模型的准确度较高。
[0077]
步骤四：基于强度设计要求，计算原材料参数，确定低碳砂浆配合比，具体步骤包括：
[0078]
以抗压强度设计值y为40mpa为例，设甘蔗渣灰占前驱体比例γ为0.5，水胶比w/b为0.5，龄期t为28d，代入到预测模型中，即得到所需激发剂中氧化钠物质的量r
n
与激发剂中二氧化硅与氧化钠物质的量的比值n
s/n
的关系式，即：
[0079][0080]
对上式进行整理，得到：
[0081][0082]
以r
n
为纵坐标，n
s/n
为横坐标，画出代表两者相关关系的函数图，见图2。基于经验，n
s/n
取1
‑
2之间，激发效果较好，有利于强度发展；基于经济指标，r
n
与n
s/n
的取值越小，所代表得经济效益越好。基于工程实际与经济指标，故可选择氧化钠为0.18mol，激发剂中二氧化硅与氧化钠物质的量的比值为1.5的配合比。
[0083]
综上可知，本发明提出的基于强度调控的碱激发甘蔗渣灰/矿渣低碳砂浆配合比
设计方法，可以根据原材料参数建立准确度高的强度预测模型，从而解决由于原材料差异性大而导致的同一配合比普适性差的问题，为甘蔗渣灰砂浆的生产制作提供配合比设计方法。该配合比设计方法不仅具有普适性，而且可基于经济指标和工程实际选择满足性能要求的配合比。
[0084]
上述仅对本发明较佳的具体实施方式进行了描述，并非因此而限制了本发明的专利范围，所属领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡是利用本发明的技术方案及其发明构思加以修改或变换，均在本发明的专利保护范围内。