Vol.53 No.1Jan.,2021
第53卷第1期
2021 年 1 月无机盐工业
INORGANIC CHEMICALS INDUSTRY
Doi:10.11962/1006-4990.2020-0050
bbzs杭美艳1，彭雅娟1袁
2，刘欣欣2，张海燕1，陶 旭3
（1.内蒙古科技大学，内蒙古包头014010；2.南昌工学院；3.明拓集团珞业科技有限公司）
摘要：通过正交试验设计配制改性剂对珞铁渣进行改性，正交试验是研究多因素试验问题的重要方法，单纯
利用极差和方差分析正交试验结果存在准确性较低，以及增加试验总数或减少独立因子数的弊端。基于砂浆强度解
耦法结合回归分析检验了正交试验结果的极差和方差分析，量化研究了改性剂4因子（硅酸钠、水泥、矿渣粉质量及
浸泡珞铁渣时间）对于中间变量（改性珞铁渣吸水率）的影响，分析其在制备砂浆过程中进一步通过影响水胶比对强
度产生的影响。结果表明：在配制改性剂对珞铁渣改性到改性的珞铁渣制备成改性珞铁渣砂浆的过程中存在耦合关
系，借助SPSS 软件以及其他手段解耦并进行了定量分析。该项研究为试验数据处理与统计提供了一种利用解耦法 思维梳理影响关系，并结合回归分析达到由定性分析到定量分析的转变。
关键词：改性剂四因子；改性珞铁渣；强度解耦法；SPSS 软件；回归分析
中图分类号：X781 文献标识码:A 文章编号：1006-4990（2021）01-0072-05
Quantitative study on influence of ferrochrome slag modification
based on mortar strength decoupling method
Hang Meiyan 1,Peng Yajuan 2, Liu Xinxin 2袁Zhang Haiyan 1,Tao Xu 3
(1.Inner Mongolia University of S cience and Technology , Baotou 014010, China ；2.N anc h ang Institute of
Science & Technology ；3.Mingtuo Group Chromium Technology Co. ,Ltd.)
Abstract : Through the orthogonal test design , the modifier was prepared to modify ferrochrome slag.The orthogonal test is an important method to study the multi factor test problems.The accuracy of the orthogonal test results is low by using range and
variance analysis only , as well as the disadvantages of increasing the total number of tests or reducing the number of indepen
dent factors.Based on the decoupling method of mortar strength and regression analysis , the range and variance analysis of orthogonal test results were tested , and the influence of four factors of modifier ( sodium silicate , cement , slag powder and soa
king time of ferrochrome slag ) on the intermediate variable (water absorption of ferrochrome slag modified ) was quantita
tively studied , and the influence of water to binder ratio on the strength was further analyzed during the preparation of mortar. The results showed that there was a coupling relationship between the preparation of modifier and the preparation of modified ferrochrome slag mortar , which was decoupled and quantitatively analyzed by SPSS software and other means.This study provided a way for data processing and statistics to use decoupling method to sort out the influence relationship , and
combined with regression analysis to achieve a way from qualitative analysis to quantitative analysis.
Key words : modif i er four factors ； modified ferrochrome slag ； strength decoupling method ； SPSS software ； regression analysis
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［T 。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,
基金项目：内蒙古自然科学基金（2018MSO534）；江西省科技厅青年基金项目（20192BAB216039）；江西省教育厅科技重点项目（GJJ191093）。 收稿日期: 2020-08-03
作者简介：杭美艳（1964—），女，教授级高工A3，硕士生导师，研究方向为新型混凝土及混凝土外加剂，固体废弃物的建材化;
E-mail ：*****************。
通讯作者：彭雅娟（1993—），女，南昌工学院教师，研究方向为建筑材料及固体废弃物资源化利用；E-mail ：*****************。
2021年1月杭美艳等：基于砂浆强度解耦法量化研究对铬铁渣的改性影响www.wjygy
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咱7。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咱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
水泥:P.O42.5水泥，密度为3100kg/m3，标准稠度为26.8%，初凝时间为194min，终凝时间为258min；矿粉:S95级矿粉，碱性系数为1.28，比表面积为416m2/kg；硅酸钠：模数(SiO2与Na?。物质的量比)为2.85。
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AbO3、SiO2和MgO，含少量MgO 和CaO，铬离子主要以C2O3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1kg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
编号A水泥
质量/g
因子
B硅酸钠
质量/g
C矿粉
质量/g
D浸泡
时间/h
-吸水率/
% 130504012 2.30
2301007024 6.92
路网
3301501004811.51
450507048 1.86
5501001001212.41
650150402410.82
7705010024 5.11
8701004048 4.74
97015070129.83
按照GB/T14684—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2.36-4.75mm(I),1.18-2.36mm(域),0.6-1.18mm (芋)及0.3-0.6mm(郁)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2.36-4.75mm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,2.36-4.75mm粒级、1.18-2.36mm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。
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无机盐工业
第 53 卷第 1 期
21.8756.07&88勺.08559 6.78
^^57.87^^18.01
8.2423.17^^^
5.98/7
、门占心/7T.94^22.84TUI T II T I 9 IV 9III 9 II
9 I 1IV
2 I
2 II
2III 2IV 3 I 3 II 3III
3 IV
4 I ［卜 11?即70 门 1 111III
-69.37
\^38 50
Vot 13.02 5冬理1 泊妙^4丐嬴护778 IV 8j 20.3266 7% 7 “ 5.83卜\\I 也.5代4 II
自来水供水系统8 III / I \\ 5.45
4 III 8 II 58.36/12.14 卜 / //l 1
6」821.认 4 iv
〜J 60.13 T 8I 25.6275 I
7IV 5 II
7 III 66.07459.145 III
7IK 丁
5 IV 7 I
6 IV
6 II 6 I 6 III
注：图中单位％
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
分组-配合比/(kg-m -3)表观密度/(kg-m -3)抗压强 度/MPa
水泥粉煤灰骨料
水T-12401001 4002102 177.323.0Y-22401001 4002082 330.316.4(；1-32401001 4002822 268.821.6G 2-42401001 4003032 238.022.7G 3-52401001 4003262 105.517.9G 4-6
2401001 4002552 226.019.3(；5-7
2401001 4003132 132.023.3G 6-82401001 4002692 210.020.6(G-92401001 4002792 215.821.2G 8-102401001 4002582 184.415.3G 9-11
240
100
1 400
265
2 133.5
17.4
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，将水胶比伊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。
25
20
1510—跳桌流动度"-稠度
iTritTirm
2X
蓋％會龟趣
T-l Y-2 Gi-3 Gr4 Gr5 G 4-6 Gs-7 G 6-8 Gr9 GrlO G<rll
组别
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咱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
检测指标
影响因素
K 3极差R
最优方案
平方和自由度F 值显著性饱和面 干时吸 水率
A 6.918.36 5.95 2.41A 3 5.452 1.00
B 3.098.0210.727.63B 1
89.83216.48*
C 6.56 6.209.68 3.48C 2
26.032 4.78D
8.18
7.62
6.03
2.14
D 3
7.42
2
1.37
根据表3得知：改性剂4因子对砂浆强度影响 对于方差分析：当琢=0.1时,F 临界值为9.0,B 因子
顺序由大到小为B 、C 、A 、D ，最优组合为A 3B 1C 2D 3。
F 值大于9.0，故具有显著性［8］。建立改性剂4因子
2021年1月杭美艳等：基于砂浆强度解耦法量化研究对铬铁渣的改性影响www.wjygy
与改性铬铁渣吸水率线性回归模型：
y i=a]+b1%1+1)2x2+1)3X3+b4X4+V,
其中,y i为改性铬铁渣吸水率；X|、X2、X3、X4分别为改
性剂的4个影响因子㈣为常数项;b「、b2』3』4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
模型平方和自由度均方F值概率
回归115.714428.9298.8880.029
1残差13.0194 3.255
总计128.7338
表5改性剂4因子与改性铬铁渣
吸水率的模型系数
模型系数
非标准化系数
概率系数值标准误差
(常量)-2.566 3.1870.466
A-0.0090.0370.824 1B0.0760.0150.007
C0.0620.0250.065
D-0.0600.0400.207
由表5可知，砂浆强度的回归方程为：
16gan
y i=-2.566-0.009x1+0.076x2+0.062x3-0.06x4
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2"]。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，当和%4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x和%3增大时八值增大，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]o 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伊10作图3问。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。
x
±
®
哥
％
检
吕建筑线脚
密
样品编号
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
模型R F值自由度1自由度2概率常数线性0.180 1.536170.255
二次0.623 4.965260.053
5三次0.634 5.202260.049复合0.173 1.461170.26610.360概率模型0.173 1.461170.2660.097
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问。
表7模型系数输出表
方程
系数估计值
常数系数1系数2系数3线性7.28315.167
二次-302.012746.355-429.021
三次-201.771386.4680.000-169.789复合 2.170
概率模型0.461
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:
y=-201.771+386.468x-169.789x3
图4砂浆强度与水胶比回归模型拟合图
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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两。
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28d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
界面处粘结强度口。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。
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