一種基于混料設(shè)計和多算法結(jié)合的大摻量磷尾礦地聚物材料配比設(shè)計方法

本發(fā)明涉及一種磷尾礦地聚物配比，特別是涉及一種基于混料設(shè)計和多算法結(jié)合的大摻量磷尾礦地聚物材料配比設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

1、在磷尾礦材料化方面，我國以磷尾礦為代表的大宗固體廢棄物隨礦業(yè)的持續(xù)發(fā)展不斷產(chǎn)生，占用大量土地資源與污染當(dāng)?shù)丨h(huán)境，并且由于尾礦成分復(fù)雜、庫存量大，難以實(shí)現(xiàn)磷尾礦的大體量資源化利用。將尾礦用于制備綠色地聚物材料或其他膠凝材料的技術(shù)是實(shí)現(xiàn)尾礦高附加值利用，變廢為寶的有效方法之一?，F(xiàn)有的發(fā)明專利及研究成果中，已有多項關(guān)于磷尾礦制備地聚物或膠凝材料的技術(shù)出現(xiàn)。

2、胡文云[1]等人發(fā)明了一種磷尾礦固化處理方法，利用一定比例的磷尾礦、黃土、水泥混合后制成具有一定強(qiáng)度的磷尾礦固化體，磷尾礦在其中起膠凝和骨料的作用，可作為建筑材料使用。潘志權(quán)[2]等人發(fā)明了一種路基早強(qiáng)膠凝材料的制備方法，利用磷石膏、磷尾礦等廢棄產(chǎn)物制備高強(qiáng)度、高防水性的路基材料，以解決現(xiàn)有技術(shù)中路基材料強(qiáng)度不足、防水性差的問題。李劍秋[3]等人發(fā)明了一種地聚物穩(wěn)定磷尾礦路面基層及其制備方法，通過電石渣、磷渣粉、偏高嶺土地聚合物穩(wěn)定磷尾礦路面基層，以實(shí)現(xiàn)固廢物的再利用，且使路面基層具有較好的力學(xué)性能和耐久性能。葉義成[4]等人發(fā)明了一種礦山充填用水化硅酸鈣、水化硅酸鎂膠凝材料及其制備方法，該方法以磷尾礦微粉和稀鹽酸為主要原料制備膠凝材料，充填漿體具有一定流動性，強(qiáng)度滿足一般礦山充填要求。蔣眾喜[5]等人發(fā)明了一種基于磷尾礦的膠凝材料的制備方法，根據(jù)磷尾礦的化學(xué)成分，綜合鈣質(zhì)水泥和鎂質(zhì)水泥的特征，發(fā)明了一種復(fù)合鎂鈣水泥，利用了廢棄物的有益成分。蔣家東[6]等人發(fā)明了一種利用磷尾礦制備水泥礦化劑的方法，以及利用生產(chǎn)的水泥礦化劑生產(chǎn)水泥熟料的方法，可將磷尾礦回收利用，解決其污染問題。張晉[7]等人發(fā)明了一種改性鈣鎂質(zhì)磷礦尾礦制備高性能膠凝材料的方法，通過針對磷礦尾礦進(jìn)行浮選鎂鈣組分、浮選磷組分后剩余的硅質(zhì)組分進(jìn)行改性處理后制造高性能膠凝材料，可提高磷尾礦的消耗量，減輕磷尾礦庫存壓力。郝旭濤[8]等人發(fā)明了一種活性磷尾礦的澆注材料，該材料利用富含氧化鈣和氧化鎂的活性磷尾礦為原料，與酸式磷酸鹽反應(yīng)制備，是具有凝固速度適中、強(qiáng)度較高、后期強(qiáng)度穩(wěn)定等特性的磷酸鹽化學(xué)鍵合材料。以上研究成果缺陷：

3、國內(nèi)許多專家就磷尾礦制備地聚物mn{-(sio2)zalo2}n·wh2o或膠凝材料的技術(shù)和方法展開了系統(tǒng)研究，一定程度上提供了理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，但仍存在一些不足：

4、文獻(xiàn)[1]利用磷尾礦等材料制備固化體，具有一定強(qiáng)度，但形成較好強(qiáng)度的養(yǎng)護(hù)條件溫度達(dá)40℃以上，較難應(yīng)用于實(shí)際工程。文獻(xiàn)[2]與文獻(xiàn)[3]利用磷尾礦與其他工業(yè)固體廢棄物，能夠制備出滿足路面標(biāo)準(zhǔn)的膠凝材料，但這種膠凝材料應(yīng)用場景有限，難以實(shí)現(xiàn)磷尾礦的大體量利用。并且文獻(xiàn)[3]中路基材料的力學(xué)性能和耐久性來自于偏高嶺土等其他摻料，磷尾礦主要成分未被有效開發(fā)利用。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]利用不同方式活化磷尾礦后制備出膠凝材料，但制備原料需要用到大量高純度化學(xué)試劑，工程應(yīng)用成本過高。文獻(xiàn)[6]利用磷尾礦制備水泥礦化劑及生產(chǎn)水泥熟料，可以降低生產(chǎn)水泥熟料的成本，但在利用輔助劑活化磷尾礦過程中會生成大量穩(wěn)定難以分解的caso4，從而影響水泥硬化強(qiáng)度。文獻(xiàn)[7]對磷尾礦進(jìn)行組分分離，并且對磷尾礦篩選出的不同有效組分用于重新制備高性能膠凝材料，能對磷尾礦中各組分的作用進(jìn)行充分利用，但制備工序復(fù)雜，成本較高。文獻(xiàn)[8]利用反浮選磷尾礦與酸式磷酸鹽反應(yīng)制備出強(qiáng)度較高的磷酸鹽化學(xué)鍵合材料，但煅燒磷尾礦的溫度達(dá)到1000℃，較高能耗的同時可能造成磷尾礦中石英等礦物發(fā)生相變，不利于材料強(qiáng)度形成。

5、在對類似材料的組成進(jìn)行配合比設(shè)計與優(yōu)化方面：

6、張洪智[9]等人發(fā)明了一種全固廢泡沫輕質(zhì)填料的設(shè)計方法，主要利用混料設(shè)計方法建立了流值和抗壓強(qiáng)度的回歸模型以確定材料配比參數(shù)和對應(yīng)的抗壓強(qiáng)度等，縮減力學(xué)性能試驗成本。趙明[10]等人發(fā)明了一種煤基固廢制備充填材料配比方法，主要對原材料篩選以后，依據(jù)濃稠程度添加所需試劑，對煤基固廢材料進(jìn)行充填材料的制備，能夠節(jié)約土地面積，減少環(huán)境破壞。劉學(xué)偉[11]等人發(fā)明了一種深部煤系地層注漿材料設(shè)計方法及注漿材料，主要基于正交試驗數(shù)據(jù)基于多算法結(jié)合設(shè)計了注漿材料配比，適合深部煤系地層加固特征應(yīng)用。以上研究成果缺陷：

7、文獻(xiàn)[9]利用回歸模型預(yù)測抗壓強(qiáng)度，一定上能減少力學(xué)性能測試的試驗時間與成本，但不能同時考慮多個指標(biāo)或性能的優(yōu)化。文獻(xiàn)[10]主要利用煤矸石和黏土成分相近的特點(diǎn)，與偏高嶺土等材料混合后制備成型。其中配比問題受限于煤矸石的具體成分和含水量等，工業(yè)流程復(fù)雜，大規(guī)模推廣的價值較小。文獻(xiàn)[11]主要基于正交試驗結(jié)果生成的多元線性回歸模型，雖然能夠增加數(shù)據(jù)量，但線性回歸模型對非線性問題的處理效果有限，使預(yù)測精度不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，特別創(chuàng)新地提出了一種基于混料設(shè)計和多算法結(jié)合的大摻量磷尾礦地聚物材料配比設(shè)計方法。

2、為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明提供了一種基于混料設(shè)計和多算法結(jié)合的大摻量磷尾礦地聚物材料配比設(shè)計方法，包括以下步驟：

3、s1，對煅燒磷尾礦、偏高嶺土、玻璃、硅灰進(jìn)行材料獲??；

4、s2，根據(jù)步驟s1中的煅燒磷尾礦、偏高嶺土、玻璃、硅灰進(jìn)行材料配比以得到優(yōu)化的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的磷尾礦地聚物材料澆筑試件；

5、s3，根據(jù)步驟s2中的材料配比制作磷尾礦地聚物材料澆筑試件。

6、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，在步驟s1中煅燒磷尾礦的獲取方法為：

7、將吸水結(jié)塊的磷尾礦碾成粉末后進(jìn)行平鋪?zhàn)匀伙L(fēng)干，然后放入馬弗爐進(jìn)行煅燒，達(dá)到額定溫度保溫2h再自然冷卻，以保證磷尾礦中白云石完全分解；

8、或/和煅燒額定溫度為750℃-850℃，升溫速率5℃/min；

9、或/和磷尾礦中camg(co3)2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為80％-85％，煅燒后白云石(camg(co3)2)完全分解為游離態(tài)的cao與mgo，cao的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為48.7％，mgo的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為34.5％；

10、或/和所述粉末混合物的粒徑≤200目；

11、或/和所述偏高嶺土sio2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為45％-50％，al2o3的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為20-25％；

12、或/和硅灰sio2的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為95-98％；

13、或/和水玻璃中sio2含量為49-53％，na2o含量為25.5-29％，模數(shù)為2.0。

14、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，在步驟s2中根據(jù)步驟s1中的煅燒磷尾礦、偏高嶺土、玻璃、硅灰進(jìn)行材料配比以得到優(yōu)化的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的磷尾礦地聚物材料的方法包括以下步驟：

15、s21，選取煅燒磷尾礦、偏高嶺土、硅灰、鈉水玻璃四種原材料的摻入比例范圍并將比例編碼為a、b、c、d，利用design-expert軟件進(jìn)行混料配比；

16、s22，將冷卻完成的煅燒磷尾礦粉末與固體偏高嶺土、硅灰、鈉水玻璃粉末按配比進(jìn)行混合，機(jī)械攪拌至混合均勻，加水混合后攪拌得到地聚物漿體，放入鑄鐵試模中澆筑成型，用振動臺振實(shí)后用塑料膜密封；

17、s23，對養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)預(yù)設(shè)天數(shù)閾值的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測試。

18、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，在步驟s23中選取抗壓強(qiáng)度超過20mpa，抗折強(qiáng)度超過5mpa，所對應(yīng)的煅燒磷尾礦、偏高嶺土、玻璃、硅灰的材料配比；

19、或/和拆模之前應(yīng)保證覆膜密封24h，拆模后將地聚物試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)28d，養(yǎng)護(hù)溫度為20℃±2℃，濕度不小于95％。

20、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，在步驟s22中混合料的液固比為0.6；機(jī)械攪拌時間為5min；

21、試模附著于振動臺上防止試模在振動臺上跳動，將地聚物漿體一次性裝入試模，振動到表面無明顯大氣泡溢出為止。

22、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，在步驟s23中包括：

23、統(tǒng)計函數(shù)：

24、

25、其中，y是響應(yīng)變量；

26、p是組分的數(shù)量；

27、bi是每個組分的回歸系數(shù)；

28、xi是第i個組分的比例；

29、bij是二次項的回歸系數(shù)

30、xj是第j個組分的比例；

31、bijk是三次項的回歸系數(shù)

32、xk是第k個組分的比例。

33、在本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式中，在步驟s23中還包括：

34、初始位置處理：

35、

36、其中，xi′是變換后的粒子位置；

37、是粒子初始位置；

38、p是粒子的維度；

39、是表示粒子在第j個維度上的初始位置；

40、速度處理：

41、

42、其中，vi′是變換后的粒子速度；

43、是初始速度；

44、p是粒子的維度；

45、表示粒子在第j個維度上的初始速度；

46、粒子速度：

47、

48、

49、其中，是粒子i在下一次迭代t+1的速度；

50、ω是慣性權(quán)重；

51、是粒子i在當(dāng)前迭代t的速度；

52、c1是個體學(xué)習(xí)因子；

53、r1是區(qū)間[0,1]的第一隨機(jī)數(shù)；

54、c2是社會學(xué)習(xí)因子；

55、r2是區(qū)間[0,1]的第二隨機(jī)數(shù)；

56、pbesti是粒子i到目前為止找到的個人最佳位置；

57、是粒子i在當(dāng)前迭代的位置；

58、gbesti是粒子i到目前為止所有粒子中找到的全局最佳位置；是粒子i在下一次迭代t+1的位置；

59、罰函數(shù)：

60、p(x,r)＝f(x)-r×penalty(x)

61、

62、其中，p(x,r)是約束后的增廣目標(biāo)函數(shù)；

63、f(x)代表原始目標(biāo)函數(shù)；

64、r為罰因子；

65、[(min(0,xi-ubi)]2+[min(0,lbi-xi)]2是計算每個變量相對其邊界約束的違反情況；

66、是計算所有變量之和與1的差的平方；

67、xi是粒子位置向量的第i個分量；

68、ubi表示第i個分量的上界；

69、lbi表示第i個分量的下界。

70、綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明能夠大體量消耗并資源化利用磷尾礦，提高磷尾礦為代表的大宗固體廢棄物的高附加值利用率，同時實(shí)現(xiàn)抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的磷尾礦地聚物的生成。

71、本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。