基于田口方法的GGBS-白云石地质聚合物混凝土M60级配合比优化设计及性能研究

针对地质聚合物混凝土(GPC)配合比设计复杂、缺乏标准化方法的问题，研究人员采用田口方法优化了M60级GGBS-白云石基GPC的配合比参数。通过评估粘结剂含量、比例、碱活化剂/粘结剂比(AAS/B)、硅酸钠/氢氧化钠比(SS/SH)和NaOH摩尔浓度等关键因素，将试验次数从1024次减少到16次。优化后的配合比(粘结剂430 kg/m3，GGBS:白云石=80:20，AAS/B=0.45，SS/SH=2，10 M NaOH)实现了71.10 N/mm2的28天抗压强度，建立的回归模型预测精度高(R2=0.94)。该研究为复杂地质聚合物系统的配合比设计提供了高效、可重复的策略。

　　

随着全球建筑行业对可持续材料的迫切需求，地质聚合物混凝土(Geopolymer Concrete, GPC)作为一种环保替代品正受到广泛关注。与传统波特兰水泥相比，GPC每吨混凝土可显著减少二氧化碳(CO₂)排放，但其复杂的配合比设计成为阻碍其广泛应用的主要瓶颈。由于涉及粘结剂含量、比例、碱活化剂/粘结剂比(AAS/B)、硅酸钠/氢氧化钠比(SS/SH)和NaOH摩尔浓度等多个相互关联的因素，传统试配方法既耗时又低效。

针对这一挑战，Najeeb Manhanpally等研究人员在《Sustainable Chemistry and Pharmacy》发表了一项创新研究。他们采用田口方法(Taguchi method)这一高效的实验设计方法，对M60级高强GPC进行系统优化，特别关注了矿渣(GGBS)和白云石作为粘结剂在常温养护条件下的协同效应。这项研究不仅解决了配合比设计复杂性的问题，还为工业副产品的高值化利用提供了新思路。

研究团队运用了多项关键技术：田口实验设计法将变量从5因素4水平的1024次试验精简为16次；采用正交阵列(L16-OA)安排试验方案；通过信号噪声比(S/N ratio)分析评估参数影响；建立标准化数据的回归预测模型；采用扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)进行微观结构表征。

研究结果部分揭示了多项重要发现：

1. 1.

   Mix design using Taguchi method

   通过田口方法确定了关键参数的优化范围：粘结剂含量425-500 kg/m³，GGBS:白云石比例60:40至90:10，AAS/B比0.4-0.55，SS/SH比1.0-2.5，NaOH摩尔浓度8-14 M。

2. 2.

   Results and discussion

   4.2. Workability of fresh concrete

   研究发现AAS/B比对工作性影响最大(delta值9.71)，最佳范围为0.50-0.55。粘结剂比例和NaOH摩尔浓度分别以2.88和2.50的delta值位居其后。

4.3. Compressive strength

28天抗压强度最关键的影响因素是粘结剂比例(delta值2.25)，80:20的GGBS:白云石比例表现出最佳性能。AAS/B比(1.16)和NaOH摩尔浓度(0.77)也显示显著影响。

4.4. Mathematical model using regression analysis

建立的回归模型表现出优异的预测性能(R²=0.94，RMSE=2.01 N/mm²，MAE=1.577 N/mm²)。帕累托图分析证实粘结剂比例是影响强度的最显著因素。

4.5. Optimisation of compressive strength for M60 grade GPC

最终优化配比为：粘结剂430 kg/m³，GGBS:白云石=80:20，AAS/B=0.45，SS/SH=2，NaOH=10 M。实验验证显示28天强度达71.10 N/mm²，与预测值误差仅0.23%。

微观结构分析显示，优化配比的GPC具有致密的微观结构，SEM观察到较少裂纹，EDX分析显示Si/Al比>2，表明形成了高度聚合的钠铝硅酸盐(N-A-S-H)凝胶。XRD证实存在白云石、方解石、石英和N-A-S-H凝胶等晶相与非晶相。

这项研究的重要意义在于：首次系统研究了GGBS-白云石体系在常温养护条件下的优化配比，为高强GPC的工程应用提供了可靠依据；开发的田口方法优化方案大幅减少了试验工作量，使复杂的多变量优化变得高效可行；建立的预测模型精度高，可指导实际工程应用；研究结果促进了工业副产品(矿渣)和天然矿物(白云石)的资源化利用，符合可持续发展理念。

该研究的局限性在于仅评估了抗压强度和工作性两个主要指标，未来研究可扩展至抗拉强度、耐久性等更多性能参数。此外，研究采用的骨料类型单一，实际应用中需考虑不同骨料的影响。尽管如此，这项研究为地质聚合物混凝土的标准化设计提供了重要参考，推动了这种环保建材的工业化应用进程。