张轩硕^a ，朱一丁^a ，兰永军^a ，王红雨^a ，李宏波^a，b，c

宁夏大学 a土木与水利工程学院，b. 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，c. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021

引用格式：

张轩硕，朱一丁，兰永军，等. 基于响应面法的碱活化钢渣基胶凝材料配比优化［J］. 中国粉体技术，2025，31（3）：1-17.

ZHANG Xuanshuo， ZHU Yiding， LAN Yongjun， et al. Optimization of alkali‐activated steel slag‐based cementitious material proportions using response surface methodology［J］. China Powder Science and Technology，2025，31（3）：1−17.

收稿日期：2024-11-06，修回日期：2024-12-27，上线日期：2025-03-14。

基金项目：国家自然科学基金项目，编号：52069025；宁夏自然科学基金项目，编号：2024AAC03064。

第一作者简介：张轩硕（1996—），男，博士生，研究方向为固废材料利用理论及技术。E-mail：zxsnikea@163.com。

通信作者简介：朱一丁（1967—），男，教授，硕士，研究方向为新材料与岩土工程。E-mail：lhbiongo@qq.com。

摘要：【目的】 探明复合激发剂各因素间交互作用对碱活化钢渣基胶凝材料（alkali‐activated steel slag‐based cementitious material，ASCM）强度性能的影响及揭示其强度提升机制。【方法】 以硅灰、生石灰和Na₂SO₄掺量（质量分数，下同）为自变量，以ASCM胶结体龄期为3、7、28 d的抗压强度为响应值，采用Box-Behnken响应面法设计17组试验，建立二次多项式回归模型，结合数值优化方法优化模型自变量参数，并分析ASCM试样水化产物组成及微观结构形貌。【结果】 生石灰和硅灰掺量、 Na₂SO₄和硅灰掺量的交互作用是影响ASCM胶结体强度性能的关键因素，复合活化剂最优配比为硅灰掺量为1. 1%，生石灰掺量为 4%， Na₂SO₄掺量为 1. 3%，该条件下 ASCM 胶结体龄期为 3、7、28 d 的抗压强度分别为 26. 33、38. 14、46. 73 MPa，与预测值相对误差均小于5%，表明模型精度较高，可靠性较强。【结论】 优化复合激发剂配比有效促进ASCM胶凝产物生成与微观结构改善，使得其表现出良好的力学强度。

关键词：响应面法；钢渣；碱活化；胶凝材料；微观结构

Abstract

Objective This study aims to investigate the effects of various types，concentrations， and proportions of composite activators on the strength properties of alkali-activated steel slag-based cementitious materials （ASCM）. By analyzing the synergistic effects of composite activators，the study examines their influence on the microstructure， chemical composition， and hydration products of ASCM. It aims to reveal the underlying mechanisms of strength enhancement in ASCM， thereby providing a theoretical foundation and technical support for the efficient preparation of these materials in engineering applications.

Methods A systematic experimental approach was employed using Box−Behnken response surface methodoligy （RSM）. Seventeen experimental groups were designed with silica fume， quicklime， and Na₂SO₄ contents as independent variables. The compressive strength of ASCM specimens at 3，7， and 28 days was selected as the response variable. A quadratic polynomial regression model was developed to identify the relationship between activator variables and strength performance. To optimize theactivator formulation， model parameters were analyzed using the Numencial optimization function. This enabled the identification of the optimal activator proportions. Advanced characterization techniques， including scanning electron microscopy （SEM）， X-ray diffraction （XRD）， and Fourier-transform infrared spectroscopy （FTIR）， were used to analyze hydration products and microstructural morphology， revealing the mechanisms driving strength enhancement.

Results and Discussion The results demonstrated that the interactions between quicklime and silica fume， as well as between Na₂SO₄ and silica fume， significantly influenced ASCM strength. The optimal composite activator composition was identified as 1. 1% silica fume，4% quicklime， and 1. 3% Na₂SO₄. Under these conditions， the compressive strength of ASCM reached 27. 51 MPa，36. 76 MPa， and 45. 24 MPa at 3，7， and 28 days， respectively. Notably， the relative error between experimental results and model predictions was less than 5%， indicating high accuracy and reliability of the regression model. The interactions among activator components promoted the formation of calcium silicate hydrate （C-S-H） gel sand ettringite （AFt）， which are crucial for improving the strength of cementitious materials. The dense reticulate structure formed by these hydration products improved microstructural integrity of ASCM. Furthermore， silica fume particles， which did not directly participate in the activation reaction， served as a filler， further enhancing packing density of the matrix. This combination of chemical and physical enhancements resulted in a significant improvement in the macroscopic mechanical strength of ASCM. The analysis of hydration products confirmed the formation of a robust microstructure，which contributed to the enhanced strength properties of ASCM.

The composite activators worked synergistically to optimize the development of hydration products and address potential microstructural weaknesses. This synergy ensured that ASCM exhibited excellent strength and durability， making it a viable material for a wide range of engineering applications.

Conclusion This study highlights the role of composite activators and silica fume in enhancing ASCM mechanical properties and durability by improving microstructure and packing density， offering valuable insights for optimizing formulations tailored to engineering needs. By utilizing industrial byproducts like steel slag， ASCM serves as a sustainable alternative to Portland cement， reducing environmental impact and promoting waste management. These findings lay a foundation for developing next generation construction materials， with future research focusing on ASCM's long-term durability and large-scale application performance.

Keywords：response surface methodology； steel slag； alkaliactivation；cementitious material； microscopic structure

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