鎂渣木質(zhì)素纖維復(fù)合抹灰砂漿的性能研究

崔自治，韓　東，寧　濤，盧振東

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川　750021)

?

鎂渣木質(zhì)素纖維復(fù)合抹灰砂漿的性能研究

崔自治，韓東，寧濤，盧振東

(寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川750021)

為有效與充分利用工業(yè)廢料，改善抹灰砂漿的性能，以水膠比、鎂渣摻量、外加劑摻量和木質(zhì)素纖維摻量為因素，設(shè)計正交試驗方案L16(45)，試驗研究了鎂渣木質(zhì)素纖維復(fù)合抹灰砂漿的性能。應(yīng)用激光粒度儀分析了鎂渣的顆粒級配，掃描電鏡分析了鎂渣的形貌和砂漿的微觀結(jié)構(gòu)，正交試驗理論分析了各因素的作用規(guī)律，及其顯著性，最小二乘法建立了抹灰砂漿和易性參數(shù)及力學(xué)強(qiáng)度的多元非線性回歸模型。在試驗研究條件下，鎂渣、外加劑和木質(zhì)素纖維能明顯改善砂漿的和易性，木質(zhì)素纖維對砂漿保水性的影響顯著，鎂渣對砂漿的流動性稍有不利影響；鎂渣和木質(zhì)素纖維對抹灰砂漿的力學(xué)強(qiáng)度有增強(qiáng)效應(yīng)，木質(zhì)素纖維對砂漿強(qiáng)度的影響不顯著，鎂渣摻量有較大影響；建立的回歸模型顯著性高，相關(guān)性好。

抹灰砂漿； 鎂渣； 木質(zhì)素纖維； 回歸模型

1　引　言

抹灰砂漿往往因粘結(jié)和抗裂性能不足，而產(chǎn)生脫落、開裂，影響建筑物的外觀，危及結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和施工技術(shù)的提高，現(xiàn)代建筑對抹灰砂漿硬結(jié)前的工作性、硬化后的粘結(jié)性和抗裂性要求不斷提高，改善抹灰砂漿性能成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。應(yīng)用摻合料[1,2]、纖維[3-5]、外加劑[6-8]等改善復(fù)合抹灰砂漿的和易性和力學(xué)性能，為抹灰砂漿的深入研究奠定了基礎(chǔ)。鎂渣為鎂廠冶煉鎂排出的廢渣，具有一定的水化活性和潛在的體積膨脹性。崔自治等利用鎂渣的水化活性和體積膨脹性改善混凝土的性能，研究認(rèn)為：在混凝土中摻入適量的鎂渣，可改善混凝土的和易性，提高混凝土的強(qiáng)度[9]和抗碳化性能[10]，減少混凝土的塑性收縮變形[11]和干縮收縮變形，且不會對混凝土產(chǎn)生膨脹性危害[12,13]。寧夏盛遠(yuǎn)新型建材有限責(zé)任公司嘗試將木質(zhì)素纖維用于抹灰砂漿，以改善砂漿的和易性和抗裂性，收到很好的效果，但缺乏理論支撐。張志祥等試驗研究了木質(zhì)素纖維對瀝青混合料路用性能影響，認(rèn)為木質(zhì)素纖維對改善瀝青混合料的溫度穩(wěn)定性和抗裂性有明顯效果[14-16]。

關(guān)于鎂渣和木質(zhì)素纖維用于抹灰砂漿的研究鮮于報道，開展鎂渣木質(zhì)素纖維復(fù)合抹灰砂漿的性能研究，對拓展鎂渣應(yīng)用范圍，改善抹灰砂漿性能具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

2　試　驗

2.1材料與處理

鎂渣取自寧夏惠冶鎂業(yè)有限公司，主要化學(xué)成分為CaO、SiO2、MgO和Fe2O3，以及少量的Al2O3、P2O5、SO3和其它，如表1所示。礦物組成主要為-C2S、-C2S、MgO、Mg3N2和f-CaO[9]。鎂渣的形貌示于圖1。原狀鎂渣顆粒較粗，表面光潔，呈棱角狀，片理構(gòu)造，裂隙發(fā)育[13]。原狀鎂渣存在諸多不足，如不宜錯動，吸水性大，易壓碎，活性小，填充效果不良等，對抹灰砂漿的流動度、流動度損失和強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。為了改善鎂渣效應(yīng)，對鎂渣作了磨細(xì)處理。粉磨后的鎂渣比表面積440.0 m2/kg，顆粒分布如圖2所示，較原狀鎂渣細(xì)度增大，粒形改善，原生裂隙減少。

圖1　鎂渣的顆粒形貌(a)原狀鎂渣；(b)磨細(xì)鎂渣Fig.1　Particle morphology of magnesium slag

圖2　鎂渣的粒徑分布Fig.2　Particle size distribution of magnesium slag

/%

水泥、粉煤灰、木質(zhì)素纖維、外加劑和骨料由寧夏盛遠(yuǎn)新型建材有限責(zé)任公司提供。水泥28 d的抗折強(qiáng)度8.9 MPa，抗壓強(qiáng)度49.2 MPa，MgO含量2.1%。粉煤灰為F類I級灰，45 μm篩余5.8%，需水比93.0%。木質(zhì)素纖維，長350m，纖維含量>80%，密度125 g/L，pH值6～8，如圖3所示。外加劑為具有引氣和緩凝作用的高效減水劑，減水率>20%。骨料為機(jī)制砂，石粉含量8.5%、亞甲藍(lán)值0.8、泥塊含量0.2%、過2.5 mm的篩。

試驗用水為潔凈自來水。

圖3　木質(zhì)素纖維Fig.3　Lignin fiber

2.2試驗方法

固定單位用水量為240.0 kg，粉煤灰取代率為35.0%，以水膠比W/B、鎂渣摻量m、外加劑摻量p和木質(zhì)素纖維摻量l為因素，設(shè)計正交試驗方案L16(45)，水膠比以M15抹灰砂漿的水膠比(0.59)為基礎(chǔ)上下浮動0.05設(shè)置，鎂渣摻量參照文獻(xiàn)[9,11,13]設(shè)置，外加劑和木質(zhì)素纖維摻量參照盛遠(yuǎn)公司實際摻量設(shè)置，因素與水平列于表2，其中e為誤差列。

表2　正交試驗方案的因素與水平

鎂渣摻量為鎂渣與膠凝材料用量的比值，超量摻加，以補(bǔ)償粉煤灰等量取代水泥引起的砂漿強(qiáng)度損失。

砂漿的性能試驗按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》JGJ/T70-2009進(jìn)行。

3　結(jié)果與討論

試驗方案與結(jié)果列于表3，表中ρ為表觀密度，sd為沉入度，ld為分層度，wR為保水率，fc為28 d的抗壓強(qiáng)度，fat為拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，ft為劈裂抗拉強(qiáng)度。表中各組砂漿的表觀密度均大于1 900 kg/m3，超摻鎂渣各組砂漿的強(qiáng)度均很高，遠(yuǎn)高于M15砂漿的試配強(qiáng)度18.0 MPa。

表3　試驗方案與結(jié)果

3.1直觀分析

按正交試驗分析理論分析得出的各因素作用效應(yīng)的趨勢圖示于圖4。

圖4　效應(yīng)趨勢圖(a) 沉入度；(b)分層度；(c)保水率；(d)抗壓強(qiáng)度；(e)粘結(jié)強(qiáng)度；(f)抗拉強(qiáng)度Fig.4　Trend curves of effect

關(guān)于砂漿的和易性，鎂渣使砂漿的流動性降低，保水性提高，但極差不大，影響不是很明顯。木質(zhì)素纖維和鎂渣對砂漿的和易性的影響規(guī)律大致相似，亦使砂漿的流動性降低，保水性提高，但影響程度不同，對流動性影響較小，對保水性影響比較大。鎂渣經(jīng)粉磨，粒徑減小，表面微凸增多，比表面積明顯增大，原生裂隙減少。粉磨鎂渣，較大的比表面積，對水的吸著力大，且殘留的原生微裂隙，吸收的水不易析出，故有良好的吸水性和保水性；表面較粗糙，呈棱角狀，顆粒間相對錯動困難；能獨(dú)立水化，如其中的Mg3N2遇水即反應(yīng)，細(xì)度大，與水接觸的面積大，水化反應(yīng)充分，需水量增加。因此，隨鎂渣摻量的增加，砂漿的沉入度和分層度減小，保水率增大。木質(zhì)素纖維具有良好的吸水性、鎖水性和一定的抗滑移能力，能阻礙砂漿中水分的散失，提高砂漿的保水性，表觀上使砂漿流動性有所降低。在施工抹壓時，木質(zhì)素纖維吸收的部分水能很快析出，使砂漿的流動性得到較大程度的恢復(fù)。

關(guān)于砂漿的強(qiáng)度，鎂渣使砂漿的抗壓強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有明顯的提高，尤其是抗壓強(qiáng)度，鎂渣摻量從15%增加到30%，抗壓強(qiáng)度增長約24.6%。木質(zhì)素纖維對砂漿的強(qiáng)度具有一定的增強(qiáng)效應(yīng)，對粘結(jié)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度貢獻(xiàn)較大，對抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小，木質(zhì)素纖維有利于抹灰砂漿抗裂性能的提高。砂漿各強(qiáng)度均隨外加劑摻量的增加呈先增大后減小的非線性變化規(guī)律，外加劑的合理摻量約為1.0%。鎂渣對抹灰砂漿強(qiáng)度的影響主要為水化效應(yīng)、填充效應(yīng)和界面效應(yīng)。鎂渣中有限的Mg3N2，MgO，CaO，-C2S等能獨(dú)立水化，生成氫氧化鎂、氫氧化鈣和水化硅酸鈣等水化產(chǎn)物[9]，物料間的膠結(jié)增強(qiáng)。鎂渣顆粒細(xì)可以改善骨料級配，填充骨料間細(xì)小的空隙；改善界面狀態(tài)，減少界面吸附水和塑性沉降裂隙缺陷。木質(zhì)素纖維主要是吸水和保水性效應(yīng)，其次是拉結(jié)效應(yīng)[3,4]。木質(zhì)素纖維良好的吸水和保水性可為膠凝材料水化提供充足的水分，同時可以減小砂漿的塑性收縮和干燥收縮，進(jìn)而減少砂漿的裂縫缺陷；木質(zhì)素纖維強(qiáng)度低，剛度小，約束力不強(qiáng)，對砂漿強(qiáng)度的貢獻(xiàn)有限。外加劑主要是減水和塑化效應(yīng)。外加劑通過減水和塑化改善砂漿漿體的和易性，影響硬化砂漿的密實性。外加劑摻加適量能提高砂漿的密實性，摻加過量因在砂漿中引入的氣體增加，反而會使砂漿密實度降低。

3.2方差分析

方差分析結(jié)果列于表4。由表4可見，各因素對抹灰砂漿和易性和力學(xué)性指標(biāo)的影響程度有明顯差異。水膠比對沉入度、抗壓強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響顯著，對分層度和保水性的影響較顯著；鎂渣摻量對沉入度、抗壓強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響較顯著，對分層度和保水性的影響不顯著；外加劑摻量對沉入度、分層度和保水性的影響顯著，對粘結(jié)強(qiáng)度的影響較顯著，對抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響不顯著；木質(zhì)素纖維摻量對分層度和保水性的影響顯著，對粘結(jié)強(qiáng)度的影響較顯著，對沉入度、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響不顯著。

表4　方差分析

備注：F0.1=5.36，F(xiàn)0.05=9.28，F(xiàn)0.01=29.46

方差理論認(rèn)為在選擇最優(yōu)組合時，對于不顯著的因素，原則上可選在試驗范圍內(nèi)的任意的一個水平。譬如，鎂渣摻量對砂漿工作性的影響不顯著，可選擇較高的水平以提高砂漿的力學(xué)性能；外加劑和木質(zhì)素纖維對砂漿力學(xué)性能的影響不顯著，可選擇合適的水平以改善砂漿的工作性。

砂漿各因素最優(yōu)組合的確定不同于生產(chǎn)，產(chǎn)量越大越好，主要依據(jù)性能要求和經(jīng)濟(jì)性確定。抹灰砂漿通常應(yīng)滿足和易性、強(qiáng)度和經(jīng)濟(jì)性要求。《抹灰砂漿技術(shù)規(guī)程》JGJ/T220-2010規(guī)定M15水泥抹灰砂漿的施工稠度90 mm左右，分層度10～20 mm為宜，保水率不小于82%，拉伸粘結(jié)強(qiáng)度不小于0.2 MPa。抗壓強(qiáng)度大于且最接近試配抗壓強(qiáng)度(18.0 MPa)的組有G9和G14，且其它指標(biāo)均滿足要求，G14較G9組水泥和纖維摻量少，外加劑摻量相同，鎂渣摻量大。綜上分析，就M15水泥抹灰砂漿來講，G14組合最優(yōu)，水膠比0.70，鎂渣摻量20.0%，外加劑摻量1.0%，木質(zhì)素纖維摻量0.1%。

3.3回歸分析

由直觀分析可知，抹灰砂漿的上述六個指標(biāo)均與水膠比和外加劑摻量呈非線性關(guān)系，與鎂渣摻量和木質(zhì)素纖維摻量近似呈線性關(guān)系，設(shè)各指標(biāo)統(tǒng)一的回歸模型為fi=c+b1B/w+b2m+b3p+b4l+b5p2，其中c、b1、b2、b3、b4和b5為回歸系數(shù)。取置信度為95%，應(yīng)用最小二乘法擬合，采用t檢驗剔除影響不顯著的因素，得各指標(biāo)的多元非線性回歸數(shù)學(xué)模型。

sd=152.07-31.652B/W-0.363m+14.438p-14.625l

ld=9.10-10.759B/W-0.201m+55.369p-19.225l-24.531p2

wR=83.67+6.236B/W+0.116m-5.100p+8.750l

fc=-59.87+35.285B/W+0.444m+45.191p+9.032l-26.601p2

fat=-1.21+0.620B/W+0.134m+1.946p+0.535l-0.969p2

ft=-2.92+2.175B/W+0.026m+2.679p+0.995l-1.281p2

式中：B/W為膠水比，其它符號意義和單位同前。

各指標(biāo)回歸模型的相關(guān)系數(shù)R2，顯著性檢驗值F和臨界值F0.95(置信度為95%)列于表5。

表5　回歸模型檢驗

表5中各回歸模型的相關(guān)系數(shù)R2均較大，顯著性檢驗值F均大于臨界值，可見模型與各因素的相關(guān)性好、擬合度高，置信度為95%時顯著。

圖5　砂漿的SEM圖(a)G4;(b)G13Fig.5　SEM images of mortar

3.4微觀分析

砂漿養(yǎng)護(hù)28 d的SEM分析示于圖5，由圖5可見：①木質(zhì)素纖維在砂漿中的排列無定向性，分布均勻，砂漿G4中的纖維相互搭接，基本形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，G13中的纖維相互搭接不夠。②砂漿G4的密實性大，水化反應(yīng)比較充分，水化產(chǎn)物多；G13的結(jié)構(gòu)相對疏松，有明顯的孔隙，反應(yīng)不完全的球狀粉煤灰清晰可見。結(jié)構(gòu)密實，水化反應(yīng)充分，木質(zhì)素纖維分布均勻并搭接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是G4砂漿力學(xué)性能高的內(nèi)在機(jī)制。

4　結(jié)　論

在試驗研究條件下，得出如下主要結(jié)論：

(1)在抹灰砂漿中摻入鎂渣、外加劑和木質(zhì)素纖維能夠明顯改善砂漿的和易性，木質(zhì)素纖維對保水性的改善顯著，且對流動性的不利影響不顯著，鎂渣對砂漿的流動性有一定不利影響;

(2)超摻鎂渣能明顯提高抹灰砂漿的強(qiáng)度，尤其是抗壓強(qiáng)度，木質(zhì)素纖維對抹灰砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度有明顯改善;

(3)建立的抹灰砂漿和易性參數(shù)模型，力學(xué)強(qiáng)度模型顯著性高，相關(guān)性好。

[1] 陳永晟,吳建華,趙海紅.石灰石粉與礦物摻合料的協(xié)同作用對砂漿力學(xué)性能的影響[J].非金屬礦,2013,36(5):29-32.

[2] 肖力光,李睿博,崔正旭,等.利用鐵尾礦替代細(xì)石英砂配制聚合物水泥砂漿的研究[J].混凝土,2012,(3):115-116.

[3] 張俊芝,劉華挺,王建東,等.火成巖纖維水泥砂漿劈裂抗拉與粘結(jié)強(qiáng)度增強(qiáng)性能的試驗研究[J].水力發(fā)電學(xué)報,2014, 33(2):214-220.

[4] 熊銳,任志剛,盧哲安.玄武巖纖維增強(qiáng)水泥砂漿力學(xué)性能試驗研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報,2013,35(7):109-112

[5] 蹇守衛(wèi),孔維,馬保國,等.聚丙烯纖維及膠粉對聚合物改性砂漿失水率的影響[J].硅酸鹽通報,2013,32(8):1635-1639.

[6] 孔祥明,劉輝,蔣凌飛.含硅烷官能團(tuán)聚羧酸減水劑對水泥漿體流動性和力學(xué)性能的影響[J].硅酸鹽學(xué)報,2014,42(5):635-641

[7] 黨玉棟,錢覺時,郭清春,等.減縮劑與內(nèi)養(yǎng)護(hù)復(fù)合對水泥砂漿性能的影響[J].建筑材料學(xué)報,2013,16(3):491-496.

[8] 彭勃,金智迪,單遠(yuǎn)銘.水泥復(fù)合砂漿的粘結(jié)性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2010,40(S2):431-433.

[9] 崔自治,周康,李瀟.鎂渣細(xì)骨料混凝土的強(qiáng)度特性研究[J].混凝土,2013,(6):67-69.

[10] 李崢,崔自治.C30鎂渣混凝土的碳化特性試驗研究[J].混凝土與水泥制品,2015,(4):86-89.

[11] 崔自治,王建峰,陳東東,萬清琦.鎂渣混凝土的早期抗裂[J].混凝土,2015,(10):71-74.

[12] 崔自治,李姍姍,張程.鎂渣粉煤灰復(fù)合混凝土的干燥收縮特性[J].水力發(fā)電學(xué)報,2015,34(10):14-19.

[13] 崔自治,李姍姍,張程,等.鎂渣復(fù)合摻合料混凝土的干燥收縮特性[J].四川大學(xué)學(xué)報(工程科學(xué)版),2016，48(2):207-212.

[14] 張志祥,陳榮生. SMA瀝青混合料中木質(zhì)素纖維用量的試驗研究[J]. 公路交通科技,2006,23(1):28-31.

[15] 哈斯圖雅. 木質(zhì)素與橡膠粉復(fù)合改性瀝青混合料路用性能研究[J].公路工程,2014,39(6):170-174.

[16] 韓森,李曉娟,張宜洛,等. 纖維對OGFC瀝青混合料性能影響研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報,2010,32(1):65-69.

Performance of Magnesium Slag Lignin Fiber Composite Plastering Mortar

CUIZi-zhi,HANDong,NINGTao,LUZhen-dong

(College of Civil and Hydraulic Engineering,Ningxia University,Yinchuan 750021,China)

To effectively and make full use of industrial waste, improve the performance of plastering mortar, taking water binder ratio, magnesium slag content, admixture content and lignin fiber content as factors, orthogonal test scheme was designed to study the performance of magnesium slag lignin fiber composite plastering mortar by experiment. The particle size distribution of magnesium slag was analyzed by laser particle size analyzer. Morphology of magnesium slag and microstructure of mortar was analyzed by scanning electron microscope. Effect and significance of each factor was analyzed by using the orthogonal test theory. The multivariate nonlinear regression model of plastering mortar workability parameters and the mechanical strength were established by the least squares method. Under experimental conditions, magnesium slag, additive and wood cellulose can obviously improve the mortar workability, the effect of lignin fiber on mortar insurance water is significant, of magnesium slag on mortar fluidity is adverse, effect of magnesium slag and lignin fiber on plastering mortar mechanical strength is positive, effect of lignin fiber on mortar strength is not significant, of magnesium slag content is great, the significant of regression model is high, and the correlation was good.

plastering mortar;magnesium slag;lignin fiber;regression model

國家自然科學(xué)基金(51368047)；寧夏回族自治區(qū)建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗站資助項目(HX2014116)；寧夏大學(xué)研究生創(chuàng)新項目(GIP201631)

崔自治(1963-)，男，工學(xué)碩士，教授.主要從事水泥基材料方面的研究.

TU502

A

1001-1625(2016)06-1699-06