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)

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鎂渣木質(zhì)素纖維復(fù)合抹灰砂漿的干燥收縮特性

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)

為有效與充分利用鎂渣，提高抹灰砂漿的抗裂性，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(jì)正交試驗(yàn)方案L16(45)，試驗(yàn)研究了鎂渣木質(zhì)素纖維復(fù)合抹灰砂漿的干燥收縮特性。應(yīng)用正交試驗(yàn)理論分析了各因素的影響規(guī)律，及其顯著性，微觀分析法揭示了鎂渣和木質(zhì)素纖維的減縮機(jī)理，最小二乘法建立了抹灰砂漿干燥收縮變形的多元非線性回歸模型。試驗(yàn)結(jié)果表明：鎂渣和木質(zhì)素纖維對(duì)砂漿的干燥收縮變形具有明顯的抑制效應(yīng)，鎂渣的微膨脹效應(yīng)、木質(zhì)素纖維的保水和拉結(jié)效應(yīng)是使砂漿干燥收縮變形減小的主要內(nèi)在機(jī)制；砂漿干縮變形模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。

抹灰砂漿； 干燥收縮； 回歸模型； 鎂渣； 木質(zhì)素纖維

1 引 言

砂漿抗裂是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，以摻加纖維[1,2]、吸水組分[3-6]和外加劑[7,8]為主要改善措施。纖維能有效提高砂漿的抗拉強(qiáng)度，限制砂漿的塑性收縮和干縮變形。吸水組分(SAP，輕集料)具有良好的保水性，通過減少水分蒸發(fā)，促進(jìn)硬化體的強(qiáng)度和剛度增長(zhǎng)，抑制水泥基材料的收縮。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，認(rèn)為在混凝土中摻入適量的鎂渣，可提高混凝土的強(qiáng)度[9]和抗碳化性能[10]，減少混凝土的塑性收縮[11]和干縮收縮變形[12,13]，且不會(huì)產(chǎn)生膨脹性危害，留置的文獻(xiàn)[12]中鎂渣摻量為40%的混凝土試件，180 d后至今2年其長(zhǎng)度幾乎沒有變化。磨細(xì)鎂渣和木質(zhì)素纖維復(fù)合使抹灰砂漿的和易性明顯改善，強(qiáng)度顯著提高[14]。木質(zhì)素纖維在瀝青混合料中的應(yīng)用研究較多[15,16]，用于抹灰砂漿的研究鮮有報(bào)道。開展鎂渣木質(zhì)素纖維復(fù)合抹灰砂漿的干燥收縮特性研究，對(duì)提高抹灰砂漿的抗裂性具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

2 試 驗(yàn)

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)成分如表1所示，礦物組成主要為γ-C2S、β-C2S、MgO、Mg3N2和f-CaO[12]。原狀鎂渣的顆粒形貌如圖2a所示，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，如不易錯(cuò)動(dòng)，吸水性大，易壓碎，活性小，填充效果不良等，對(duì)抹灰砂漿的流動(dòng)度、流動(dòng)度損失和強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。為了改善鎂渣的作用效應(yīng)，對(duì)鎂渣作了磨細(xì)處理。粉磨鎂渣的顆粒形貌如圖2b所示，粒徑分布如圖3所示，比表面積440.0 m2/kg，細(xì)度增大，粒形改善，原生裂隙減少。

表1 鎂渣的主要化學(xué)成分Tab.1 Main chemical composition of magnesium slag /%

圖1 鎂渣的XRD分析Fig.1 XRD patterns of magnesium slag

圖2 鎂渣的顆粒形貌Fig.2 SEM morphology of particles of magnesium slag

圖3 鎂渣的粒徑分布Fig.3 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(jí)灰，45 μm篩余5.8%，需水比93.0%。木質(zhì)素纖維，長(zhǎng)350 m，纖維含量>80%，密度125 g/L，pH值6～8。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(yàn)用水為潔凈自來水。

2.2 試驗(yàn)方法與方案

減小單位用水量是減少抹灰砂漿干縮變形的重要手段之一，由此對(duì)砂漿流動(dòng)性產(chǎn)生的不利影響，通過摻加外加劑予以改善。固定單位用水量240.0 kg，粉煤灰取代率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(jì)正交試驗(yàn)方案L16(45)。水膠比的水平以M15抹灰砂漿的水膠比(0.61)為基礎(chǔ)上下浮動(dòng)0.05設(shè)置，因素與水平列于表2，其中e為誤差列。

鎂渣摻量為鎂渣與膠凝材料用量的比值。鎂渣的活性低，若等量取代水泥會(huì)加劇砂漿的強(qiáng)度損失。將鎂渣超量摻加，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(yàn)按照建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)JGJ/T70-2009進(jìn)行。

表2 正交試驗(yàn)方案的因素與水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

3 結(jié)果與討論

試驗(yàn)結(jié)果列于表3，表中sd為砂漿的沉入度，wR為砂漿的保水率，fc為砂漿28 d的立方體抗壓強(qiáng)度，ε為砂漿的干縮率。由表3可以看出：①各組砂漿的流動(dòng)度和保水性均很高，除G13外其余各組28 d的抗壓強(qiáng)度明顯的高于M15抹灰砂漿的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值15.0 MPa和試配值17.3 MPa；③各組砂漿的干縮率隨時(shí)間的增加而增加，早期發(fā)展很快，28 d就完成了整個(gè)齡期總收縮變形的80.0%以上；之后發(fā)展較為緩慢，但90 d還有繼續(xù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

表3 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.3 Test scheme and results

3.1 直觀分析

按正交試驗(yàn)直觀分析理論計(jì)算出各因素相同水平組砂漿干縮率的平均值k，干縮率平均值與水膠比w/B、鎂渣摻量m、外加劑摻量p和木質(zhì)素纖維摻量l等的趨勢(shì)分別示于圖4。

圖4 干縮率趨勢(shì)圖(a)水膠比效應(yīng);(b)外加劑效應(yīng);(c)鎂渣效應(yīng);(d)木質(zhì)素纖維效應(yīng)Fig.4 Trend chart of drying shrinkage rate

由圖4可見，鎂渣木質(zhì)素纖維復(fù)合抹灰砂漿各齡期的干縮率具有類似的變化規(guī)律，隨水膠比的增加呈明顯的非線性增加關(guān)系，且增加的幅度也逐漸增大；隨鎂渣摻量的增加近似線性減小，隨外加劑摻量的增加近似線性增大；隨木質(zhì)素纖維摻量的增加稍微呈非線性減小的關(guān)系，且減小的幅度也逐漸減小。

鎂渣減小砂漿干縮變形的機(jī)制，首先是鎂渣的微膨脹性，其次是鎂渣的保水性。鎂渣中的Mg3N2、輕燒MgO和f-CaO，水化后產(chǎn)生有限的體積膨脹，抑制了砂漿的收縮變形。鎂渣經(jīng)粉磨比表面積增大，斷裂面增多。增大的比表面積和斷裂產(chǎn)生的偶極均使鎂渣的保水性提高。鎂渣良好的保水性能減緩砂漿的水分蒸發(fā)，有助于砂漿的強(qiáng)度和剛度增長(zhǎng)，一定程度上抑制了砂漿的干燥收縮。

木質(zhì)素纖維對(duì)砂漿干燥收縮變形的影響主要是保水效應(yīng)和拉結(jié)效應(yīng)。木質(zhì)素纖維能吸收和保持其體積數(shù)倍的水，具有明顯的內(nèi)養(yǎng)護(hù)功能，其保持的大量水能促進(jìn)膠凝材料的水化和砂漿強(qiáng)度與剛度的增長(zhǎng)，提高砂漿抵抗收縮變形的能力；其良好的保水性，也能有效減緩砂漿中的水分蒸發(fā)，推遲了干縮條件的形成。木質(zhì)素纖維在砂漿中均勻分散，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將砂漿各部分拉結(jié)成一個(gè)整體，限制和約束了砂漿收縮的產(chǎn)生和發(fā)展，后續(xù)的微觀結(jié)構(gòu)分析印證了這一觀點(diǎn)。

3.2 方差分析

砂漿試件各齡期的干縮率變化規(guī)律基本一致，僅對(duì)其90 d的干縮率進(jìn)行方差分析，結(jié)果列于表4，相應(yīng)于顯著性水平為90%、95%和99%的F臨界值分別為5.36、9.28和29.46。

表4 方差分析Tab.4 Variance analysis

由表4可見，關(guān)于砂漿的干燥收縮變形，水膠比的影響很顯著，是最重要的影響因素，鎂渣摻量的影響顯著，是重要的影響因素，外加劑摻量的影響不顯著，是次要的影響因素；木質(zhì)素纖維摻量的影響較顯著，其影響不容忽視。按照方差理論，水膠比和鎂渣摻量應(yīng)嚴(yán)格控制，外加劑可依據(jù)砂漿的工作性、強(qiáng)度或經(jīng)濟(jì)性選擇合適的水平。

3.3 回歸分析

3.3.1 模型建立

由表3和圖4趨勢(shì)圖可以看出，砂漿的干縮率ε隨時(shí)間t逐漸增加，早期增加快，后期增加緩慢，且逐漸趨于某一定值，二者呈明顯的雙曲線關(guān)系。應(yīng)用最小二乘擬合并優(yōu)化，得到砂漿的干縮率與t、w/B、m、p和l之間的多元非線性回歸關(guān)系：

a=-7.70+11.990B/w+0.162m-1.588p-0.254l-1

εu=70.0+440.906ew/B-4.566m+70.737p-123.920el

式中：a和u為擬合系數(shù)，u的意義是t趨向于無窮大時(shí)的砂漿極限干縮率，10-6。

3.3.2 模型驗(yàn)證

測(cè)定各組砂漿120 d的干縮率對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)測(cè)值、模型預(yù)測(cè)值與殘差分析結(jié)果列于表5。表5中各組實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的相對(duì)殘差均在±5.0%以內(nèi)，偏差小，模型預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，可靠。

表5 干燥收縮預(yù)測(cè)值與殘差Tab.5 Predicted values and residuals of dry shrinkage

3.4 微觀分析

文獻(xiàn)[14]關(guān)于砂漿G4的微觀分析表明：①木質(zhì)素纖維在砂漿中的排列無定向性，分布均勻，纖維相互搭接，基本形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；②膠凝材料水化反應(yīng)比較充分，水化產(chǎn)物多，結(jié)構(gòu)密實(shí)?？梢?，水化反應(yīng)充分，結(jié)構(gòu)密實(shí)，木質(zhì)素纖維分布均勻并搭接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是砂漿干燥收縮變形小的主要內(nèi)在機(jī)制。

4 結(jié) 論

(1) 鎂渣和木質(zhì)素纖維對(duì)砂漿的干燥收縮變形具有明顯的抑制效應(yīng)，鎂渣的微膨脹效應(yīng)、木質(zhì)素纖維的保水和拉結(jié)效應(yīng)是使砂漿干燥收縮變形減小的主要內(nèi)在機(jī)制;

(2) 水膠比和外加劑摻量的增加使砂漿的干燥收縮變形增大，水膠比的影響非常顯著，是重要因素，外加劑摻量的影響不顯著，是次要因素;

(3) 砂漿的干縮率與齡期呈雙曲線關(guān)系，砂漿干縮率實(shí)測(cè)值與模型預(yù)測(cè)值吻合良好。

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Drying Shrinkage Characteristics of Magnesium Slag and Lignin Fiber Composite Plastering Mortar

CUIZi-zhi,HANDong,NINGTao,LUZhen-dong

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

In order to make full use of magnesium slag, improve the crack resistance 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 drying shrinkage characteristics of magnesium slag and lignin fiber composite plastering mortar by experiment. The influence law and significance of each factor were analyzed by using the orthogonal test theory, the mechanism of using magnesium slag and lignin fibers to reduce mortar shrinkage was revealed by microscopic analysis, and the multivariate nonlinear regression model of plastering mortar shrinkage by the least squares method. Test results show that magnesium slag and lignin fiber have obvious inhibitory effect on the drying shrinkage deformation of mortar, the micro expansion effect of magnesium slag, the water holding and pulling effect of lignin fiber are the main internal mechanism to reduce the drying shrinkage of mortar; The predicted results of the mortar drying shrinkage model are in agreement with the experimental results.

plastering mortar;drying shrinkage;regression model;magnesium slag;lignin fiber

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(yàn)站資助項(xiàng)目(HX2014116)；寧夏回族自治區(qū)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(20150153)；寧夏大學(xué)研究生創(chuàng)新項(xiàng)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)10-3144-06