王繼博，任慧超，張濤，吳超，張凱峰，馮濤濤

（中建西部建設(shè)北方有限公司，陜西 西安 710119）

0 引言

我國(guó)農(nóng)作物纖維年產(chǎn)量約為6.5億t，其中麥秸稈資源尤為豐富[1]，但目前麥秸稈資源利用率低下，約90%麥秸稈會(huì)直接進(jìn)行燃燒處理，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，因此麥秸稈的可持續(xù)利用引起了人們的高度重視[2-3]。而麥秸稈纖維因其結(jié)構(gòu)緊密，具有較好的韌性和抗拉強(qiáng)度，將麥秸稈纖維摻入混凝土中可改善其抗裂性能，增強(qiáng)混凝土的力學(xué)強(qiáng)度，同時(shí)提高麥秸稈的高附加值[4]。

為促進(jìn)麥秸稈纖維與混凝土界面的結(jié)合能力，通常需要對(duì)麥秸稈纖維進(jìn)行表面處理，其中采用堿液蒸煮與聚合物包裹法對(duì)麥秸稈纖維進(jìn)行表面改性的效果較為顯著[5-6]?？孤入x子滲透性能是混凝土重要的耐久性指標(biāo)，也是纖維混凝土抗?jié)B性能的重要表征[7-9]。但目前針對(duì)麥秸稈纖維混凝土抗氯離子滲透性能的研究相對(duì)較少，缺乏關(guān)于其耐久性能的系統(tǒng)研究，阻礙了麥秸稈纖維混凝土在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

本文在對(duì)麥秸稈纖維表面進(jìn)行堿液蒸煮和聚合物包裹改性的基礎(chǔ)上，分別通過(guò)正交優(yōu)化試驗(yàn)以及數(shù)值模型建立對(duì)麥秸稈纖維混凝土的抗氯離子滲透性能進(jìn)行研究，為今后麥秸稈纖維混凝土大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R水泥，陜西冀東水泥有限公司產(chǎn)。

粉煤灰：Ⅱ級(jí)，陜西正源股份有限公司產(chǎn)，細(xì)度14.6%。礦粉：S95級(jí)，陜西立之林建材有限公司產(chǎn)，比表面積430 cm2/g，7 d活性指數(shù)74%，28 d活性指數(shù)99%。

粗骨料：5～31.5 mm碎石，瑞德寶爾產(chǎn)，針片狀含量3%，含泥量0.5%，松散堆積空隙率47%，緊密堆積空隙率42%。

細(xì)骨料：渭河Ⅱ區(qū)中砂，含泥量2.4%，泥塊含量0.3%，松散堆積密度46%，緊密堆積密度41%。

聚羧酸高性能減水劑：中建西部建設(shè)北方有限公司產(chǎn)，含固量20%，減水率26%。

水：自來(lái)水。

麥秸稈：選取陜西省戶縣的天然麥秸稈，分別采用研磨機(jī)與粉碎機(jī)進(jìn)行粉末破碎，最大粒徑為6.87 mm。

氫氧化鈉（NaOH）：分析純，天津市北聯(lián)精細(xì)化學(xué)品開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)。

聚乙烯醇（PVA）：天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所生產(chǎn)。

1.2 試驗(yàn)方法

取一定量麥秸稈浸泡在15%的NaOH溶液中，蒸煮時(shí)間控制為40 min，蒸煮溫度為100℃，經(jīng)高速攪拌器混合攪拌30 min，將處理后的混合物在80℃高溫下烘干6 h，制得麥秸稈纖維。將聚乙烯醇溶入100℃水中，制得濃度為1%的聚乙烯醇溶液，采用經(jīng)堿液蒸煮處理后的麥秸稈纖維加入已制備的聚乙烯醇溶液中進(jìn)行聚合物包裹改性，用高速攪拌器混合攪拌30 min后取出，在80℃高溫下烘干6 h備用。

選取經(jīng)表面處理的麥秸稈纖維制備C30麥秸稈纖維混凝土，確定膠凝體系中礦物摻合料粉煤灰與礦粉的質(zhì)量比為1∶3，基準(zhǔn)配合比如表1所示。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行6 h電通量測(cè)試，采用正交優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究水膠比、礦物摻合料摻量、麥秸稈纖維摻量對(duì)麥秸稈纖維混凝土抗氯離子滲透性能的影響，并確定其最佳配合比。利用數(shù)學(xué)模型分析麥秸稈纖維混凝土抗氯離子滲透性能，建立三元線性回歸數(shù)學(xué)模型預(yù)測(cè)麥秸稈纖維混凝土6 h電通量。本試驗(yàn)選用L9（34）的3因素3水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2，礦物摻合料摻量與麥秸稈纖維摻量均按占膠凝材料質(zhì)量計(jì)算。

表1 試驗(yàn)用混凝土的基準(zhǔn)配合比 kg/m3

表2 正交試驗(yàn)因素水平

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 正交優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果與分析

麥秸稈纖維混凝土試件抗氯離子滲透性能正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析見(jiàn)表3，方差分析見(jiàn)表4。

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及性能測(cè)試結(jié)果與分析

表4 正交試驗(yàn)方差分析

由表3可以看出：

（1）隨著水膠比的增大，麥秸稈纖維混凝土的6 h電通量逐漸增大，抗氯離子滲透性能下降。這主要是因?yàn)樘岣咚z比會(huì)導(dǎo)致麥秸稈纖維混凝土密實(shí)度降低，其內(nèi)部的毛細(xì)管道數(shù)量相應(yīng)增加，從而為氯離子的傳輸創(chuàng)造條件，導(dǎo)致氯離子移動(dòng)速度加快，最終使麥秸稈纖維混凝土的抗?jié)B性能降低。

（2）隨著礦物摻合料摻量的增加，麥秸稈纖維混凝土的抗氯離子滲透性能先增強(qiáng)后下降。這是因?yàn)榈V物摻合料可對(duì)麥秸稈纖維混凝土的密實(shí)度產(chǎn)生互補(bǔ)效應(yīng)，在水化早期，礦粉優(yōu)先發(fā)揮火山灰效應(yīng)，改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)及漿體和集料的界面結(jié)構(gòu)；在水化后期，粉煤灰發(fā)揮其火山灰效應(yīng)使孔徑細(xì)化，未參與水化反應(yīng)的粉煤灰“內(nèi)核作用”促使混凝土密實(shí)度持續(xù)提高。而當(dāng)?shù)V物摻合料摻量超過(guò)一定范圍后，會(huì)降低膠凝體系的粘結(jié)能力，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)增加，密實(shí)度下降。

（3）隨著麥秸稈纖維摻量的增加，麥秸稈纖維混凝土的抗氯離子滲透性能先增強(qiáng)后下降。這是由于當(dāng)麥秸稈纖維摻量在一定范圍內(nèi)時(shí)，可有效改善混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步抑制微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。但當(dāng)麥秸稈纖維摻量過(guò)大時(shí)，會(huì)制約混凝土的凝結(jié)硬化，致使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻性降低，從而對(duì)混凝土的抗氯離子滲透性能產(chǎn)生不利影響。

由表4可以看出：根據(jù)F比，各因素顯著性影響的順序?yàn)椋核z比>麥秸稈纖維摻量>礦物摻合料摻量，其中礦物摻合料摻量的均方值最小，故作為誤差列。

麥秸稈纖維混凝土抗氯離子滲透性能的最佳配合比組合為A1B2C2，即水膠比0.40，礦物摻合料摻量20%，麥秸稈纖維摻量0.10%，該組合配比下麥秸稈纖維混凝土的6 h電通量為782.68 C，具有較強(qiáng)的抗氯離子滲透性能。

2.2 抗氯離子滲透數(shù)學(xué)模型建立

設(shè)定氯離子6 h電通量（Q）為因變量，影響因素水膠比（X1）、礦物摻合料摻量（X2）以及麥秸稈纖維摻量（X3）為自變量，建立其之間的線性關(guān)系，預(yù)計(jì)建立的三元線性回歸方程如式（1）所示：

式中：b0、b1、b2、b3——待測(cè)的回歸系數(shù)值。

根據(jù)試驗(yàn)組數(shù)（n=9）及自變量數(shù)（q=3）情況，選擇如式（2）的方程組進(jìn)行數(shù)學(xué)模型建立：

將正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入式（2）方程組中，可得式（3）：

求解式（3）可得：b0=453.5289，b1=848.2667，b2=－34.2333，b3=－2320，故所求三元線性回歸方程如式（4）所示：

采用建立的三元線性回歸數(shù)學(xué)模型可預(yù)測(cè)麥秸稈纖維混凝土6 h電通量，該模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值的對(duì)比如表5所示。

表5 電通量實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

由表5可見(jiàn)，預(yù)測(cè)得到的麥秸稈纖維混凝土電通量與實(shí)測(cè)值具有較高的匹配度，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的比值在0.940～1.015，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相差較小。表明在水膠比、礦物摻合料摻量、麥秸稈纖維摻量3個(gè)因素變化的情況下，此三元線性回歸數(shù)學(xué)模型可較好對(duì)麥秸稈纖維混凝土氯離子的6 h電通量進(jìn)行預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)正交優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)得出3個(gè)因素對(duì)麥秸稈纖維混凝土6 h電通量的影響程度為：水膠比>麥秸稈纖維摻量>礦物摻合料摻量，最佳氯離子滲透性的配合比為A1B2C2，即水膠比0.40，礦物摻合料摻量20%，麥秸稈纖維摻量0.10%，在此配合比下配制的混凝土6 h電通量為782.68 C，具有較強(qiáng)的抗氯離子滲透性能。

（2）通過(guò)多元線性回歸分析，建立麥秸稈纖維混凝土氯離子擴(kuò)散電通量Q與水膠比X1、礦物摻合料摻量X2以及麥秸稈纖維摻量X3之間的數(shù)學(xué)模型：Q=848.2667X1－34.2333X2－2320X3＋453.5289。此模型可較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)相同條件下麥秸稈纖維混凝土6 h電通量。