肖力光，馬馳宇

吉林建筑大學 材料科學與工程學院,長春 130118

我國每年大約有7億噸的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)出,大部分被焚燒未得到有效利用,小麥秸稈、大米稻草、玉米穗軸和玉米秸稈等作物含有大量纖維素, 在墻體材料中可以發(fā)揮其保溫隔熱性能的特點[1]，生產(chǎn)出的秸稈墻板具有輕質(zhì)、隔熱、保溫、隔音等特性.堿礦渣-粉煤灰水泥作為一種堿激發(fā)多組分膠凝材料,以工業(yè)固體廢棄物(礦渣、煤矸石以及粉煤灰)為主要原料,具有低排放、高耐腐蝕性、耐高溫等特點[2-4],是當代建筑領(lǐng)域被廣泛代替水泥的堿性膠凝材料[5-7].本文以東北地區(qū)盛產(chǎn)的蘆葦秸稈、玉米秸稈為研究材料,實驗研究了不同種類的秸稈纖維(玉米秸稈、蘆葦秸稈)對堿礦渣-粉煤灰水泥基復合材料的凝結(jié)時間、力學性能和抗凍性能的影響,為研制秸稈生態(tài)板提供依據(jù).

1 試驗部分

1.1 原材料

礦渣：來自于吉林省通化鋼鐵廠;粉煤灰：Ⅱ級粉煤灰,球磨機粉磨后使用,化學成分見表1;水玻璃：化學純；秸稈纖維：選用東北地區(qū)玉米秸稈與蘆葦秸稈,經(jīng)粉碎機破碎至纖維直徑5 mm～10 mm,化學成分見表2;水：試驗室自來水.

表1 粉煤灰的化學成分

表2 玉米秸稈與蘆葦秸稈化學成分

1.2 試驗過程

首先通過正交試驗研究不同摻量的粉煤灰、礦渣、水玻璃等對堿礦渣-粉煤灰水泥力學性能的影響,得出最佳的配合比；然后研究摻量為1 %,2 %,3 %,4 %,5 %,6 %,7 %,8 %,9 %的玉米秸稈纖維和蘆葦秸稈纖維對堿礦渣-粉煤灰水泥基復合材料的凝結(jié)時間、力學性能及抗凍性能的影響，試件在標準養(yǎng)護條件下標養(yǎng)28 d后,測試其抗壓強度、抗折強度和凍融循環(huán)下的抗凍性能.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 堿礦渣-粉煤灰水泥正交實驗結(jié)果

堿礦渣-粉煤灰水泥正交實驗結(jié)果見表3,表4,表5和圖1.

通過方差分析,得出礦渣∶粉煤灰以3∶1為最佳,水玻璃的最佳摻量為16 %,模數(shù)為1.4最佳,最佳水灰比為0.30.從極差可以看出對堿礦渣-粉煤灰水泥性能影響因素主次順序為：礦渣∶粉煤灰>水玻璃摻量>水玻璃模數(shù)>水灰比.由表4可知,最佳配比下抗壓強度為63.0 MPa.

表3 正交試驗因素水平表Table 3 Orthogonal experimental factors level table

表4 正交試驗結(jié)果Table 4 Orthogonal test results

表5 28 d抗壓強度計算結(jié)果Table 5 Calculation results of the 28 d compressive strength

圖1 28 d抗壓強度k值與因素和水平的關(guān)系Fig.1 Relationship between k valueof the 28 d compressivestrength and factors and level 圖2 不同秸稈纖維對抗壓強度的影響Fig.2 Influence of different strawfibers on compressive strength 圖3 不同秸稈纖維對抗折強度的影響Fig.3 Influence of different strawfibers on compressive strength

2.2 不同種類秸稈纖維對堿礦渣-粉煤灰復合材料強度的影響

圖2,圖3為不同摻量的玉米秸稈纖維和蘆葦秸稈纖維對堿礦渣-粉煤灰復合材料的抗壓強度和抗折強度影響的實驗結(jié)果.

由圖2,圖3可知，堿礦渣-粉煤灰復合材料隨秸稈纖維摻入量的增加,其抗壓強度降低, 當玉米秸稈與蘆葦秸稈的摻量達到8 %時, 復合材料的抗壓強度低于20 MPa，在相同摻量下，摻玉米秸稈纖維的抗壓強度要小于摻蘆葦秸稈纖維的抗壓強度；秸稈纖維摻量在一定范圍內(nèi)復合材料抗折強度提高，玉米秸稈與蘆葦秸稈摻量均為3 %時，抗折強度達到最高值7.4 MPa 和7.7 MPa.

2.3 不同種類秸稈纖維對堿礦渣-粉煤灰復合材料凝結(jié)時間的影響

圖4，圖5為不同摻量的玉米秸稈纖維和蘆葦秸稈纖維對堿礦渣-粉煤灰膠凝材料凝結(jié)時間影響的實驗結(jié)果.

圖4 玉米秸稈摻量對凝結(jié)時間的影響Fig.4 Influence of reed straw content on setting time

圖5 蘆葦秸稈摻量對凝結(jié)時間的影響Fig.5 Influence of corn straw content on setting time

由圖4，圖5可知, 堿礦渣-粉煤灰膠凝材料初凝和終凝時間隨秸稈纖維摻量增加而延長，摻量相同時,玉米秸稈纖維緩凝效果高于蘆葦秸稈纖維，當摻量為3 %～5 %時,緩凝效果最好,完全符合《通用硅酸鹽水泥》GB175 -2007/XG2-2015 中規(guī)定的初凝時間不小于 45 min、終凝時間不大于 390 min 的要求.

2.4 不同種類秸稈纖維對堿礦渣-粉煤灰復合材料抗凍性能的影響

圖6，圖7為摻量3 %的玉米秸稈纖維和蘆葦秸稈纖維對堿礦渣-粉煤灰復合材料抗凍性能影響的實驗結(jié)果.

圖6 抗凍融質(zhì)量損失圖Fig.6 Quality loss of freeze-thaw resistance

圖7 抗凍融強度損失圖Fig.7 Compressive strength loss of freeze-thaw resistance

由圖6，圖7可知,摻入秸稈纖維的復合材料抗凍性能隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，質(zhì)量損失率和強度損失率均增大，在35次凍融循環(huán)下，蘆葦秸稈纖維復合材料與玉米秸稈纖維復合材料的最大強度損失率為24.1 %,26.3 %；在同秸稈纖維摻量為3 %相同凍融循環(huán)次數(shù)下，摻蘆葦秸稈纖維復合材料的質(zhì)量損失率和強度損失率均小于摻玉米秸稈纖維，說明蘆葦秸稈纖維復合材料的抗凍性能好于玉米秸稈纖維復合材料.

3 結(jié)論

(1) 通過正交設(shè)計得出堿礦渣-粉煤灰水泥最佳配合比為礦渣∶粉煤灰∶堿激發(fā)劑為3∶1∶0.16，水灰比為0.30,水玻璃模數(shù)為1.4.最佳28 d抗壓強度為63.0 MPa.

(2) 摻蘆葦秸稈纖維的復合材料抗壓強度要高于摻玉米秸稈纖維，二者的抗折強度都是在摻量為3 %時達到最高值;隨著秸稈纖維摻入,復合材料的初、終凝時間延長,摻玉米秸稈纖維的堿礦渣-粉煤灰復合材料平均緩凝時間比摻蘆葦秸稈纖維多15 min.

(3) 在凍融循環(huán)35次實驗中，秸稈纖維摻量同為3 %時，相比于摻玉米秸稈纖維，摻蘆葦秸稈纖維堿礦渣-粉煤灰復合材料的質(zhì)量損失率降低了0.2 %，強度損失率降低了2.54 %,凍融循環(huán)可達35次.