鎂渣木質素纖維復合抹灰砂漿的干燥收縮特性

崔自治，韓 東，寧 濤，盧振東

(寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021)

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鎂渣木質素纖維復合抹灰砂漿的干燥收縮特性

崔自治，韓 東，寧 濤，盧振東

(寧夏大學土木與水利工程學院，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、外加劑摻量和木質素纖維摻量為因素，設計正交試驗方案L16(45)，試驗研究了鎂渣木質素纖維復合抹灰砂漿的干燥收縮特性。應用正交試驗理論分析了各因素的影響規律，及其顯著性，微觀分析法揭示了鎂渣和木質素纖維的減縮機理，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。試驗結果表明：鎂渣和木質素纖維對砂漿的干燥收縮變形具有明顯的抑制效應，鎂渣的微膨脹效應、木質素纖維的保水和拉結效應是使砂漿干燥收縮變形減小的主要內在機制；砂漿干縮變形模型預測結果與實驗結果相吻合。

抹灰砂漿； 干燥收縮； 回歸模型； 鎂渣； 木質素纖維

1 引 言

砂漿抗裂是當前研究的熱點，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，促進硬化體的強度和剛度增長，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，認為在混凝土中摻入適量的鎂渣，可提高混凝土的強度[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]，且不會產生膨脹性危害，留置的文獻[12]中鎂渣摻量為40%的混凝土試件，180 d后至今2年其長度幾乎沒有變化。磨細鎂渣和木質素纖維復合使抹灰砂漿的和易性明顯改善，強度顯著提高[14]。木質素纖維在瀝青混合料中的應用研究較多[15,16]，用于抹灰砂漿的研究鮮有報道。開展鎂渣木質素纖維復合抹灰砂漿的干燥收縮特性研究，對提高抹灰砂漿的抗裂性具有重要的理論價值和現實意義。

2 試 驗

2.1 材料與處理

鎂渣取自寧夏惠冶鎂業有限公司，主要化學成分如表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，片理構造，裂隙發育[13]。原狀鎂渣存在諸多不足，如不易錯動，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、流動度損失和強度產生不利影響。為了改善鎂渣的作用效應，對鎂渣作了磨細處理。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，細度增大，粒形改善，原生裂隙減少。

表1 鎂渣的主要化學成分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、木質素纖維、外加劑和骨料由寧夏盛遠新型建材有限責任公司提供。水泥28 d的抗折強度8.9 MPa，抗壓強度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%。木質素纖維，長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%。骨料為機制砂，石粉含量8.5%、亞甲藍值0.8、泥塊含量0.2%、過2.5 mm的篩。試驗用水為潔凈自來水。

2.2 試驗方法與方案

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，由此對砂漿流動性產生的不利影響，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和木質素纖維摻量l為因素，設計正交試驗方案L16(45)。水膠比的水平以M15抹灰砂漿的水膠比(0.61)為基礎上下浮動0.05設置，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，若等量取代水泥會加劇砂漿的強度損失。將鎂渣超量摻加，以補償粉煤灰等量取代水泥引起的砂漿強度損失。砂漿的性能試驗按照建筑砂漿基本性能試驗方法標準JGJ/T70-2009進行。

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

3 結果與討論

試驗結果列于表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的立方體抗壓強度，ε為砂漿的干縮率。由表3可以看出：①各組砂漿的流動度和保水性均很高，除G13外其余各組28 d的抗壓強度明顯的高于M15抹灰砂漿的強度標準值15.0 MPa和試配值17.3 MPa；③各組砂漿的干縮率隨時間的增加而增加，早期發展很快，28 d就完成了整個齡期總收縮變形的80.0%以上；之后發展較為緩慢，但90 d還有繼續增長的趨勢。

表3 試驗方案與結果Tab.3 Test scheme and results

3.1 直觀分析

按正交試驗直觀分析理論計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和木質素纖維摻量l等的趨勢分別示于圖4。

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

由圖4可見，鎂渣木質素纖維復合抹灰砂漿各齡期的干縮率具有類似的變化規律，隨水膠比的增加呈明顯的非線性增加關系，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；隨木質素纖維摻量的增加稍微呈非線性減小的關系，且減小的幅度也逐漸減小。

鎂渣減小砂漿干縮變形的機制，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，水化后產生有限的體積膨脹，抑制了砂漿的收縮變形。鎂渣經粉磨比表面積增大，斷裂面增多。增大的比表面積和斷裂產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，有助于砂漿的強度和剛度增長，一定程度上抑制了砂漿的干燥收縮。

木質素纖維對砂漿干燥收縮變形的影響主要是保水效應和拉結效應。木質素纖維能吸收和保持其體積數倍的水，具有明顯的內養護功能，其保持的大量水能促進膠凝材料的水化和砂漿強度與剛度的增長，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，推遲了干縮條件的形成。木質素纖維在砂漿中均勻分散，形成空間網狀結構，將砂漿各部分拉結成一個整體，限制和約束了砂漿收縮的產生和發展，后續的微觀結構分析印證了這一觀點。

3.2 方差分析

砂漿試件各齡期的干縮率變化規律基本一致，僅對其90 d的干縮率進行方差分析，結果列于表4，相應于顯著性水平為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嚴格控制，外加劑可依據砂漿的工作性、強度或經濟性選擇合適的水平。

3.3 回歸分析

3.3.1 模型建立

由表3和圖4趨勢圖可以看出，砂漿的干縮率ε隨時間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系。應用最小二乘擬合并優化，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，u的意義是t趨向于無窮大時的砂漿極限干縮率，10-6。

3.3.2 模型驗證

測定各組砂漿120 d的干縮率對模型進行驗證，實測值、模型預測值與殘差分析結果列于表5。表5中各組實測值與預測值的相對殘差均在±5.0%以內，偏差小，模型預測結果準確，可靠。

表5 干燥收縮預測值與殘差Tab.5 Predicted values and residuals of dry shrinkage

3.4 微觀分析

文獻[14]關于砂漿G4的微觀分析表明：①木質素纖維在砂漿中的排列無定向性，分布均勻，纖維相互搭接，基本形成了網狀結構；②膠凝材料水化反應比較充分，水化產物多，結構密實。可見，水化反應充分，結構密實，木質素纖維分布均勻并搭接成網狀結構是砂漿干燥收縮變形小的主要內在機制。

4 結 論

(1) 鎂渣和木質素纖維對砂漿的干燥收縮變形具有明顯的抑制效應，鎂渣的微膨脹效應、木質素纖維的保水和拉結效應是使砂漿干燥收縮變形減小的主要內在機制;

(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系，砂漿干縮率實測值與模型預測值吻合良好。

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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

國家自然科學基金 (51368047)；寧夏回族自治區建筑工程質量監督檢驗站資助項目(HX2014116)；寧夏回族自治區大學生創新實驗項目(20150153)；寧夏大學研究生創新項目(GIP201631)

崔自治(1963-)，男，工學碩士，教授.主要從事水泥基材料方面的研究.

TU502

A

1001-1625(2016)10-3144-06