镁渣木质素纤维复合抹灰砂浆的性能研究

崔自治，韩　东，宁　涛，卢振东

(宁夏大学土木与水利工程学院，银川　750021)



镁渣木质素纤维复合抹灰砂浆的性能研究

崔自治，韩东，宁涛，卢振东

(宁夏大学土木与水利工程学院，银川750021)

为有效与充分利用工业废料，改善抹灰砂浆的性能，以水胶比、镁渣掺量、外加剂掺量和木质素纤维掺量为因素，设计正交试验方案L16(45)，试验研究了镁渣木质素纤维复合抹灰砂浆的性能。应用激光粒度仪分析了镁渣的颗粒级配，扫描电镜分析了镁渣的形貌和砂浆的微观结构，正交试验理论分析了各因素的作用规律，及其显著性，最小二乘法建立了抹灰砂浆和易性参数及力学强度的多元非线性回归模型。在试验研究条件下，镁渣、外加剂和木质素纤维能明显改善砂浆的和易性，木质素纤维对砂浆保水性的影响显著，镁渣对砂浆的流动性稍有不利影响；镁渣和木质素纤维对抹灰砂浆的力学强度有增强效应，木质素纤维对砂浆强度的影响不显著，镁渣掺量有较大影响；建立的回归模型显著性高，相关性好。

抹灰砂浆； 镁渣； 木质素纤维； 回归模型

1　引　言

抹灰砂浆往往因粘结和抗裂性能不足，而产生脱落、开裂，影响建筑物的外观，危及结构构件的耐久性。随着经济发展和施工技术的提高，现代建筑对抹灰砂浆硬结前的工作性、硬化后的粘结性和抗裂性要求不断提高，改善抹灰砂浆性能成为当前研究的热点。应用掺合料[1,2]、纤维[3-5]、外加剂[6-8]等改善复合抹灰砂浆的和易性和力学性能，为抹灰砂浆的深入研究奠定了基础。镁渣为镁厂冶炼镁排出的废渣，具有一定的水化活性和潜在的体积膨胀性。崔自治等利用镁渣的水化活性和体积膨胀性改善混凝土的性能，研究认为：在混凝土中掺入适量的镁渣，可改善混凝土的和易性，提高混凝土的强度[9]和抗碳化性能[10]，减少混凝土的塑性收缩变形[11]和干缩收缩变形，且不会对混凝土产生膨胀性危害[12,13]。宁夏盛远新型建材有限责任公司尝试将木质素纤维用于抹灰砂浆，以改善砂浆的和易性和抗裂性，收到很好的效果，但缺乏理论支撑。张志祥等试验研究了木质素纤维对沥青混合料路用性能影响，认为木质素纤维对改善沥青混合料的温度稳定性和抗裂性有明显效果[14-16]。

关于镁渣和木质素纤维用于抹灰砂浆的研究鲜于报道，开展镁渣木质素纤维复合抹灰砂浆的性能研究，对拓展镁渣应用范围，改善抹灰砂浆性能具有重要的理论价值和现实意义。

2　试　验

2.1材料与处理

镁渣取自宁夏惠冶镁业有限公司，主要化学成分为CaO、SiO2、MgO和Fe2O3，以及少量的Al2O3、P2O5、SO3和其它，如表1所示。矿物组成主要为-C2S、-C2S、MgO、Mg3N2和f-CaO[9]。镁渣的形貌示于图1。原状镁渣颗粒较粗，表面光洁，呈棱角状，片理构造，裂隙发育[13]。原状镁渣存在诸多不足，如不宜错动，吸水性大，易压碎，活性小，填充效果不良等，对抹灰砂浆的流动度、流动度损失和强度产生不利影响。为了改善镁渣效应，对镁渣作了磨细处理。粉磨后的镁渣比表面积440.0 m2/kg，颗粒分布如图2所示，较原状镁渣细度增大，粒形改善，原生裂隙减少。

图1　镁渣的颗粒形貌(a)原状镁渣；(b)磨细镁渣Fig.1　Particle morphology of magnesium slag

图2　镁渣的粒径分布Fig.2　Particle size distribution of magnesium slag

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水泥、粉煤灰、木质素纤维、外加剂和骨料由宁夏盛远新型建材有限责任公司提供。水泥28 d的抗折强度8.9 MPa，抗压强度49.2 MPa，MgO含量2.1%。粉煤灰为F类I级灰，45 μm筛余5.8%，需水比93.0%。木质素纤维，长350m，纤维含量>80%，密度125 g/L，pH值6～8，如图3所示。外加剂为具有引气和缓凝作用的高效减水剂，减水率>20%。骨料为机制砂，石粉含量8.5%、亚甲蓝值0.8、泥块含量0.2%、过2.5 mm的筛。

试验用水为洁净自来水。

图3　木质素纤维Fig.3　Lignin fiber

2.2试验方法

固定单位用水量为240.0 kg，粉煤灰取代率为35.0%，以水胶比W/B、镁渣掺量m、外加剂掺量p和木质素纤维掺量l为因素，设计正交试验方案L16(45)，水胶比以M15抹灰砂浆的水胶比(0.59)为基础上下浮动0.05设置，镁渣掺量参照文献[9,11,13]设置，外加剂和木质素纤维掺量参照盛远公司实际掺量设置，因素与水平列于表2，其中e为误差列。

表2　正交试验方案的因素与水平

镁渣掺量为镁渣与胶凝材料用量的比值，超量掺加，以补偿粉煤灰等量取代水泥引起的砂浆强度损失。

砂浆的性能试验按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》JGJ/T70-2009进行。

3　结果与讨论

试验方案与结果列于表3，表中ρ为表观密度，sd为沉入度，ld为分层度，wR为保水率，fc为28 d的抗压强度，fat为拉伸粘结强度，ft为劈裂抗拉强度。表中各组砂浆的表观密度均大于1 900 kg/m3，超掺镁渣各组砂浆的强度均很高，远高于M15砂浆的试配强度18.0 MPa。

表3　试验方案与结果

3.1直观分析

按正交试验分析理论分析得出的各因素作用效应的趋势图示于图4。

图4　效应趋势图(a) 沉入度；(b)分层度；(c)保水率；(d)抗压强度；(e)粘结强度；(f)抗拉强度Fig.4　Trend curves of effect

关于砂浆的和易性，镁渣使砂浆的流动性降低，保水性提高，但极差不大，影响不是很明显。木质素纤维和镁渣对砂浆的和易性的影响规律大致相似，亦使砂浆的流动性降低，保水性提高，但影响程度不同，对流动性影响较小，对保水性影响比较大。镁渣经粉磨，粒径减小，表面微凸增多，比表面积明显增大，原生裂隙减少。粉磨镁渣，较大的比表面积，对水的吸着力大，且残留的原生微裂隙，吸收的水不易析出，故有良好的吸水性和保水性；表面较粗糙，呈棱角状，颗粒间相对错动困难；能独立水化，如其中的Mg3N2遇水即反应，细度大，与水接触的面积大，水化反应充分，需水量增加。因此，随镁渣掺量的增加，砂浆的沉入度和分层度减小，保水率增大。木质素纤维具有良好的吸水性、锁水性和一定的抗滑移能力，能阻碍砂浆中水分的散失，提高砂浆的保水性，表观上使砂浆流动性有所降低。在施工抹压时，木质素纤维吸收的部分水能很快析出，使砂浆的流动性得到较大程度的恢复。

关于砂浆的强度，镁渣使砂浆的抗压强度、粘结强度和抗拉强度均有明显的提高，尤其是抗压强度，镁渣掺量从15%增加到30%，抗压强度增长约24.6%。木质素纤维对砂浆的强度具有一定的增强效应，对粘结强度和抗拉强度贡献较大，对抗压强度的贡献较小，木质素纤维有利于抹灰砂浆抗裂性能的提高。砂浆各强度均随外加剂掺量的增加呈先增大后减小的非线性变化规律，外加剂的合理掺量约为1.0%。镁渣对抹灰砂浆强度的影响主要为水化效应、填充效应和界面效应。镁渣中有限的Mg3N2，MgO，CaO，-C2S等能独立水化，生成氢氧化镁、氢氧化钙和水化硅酸钙等水化产物[9]，物料间的胶结增强。镁渣颗粒细可以改善骨料级配，填充骨料间细小的空隙；改善界面状态，减少界面吸附水和塑性沉降裂隙缺陷。木质素纤维主要是吸水和保水性效应，其次是拉结效应[3,4]。木质素纤维良好的吸水和保水性可为胶凝材料水化提供充足的水分，同时可以减小砂浆的塑性收缩和干燥收缩，进而减少砂浆的裂缝缺陷；木质素纤维强度低，刚度小，约束力不强，对砂浆强度的贡献有限。外加剂主要是减水和塑化效应。外加剂通过减水和塑化改善砂浆浆体的和易性，影响硬化砂浆的密实性。外加剂掺加适量能提高砂浆的密实性，掺加过量因在砂浆中引入的气体增加，反而会使砂浆密实度降低。

3.2方差分析

方差分析结果列于表4。由表4可见，各因素对抹灰砂浆和易性和力学性指标的影响程度有明显差异。水胶比对沉入度、抗压强度、粘结强度和抗拉强度的影响显著，对分层度和保水性的影响较显著；镁渣掺量对沉入度、抗压强度、粘结强度和抗拉强度的影响较显著，对分层度和保水性的影响不显著；外加剂掺量对沉入度、分层度和保水性的影响显著，对粘结强度的影响较显著，对抗压强度和抗拉强度的影响不显著；木质素纤维掺量对分层度和保水性的影响显著，对粘结强度的影响较显著，对沉入度、抗压强度和抗拉强度的影响不显著。

表4　方差分析

备注：F0.1=5.36，F0.05=9.28，F0.01=29.46

方差理论认为在选择最优组合时，对于不显著的因素，原则上可选在试验范围内的任意的一个水平。譬如，镁渣掺量对砂浆工作性的影响不显著，可选择较高的水平以提高砂浆的力学性能；外加剂和木质素纤维对砂浆力学性能的影响不显著，可选择合适的水平以改善砂浆的工作性。

砂浆各因素最优组合的确定不同于生产，产量越大越好，主要依据性能要求和经济性确定。抹灰砂浆通常应满足和易性、强度和经济性要求。《抹灰砂浆技术规程》JGJ/T220-2010规定M15水泥抹灰砂浆的施工稠度90 mm左右，分层度10～20 mm为宜，保水率不小于82%，拉伸粘结强度不小于0.2 MPa。抗压强度大于且最接近试配抗压强度(18.0 MPa)的组有G9和G14，且其它指标均满足要求，G14较G9组水泥和纤维掺量少，外加剂掺量相同，镁渣掺量大。综上分析，就M15水泥抹灰砂浆来讲，G14组合最优，水胶比0.70，镁渣掺量20.0%，外加剂掺量1.0%，木质素纤维掺量0.1%。

3.3回归分析

由直观分析可知，抹灰砂浆的上述六个指标均与水胶比和外加剂掺量呈非线性关系，与镁渣掺量和木质素纤维掺量近似呈线性关系，设各指标统一的回归模型为fi=c+b1B/w+b2m+b3p+b4l+b5p2，其中c、b1、b2、b3、b4和b5为回归系数。取置信度为95%，应用最小二乘法拟合，采用t检验剔除影响不显著的因素，得各指标的多元非线性回归数学模型。

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为胶水比，其它符号意义和单位同前。

各指标回归模型的相关系数R2，显著性检验值F和临界值F0.95(置信度为95%)列于表5。

表5　回归模型检验

表5中各回归模型的相关系数R2均较大，显著性检验值F均大于临界值，可见模型与各因素的相关性好、拟合度高，置信度为95%时显著。

图5　砂浆的SEM图(a)G4;(b)G13Fig.5　SEM images of mortar

3.4微观分析

砂浆养护28 d的SEM分析示于图5，由图5可见：①木质素纤维在砂浆中的排列无定向性，分布均匀，砂浆G4中的纤维相互搭接，基本形成了网状结构，G13中的纤维相互搭接不够。②砂浆G4的密实性大，水化反应比较充分，水化产物多；G13的结构相对疏松，有明显的孔隙，反应不完全的球状粉煤灰清晰可见。结构密实，水化反应充分，木质素纤维分布均匀并搭接成网状结构是G4砂浆力学性能高的内在机制。

4　结　论

在试验研究条件下，得出如下主要结论：

(1)在抹灰砂浆中掺入镁渣、外加剂和木质素纤维能够明显改善砂浆的和易性，木质素纤维对保水性的改善显著，且对流动性的不利影响不显著，镁渣对砂浆的流动性有一定不利影响;

(2)超掺镁渣能明显提高抹灰砂浆的强度，尤其是抗压强度，木质素纤维对抹灰砂浆的粘结强度和抗拉强度有明显改善;

(3)建立的抹灰砂浆和易性参数模型，力学强度模型显著性高，相关性好。

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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

国家自然科学基金(51368047)；宁夏回族自治区建筑工程质量监督检验站资助项目(HX2014116)；宁夏大学研究生创新项目(GIP201631)

崔自治(1963-)，男，工学硕士，教授.主要从事水泥基材料方面的研究.

TU502

A

1001-1625(2016)06-1699-06