不同种类的秸秆纤维对碱矿渣-粉煤灰水泥基材力学性能及抗冻性能的影响

肖力光，马驰宇

吉林建筑大学 材料科学与工程学院,长春 130118

我国每年大约有7亿吨的农作物秸秆产出,大部分被焚烧未得到有效利用,小麦秸秆、大米稻草、玉米穗轴和玉米秸秆等作物含有大量纤维素, 在墙体材料中可以发挥其保温隔热性能的特点[1]，生产出的秸秆墙板具有轻质、隔热、保温、隔音等特性.碱矿渣-粉煤灰水泥作为一种碱激发多组分胶凝材料,以工业固体废弃物(矿渣、煤矸石以及粉煤灰)为主要原料,具有低排放、高耐腐蚀性、耐高温等特点[2-4],是当代建筑领域被广泛代替水泥的碱性胶凝材料[5-7].本文以东北地区盛产的芦苇秸秆、玉米秸秆为研究材料,实验研究了不同种类的秸秆纤维(玉米秸秆、芦苇秸秆)对碱矿渣-粉煤灰水泥基复合材料的凝结时间、力学性能和抗冻性能的影响,为研制秸秆生态板提供依据.

1 试验部分

1.1 原材料

矿渣：来自于吉林省通化钢铁厂;粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰,球磨机粉磨后使用,化学成分见表1;水玻璃：化学纯；秸秆纤维：选用东北地区玉米秸秆与芦苇秸秆,经粉碎机破碎至纤维直径5 mm～10 mm,化学成分见表2;水：试验室自来水.

表1 粉煤灰的化学成分

表2 玉米秸秆与芦苇秸秆化学成分

1.2 试验过程

首先通过正交试验研究不同掺量的粉煤灰、矿渣、水玻璃等对碱矿渣-粉煤灰水泥力学性能的影响,得出最佳的配合比；然后研究掺量为1 %,2 %,3 %,4 %,5 %,6 %,7 %,8 %,9 %的玉米秸秆纤维和芦苇秸秆纤维对碱矿渣-粉煤灰水泥基复合材料的凝结时间、力学性能及抗冻性能的影响，试件在标准养护条件下标养28 d后,测试其抗压强度、抗折强度和冻融循环下的抗冻性能.

2 试验结果与讨论

2.1 碱矿渣-粉煤灰水泥正交实验结果

碱矿渣-粉煤灰水泥正交实验结果见表3,表4,表5和图1.

通过方差分析,得出矿渣∶粉煤灰以3∶1为最佳,水玻璃的最佳掺量为16 %,模数为1.4最佳,最佳水灰比为0.30.从极差可以看出对碱矿渣-粉煤灰水泥性能影响因素主次顺序为：矿渣∶粉煤灰>水玻璃掺量>水玻璃模数>水灰比.由表4可知,最佳配比下抗压强度为63.0 MPa.

表3 正交试验因素水平表Table 3 Orthogonal experimental factors level table

表4 正交试验结果Table 4 Orthogonal test results

表5 28 d抗压强度计算结果Table 5 Calculation results of the 28 d compressive strength

图1 28 d抗压强度k值与因素和水平的关系Fig.1 Relationship between k valueof the 28 d compressivestrength and factors and level 图2 不同秸秆纤维对抗压强度的影响Fig.2 Influence of different strawfibers on compressive strength 图3 不同秸秆纤维对抗折强度的影响Fig.3 Influence of different strawfibers on compressive strength

2.2 不同种类秸秆纤维对碱矿渣-粉煤灰复合材料强度的影响

图2,图3为不同掺量的玉米秸秆纤维和芦苇秸秆纤维对碱矿渣-粉煤灰复合材料的抗压强度和抗折强度影响的实验结果.

由图2,图3可知，碱矿渣-粉煤灰复合材料随秸秆纤维掺入量的增加,其抗压强度降低, 当玉米秸秆与芦苇秸秆的掺量达到8 %时, 复合材料的抗压强度低于20 MPa，在相同掺量下，掺玉米秸秆纤维的抗压强度要小于掺芦苇秸秆纤维的抗压强度；秸秆纤维掺量在一定范围内复合材料抗折强度提高，玉米秸秆与芦苇秸秆掺量均为3 %时，抗折强度达到最高值7.4 MPa 和7.7 MPa.

2.3 不同种类秸秆纤维对碱矿渣-粉煤灰复合材料凝结时间的影响

图4，图5为不同掺量的玉米秸秆纤维和芦苇秸秆纤维对碱矿渣-粉煤灰胶凝材料凝结时间影响的实验结果.

图4 玉米秸秆掺量对凝结时间的影响Fig.4 Influence of reed straw content on setting time

图5 芦苇秸秆掺量对凝结时间的影响Fig.5 Influence of corn straw content on setting time

由图4，图5可知, 碱矿渣-粉煤灰胶凝材料初凝和终凝时间随秸秆纤维掺量增加而延长，掺量相同时,玉米秸秆纤维缓凝效果高于芦苇秸秆纤维，当掺量为3 %～5 %时,缓凝效果最好,完全符合《通用硅酸盐水泥》GB175 -2007/XG2-2015 中规定的初凝时间不小于 45 min、终凝时间不大于 390 min 的要求.

2.4 不同种类秸秆纤维对碱矿渣-粉煤灰复合材料抗冻性能的影响

图6，图7为掺量3 %的玉米秸秆纤维和芦苇秸秆纤维对碱矿渣-粉煤灰复合材料抗冻性能影响的实验结果.

图6 抗冻融质量损失图Fig.6 Quality loss of freeze-thaw resistance

图7 抗冻融强度损失图Fig.7 Compressive strength loss of freeze-thaw resistance

由图6，图7可知,掺入秸秆纤维的复合材料抗冻性能随冻融循环次数的增加，质量损失率和强度损失率均增大，在35次冻融循环下，芦苇秸秆纤维复合材料与玉米秸秆纤维复合材料的最大强度损失率为24.1 %,26.3 %；在同秸秆纤维掺量为3 %相同冻融循环次数下，掺芦苇秸秆纤维复合材料的质量损失率和强度损失率均小于掺玉米秸秆纤维，说明芦苇秸秆纤维复合材料的抗冻性能好于玉米秸秆纤维复合材料.

3 结论

(1) 通过正交设计得出碱矿渣-粉煤灰水泥最佳配合比为矿渣∶粉煤灰∶碱激发剂为3∶1∶0.16，水灰比为0.30,水玻璃模数为1.4.最佳28 d抗压强度为63.0 MPa.

(2) 掺芦苇秸秆纤维的复合材料抗压强度要高于掺玉米秸秆纤维，二者的抗折强度都是在掺量为3 %时达到最高值;随着秸秆纤维掺入,复合材料的初、终凝时间延长,掺玉米秸秆纤维的碱矿渣-粉煤灰复合材料平均缓凝时间比掺芦苇秸秆纤维多15 min.

(3) 在冻融循环35次实验中，秸秆纤维掺量同为3 %时，相比于掺玉米秸秆纤维，掺芦苇秸秆纤维碱矿渣-粉煤灰复合材料的质量损失率降低了0.2 %，强度损失率降低了2.54 %,冻融循环可达35次.