低品質(zhì)粉煤灰抹灰砂漿的強度特性

寧　濤，韓　東，劉　艷，崔自治

(1.寧夏大學土木與水利工程學院， 寧夏銀川750021；2.寧夏電投西夏熱電有限公司， 寧夏銀川750021)

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低品質(zhì)粉煤灰抹灰砂漿的強度特性

寧濤1，韓東1，劉艷2，崔自治1

(1.寧夏大學土木與水利工程學院， 寧夏銀川750021；2.寧夏電投西夏熱電有限公司， 寧夏銀川750021)

為探索低品質(zhì)粉煤灰對抹灰砂漿強度的影響規(guī)律，以水膠比、粉煤灰取代率、超摻率和木質(zhì)素纖維摻量為因素，設計正交試驗方案L16(45)，研究了低品質(zhì)粉煤灰抹灰砂漿的強度特性。應用正交試驗理論分析了各因素的作用規(guī)律及其顯著性，最小二乘法建立了抹灰砂漿力學強度的多元非線性回歸模型，提出了M15抹灰砂漿的最優(yōu)組合為水膠比0.60，粉煤灰取代率40%、超摻率15%，木質(zhì)素纖維摻量0.2%。低品質(zhì)粉煤灰等量取代水泥，對砂漿的拉伸粘結(jié)強度和抗壓強度負效應顯著，但對劈裂抗拉強度的負效應很??；超摻有顯著的增強效應，對于抗拉強度和抗壓強度，適當超摻的正效應可以補償甚至超過取代引起的損失；木質(zhì)素纖維摻量增加0.3%，砂漿的粘結(jié)強度和抗拉強度分別增大0.15 MPa和0.24 MPa，增強效應明顯；建立的回歸模型顯著性高，相關性好。研究結(jié)果對有效利用低品質(zhì)粉煤灰，改善抹灰砂漿性能具有重要的現(xiàn)實意義。

抹灰砂漿；強度；低品質(zhì)粉煤灰；木質(zhì)素纖維

0　引　言

目前Ⅰ、Ⅱ級粉煤灰在水泥基材料中已得到廣泛應用，而低品質(zhì)粉煤灰因燒失量大、活性低，應用受到限制，如Ⅲ級粉煤灰僅用于低強度等級的無筋混凝土，利用率很低，如何有效利用低品質(zhì)粉煤灰受到關注。因此，低品質(zhì)粉煤灰在混凝土中的應用研究取得了長足進展，如低品質(zhì)粉煤灰吸水性大，保水性好[1]；低品質(zhì)粉煤灰取代水泥對混凝土的抗拉強度沒有明顯影響[2]，適量超摻能配制出較高強度等級的混凝土[3]和抗?jié)B混凝土[4]；石灰石在硫酸鹽環(huán)境中耐蝕能力較差[5]，低品質(zhì)粉煤灰使石灰石粉混凝土耐硫酸鹽侵蝕的能力提高[6-7]，耐久性改善[8-9]；燒失量較小的粉煤灰，其粒度對減水性的影響很小[10]。抹灰砂漿對粘結(jié)和抗裂要求高，無筋且強度要求低，將低品質(zhì)粉煤灰用于抹灰砂漿，能滿足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GBT1596-2005)的要求，可發(fā)揮其改善水泥基材料保水性和抗裂性的優(yōu)點，但相關的研究報道不多。木質(zhì)素纖維具有良好的保水性、分散性和一定的強度，寧夏盛遠新型建材有限責任公司嘗試將木質(zhì)素纖維用于抹灰砂漿，以改善砂漿的和易性和抗裂性，收到很好的效果，但缺乏理論支撐。

本文通過研究低品質(zhì)粉煤灰和木質(zhì)素纖維對抹灰砂漿性能的影響，以期為有效利用低品質(zhì)粉煤灰，改善抹灰砂漿性能提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1材料及處理

粉煤灰取自寧夏銀川市西夏區(qū)熱電廠，為F類原狀灰，45 μm篩余量46.0%，燒失量7.6%，需水量比108.0%。

水泥、木質(zhì)素纖維、外加劑和骨料均由寧夏盛遠新型建材有限責任公司提供。水泥為P.O42.5強度等級的水泥，28 d的抗折強度8.9 MPa，抗壓強度49.2 MPa，其主要化學成分見表1。木質(zhì)素纖維長350 μm，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2.36 mm的篩。

試驗用水為潔凈自來水。

表1　水泥的主要化學成分Tab.1　Main chemical composition of cement

1.2試驗方法

減小單位用水量是減少抹灰砂漿干縮的重要手段，由此對流動性產(chǎn)生的不利影響，通過摻加外加劑予以改善。固定單位用水量220.0 kg，外加劑摻量0.80%，以水膠比w/B(w為用水量，B為膠凝材料用量)、粉煤灰取代率f、粉煤灰超摻率fu以及木質(zhì)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(0.59)為基礎上下浮動約0.05設置，因素水平見表2，其中e為誤差列。

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

因粉煤灰較水泥的活性低，強度貢獻在后期，水泥基材料28d的強度常表現(xiàn)為隨粉煤灰取代率的增加而降低，尤其是低品質(zhì)粉煤灰，僅以粉煤灰取代率為因素，難以評價粉煤灰對強度的貢獻。故將粉煤灰分別設置了取代率和超摻率兩個因素，以取代率考察粉煤灰等量取代水泥所產(chǎn)生的強度損失大小，以超摻率考察超摻粉煤灰對強度的貢獻程度。

砂漿的強度試驗按照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T70-2009)執(zhí)行。

2　結(jié)果及分析

2.1正交分析

正交試驗方案及結(jié)果列于表3，表3中fb為砂漿的拉伸粘結(jié)強度，ft為砂漿的劈裂抗拉強度， fc為砂漿28d的立方體抗壓強度。

表3　正交試驗方案與結(jié)果Tab.3　Orthogonal test scheme and results

按正交試驗分析理論得砂漿拉伸粘結(jié)強度、劈裂抗拉強度和抗壓強度隨各因素變化的趨勢線分別示于圖1～圖3(L為各因素的水平號)，方差分析結(jié)果列于表4。

圖1粘結(jié)強度趨勢線

Fig.1Trendcurvesofbondstrength

圖2抗拉強度趨勢線

Fig.2Trendcurvesoftensilestrength

圖3　抗壓強度趨勢線

方差來源fbftfcFi顯著性Fi顯著性Fi顯著性w∶B16.19顯著39.31很顯著38.99很顯著f9.63顯著3.45不顯著12.79顯著fu3.08不顯著13.02顯著10.28顯著l6.11較顯著6.53較顯著2.85不顯著

注：F0.1=5.36，F(xiàn)0.05=9.28，F(xiàn)0.01=29.46。

水膠比的影響研究已很深入，所得結(jié)論大致相同，不再贅述，重點討論粉煤灰取代率f、超摻率fu和木質(zhì)素纖維摻量l的作用效應，由圖1～圖3和表4可見：

①粉煤灰取代率的作用效應均為負效應，與高品質(zhì)粉煤灰的效應符號一致[11-12]，但效應趨勢和影響程度不同。低品質(zhì)粉煤灰的負效應較大，關于粘結(jié)強度和抗壓強度，負效應隨粉煤灰取代率的增加呈增大的趨勢。粉煤灰取代率對粘結(jié)強度和抗壓強度的影響大，對抗拉強度的影響小。低品質(zhì)粉煤灰的火山灰活性低，負效應較大是自然的。負效應增大的主要原因是低品質(zhì)粉煤灰激活對Ca(OH)2的濃度要求高，粉煤灰取代率增加，一方面二次水化消耗的Ca(OH)2增加，另一方面水泥用量及其水化產(chǎn)生的Ca(OH)2減少，二者疊加加劇了Ca(OH)2濃度的降低，粉煤灰水化率減小，負效應增大。粉煤灰取代率對抗拉強度的影響不顯著，是粉煤灰能夠提高水泥基材料抗拉性能的間接體現(xiàn)。

②粉煤灰超摻率的作用效應均為正效應，正效應發(fā)展的趨勢基本相同，隨超摻率的增加而減小。粉煤灰超摻率對抗拉強度和抗壓強度的影響大，對粘結(jié)強度的影響小。超摻正效應是粉煤灰火山灰活性的直接體現(xiàn)，此外低品質(zhì)粉煤灰保水性較好，也有利于砂漿強度的增長。粉煤灰較骨料細，超摻率小時，可改善骨料級配，過大則使骨料級配劣化。超摻率增加，Ca(OH)2濃度因二次水化消耗而降低，粉煤灰水化率減小，同時骨料級配由改善向劣化轉(zhuǎn)變，甚至水泥漿不足以包裹骨料，故正效應減小。對于抗拉強度和抗壓強度，適當超摻的正效應可以補償甚至超過取代損失。

③木質(zhì)素纖維對砂漿的強度具有一定的增強效應，木質(zhì)素纖維摻量從0.1%增大到0.4%，粘結(jié)強度增大0.15MPa，抗拉強度增大0.24MPa，對粘結(jié)強度和抗拉強度貢獻相對較大，對抗壓強度的貢獻相對較小，木質(zhì)素纖維有利于抹灰砂漿抗裂性能的提高。木質(zhì)素纖維主要是吸水和保水性效應，其次是拉結(jié)效應。木質(zhì)素纖維良好的吸水和保水性可為膠凝材料水化提供充足的水分，同時可以減小砂漿的干燥收縮，進而減少砂漿的裂縫缺陷，還可以消除界面“積水”，改善界面狀態(tài)。木質(zhì)素纖維的拉結(jié)效應，能限制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，改善復雜應力狀態(tài)，但其強度低，剛度小，約束力不強，對砂漿強度的貢獻有限。

砂漿各因素最優(yōu)組合的確定不同于生產(chǎn)，產(chǎn)量越大越好，主要依據(jù)性能要求和經(jīng)濟性確定。《抹灰砂漿技術規(guī)程》(JGJ/T220-2010)規(guī)定M15水泥粉煤灰抹灰砂漿的拉伸粘結(jié)強度不小于0.15MPa?？箟簭姸葷M足且最接近M15砂漿試配強度(18.0MPa)的組合有G8和G14，G8較G14的水泥用量省34.0kg，木質(zhì)素纖維(影響不顯著，可取較小值)用量相當，低品質(zhì)粉煤灰用量大。就強度要求來講，綜合考慮經(jīng)濟性和廢渣利用，G8為M15砂漿的最優(yōu)組，其水膠比0.60，粉煤灰取代率40%，超摻率15%，木質(zhì)素纖維摻量0.2%。

2.2回歸分析

取置信度為95%，應用最小二乘法擬合，采用t檢驗剔除影響不顯著的因素，分別得砂漿拉伸粘結(jié)強度、劈裂抗拉強度和抗壓強度的多元非線性回歸數(shù)學模型。

拉伸粘結(jié)強度回歸模型：

fb=-0.034+0.6536B/w-0.0131f+0.1800fu+1.5525l-2.125l2。

劈裂抗拉強度回歸模型：

ft=-1.092+1.4566B/w-0.0112f+2.0806fu+0.7625l-0.8594fu2。

抗壓強度回歸模型：

fc=-36.34+27.228B/w-0.406f+39.025fu+9.600l-16.875fu2。

模型的相關系數(shù)R2和顯著性檢驗值F分別為：拉伸粘結(jié)強度R2=0.953 1，F(xiàn)=40.66；劈裂抗拉強度R2=0.951 8，F(xiàn)=39.50；抗壓強度R2=0.972 9，F(xiàn)=71.80。置信度為95%時，顯著性檢驗臨界值F0.05(5,10)=3.33，三個模型的相關系數(shù)R2均很大，顯著性檢驗值F均大于臨界值。可見三個模型的顯著性高，與各因素的相關性好。

3　結(jié)　論

①低品質(zhì)粉煤灰等量取代水泥，對砂漿的拉伸粘結(jié)強度和抗壓強度負效應大，但對劈裂抗拉強度的負效應很小。

②低品質(zhì)粉煤灰超量摻加，對砂漿的力學強度具有增強效應，對砂漿抗拉強度和抗壓強度的增強效應顯著。對于抗拉強度和抗壓強度，適當超摻的正效應可以補償甚至超過取代損失。

③木質(zhì)素纖維摻量增加0.3%，砂漿的粘結(jié)強度和抗拉強度分別增大0.15MPa和0.24MPa，增強效應明顯。

④建立的砂漿強度模型顯著性高，相關性好。

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(責任編輯唐漢民梁健)

Strength characteristics of low quality fly ash plastering mortar

NING Tao1, HAN Dong1, LIU Yan2, CUI Zi-zhi1

(1.College of Civil and Hydraulic Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021 China;2.Ningxia Power Investment Xixia Thermal Power Co.Ltd., Yinchuan 750021 China)

In order to explore the influence of low quality fly ash on strength of mortar plastering, considering factors like water binder ratio, replacement rate of fly ash, mixing ratio of fly ash and lignin fiber content, the strength characteristics of low-quality fly ash plastering mortar were studied by an orthogonal test. The effect of each factor was analyzed using the orthogonal test theory, and multivariate nonlinear regression models of plastering mortar strength were established using the least square method. The optimal mix of M15 plastering mortar, water binder ratio of which is 0.6, replacement rate of fly ash of which is 40%, super-mixing ratio of fly ash of which is 15% and lignin fiber content of which is 0.2%was put forward. Under experimental environment, the negative effect of equivalent replacement of cement with low quality fly ash on the tensile bonding strength and compressive strength of mortar is significant, while the effect on the splitting tensile strength is very small; Excessive mixing of low quality fly ash has a significant enhancement effect on the strength of mortar, and suitable excessive mixing can compensate, or even exceed the loss of tensile and compressive strength caused by equivalent replacement; When lignin fiber content is increased by 0.3%, the bond strength and tensile strength of mortar are increased by 0.15 MPa and 0.24 MPa respectively, and the enhancement effect is obvious. The significance of the regression model is high, and the correlation is good. The results have practical importance for effective use of low quality fly ash to improve performance of plastering mortar.

plastering mortar; strength; low quality fly ash; lignin fiber

2016-04-10；

2016-06-13

國家自然科學基金資助項目 (51368047)；寧夏綠色建筑工程技術研究中心資助項目(201518);寧夏大學研究生創(chuàng)新項目(GIP201631);寧夏回族自治區(qū)大學生創(chuàng)新實驗項目(201505153)

崔自治(1963—)，男，河南永城人，寧夏大學教授；E-mail:czz2062428@qq.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1194

TU502

A

1001-7445(2016)04-1194-06

引文格式：寧濤，韓東，劉艷,等.低品質(zhì)粉煤灰抹灰砂漿的強度特性[J].廣西大學學報(自然科學版)，2016，41(4)：1194-1199.