麥秸稈纖維混凝土抗氯離子滲透性能研究

王繼博，任慧超，張濤，吳超，張凱峰，馮濤濤

（中建西部建設北方有限公司，陜西 西安 710119）

0 引言

我國農(nóng)作物纖維年產(chǎn)量約為6.5億t，其中麥秸稈資源尤為豐富[1]，但目前麥秸稈資源利用率低下，約90%麥秸稈會直接進行燃燒處理，造成嚴重的環(huán)境污染，因此麥秸稈的可持續(xù)利用引起了人們的高度重視[2-3]。而麥秸稈纖維因其結構緊密，具有較好的韌性和抗拉強度，將麥秸稈纖維摻入混凝土中可改善其抗裂性能，增強混凝土的力學強度，同時提高麥秸稈的高附加值[4]。

為促進麥秸稈纖維與混凝土界面的結合能力，通常需要對麥秸稈纖維進行表面處理，其中采用堿液蒸煮與聚合物包裹法對麥秸稈纖維進行表面改性的效果較為顯著[5-6]?？孤入x子滲透性能是混凝土重要的耐久性指標，也是纖維混凝土抗?jié)B性能的重要表征[7-9]。但目前針對麥秸稈纖維混凝土抗氯離子滲透性能的研究相對較少，缺乏關于其耐久性能的系統(tǒng)研究，阻礙了麥秸稈纖維混凝土在實際工程中的應用。

本文在對麥秸稈纖維表面進行堿液蒸煮和聚合物包裹改性的基礎上，分別通過正交優(yōu)化試驗以及數(shù)值模型建立對麥秸稈纖維混凝土的抗氯離子滲透性能進行研究，為今后麥秸稈纖維混凝土大規(guī)模生產(chǎn)應用提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R水泥，陜西冀東水泥有限公司產(chǎn)。

粉煤灰：Ⅱ級，陜西正源股份有限公司產(chǎn)，細度14.6%。礦粉：S95級，陜西立之林建材有限公司產(chǎn)，比表面積430 cm2/g，7 d活性指數(shù)74%，28 d活性指數(shù)99%。

粗骨料：5～31.5 mm碎石，瑞德寶爾產(chǎn)，針片狀含量3%，含泥量0.5%，松散堆積空隙率47%，緊密堆積空隙率42%。

細骨料：渭河Ⅱ區(qū)中砂，含泥量2.4%，泥塊含量0.3%，松散堆積密度46%，緊密堆積密度41%。

聚羧酸高性能減水劑：中建西部建設北方有限公司產(chǎn)，含固量20%，減水率26%。

水：自來水。

麥秸稈：選取陜西省戶縣的天然麥秸稈，分別采用研磨機與粉碎機進行粉末破碎，最大粒徑為6.87 mm。

氫氧化鈉（NaOH）：分析純，天津市北聯(lián)精細化學品開發(fā)有限公司生產(chǎn)。

聚乙烯醇（PVA）：天津市光復精細化工研究所生產(chǎn)。

1.2 試驗方法

取一定量麥秸稈浸泡在15%的NaOH溶液中，蒸煮時間控制為40 min，蒸煮溫度為100℃，經(jīng)高速攪拌器混合攪拌30 min，將處理后的混合物在80℃高溫下烘干6 h，制得麥秸稈纖維。將聚乙烯醇溶入100℃水中，制得濃度為1%的聚乙烯醇溶液，采用經(jīng)堿液蒸煮處理后的麥秸稈纖維加入已制備的聚乙烯醇溶液中進行聚合物包裹改性，用高速攪拌器混合攪拌30 min后取出，在80℃高溫下烘干6 h備用。

選取經(jīng)表面處理的麥秸稈纖維制備C30麥秸稈纖維混凝土，確定膠凝體系中礦物摻合料粉煤灰與礦粉的質量比為1∶3，基準配合比如表1所示。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行6 h電通量測試，采用正交優(yōu)化設計試驗研究水膠比、礦物摻合料摻量、麥秸稈纖維摻量對麥秸稈纖維混凝土抗氯離子滲透性能的影響，并確定其最佳配合比。利用數(shù)學模型分析麥秸稈纖維混凝土抗氯離子滲透性能，建立三元線性回歸數(shù)學模型預測麥秸稈纖維混凝土6 h電通量。本試驗選用L9（34）的3因素3水平正交試驗，試驗因素水平見表2，礦物摻合料摻量與麥秸稈纖維摻量均按占膠凝材料質量計算。

表1 試驗用混凝土的基準配合比 kg/m3

表2 正交試驗因素水平

2 試驗結果與分析

2.1 正交優(yōu)化設計試驗結果與分析

麥秸稈纖維混凝土試件抗氯離子滲透性能正交試驗結果與極差分析見表3，方差分析見表4。

表3 正交試驗設計及性能測試結果與分析

表4 正交試驗方差分析

由表3可以看出：

（1）隨著水膠比的增大，麥秸稈纖維混凝土的6 h電通量逐漸增大，抗氯離子滲透性能下降。這主要是因為提高水膠比會導致麥秸稈纖維混凝土密實度降低，其內部的毛細管道數(shù)量相應增加，從而為氯離子的傳輸創(chuàng)造條件，導致氯離子移動速度加快，最終使麥秸稈纖維混凝土的抗?jié)B性能降低。

（2）隨著礦物摻合料摻量的增加，麥秸稈纖維混凝土的抗氯離子滲透性能先增強后下降。這是因為礦物摻合料可對麥秸稈纖維混凝土的密實度產(chǎn)生互補效應，在水化早期，礦粉優(yōu)先發(fā)揮火山灰效應，改善混凝土內部孔隙結構及漿體和集料的界面結構；在水化后期，粉煤灰發(fā)揮其火山灰效應使孔徑細化，未參與水化反應的粉煤灰“內核作用”促使混凝土密實度持續(xù)提高。而當?shù)V物摻合料摻量超過一定范圍后，會降低膠凝體系的粘結能力，導致混凝土內部孔結構增加，密實度下降。

（3）隨著麥秸稈纖維摻量的增加，麥秸稈纖維混凝土的抗氯離子滲透性能先增強后下降。這是由于當麥秸稈纖維摻量在一定范圍內時，可有效改善混凝土內部的孔隙結構，進一步抑制微裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。但當麥秸稈纖維摻量過大時，會制約混凝土的凝結硬化，致使混凝土內部結構均勻性降低，從而對混凝土的抗氯離子滲透性能產(chǎn)生不利影響。

由表4可以看出：根據(jù)F比，各因素顯著性影響的順序為：水膠比>麥秸稈纖維摻量>礦物摻合料摻量，其中礦物摻合料摻量的均方值最小，故作為誤差列。

麥秸稈纖維混凝土抗氯離子滲透性能的最佳配合比組合為A1B2C2，即水膠比0.40，礦物摻合料摻量20%，麥秸稈纖維摻量0.10%，該組合配比下麥秸稈纖維混凝土的6 h電通量為782.68 C，具有較強的抗氯離子滲透性能。

2.2 抗氯離子滲透數(shù)學模型建立

設定氯離子6 h電通量（Q）為因變量，影響因素水膠比（X1）、礦物摻合料摻量（X2）以及麥秸稈纖維摻量（X3）為自變量，建立其之間的線性關系，預計建立的三元線性回歸方程如式（1）所示：

式中：b0、b1、b2、b3——待測的回歸系數(shù)值。

根據(jù)試驗組數(shù)（n=9）及自變量數(shù)（q=3）情況，選擇如式（2）的方程組進行數(shù)學模型建立：

將正交試驗數(shù)據(jù)帶入式（2）方程組中，可得式（3）：

求解式（3）可得：b0=453.5289，b1=848.2667，b2=－34.2333，b3=－2320，故所求三元線性回歸方程如式（4）所示：

采用建立的三元線性回歸數(shù)學模型可預測麥秸稈纖維混凝土6 h電通量，該模型的預測值與實際觀測值的對比如表5所示。

表5 電通量實測值與預測值對比

由表5可見，預測得到的麥秸稈纖維混凝土電通量與實測值具有較高的匹配度，預測值與實測值的比值在0.940～1.015，預測值與實測值相差較小。表明在水膠比、礦物摻合料摻量、麥秸稈纖維摻量3個因素變化的情況下，此三元線性回歸數(shù)學模型可較好對麥秸稈纖維混凝土氯離子的6 h電通量進行預測。

3 結論

（1）通過正交優(yōu)化設計試驗得出3個因素對麥秸稈纖維混凝土6 h電通量的影響程度為：水膠比>麥秸稈纖維摻量>礦物摻合料摻量，最佳氯離子滲透性的配合比為A1B2C2，即水膠比0.40，礦物摻合料摻量20%，麥秸稈纖維摻量0.10%，在此配合比下配制的混凝土6 h電通量為782.68 C，具有較強的抗氯離子滲透性能。

（2）通過多元線性回歸分析，建立麥秸稈纖維混凝土氯離子擴散電通量Q與水膠比X1、礦物摻合料摻量X2以及麥秸稈纖維摻量X3之間的數(shù)學模型：Q=848.2667X1－34.2333X2－2320X3＋453.5289。此模型可較準確的預測相同條件下麥秸稈纖維混凝土6 h電通量。