低品质粉煤灰抹灰砂浆的强度特性

宁　涛，韩　东，刘　艳，崔自治

(1.宁夏大学土木与水利工程学院， 宁夏银川750021；2.宁夏电投西夏热电有限公司， 宁夏银川750021)



低品质粉煤灰抹灰砂浆的强度特性

宁涛1，韩东1，刘艳2，崔自治1

(1.宁夏大学土木与水利工程学院， 宁夏银川750021；2.宁夏电投西夏热电有限公司， 宁夏银川750021)

为探索低品质粉煤灰对抹灰砂浆强度的影响规律，以水胶比、粉煤灰取代率、超掺率和木质素纤维掺量为因素，设计正交试验方案L16(45)，研究了低品质粉煤灰抹灰砂浆的强度特性。应用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力学强度的多元非线性回归模型，提出了M15抹灰砂浆的最优组合为水胶比0.60，粉煤灰取代率40%、超掺率15%，木质素纤维掺量0.2%。低品质粉煤灰等量取代水泥，对砂浆的拉伸粘结强度和抗压强度负效应显著，但对劈裂抗拉强度的负效应很小；超掺有显著的增强效应，对于抗拉强度和抗压强度，适当超掺的正效应可以补偿甚至超过取代引起的损失；木质素纤维掺量增加0.3%，砂浆的粘结强度和抗拉强度分别增大0.15 MPa和0.24 MPa，增强效应明显；建立的回归模型显著性高，相关性好。研究结果对有效利用低品质粉煤灰，改善抹灰砂浆性能具有重要的现实意义。

抹灰砂浆；强度；低品质粉煤灰；木质素纤维

0　引　言

目前Ⅰ、Ⅱ级粉煤灰在水泥基材料中已得到广泛应用，而低品质粉煤灰因烧失量大、活性低，应用受到限制，如Ⅲ级粉煤灰仅用于低强度等级的无筋混凝土，利用率很低，如何有效利用低品质粉煤灰受到关注。因此，低品质粉煤灰在混凝土中的应用研究取得了长足进展，如低品质粉煤灰吸水性大，保水性好[1]；低品质粉煤灰取代水泥对混凝土的抗拉强度没有明显影响[2]，适量超掺能配制出较高强度等级的混凝土[3]和抗渗混凝土[4]；石灰石在硫酸盐环境中耐蚀能力较差[5]，低品质粉煤灰使石灰石粉混凝土耐硫酸盐侵蚀的能力提高[6-7]，耐久性改善[8-9]；烧失量较小的粉煤灰，其粒度对减水性的影响很小[10]。抹灰砂浆对粘结和抗裂要求高，无筋且强度要求低，将低品质粉煤灰用于抹灰砂浆，能满足《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GBT1596-2005)的要求，可发挥其改善水泥基材料保水性和抗裂性的优点，但相关的研究报道不多。木质素纤维具有良好的保水性、分散性和一定的强度，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。

本文通过研究低品质粉煤灰和木质素纤维对抹灰砂浆性能的影响，以期为有效利用低品质粉煤灰，改善抹灰砂浆性能提供参考依据。

1　材料与方法

1.1材料及处理

粉煤灰取自宁夏银川市西夏区热电厂，为F类原状灰，45 μm筛余量46.0%，烧失量7.6%，需水量比108.0%。

水泥、木质素纤维、外加剂和骨料均由宁夏盛远新型建材有限责任公司提供。水泥为P.O42.5强度等级的水泥，28 d的抗折强度8.9 MPa，抗压强度49.2 MPa，其主要化学成分见表1。木质素纤维长350 μm，纤维含量>80%，密度125 g/L，pH值6～8。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2.36 mm的筛。

试验用水为洁净自来水。

表1　水泥的主要化学成分Tab.1　Main chemical composition of cement

1.2试验方法

减小单位用水量是减少抹灰砂浆干缩的重要手段，由此对流动性产生的不利影响，通过掺加外加剂予以改善。固定单位用水量220.0 kg，外加剂掺量0.80%，以水胶比w/B(w为用水量，B为胶凝材料用量)、粉煤灰取代率f、粉煤灰超掺率fu以及木质素纤维掺量l为因素，设计正交试验方案L16(45)，水胶比的水平以M15抹灰砂浆的水胶比(0.59)为基础上下浮动约0.05设置，因素水平见表2，其中e为误差列。

表2　正交试验方案的因素与水平Tab.2　Factors and levels of orthogonal test

因粉煤灰较水泥的活性低，强度贡献在后期，水泥基材料28d的强度常表现为随粉煤灰取代率的增加而降低，尤其是低品质粉煤灰，仅以粉煤灰取代率为因素，难以评价粉煤灰对强度的贡献。故将粉煤灰分别设置了取代率和超掺率两个因素，以取代率考察粉煤灰等量取代水泥所产生的强度损失大小，以超掺率考察超掺粉煤灰对强度的贡献程度。

砂浆的强度试验按照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T70-2009)执行。

2　结果及分析

2.1正交分析

正交试验方案及结果列于表3，表3中fb为砂浆的拉伸粘结强度，ft为砂浆的劈裂抗拉强度， fc为砂浆28d的立方体抗压强度。

表3　正交试验方案与结果Tab.3　Orthogonal test scheme and results

按正交试验分析理论得砂浆拉伸粘结强度、劈裂抗拉强度和抗压强度随各因素变化的趋势线分别示于图1～图3(L为各因素的水平号)，方差分析结果列于表4。

图1粘结强度趋势线

Fig.1Trendcurvesofbondstrength

图2抗拉强度趋势线

Fig.2Trendcurvesoftensilestrength

图3　抗压强度趋势线

方差来源fbftfcFi显著性Fi显著性Fi显著性w∶B16.19显著39.31很显著38.99很显著f9.63显著3.45不显著12.79显著fu3.08不显著13.02显著10.28显著l6.11较显著6.53较显著2.85不显著

注：F0.1=5.36，F0.05=9.28，F0.01=29.46。

水胶比的影响研究已很深入，所得结论大致相同，不再赘述，重点讨论粉煤灰取代率f、超掺率fu和木质素纤维掺量l的作用效应，由图1～图3和表4可见：

①粉煤灰取代率的作用效应均为负效应，与高品质粉煤灰的效应符号一致[11-12]，但效应趋势和影响程度不同。低品质粉煤灰的负效应较大，关于粘结强度和抗压强度，负效应随粉煤灰取代率的增加呈增大的趋势。粉煤灰取代率对粘结强度和抗压强度的影响大，对抗拉强度的影响小。低品质粉煤灰的火山灰活性低，负效应较大是自然的。负效应增大的主要原因是低品质粉煤灰激活对Ca(OH)2的浓度要求高，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产生的Ca(OH)2减少，二者叠加加剧了Ca(OH)2浓度的降低，粉煤灰水化率减小，负效应增大。粉煤灰取代率对抗拉强度的影响不显著，是粉煤灰能够提高水泥基材料抗拉性能的间接体现。

②粉煤灰超掺率的作用效应均为正效应，正效应发展的趋势基本相同，随超掺率的增加而减小。粉煤灰超掺率对抗拉强度和抗压强度的影响大，对粘结强度的影响小。超掺正效应是粉煤灰火山灰活性的直接体现，此外低品质粉煤灰保水性较好，也有利于砂浆强度的增长。粉煤灰较骨料细，超掺率小时，可改善骨料级配，过大则使骨料级配劣化。超掺率增加，Ca(OH)2浓度因二次水化消耗而降低，粉煤灰水化率减小，同时骨料级配由改善向劣化转变，甚至水泥浆不足以包裹骨料，故正效应减小。对于抗拉强度和抗压强度，适当超掺的正效应可以补偿甚至超过取代损失。

③木质素纤维对砂浆的强度具有一定的增强效应，木质素纤维掺量从0.1%增大到0.4%，粘结强度增大0.15MPa，抗拉强度增大0.24MPa，对粘结强度和抗拉强度贡献相对较大，对抗压强度的贡献相对较小，木质素纤维有利于抹灰砂浆抗裂性能的提高。木质素纤维主要是吸水和保水性效应，其次是拉结效应。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干燥收缩，进而减少砂浆的裂缝缺陷，还可以消除界面“积水”，改善界面状态。木质素纤维的拉结效应，能限制裂缝的产生和发展，改善复杂应力状态，但其强度低，刚度小，约束力不强，对砂浆强度的贡献有限。

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。《抹灰砂浆技术规程》(JGJ/T220-2010)规定M15水泥粉煤灰抹灰砂浆的拉伸粘结强度不小于0.15MPa。抗压强度满足且最接近M15砂浆试配强度(18.0MPa)的组合有G8和G14，G8较G14的水泥用量省34.0kg，木质素纤维(影响不显著，可取较小值)用量相当，低品质粉煤灰用量大。就强度要求来讲，综合考虑经济性和废渣利用，G8为M15砂浆的最优组，其水胶比0.60，粉煤灰取代率40%，超掺率15%，木质素纤维掺量0.2%。

2.2回归分析

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，分别得砂浆拉伸粘结强度、劈裂抗拉强度和抗压强度的多元非线性回归数学模型。

拉伸粘结强度回归模型：

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

劈裂抗拉强度回归模型：

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

抗压强度回归模型：

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

模型的相关系数R2和显著性检验值F分别为：拉伸粘结强度R2=0.953 1，F=40.66；劈裂抗拉强度R2=0.951 8，F=39.50；抗压强度R2=0.972 9，F=71.80。置信度为95%时，显著性检验临界值F0.05(5,10)=3.33，三个模型的相关系数R2均很大，显著性检验值F均大于临界值。可见三个模型的显著性高，与各因素的相关性好。

3　结　论

①低品质粉煤灰等量取代水泥，对砂浆的拉伸粘结强度和抗压强度负效应大，但对劈裂抗拉强度的负效应很小。

②低品质粉煤灰超量掺加，对砂浆的力学强度具有增强效应，对砂浆抗拉强度和抗压强度的增强效应显著。对于抗拉强度和抗压强度，适当超掺的正效应可以补偿甚至超过取代损失。

③木质素纤维掺量增加0.3%，砂浆的粘结强度和抗拉强度分别增大0.15MPa和0.24MPa，增强效应明显。

④建立的砂浆强度模型显著性高，相关性好。

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(责任编辑唐汉民梁健)

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

国家自然科学基金资助项目 (51368047)；宁夏绿色建筑工程技术研究中心资助项目(201518);宁夏大学研究生创新项目(GIP201631);宁夏回族自治区大学生创新实验项目(201505153)

崔自治(1963—)，男，河南永城人，宁夏大学教授；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：宁涛，韩东，刘艳,等.低品质粉煤灰抹灰砂浆的强度特性[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1194-1199.