小麦秸秆-镁水泥复合保温砂浆配合比正交试验研究

封凌竹，刘福胜，岳强，温福胜，武义馨

（山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271000）

小麦秸秆-镁水泥复合保温砂浆配合比正交试验研究

封凌竹，刘福胜，岳强，温福胜，武义馨

（山东农业大学水利土木工程学院，山东泰安 271000）

针对普通水泥与小麦秸秆结合差的问题，采用镁水泥（MOC）为胶凝材料，玻化微珠为轻骨料，粉煤灰为掺和料，添加小麦秸秆、减水剂和其它外加剂制备保温砂浆。通过正交试验，研究了玻化微珠、小麦秸秆、粉煤灰、减水剂对保温砂浆抗压强度、干密度、导热系数和软化系数的影响。结果表明：小麦秸秆是影响保温砂浆抗压强度、干密度、导热系数和软化系数的主要因素，减水剂是次要因素；可以通过减少玻化微珠掺量，增加减水剂用量来提高秸秆掺量和保温砂浆性能；在砂浆中掺加秸秆提高了砂浆的保温性能、拓展了小麦秸秆的应用途径，利于环保。

保温砂浆；正交试验；小麦秸秆；镁水泥

0　引言

在我国，建筑能耗比重一直居高不下，约占社会总能耗1/3[1]，而在建筑能耗中，围护结构能耗比重为一半[2]，据有关数据统计[3]，墙体结构传热损失占围护结构散热损失的60%～70%，因而提高围护结构的保温性能极其重要。

据2010年农业部发布的《全国农作物秸秆资源调查与评价报告》显示，我国农作物秸秆理论资源量为8.20亿t，可收集的秸秆资源量为6.87亿t，其中收集的农作物秸秆利用率达到69%，但仍有30%秸秆被废弃和焚烧，且随着粮食产量的增加，被废弃和焚烧的秸秆日益增加，这造成了极大的资源浪费和环境污染，而小麦秸秆具有良好的保温隔热性能，可应用于保温建材。粉煤灰是一种常见的工业废渣，应用于保温建材中，能改善材料性能，降低成本。玻化微珠作为一种新型轻质骨料已在建材领域广泛应用，具有质轻、绝热、吸水率小、抗老化等特点。

硅酸盐水泥浆碱性较高（pH值≥13），小麦秸秆在碱性环境中会析出糖类、纤维素等物质，延缓水泥凝结，抑制水泥水化，且秸秆表面光滑的蜡质层阻碍了水泥与秸秆的结合[4]。镁水泥浆的pH值在8.0～9.5波动，对小麦秸秆腐蚀作用较轻，而且镁水泥具有较好的粘结性，能与小麦秸秆较好的结合[5-6]。另外，镁水泥保温隔热性好，应用于保温砂浆中可提高砂浆的保温性能，而且镁水泥强度高，可掺加大量的固体废弃物，能降低砂浆成本。

本文通过试验与理论分析，揭示各因素对保温砂浆物理、力学和保温性能的影响，为配制小麦秸秆镁水泥复合保温砂浆提供依据，拓展小麦秸秆在建筑材料领域的应用，提高小麦秸秆的利用率。

1　试验

1.1原材料

轻烧镁粉：山东迅达利化工有限公司生产，水合法测得活性含量为60.1%，细度为200目，化学成分见表1。

粉煤灰：河北灵寿县清逸矿产品加工厂产Ⅱ级粉煤灰，密度265 kg/m3，化学成分见表1。

表1　轻烧镁粉和粉煤灰的化学成分%

卤片：山东迅达利化工有限公司生产，其中MgCl2含量≥45%，Ca2+≤0.40%，SO42-≤2.8%，碱金属氯化物（Cl-）≤0.90%。

小麦秸秆：取自泰安地区当年产小麦秸秆，粉碎后过筛，长度为0.6～4.75 mm。

玻化微珠：河南信阳市汇通珍珠岩应用有限公司生产，20～50目，密度110 kg/m3。

聚羧酸减水剂：减水率为25%～40%，固含量≥97%，河北中兴新型材料有限责任公司生产。

自制外加剂：由银科砂胶牌SJ硅质密实剂（SiO2含量≥95%）、皖维牌WWJF-8020可再分散乳胶粉[灰分（650±25）℃≤12.0%、平均粒径60～100 μm]、嘉耐牌CA50-A700型铝酸盐水泥[含量：50%≤Al2O3＜60%、SiO2≤8.0%、Fe2O3≤2.5%、R2O≤0.4%]按一定配比组成。

水：自来水。

1.2试验设备

UJZ-15砂浆搅拌机，稠度仪，WDW-100型万能试验机，DRH-Ⅱ型导热系数测试仪（护热平板法）。

1.3试件制备

试验前1 d配制卤液，保证卤片充分溶解，试验当天将称量好的卤液、减水剂和外加剂混合溶解。将称量好的轻烧镁粉、玻化微珠、粉煤灰、小麦秸秆加入到砂浆搅拌机中，干拌3 min，后加入预先溶解好的卤液、减水剂和外加剂混合液，并边搅拌边加水，持续搅拌6～7 min，至出现黏性浆体，并进行砂浆稠度测试。加水量以控制砂浆拌合物稠度在（50±5）mm，分层度不大于20 mm为准。装模成型各类试件，测试干密度、抗压强度、软化系数试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，测试导热系数试件尺寸为300 mm×30 mm×30 mm。试件成型1～2 d后脱模，脱模后标准养护28 d。

1.4性能测试方法

（1）砂浆分层度、稠度参照GB/T20473—2006《建筑保温砂浆》和JGJ70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法》进行测试。

（2）砂浆干密度参照GB/T 20473—2006和GB/T 5486.3—2001《无机硬质绝热制品试验方法》进行测试。

（3）砂浆抗压强度和软化系数参照GB/T 20473—2006、GB/T 5486.2—2001《无机硬质绝热制品试验方法》和JGJ 70—2009进行测试。

（4）砂浆导热系数参照GB/T20473—2006和GB/T10294—2008《绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法》进行测试。

2　正交试验

本试验将玻化微珠掺量、小麦秸秆掺量、粉煤灰掺量（均按轻烧镁粉和卤片质量计），减水剂掺量（按轻烧镁粉和粉煤灰质量计）共4个因素作为影响因素考虑，每个因素取3个水平。试验中镁水泥按n（MgO）∶n（MgCl2）=7∶1进行配制，外加剂依据轻烧镁粉、玻化微珠、小麦秸秆掺量的变化而变化。正交试验因素水平见表2。

表2　正交试验因素水平

3　试验结果与分析

正交试验设计及试验结果见表3，极差分析见表4。

表3　正交试验设计及试验结果

表4　正交试验极差分析

根据表4可以看出：

（1）影响保温砂浆抗压强度因素的主次顺序为C＞D＞B＞A，即秸秆掺量＞减水剂掺量＞玻化微珠掺量＞粉煤灰掺量。秸秆掺量和减水剂掺量是影响砂浆抗压强度的2个主要因素，玻化微珠掺量和粉煤灰掺量对砂浆抗压强度影响较小。

（2）影响保温砂浆干密度因素的主次顺序为C＞D＞A＞B，即秸秆掺量＞减水剂掺量＞粉煤灰掺量＞玻化微珠掺量。4个因素中秸秆掺量是影响保温砂浆干密度的主要因素，减水剂掺量对砂浆干密度影响较大，其次为粉煤灰掺量，对砂浆干密度影响最小的因素是玻化微珠掺量。

（3）影响保温砂浆导热系数因素的主次顺序为C＞A=B＞D，即秸秆掺量＞粉煤灰掺量=玻化微珠掺量＞减水剂掺量。秸秆掺量是影响砂浆导热系数的主要因素，影响程度比其余3个因素大很多；其余3个因素对砂浆导热系数影响都较小。

（4）影响砂浆软化系数因素的主次顺序为C＞D＞B＞A，即秸秆掺量＞减水剂掺量＞玻化微珠掺量＞粉煤灰掺量。秸秆掺量和减水剂掺量是影响砂浆软化系数的2个主要因素，玻化微珠掺量和粉煤灰掺量对砂浆软化系数的影响比较小，且二者相差无几。

4　小麦秸秆-镁水泥复合保温砂浆性能机理分析

对于配制保温砂浆主要有两方面相互矛盾[7]：（1）轻质量与高强度的矛盾；（2）低导热与高防水的矛盾。本文通过正交试验，研究分析了各因素对砂浆抗压强度、干密度、导热系数、软化系数的影响，有助于制备性能优良的保温砂浆和提高农作物废弃秸秆的利用率。

4.1复合保温砂浆抗压强度与干密度分析

由表4极差分析可知，影响砂浆抗压强度的因素主要有2个——秸秆和减水剂：（1）当秸秆掺量由10%增加到20%，砂浆抗压强度均值由1.17 MPa降低到0.66 MPa，砂浆强度降低了43.6%，即随着秸秆掺量的增加，砂浆的抗压强度降低很快。因为秸秆是一种强度低且吸水率很高的材料，秸秆的掺加使砂浆的用水量增大，影响了镁水泥水化物的形成[8]，最终导致砂浆抗压强度的降低。（2）减水剂掺量由0.4%增加到1.2%时，砂浆抗压强度均值由0.80 MPa提高到1.18 MPa，提高幅度47.5%，即增加减水剂掺量能有效提高砂浆的抗压强度。因为增加减水剂会减少砂浆的用水量，有利于镁水泥水化物的形成，且能增加砂浆密实度，提高砂浆的抗压强度。

对于砂浆的干密度，由表4可知，秸秆掺量由10%增加到20%时，砂浆的干密度均值最高由614 kg/m3减小到537 kg/m3，减小了12.5%。因为秸秆本身就是一种轻质、多孔的材料，掺加一定量的秸秆会降低砂浆的干密度，除此之外，随着秸秆掺加砂浆用水量也增加，影响了镁水泥水化物的形成，进一步降低了砂浆的干密度。减水剂掺量由0.4%增加到1.2%时，砂浆干密度增大了7.6%，而粉煤灰掺量由40%增加到60%，砂浆干密度减小了6.2%。因为掺加减水剂可以减少砂浆用水量，不仅有利于镁水泥水化物的形成，还增加了砂浆的密实度，导致了砂浆干密度增大，而掺加粉煤灰能减少砂浆中非闭合孔的数量，减少砂浆的用水量，提高砂浆的干密度。

从材料抗压强度和干密度分析可知，随着秸秆和减水剂掺量的变化，砂浆干密度的相对变化率（分别为12.5%和7.6%）比抗压强度的相对变化率（分别为43.6%和47.5%）小很多，从对砂浆抗压强度影响来考虑，秸秆掺量宜选10%，减水剂掺量宜选1.2%；粉煤灰掺量越大砂浆干密度越小，同时从环保和价格角度考虑，粉煤灰掺量宜选60%。

4.2复合保温砂浆导热系数和软化系数分析

由表4可知，影响砂浆导热系数的最主要因素是秸秆掺量。秸秆掺量由10%增加到20%，砂浆导热系数降低11.0%。因为秸秆本身就是一种轻质、多孔、保温隔热效果优良的材料，掺加秸秆能有效地降低砂浆的导热系数，且砂浆中掺加粉煤灰能进一步减少秸秆中非闭合孔的数量，提高砂浆的保温隔热性能；另外，掺加的小麦秸秆能够均匀地分散在保温砂浆中，形成无数秸秆质孔，与大孔洞的保温砂浆比，能够更有效地阻断空隙通道，减小气体分子的热对流[9]，降低保温砂浆的导热系数。

对于砂浆的软化系数，由表4可知，秸秆掺量由10%增加到20%，砂浆软化系数降低了32.8%；减水剂掺量由0.4%增加到1.2%，砂浆软化系数增加了32.6%。因为秸秆是一种多孔且吸水率很高的材料，秸秆中存在着许多非闭合孔洞，这些非闭合孔的存在直接影响了砂浆的耐水性，导致砂浆软化系数降低；而掺加减水剂可以减少砂浆用水量，增加砂浆密实度，减少砂浆中孔洞的数量，有利于提高砂浆的耐水性，提高砂浆的软化系数。

从材料导热系数和软化系数分析可知，秸秆和减水剂掺量对软化系数影响较大，从提高砂浆软化系数影响来考虑，秸秆掺量宜选10%，减水剂掺量宜选1.2%；粉煤灰和玻化微珠对砂浆软化系数影响不大，从环保和价格角度考虑，粉煤灰掺量宜选60%，玻化微珠掺量宜选80%。

综合考虑资源再利用和低密度、低导热、高强度和耐水性的要求，选择的基础配合比为：A3B1C1D3。

5　结论

（1）秸秆掺量是影响保温砂浆抗压强度、干密度、导热系数、软化系数的主要因素。掺加秸秆降低砂浆导热系数的同时也降低了砂浆的抗压强度和耐水性。

（2）减水剂掺量是影响保温砂浆抗压强度、干密度、软化系数的次要因素，增大减水剂掺量可减少砂浆用水量，提高砂浆性能。

（3）考虑到资源再利用和低密度、低导热、高强度和耐水性的要求，选择的基础配合比为：A3B1C1D3。

（4）后期优化试验可以通过减少玻化微珠掺量、增加减水剂用量来提高砂浆性能和秸秆掺量。

[1]胡验君，苏振国，杨金龙.建筑外墙外保温材料的研究与应用[J].材料导报，2012（2）：290-294.

[2]王海军，姚勇，陈代果，等.泡沫混凝土自保温墙体传热性能试验研究[J].施工技术，2015（4）：111-115.

[3]顾天舒，谢连玉，陈革.建筑节能与墙体保温[J].工程力学，2006（S2）：167-184.

[4]张琳，刘福胜，林聪，等.玻化微珠-小麦秸秆双掺保温砂浆试验研究[J].新型建筑材料，2013（7）：29-31.

[5]严育通，景燕，马军.氯氧镁水泥的研究进展[J].盐湖研究，2008（1）：60-66.

[6]Li Chengdong，Yu Hongfa.Influence of fly ash and silica fume on water-resistant property of magnesium oxychloride cement[J]. Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science Edition），2010（4）：721-724.

[7]李青.建筑干粉保温砂浆制备及性能研究[D].长沙：湖南大学，2008.

[8]ZHANG C M，DENG D H.Research on the water-resistance of magnesium oxychloride cement I：the stability of the reaction products of magnesium oxychloride cement in water[J].Journal of Wuhan University of Technology（Materials Science Edition），1994（3）：51-59.

[9]张琳，刘福胜，任淑霞，等.玻化微珠-小麦秸秆复合保温砂浆配合比的正交试验研究[J].混凝土，2013（10）：139-141.

Orthogonal test research of wheat straw-MOC composite insulation mortar

FENG Lingzhu，LIU Fusheng，YUE Qiang，WEN Fusheng，WU Yixin
（College of Water Conservancy and Civil Engineering，Shandong Agricultural University，Tai'an 271000，China）

Aim at the bad binding of ordinary cement and wheat straw，using magnesium oxychloride cement（MOC）as binding material，glazed hollow bead as lightweight aggregate，coal ash as admixture and adding wheat straw，water reducing agent and other admixtureprepared the insulation mortar.By orthogonal experiment，studying the influence of glazed hollow bead，wheat straw，coal ash and water reducing agent on the compressive strength，dry density，coefficient of heat conductivity and softening coefficient of MOC insulation mortar.The results show that the wheat straw is the key factor of influencing the compressive strength，dry density，coefficient of heat conductivity and softening coefficient of MOC insulation mortar，water reducing agent is the secondary factor，it can reduce the dosage of glazed hollow bead and increase the dosage of water reducing agent for increasing the content of straw and the performance of MOC insulation mortar.Adding straw in mortar can increase the insulation performance，expand the application approach and benefit environmental protection.

insulation mortar，orthogonal test，wheat straw，magnesium cement

TU55+1；TQ177.6+4

A

1001-702X（2016）10-0069-04

国家科技支撑计划项目（2015BAB07B05）；山东省农业重大应用技术创新项目（SDNYCX1531963）

2016-03-21；

2016-06-09

封凌竹，女，1990年生，山东潍坊人，硕士研究生，研究方向为工程结构鉴定与加固改造。