麦秸秆纤维混凝土抗氯离子渗透性能研究

王继博，任慧超，张涛，吴超，张凯峰，冯涛涛

（中建西部建设北方有限公司，陕西 西安 710119）

0 引言

我国农作物纤维年产量约为6.5亿t，其中麦秸秆资源尤为丰富[1]，但目前麦秸秆资源利用率低下，约90%麦秸秆会直接进行燃烧处理，造成严重的环境污染，因此麦秸秆的可持续利用引起了人们的高度重视[2-3]。而麦秸秆纤维因其结构紧密，具有较好的韧性和抗拉强度，将麦秸秆纤维掺入混凝土中可改善其抗裂性能，增强混凝土的力学强度，同时提高麦秸秆的高附加值[4]。

为促进麦秸秆纤维与混凝土界面的结合能力，通常需要对麦秸秆纤维进行表面处理，其中采用碱液蒸煮与聚合物包裹法对麦秸秆纤维进行表面改性的效果较为显著[5-6]。抗氯离子渗透性能是混凝土重要的耐久性指标，也是纤维混凝土抗渗性能的重要表征[7-9]。但目前针对麦秸秆纤维混凝土抗氯离子渗透性能的研究相对较少，缺乏关于其耐久性能的系统研究，阻碍了麦秸秆纤维混凝土在实际工程中的应用。

本文在对麦秸秆纤维表面进行碱液蒸煮和聚合物包裹改性的基础上，分别通过正交优化试验以及数值模型建立对麦秸秆纤维混凝土的抗氯离子渗透性能进行研究，为今后麦秸秆纤维混凝土大规模生产应用提供参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R水泥，陕西冀东水泥有限公司产。

粉煤灰：Ⅱ级，陕西正源股份有限公司产，细度14.6%。矿粉：S95级，陕西立之林建材有限公司产，比表面积430 cm2/g，7 d活性指数74%，28 d活性指数99%。

粗骨料：5～31.5 mm碎石，瑞德宝尔产，针片状含量3%，含泥量0.5%，松散堆积空隙率47%，紧密堆积空隙率42%。

细骨料：渭河Ⅱ区中砂，含泥量2.4%，泥块含量0.3%，松散堆积密度46%，紧密堆积密度41%。

聚羧酸高性能减水剂：中建西部建设北方有限公司产，含固量20%，减水率26%。

水：自来水。

麦秸秆：选取陕西省户县的天然麦秸秆，分别采用研磨机与粉碎机进行粉末破碎，最大粒径为6.87 mm。

氢氧化钠（NaOH）：分析纯，天津市北联精细化学品开发有限公司生产。

聚乙烯醇（PVA）：天津市光复精细化工研究所生产。

1.2 试验方法

取一定量麦秸秆浸泡在15%的NaOH溶液中，蒸煮时间控制为40 min，蒸煮温度为100℃，经高速搅拌器混合搅拌30 min，将处理后的混合物在80℃高温下烘干6 h，制得麦秸秆纤维。将聚乙烯醇溶入100℃水中，制得浓度为1%的聚乙烯醇溶液，采用经碱液蒸煮处理后的麦秸秆纤维加入已制备的聚乙烯醇溶液中进行聚合物包裹改性，用高速搅拌器混合搅拌30 min后取出，在80℃高温下烘干6 h备用。

选取经表面处理的麦秸秆纤维制备C30麦秸秆纤维混凝土，确定胶凝体系中矿物掺合料粉煤灰与矿粉的质量比为1∶3，基准配合比如表1所示。按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行6 h电通量测试，采用正交优化设计试验研究水胶比、矿物掺合料掺量、麦秸秆纤维掺量对麦秸秆纤维混凝土抗氯离子渗透性能的影响，并确定其最佳配合比。利用数学模型分析麦秸秆纤维混凝土抗氯离子渗透性能，建立三元线性回归数学模型预测麦秸秆纤维混凝土6 h电通量。本试验选用L9（34）的3因素3水平正交试验，试验因素水平见表2，矿物掺合料掺量与麦秸秆纤维掺量均按占胶凝材料质量计算。

表1 试验用混凝土的基准配合比 kg/m3

表2 正交试验因素水平

2 试验结果与分析

2.1 正交优化设计试验结果与分析

麦秸秆纤维混凝土试件抗氯离子渗透性能正交试验结果与极差分析见表3，方差分析见表4。

表3 正交试验设计及性能测试结果与分析

表4 正交试验方差分析

由表3可以看出：

（1）随着水胶比的增大，麦秸秆纤维混凝土的6 h电通量逐渐增大，抗氯离子渗透性能下降。这主要是因为提高水胶比会导致麦秸秆纤维混凝土密实度降低，其内部的毛细管道数量相应增加，从而为氯离子的传输创造条件，导致氯离子移动速度加快，最终使麦秸秆纤维混凝土的抗渗性能降低。

（2）随着矿物掺合料掺量的增加，麦秸秆纤维混凝土的抗氯离子渗透性能先增强后下降。这是因为矿物掺合料可对麦秸秆纤维混凝土的密实度产生互补效应，在水化早期，矿粉优先发挥火山灰效应，改善混凝土内部孔隙结构及浆体和集料的界面结构；在水化后期，粉煤灰发挥其火山灰效应使孔径细化，未参与水化反应的粉煤灰“内核作用”促使混凝土密实度持续提高。而当矿物掺合料掺量超过一定范围后，会降低胶凝体系的粘结能力，导致混凝土内部孔结构增加，密实度下降。

（3）随着麦秸秆纤维掺量的增加，麦秸秆纤维混凝土的抗氯离子渗透性能先增强后下降。这是由于当麦秸秆纤维掺量在一定范围内时，可有效改善混凝土内部的孔隙结构，进一步抑制微裂缝的产生和发展。但当麦秸秆纤维掺量过大时，会制约混凝土的凝结硬化，致使混凝土内部结构均匀性降低，从而对混凝土的抗氯离子渗透性能产生不利影响。

由表4可以看出：根据F比，各因素显著性影响的顺序为：水胶比>麦秸秆纤维掺量>矿物掺合料掺量，其中矿物掺合料掺量的均方值最小，故作为误差列。

麦秸秆纤维混凝土抗氯离子渗透性能的最佳配合比组合为A1B2C2，即水胶比0.40，矿物掺合料掺量20%，麦秸秆纤维掺量0.10%，该组合配比下麦秸秆纤维混凝土的6 h电通量为782.68 C，具有较强的抗氯离子渗透性能。

2.2 抗氯离子渗透数学模型建立

设定氯离子6 h电通量（Q）为因变量，影响因素水胶比（X1）、矿物掺合料掺量（X2）以及麦秸秆纤维掺量（X3）为自变量，建立其之间的线性关系，预计建立的三元线性回归方程如式（1）所示：

式中：b0、b1、b2、b3——待测的回归系数值。

根据试验组数（n=9）及自变量数（q=3）情况，选择如式（2）的方程组进行数学模型建立：

将正交试验数据带入式（2）方程组中，可得式（3）：

求解式（3）可得：b0=453.5289，b1=848.2667，b2=－34.2333，b3=－2320，故所求三元线性回归方程如式（4）所示：

采用建立的三元线性回归数学模型可预测麦秸秆纤维混凝土6 h电通量，该模型的预测值与实际观测值的对比如表5所示。

表5 电通量实测值与预测值对比

由表5可见，预测得到的麦秸秆纤维混凝土电通量与实测值具有较高的匹配度，预测值与实测值的比值在0.940～1.015，预测值与实测值相差较小。表明在水胶比、矿物掺合料掺量、麦秸秆纤维掺量3个因素变化的情况下，此三元线性回归数学模型可较好对麦秸秆纤维混凝土氯离子的6 h电通量进行预测。

3 结论

（1）通过正交优化设计试验得出3个因素对麦秸秆纤维混凝土6 h电通量的影响程度为：水胶比>麦秸秆纤维掺量>矿物掺合料掺量，最佳氯离子渗透性的配合比为A1B2C2，即水胶比0.40，矿物掺合料掺量20%，麦秸秆纤维掺量0.10%，在此配合比下配制的混凝土6 h电通量为782.68 C，具有较强的抗氯离子渗透性能。

（2）通过多元线性回归分析，建立麦秸秆纤维混凝土氯离子扩散电通量Q与水胶比X1、矿物掺合料掺量X2以及麦秸秆纤维掺量X3之间的数学模型：Q=848.2667X1－34.2333X2－2320X3＋453.5289。此模型可较准确的预测相同条件下麦秸秆纤维混凝土6 h电通量。