草木灰取代率对竹原纤维水工砂浆物理力学性能的影响

王显

摘要：草木灰具有一定的火山灰活性，作为水泥基建筑材料的掺和料有一定的工程意义和生态意义。利用室内试验研究了草木灰对竹原纤维砂浆性能的影响。试验结果表明：在竹原纤维砂浆中掺入一定量的草木灰可降低砂浆的吸水率与导热系数，提升后期抗压强度与抗折强度，增强了材料的物理力学特性；竹原纤维砂浆中利用草木灰取代一定量的水泥，可提升化学结合水量；最佳取代率应为水泥用量的10%。该材料具有一定的工程应用价值和环保作用。

关键词：草木灰； 水泥砂浆； 竹原纤维； 室内试验

中图法分类号：TV543文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.017

文章编号：1006-0081（2023）09-0102-04

0引言

水泥砂浆是灌溉渠道建设中应用最广泛的人工材料，其性能對工程质量存在直接影响。但是，水泥砂浆也有自身的明显缺陷，主要是脆性大、抗裂性能不足，在施工过程中会出现大量的内部孔隙和裂缝［1］。对灌溉渠道而言，上述裂缝的存在会造成严重的安全隐患，不利于工程质量和耐久性的提升。基于此，学术界和工程界均采用加入纤维材料的方式进行水泥砂浆的性能改善。目前，用于水泥基材料的增强纤维主要是无机纤维和合成纤维。这些纤维不仅生产成本较高，同时还存在显著的能源消耗和环境污染问题，不符合绿色环保理念［2］。因此，天然纤维砂浆成为当前研究的重要方向，竹原纤维作为常见的天然纤维，断裂强度为7 cN/dtex，断裂伸长率为3.48%，完全满足用于混凝土增强的基本要求［3］。黄金富研究了3种常见竹种纤维（慈竹、毛竹、绿竹）对加气混凝土的影响。研究结果表明：3种竹纤维中慈竹纤维具有对加气混凝土最佳的增强作用，当其掺量达到 7.17%时，混凝土试件的抗压强度提高12.5%［4］。中国拥有丰富的竹林资源，在发展竹纤维产业方面具有天然优势［5］。

生物质燃料具有可再生、低碳、储量丰富的特点，已被广泛应用于电力生产、化工等行业，并且生物质燃料在燃烧阶段，只是将其自身光合作用固定的有机碳释放到大气中，而不是类似化石能源中所积存的地质时代的有机碳，故生物质燃料燃烧产生的二氧化碳不会导致温室效应。据估计，到2050年，生物质燃料将满足全球33%～50%的一次能源消耗［6］。全球 95%以上的生物能源来源于生物质燃烧［7］。为了解决能源安全问题，中国近年来大力推进生物质燃料发电产业发展，同时也产生了大量的固体废弃物——草木灰［8］。随着生物质燃料更多被用于可持续能源生产，越来越多的专家和学者已经开启了用生物质燃料灰渣替代传统硅酸盐水泥的研究。Esteves等研究发现，当用草木灰替代10%以内水泥时，草木灰－水泥砂浆抗压强度会增加，但当替换量更高时，抗压强度会下降［9］。Garcia研究结果表明：混凝土氯离子渗透性随着草木灰含量增加而增加［10］。杨彬等研究发现，随着麦秸秆灰的掺量越大，混凝土的工作性能越差，而麦秸秆灰的掺入可在一定程度上弥补碳纤维混凝土抗压强度不高的缺陷［11］。张强等探究了双掺油菜秸秆灰和硅灰对混凝土的性能影响。结果发现硅灰和油菜秸秆灰都降低了混凝土工作性能，硅灰的加入优化了油菜秸秆灰混凝土的力学性能［12］。王刚发现，当稻壳灰和硅灰掺量为 5%～10%时能提高混凝土的抗压强度和抗折强度，掺硅灰混凝土相对于掺稻壳灰混凝土的强度更高［13］。

不同种草木灰的化学成分差异较大，性能也会有很大的差别。目前，大部分研究是针对某一种生物质灰烬进行的，而生物质电厂是通过燃烧多种不同的生物质燃料来发电，草木灰成分可能更复杂，故开展掺加草木灰在水泥和混凝土方面的研究具有重要意义。基于此，此次研究通过室内试验的方式探讨草木灰对竹原纤维水泥砂浆物理力学性能的影响，以便为相关研究和工程实践提供支持和借鉴。

1材料与方法

1.1试验材料

此次试验研究采用的是青松建筑材料有限公司出品的P·O42.5普通硅酸盐水泥。经样品测试，其各项性能指标均符合GB/T 175-2007《通用硅酸盐水泥》的相关要求，可用于试验研究。

试验用草木灰来自生物质发电项目的飞灰。由于原状产品粒径较大，需要进行粉磨过筛，以满足矿物掺和料细度要求。经测试，平均粒径为0.032 mm，堆积密度为1 028 kg/m3，主要成分如表1所示。

试验中选用的竹原纤维为福建海博化学技术有限公司提供的楠竹纤维，由竹材进行蒸煮、软化、定向开纤和定长切割制成，平均长度为30 mm，断裂强度为7.21 cN/dtex。

试验中使用的减水剂为湖南中岩建材科技有限公司提供的聚羧酸减水剂，其推荐掺量为胶凝材料的2%。试验中集料为水洗中砂，细度模数为2.65，堆积密度为1 566 kg/m3，表观密度为2 635 kg/m3。试验用水为普通自来水。

1.2试验方案

试验中以水工衬砌结构施工中常用的M25砂浆为基准，进行配合比设计。胶砂比确定为2∶5。按照相关工程实践经验，竹原纤维按照质量比确定掺量水平，其掺量为2%。草木灰取代率确定为0%，5%，10%，15%和20%等。减水剂掺量为2%。具体试验方案配合比设计如表2所示。

1.3试验方法

草木灰-竹原纤维砂浆采用机械搅拌方式制作，考虑到竹原纤维在砂浆中不易分散，因此在试验中先将水泥、砂和竹原纤维混合干拌90 s，然后再加入其余材料搅拌180 s。为了保证试件的质量，此次试验中分两次装模振动，每次振动以砂浆表面出浆气泡不再增多为标准［14］。试块成型之后置于阴凉处静置24 h脱模编号，然后放入养护室在温度20 ℃、相对湿度95%的标准养护条件下养护至试验规定龄期［15］。

按照GB/T 50081-2019《普通混凝土力学性能试验方法标准》，草木灰-竹原纤维水泥砂浆进行3，28 d和56 d抗压强度和抗折强度测试，抗压强度采用100 mm×100 mm×100 mm试件，抗折强度测试采用100 mm×100 mm×400 mm试件，试验设备为WTC-200微机伺服万能试验机［16］。试件吸水率和导热系数按照GB/T 4111-2013《混凝土砌块和砖试验方法》进行。化学结合水测量方法，即先将养护到一定龄期的试块取一部分放入烘箱，在105 ℃条件下干燥处理2 h，再将干燥后的试样放入无水乙醇中以中止水化，最后将试样粉碎成沫，用高精度电子秤称取1 g（精确至 0.000 1 g），放入马弗炉中，在600 ℃高温下烧灼至恒重，然后根据试验数据计算获取体系化学结合水量［17］。

2试验结果与分析

2.1物理性能

利用试验中获得的数据，计算获取不同取代率条件下试件的吸水率，结果如图1所示。由试验结果可以看出，随着草木灰取代率的增加，试件的吸水率也呈现出先减小后增大的变化趋势。从具体试验数据来看，当草木灰取代率为10%时，试件的吸水率最小。究其原因，主要是掺入少量的草木灰会提高砂浆内部结构的密实度，因此孔隙率有所减小，但是过量掺入会导致内部孔隙变多，吸水率增加。

根据试验数据计算出不同草木灰取代率方案试件的导热系数，并绘制出导热系数随草木灰取代率变化曲线如图2所示。由试验结果可以看出，试件的导热系数随着草木灰掺量水平的提高呈现出先迅速减小后不断增大的变化特点。从具体的试验数据来看，当草木灰取代率为10%时的试件导热系数值最小，这对于提高北方寒区工程的保温性能，降低冻融破坏具有一定的作用。这是因为，和水泥砂浆中的其他材料相比，草木灰的导热系数较小，草木灰的掺入会增加砂浆内部的闭口孔隙，从而降低试件的导热系数。但是，草木灰替代量的大幅增加会造成试件内部产生数量较多的开口孔隙，从而引起气体对流，使试件导热系数增大。

2.2力学性能

利用试验中获得的数据，计算获取不同草木灰取代率、不同龄期条件下试件的抗压强度值，结果如图3所示。从试验结果可以看出，砂浆不同龄期的变化规律存在一定的差异性。在3 d龄期条件下，试件的抗压强度随着草木灰取代率的增加呈现出不断减小的变化特点；在28 d和56 d龄期条件下，试件的抗压强度随着草木灰取代率的增加呈现出小幅增加后不断减小的变化特点，在草木灰取代率为10%时的抗压强度值最大，主要原因是草木灰本身不具备承载力，掺入会导致养护初期砂浆强度降低。随着养护时间的延长 ，草木灰的火山灰活性开始作用，此时草木灰中的 SiO2和Al2O3与水泥水化后产生的Ga（OH）2进一步发生反应，生成对强度及致密性更有利的C-S-H凝胶，改善了材料内部界面缺陷，提升了混凝土的后期抗压强度，故草木灰对后期抗压强度影响强于其对前期强度影响。当然，大量掺入草木灰会导致水泥用量不足。同时，作为生物质燃料燃烧的产物，因燃烧不充分导致草木灰的碳含量比较高，而草木灰中的活性成分主要是SiO2和Al2O3，未燃碳不仅对水泥水化毫无益处，并且含量高会导致胶凝材料需水量提高，间接提高棉秆纤维水泥基试块中胶凝材料的水胶比，从而降低其强度，草木灰中未燃碳对棉秆纤维水泥基材料抗压强度的消极作用大于草木灰中活性成分对抗压强度的积极作用，表现为草木灰替代量越高，棉秆纤维水泥基材料抗压强度越低。

利用试验中获得的数据，计算获取不同草木灰取代率、不同龄期的条件下试件的抗折强度值，结果如图4所示。从试验结果可以看出，砂浆试件的抗折强度变化规律与抗压强度类似，在3 d龄期条件下，试件的抗折强度随着草木灰取代率的增加呈现出不断减小的变化特点。在28 d和56 d齡期条件下，试件的抗折强度随着草木灰取代率的增加呈现出小幅增加后不断减小的变化特点，在草木灰取代率为10%时的抗折强度值最大，其原因和抗压强度类似。

2.3水化程度

化学结合水是水泥水化程度的重要表征量，根据试验中获得的数据，计算获取不同试验方案的化学结合水量，并绘制出化学结合水量随草木灰取代率的变化曲线，结果如图5所示。从试验结果可以看出，在28 d和56 d试验龄期条件下，化学结合水量均随着草木灰取代率的增加呈现出先增加后减小的变化趋势，当草木灰取代率为10%时的化学结合水量最大。在3 d龄期条件下，化学结合水量随草木灰取代率的增加呈现出不断减小的变化特点。究其原因，主要是草木灰本身具有一定的吸水性，一定量的掺入可以蓄积一定水量，为水泥后期的水化作用提供一定量水分，促进化学结合水量的增加。但是，大量掺入草木灰，会导致其吸收的水分过多，对水泥前期水化反应造成不利影响，因此化学结合水量会下降。在3 d龄期条件下，由于草木灰主要表现为吸水作用，影响水泥水化反应过程中的水分供应，因此，随着取代率的增加，化学结合水量呈现出不断降低的趋势。

3结论

此次实验研究主要针对草木灰对竹原纤维砂浆性能的影响展开研究，获得的主要结论如下：

（1） 随着草木灰掺量的增加，竹原纤维砂浆的吸水率和导热系数呈现出先减小后增大的变化特点。

（2） 随着草木灰掺量的增加，3 d龄期的抗压强度、抗折强度和化学结合水量呈现出不断减小的变化特点。28 d和56 d龄期抗压强度、抗折强度和化学结合水量呈现出先增大后减小的变化特点。

（3） 从试验数据来看，草木灰的最佳取代率应为水泥用量的10%左右。

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（编辑：李慧）

Effect of replacement ratio of plant ash on physical and mechanical properties

of bamboo fiber hydraulic mortarWANG Xian

（Cangzhou Water Resources Survey，Planning and Design Institute Co.，Ltd.，Cangzhou 061000，China）

Abstract： Plant ash has a certain pozzolanic activity，which has engineering and ecological significance by using it as an admixture of cement-based building materials.The effect of plant ash on the performance of bamboo fiber mortar was studied by indoor test.The test results showed that adding a certain amount of plant ash into bamboo fiber mortar could reduce the water absorption rate and thermal conductivity，improve its later compression and flexural strength to improve the physical and mechanical properties；the replacement of a certain amount of cement with plant ash in the bamboo fiber mortar could improve bound water content；the best replacement rate of the cement should be about 10%.The material is valuable for engineering application and environmental protection.

Key words： plant ash； cement mortar； bamboo fiber； indoor test