草木灰取代率對(duì)竹原纖維水工砂漿物理力學(xué)性能的影響

王顯

摘要：草木灰具有一定的火山灰活性，作為水泥基建筑材料的摻和料有一定的工程意義和生態(tài)意義。利用室內(nèi)試驗(yàn)研究了草木灰對(duì)竹原纖維砂漿性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：在竹原纖維砂漿中摻入一定量的草木灰可降低砂漿的吸水率與導(dǎo)熱系數(shù)，提升后期抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度，增強(qiáng)了材料的物理力學(xué)特性；竹原纖維砂漿中利用草木灰取代一定量的水泥，可提升化學(xué)結(jié)合水量；最佳取代率應(yīng)為水泥用量的10%。該材料具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值和環(huán)保作用。

關(guān)鍵詞：草木灰； 水泥砂漿； 竹原纖維； 室內(nèi)試驗(yàn)

中圖法分類號(hào)：TV543文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.09.017

文章編號(hào)：1006-0081（2023）09-0102-04

0引言

水泥砂漿是灌溉渠道建設(shè)中應(yīng)用最廣泛的人工材料，其性能對(duì)工程質(zhì)量存在直接影響。但是，水泥砂漿也有自身的明顯缺陷，主要是脆性大、抗裂性能不足，在施工過程中會(huì)出現(xiàn)大量的內(nèi)部孔隙和裂縫［1］。對(duì)灌溉渠道而言，上述裂縫的存在會(huì)造成嚴(yán)重的安全隱患，不利于工程質(zhì)量和耐久性的提升。基于此，學(xué)術(shù)界和工程界均采用加入纖維材料的方式進(jìn)行水泥砂漿的性能改善。目前，用于水泥基材料的增強(qiáng)纖維主要是無機(jī)纖維和合成纖維。這些纖維不僅生產(chǎn)成本較高，同時(shí)還存在顯著的能源消耗和環(huán)境污染問題，不符合綠色環(huán)保理念［2］。因此，天然纖維砂漿成為當(dāng)前研究的重要方向，竹原纖維作為常見的天然纖維，斷裂強(qiáng)度為7 cN/dtex，斷裂伸長(zhǎng)率為3.48%，完全滿足用于混凝土增強(qiáng)的基本要求［3］。黃金富研究了3種常見竹種纖維（慈竹、毛竹、綠竹）對(duì)加氣混凝土的影響。研究結(jié)果表明：3種竹纖維中慈竹纖維具有對(duì)加氣混凝土最佳的增強(qiáng)作用，當(dāng)其摻量達(dá)到 7.17%時(shí)，混凝土試件的抗壓強(qiáng)度提高12.5%［4］。中國(guó)擁有豐富的竹林資源，在發(fā)展竹纖維產(chǎn)業(yè)方面具有天然優(yōu)勢(shì)［5］。

生物質(zhì)燃料具有可再生、低碳、儲(chǔ)量豐富的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)、化工等行業(yè)，并且生物質(zhì)燃料在燃燒階段，只是將其自身光合作用固定的有機(jī)碳釋放到大氣中，而不是類似化石能源中所積存的地質(zhì)時(shí)代的有機(jī)碳，故生物質(zhì)燃料燃燒產(chǎn)生的二氧化碳不會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)。據(jù)估計(jì)，到2050年，生物質(zhì)燃料將滿足全球33%～50%的一次能源消耗［6］。全球 95%以上的生物能源來源于生物質(zhì)燃燒［7］。為了解決能源安全問題，中國(guó)近年來大力推進(jìn)生物質(zhì)燃料發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的固體廢棄物——草木灰［8］。隨著生物質(zhì)燃料更多被用于可持續(xù)能源生產(chǎn)，越來越多的專家和學(xué)者已經(jīng)開啟了用生物質(zhì)燃料灰渣替代傳統(tǒng)硅酸鹽水泥的研究。Esteves等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用草木灰替代10%以內(nèi)水泥時(shí)，草木灰－水泥砂漿抗壓強(qiáng)度會(huì)增加，但當(dāng)替換量更高時(shí)，抗壓強(qiáng)度會(huì)下降［9］。Garcia研究結(jié)果表明：混凝土氯離子滲透性隨著草木灰含量增加而增加［10］。楊彬等研究發(fā)現(xiàn)，隨著麥秸稈灰的摻量越大，混凝土的工作性能越差，而麥秸稈灰的摻入可在一定程度上彌補(bǔ)碳纖維混凝土抗壓強(qiáng)度不高的缺陷［11］。張強(qiáng)等探究了雙摻油菜秸稈灰和硅灰對(duì)混凝土的性能影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)硅灰和油菜秸稈灰都降低了混凝土工作性能，硅灰的加入優(yōu)化了油菜秸稈灰混凝土的力學(xué)性能［12］。王剛發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)練せ液凸杌覔搅繛?5%～10%時(shí)能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，摻硅灰混凝土相對(duì)于摻稻殼灰混凝土的強(qiáng)度更高［13］。

不同種草木灰的化學(xué)成分差異較大，性能也會(huì)有很大的差別。目前，大部分研究是針對(duì)某一種生物質(zhì)灰燼進(jìn)行的，而生物質(zhì)電廠是通過燃燒多種不同的生物質(zhì)燃料來發(fā)電，草木灰成分可能更復(fù)雜，故開展摻加草木灰在水泥和混凝土方面的研究具有重要意義?；诖耍舜窝芯客ㄟ^室內(nèi)試驗(yàn)的方式探討草木灰對(duì)竹原纖維水泥砂漿物理力學(xué)性能的影響，以便為相關(guān)研究和工程實(shí)踐提供支持和借鑒。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

此次試驗(yàn)研究采用的是青松建筑材料有限公司出品的P·O42.5普通硅酸鹽水泥。經(jīng)樣品測(cè)試，其各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合GB/T 175-2007《通用硅酸鹽水泥》的相關(guān)要求，可用于試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)用草木灰來自生物質(zhì)發(fā)電項(xiàng)目的飛灰。由于原狀產(chǎn)品粒徑較大，需要進(jìn)行粉磨過篩，以滿足礦物摻和料細(xì)度要求。經(jīng)測(cè)試，平均粒徑為0.032 mm，堆積密度為1 028 kg/m3，主要成分如表1所示。

試驗(yàn)中選用的竹原纖維為福建海博化學(xué)技術(shù)有限公司提供的楠竹纖維，由竹材進(jìn)行蒸煮、軟化、定向開纖和定長(zhǎng)切割制成，平均長(zhǎng)度為30 mm，斷裂強(qiáng)度為7.21 cN/dtex。

試驗(yàn)中使用的減水劑為湖南中巖建材科技有限公司提供的聚羧酸減水劑，其推薦摻量為膠凝材料的2%。試驗(yàn)中集料為水洗中砂，細(xì)度模數(shù)為2.65，堆積密度為1 566 kg/m3，表觀密度為2 635 kg/m3。試驗(yàn)用水為普通自來水。

1.2試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中以水工襯砌結(jié)構(gòu)施工中常用的M25砂漿為基準(zhǔn)，進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。膠砂比確定為2∶5。按照相關(guān)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，竹原纖維按照質(zhì)量比確定摻量水平，其摻量為2%。草木灰取代率確定為0%，5%，10%，15%和20%等。減水劑摻量為2%。具體試驗(yàn)方案配合比設(shè)計(jì)如表2所示。

1.3試驗(yàn)方法

草木灰-竹原纖維砂漿采用機(jī)械攪拌方式制作，考慮到竹原纖維在砂漿中不易分散，因此在試驗(yàn)中先將水泥、砂和竹原纖維混合干拌90 s，然后再加入其余材料攪拌180 s。為了保證試件的質(zhì)量，此次試驗(yàn)中分兩次裝模振動(dòng)，每次振動(dòng)以砂漿表面出漿氣泡不再增多為標(biāo)準(zhǔn)［14］。試塊成型之后置于陰涼處靜置24 h脫模編號(hào)，然后放入養(yǎng)護(hù)室在溫度20 ℃、相對(duì)濕度95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)規(guī)定齡期［15］。

按照GB/T 50081-2019《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，草木灰-竹原纖維水泥砂漿進(jìn)行3，28 d和56 d抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試，抗壓強(qiáng)度采用100 mm×100 mm×100 mm試件，抗折強(qiáng)度測(cè)試采用100 mm×100 mm×400 mm試件，試驗(yàn)設(shè)備為WTC-200微機(jī)伺服萬能試驗(yàn)機(jī)［16］。試件吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)按照GB/T 4111-2013《混凝土砌塊和磚試驗(yàn)方法》進(jìn)行。化學(xué)結(jié)合水測(cè)量方法，即先將養(yǎng)護(hù)到一定齡期的試塊取一部分放入烘箱，在105 ℃條件下干燥處理2 h，再將干燥后的試樣放入無水乙醇中以中止水化，最后將試樣粉碎成沫，用高精度電子秤稱取1 g（精確至 0.000 1 g），放入馬弗爐中，在600 ℃高溫下燒灼至恒重，然后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算獲取體系化學(xué)結(jié)合水量［17］。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1物理性能

利用試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同取代率條件下試件的吸水率，結(jié)果如圖1所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著草木灰取代率的增加，試件的吸水率也呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢(shì)。從具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)草木灰取代率為10%時(shí)，試件的吸水率最小。究其原因，主要是摻入少量的草木灰會(huì)提高砂漿內(nèi)部結(jié)構(gòu)的密實(shí)度，因此孔隙率有所減小，但是過量摻入會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部孔隙變多，吸水率增加。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出不同草木灰取代率方案試件的導(dǎo)熱系數(shù)，并繪制出導(dǎo)熱系數(shù)隨草木灰取代率變化曲線如圖2所示。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試件的導(dǎo)熱系數(shù)隨著草木灰摻量水平的提高呈現(xiàn)出先迅速減小后不斷增大的變化特點(diǎn)。從具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，當(dāng)草木灰取代率為10%時(shí)的試件導(dǎo)熱系數(shù)值最小，這對(duì)于提高北方寒區(qū)工程的保溫性能，降低凍融破壞具有一定的作用。這是因?yàn)?，和水泥砂漿中的其他材料相比，草木灰的導(dǎo)熱系數(shù)較小，草木灰的摻入會(huì)增加砂漿內(nèi)部的閉口孔隙，從而降低試件的導(dǎo)熱系數(shù)。但是，草木灰替代量的大幅增加會(huì)造成試件內(nèi)部產(chǎn)生數(shù)量較多的開口孔隙，從而引起氣體對(duì)流，使試件導(dǎo)熱系數(shù)增大。

2.2力學(xué)性能

利用試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同草木灰取代率、不同齡期條件下試件的抗壓強(qiáng)度值，結(jié)果如圖3所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，砂漿不同齡期的變化規(guī)律存在一定的差異性。在3 d齡期條件下，試件的抗壓強(qiáng)度隨著草木灰取代率的增加呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)；在28 d和56 d齡期條件下，試件的抗壓強(qiáng)度隨著草木灰取代率的增加呈現(xiàn)出小幅增加后不斷減小的變化特點(diǎn)，在草木灰取代率為10%時(shí)的抗壓強(qiáng)度值最大，主要原因是草木灰本身不具備承載力，摻入會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)初期砂漿強(qiáng)度降低。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng) ，草木灰的火山灰活性開始作用，此時(shí)草木灰中的 SiO2和Al2O3與水泥水化后產(chǎn)生的Ga（OH）2進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng)，生成對(duì)強(qiáng)度及致密性更有利的C-S-H凝膠，改善了材料內(nèi)部界面缺陷，提升了混凝土的后期抗壓強(qiáng)度，故草木灰對(duì)后期抗壓強(qiáng)度影響強(qiáng)于其對(duì)前期強(qiáng)度影響。當(dāng)然，大量摻入草木灰會(huì)導(dǎo)致水泥用量不足。同時(shí)，作為生物質(zhì)燃料燃燒的產(chǎn)物，因燃燒不充分導(dǎo)致草木灰的碳含量比較高，而草木灰中的活性成分主要是SiO2和Al2O3，未燃碳不僅對(duì)水泥水化毫無益處，并且含量高會(huì)導(dǎo)致膠凝材料需水量提高，間接提高棉稈纖維水泥基試塊中膠凝材料的水膠比，從而降低其強(qiáng)度，草木灰中未燃碳對(duì)棉稈纖維水泥基材料抗壓強(qiáng)度的消極作用大于草木灰中活性成分對(duì)抗壓強(qiáng)度的積極作用，表現(xiàn)為草木灰替代量越高，棉稈纖維水泥基材料抗壓強(qiáng)度越低。

利用試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同草木灰取代率、不同齡期的條件下試件的抗折強(qiáng)度值，結(jié)果如圖4所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，砂漿試件的抗折強(qiáng)度變化規(guī)律與抗壓強(qiáng)度類似，在3 d齡期條件下，試件的抗折強(qiáng)度隨著草木灰取代率的增加呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)。在28 d和56 d齡期條件下，試件的抗折強(qiáng)度隨著草木灰取代率的增加呈現(xiàn)出小幅增加后不斷減小的變化特點(diǎn)，在草木灰取代率為10%時(shí)的抗折強(qiáng)度值最大，其原因和抗壓強(qiáng)度類似。

2.3水化程度

化學(xué)結(jié)合水是水泥水化程度的重要表征量，根據(jù)試驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，計(jì)算獲取不同試驗(yàn)方案的化學(xué)結(jié)合水量，并繪制出化學(xué)結(jié)合水量隨草木灰取代率的變化曲線，結(jié)果如圖5所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在28 d和56 d試驗(yàn)齡期條件下，化學(xué)結(jié)合水量均隨著草木灰取代率的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)草木灰取代率為10%時(shí)的化學(xué)結(jié)合水量最大。在3 d齡期條件下，化學(xué)結(jié)合水量隨草木灰取代率的增加呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)。究其原因，主要是草木灰本身具有一定的吸水性，一定量的摻入可以蓄積一定水量，為水泥后期的水化作用提供一定量水分，促進(jìn)化學(xué)結(jié)合水量的增加。但是，大量摻入草木灰，會(huì)導(dǎo)致其吸收的水分過多，對(duì)水泥前期水化反應(yīng)造成不利影響，因此化學(xué)結(jié)合水量會(huì)下降。在3 d齡期條件下，由于草木灰主要表現(xiàn)為吸水作用，影響水泥水化反應(yīng)過程中的水分供應(yīng)，因此，隨著取代率的增加，化學(xué)結(jié)合水量呈現(xiàn)出不斷降低的趨勢(shì)。

3結(jié)論

此次實(shí)驗(yàn)研究主要針對(duì)草木灰對(duì)竹原纖維砂漿性能的影響展開研究，獲得的主要結(jié)論如下：

（1） 隨著草木灰摻量的增加，竹原纖維砂漿的吸水率和導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的變化特點(diǎn)。

（2） 隨著草木灰摻量的增加，3 d齡期的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和化學(xué)結(jié)合水量呈現(xiàn)出不斷減小的變化特點(diǎn)。28 d和56 d齡期抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和化學(xué)結(jié)合水量呈現(xiàn)出先增大后減小的變化特點(diǎn)。

（3） 從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，草木灰的最佳取代率應(yīng)為水泥用量的10%左右。

參考文獻(xiàn)：

［1］閆義.摻合料對(duì)水工聚合物改性砂漿抗開裂性能影響的試驗(yàn)研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2021（12）：122-124.

［2］周倩瑜，褚曰環(huán).竹原纖維的改性研究［J］.化工設(shè)計(jì)通訊，2018，44（6）：84-85.

［3］王春紅，任子龍，張青菊.單向竹原纖維表面改性對(duì)其增強(qiáng)不飽和聚酯樹脂復(fù)合材料性能的影響［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2017，34（2）：314-321.

［4］黃金富.三種常見竹種纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料性能的研究［J］.福建建設(shè)科技，2012（6）：49-51.

［5］張杰，黃斐，劉文地，等.竹原纖維加氣混凝土的制備與界面特性［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2022（7）：686-692.

［6］WILLIAMS A，JONES J M，MA L，et al.Pollutants from the combustion of solid biomass fuels［J］.Progress in Energy and Combustion Science，2012，38（2）：113-137.

［7］FOUILLAND T，GRACE J R，ELLIS N．Recent advances in fluidized bed technology in biomass processes［J］.Biofuels，2010，1（3）：409-433．

［8］梁星星，張永旺，王斌，等.生物質(zhì)電廠廢棄物草木灰成分分析及成形［J］.化工進(jìn)展，2020，39（6）：2487-2494.

［9］ESTEVES T C，RAJAMMA R，SOARES D，et al.Use of biomass fly ash for mitigation of alkali-silica reaction of cement mortars［J］．Construction and Building Materials，2012，26（1）：687-693.

［10］ GARCIA M D L，SOUSA-COUTINHO J.Strength and durability of cement with forest waste bottom ash［J］.Construction and Building Materials，2013，41：897-910.

［11］楊彬，丁斌.低溫環(huán)境下麥秸稈灰改性碳纖維混凝土性能試驗(yàn)研究［J］.混凝土與水泥制品，2017（5）：49-52.

［12］張強(qiáng)，劉保華，劉巧玲，等.雙摻油菜秸稈灰分和硅粉對(duì)混凝土性能的影響［J］.湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，40（3）：334-336.

［13］王剛.摻稻殼灰/硅灰混凝土的性能研究［J］.混凝土與水泥制品，2021（2）：101-104.

［14］寧致遠(yuǎn)，劉云賀，孟霄，等.水工瀝青混凝土直接拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2022，41（1）：74-83.

［15］瞿祖旭.短切玄武巖纖維摻量對(duì)泵送混凝土的影響研究［J］.水利水電快報(bào)，2022，43（增1）：53-55.

［16］楊偉才，鮑志強(qiáng)，孟川.SK-PAM特種抗沖磨樹脂砂漿材料工程特性研究［J］.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院學(xué)報(bào)，2020，18（2）：149-154.

［17］戈國(guó)慶，楊曉松，劉韜，等.水工改性硅粉修復(fù)砂漿性能試驗(yàn)及其工程應(yīng)用［J］.中國(guó)水運(yùn)（下半月），2019，19（9）：159-160.

（編輯：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