新型棉花秸稈粗骨料的試制初探

晉強(qiáng)，王宣，施少聰

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊　830052）

新型棉花秸稈粗骨料的試制初探

晉強(qiáng)，王宣，施少聰

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052）

根據(jù)新疆棉花秸稈利用的現(xiàn)狀及問(wèn)題，論述了棉花秸稈制作粗骨料的探索性思路。根據(jù)棉花秸稈的物理力學(xué)性能選取合適的切割成型方式，并對(duì)棉花秸稈顆粒的抗壓性能做了初步試驗(yàn)。結(jié)果表明：順紋抗壓狀態(tài)下，棉花秸稈顆粒具有較好的韌性，荷載在0～2.5 kN表現(xiàn)出彈性形變；橫紋抗壓狀態(tài)下，變形呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，普遍可承受1.4 kN的荷載；在同等變形條件下順紋秸稈能夠承受更大的荷載，在同等荷載條件下橫紋秸稈能夠承受更大的變形。

棉花秸稈；粗骨料；陶粒

1　棉花秸稈作為建筑材料的研究意義

2013年全國(guó)棉花實(shí)播面積為7080萬(wàn)畝，其中新疆棉花播種面積2400多萬(wàn)畝。2014年全國(guó)棉花實(shí)播面積6324.1萬(wàn)畝，西北內(nèi)陸地區(qū)棉花實(shí)播面積為3390.6萬(wàn)畝。新疆作為我國(guó)棉花生產(chǎn)主要基地，每年產(chǎn)生大量棉花秸稈，棉花秸稈產(chǎn)量為1000余萬(wàn)t。全國(guó)棉花秸稈產(chǎn)量為3000余萬(wàn)t。大量的棉花秸稈在秋季棉花采摘完成后，部分用來(lái)造紙、制板材，部分經(jīng)過(guò)處理后用來(lái)培養(yǎng)食用菌和做飼料，更多的棉花秸稈被直接焚燒和還田［1］。棉花秸稈作為廢棄物被焚燒或掩埋，焚燒的濃煙污染環(huán)境。棉花秸稈還田，雖未造成連作障礙，但導(dǎo)致枯、黃萎病發(fā)病率逐年加重，另外，棉稈上附著的病菌和蟲卵被植入土壤繁殖蔓延，造成病蟲害的泛濫成災(zāi)。棉花秸稈作為綿羊飼料的研究目前仍處在實(shí)驗(yàn)研究階段。因此，迫切需要加大技術(shù)研發(fā)與推廣力度，在多個(gè)領(lǐng)域促進(jìn)棉花秸稈利用的產(chǎn)業(yè)鏈延伸，提高棉花秸稈的附加值，最終使得經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益都有較大的改善，從而獲得更大的社會(huì)效益。合理有效地使用棉花秸稈開發(fā)新型建筑材料，對(duì)發(fā)展新疆農(nóng)村基礎(chǔ)建設(shè)，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，加快新疆社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)將起到積極的推動(dòng)作用。

2　粗骨料的研究現(xiàn)狀

綠色的涵義即：“節(jié)約資源、能源；不破壞環(huán)境，更有利于環(huán)境；可持續(xù)發(fā)展，既滿足當(dāng)代人的需求，又不危及后代滿足其需要的能力”［2］。綠色骨料即是以綠色原材料生產(chǎn)開發(fā)出的一種優(yōu)質(zhì)骨料。由于混凝土中骨料在化學(xué)上屬于惰性材料，因此在輕骨料混凝土中細(xì)骨料是穩(wěn)定的。而輕骨料混凝土所用的骨料不同于普通骨料，輕骨料是一種人造骨料，其堆積密度小于1200 kg/m3，且內(nèi)部具有多孔結(jié)構(gòu)［3］。超輕粗骨料是一種粒徑大于4.75 mm以上、堆積密度小于500 kg/m3的保溫或者結(jié)構(gòu)保溫用的粗骨料。新疆作為我國(guó)內(nèi)陸的高緯度地區(qū)，夏季炎熱干旱，冬季寒冷干燥，是凍土常常出現(xiàn)的區(qū)域，超輕型骨料的特點(diǎn)就是使得在嚴(yán)寒地區(qū)的混凝土質(zhì)量損失和強(qiáng)度損失都有所降低，可以為應(yīng)對(duì)新疆等西北地區(qū)特別是農(nóng)村冬季嚴(yán)寒的氣候所適應(yīng)和使用。而超輕骨料的吸水率大大低于普通骨料，通過(guò)文獻(xiàn)得知，超輕粗骨料的物理性能不會(huì)隨吸水率發(fā)生較大的變化，而且其可直接進(jìn)行泵送，較普通骨料的輸送效率大大提高，節(jié)約成本［4］。骨料的使用量很大，是制作普通混凝土的重要原材料，超輕粗骨料可以替代普通砂、石制作輕質(zhì)混凝土。目前全世界每年耗用數(shù)十億m3的砂石，不少地區(qū)的骨料已經(jīng)面臨資源枯竭。因此，開發(fā)新的天然輕骨料資源，研制各種人造骨料和尋找合適的代用材料，已成為目前混凝土骨料發(fā)展的重要任務(wù)。當(dāng)前，人工制作黏土陶粒和頁(yè)巖陶粒必須大量使用黏土和頁(yè)巖，這必然會(huì)破壞自然資源，違背了“保護(hù)耕地、還地于民”的基本國(guó)策，因此黏土陶粒和頁(yè)巖陶粒均不可能長(zhǎng)期成為我國(guó)人造輕骨料的主導(dǎo)產(chǎn)品。利用粉煤灰焙燒或養(yǎng)護(hù)制備的輕骨料，尤其是采用Ⅲ級(jí)以下的劣質(zhì)粉煤灰，具有較好的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)。淤（底）泥添加少量外加劑，制粒經(jīng)燒脹而成的人造輕骨料，近些年也有所應(yīng)用。但不同流域、不同時(shí)間段形成的淤泥，其有機(jī)成份和含量都有所不同，所需的外加劑和燒結(jié)溫度、時(shí)間等都也有所不同。淤泥的這些特點(diǎn)造成不同區(qū)域制成的輕骨料質(zhì)量不易穩(wěn)定、參差不齊，作為地方局部區(qū)域的應(yīng)用較為適宜。

圖1　普通陶粒、棉秸稈顆粒和制備的新型棉花秸稈粗骨料

3　棉花秸稈超輕粗集料成型處理研究

3.1秸稈部位的選擇及成型處理

實(shí)驗(yàn)棉稈取自石河子市郊棉花地，取樣地面積約2000 m2。試樣為2014年度棉花采收后生長(zhǎng)良好的成熟棉稈。采用手工去除秸稈葉片、棉殼和棉桿側(cè)枝，整理好備用。試樣要求通直、無(wú)蟲害、無(wú)明顯缺陷、沒(méi)有表皮的損傷或開裂。

制作棉花秸稈骨料首先要對(duì)收集的完整棉花秸稈進(jìn)行切割成型處理，目前使用切割機(jī)對(duì)完整的棉花秸稈進(jìn)行切割。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，將秸稈切割成不同長(zhǎng)度對(duì)制作成型的骨料其力學(xué)性能有不同程度的影響，而且取秸稈不同位置進(jìn)行切割對(duì)制作成的骨料的性能也有不同程度的影響。棉稈是一種木質(zhì)部較為集中且含量特別高的一種植物秸稈，沿高度上呈現(xiàn)一種底部粗壯、中部略細(xì)、頂部較細(xì)的結(jié)構(gòu)。底部和中部力學(xué)性能較好，因此，取靠近底部直徑較大且長(zhǎng)度在25 mm左右作為切割標(biāo)準(zhǔn)為宜。

不僅如此，切割工具的結(jié)構(gòu)應(yīng)與所棉花秸稈的特點(diǎn)相適應(yīng)，刀口越薄，刃口越銳利，越有利于切割。但過(guò)于單薄而尖銳的刀口，如果強(qiáng)度不夠，會(huì)造成刀口的磨損或折斷，而縮短使用壽命，降低切割效率，提高切割成本。因此，必須處理好刀口銳利度與刀口材料耐磨性的關(guān)系。

3.2秸稈顆粒的表面改性處理

棉稈顆粒具有木質(zhì)材料的相關(guān)特性，其具有一定彈性形變的能力，因此如果采用普通的輕集料表面處理方式進(jìn)行處理，那么勢(shì)必會(huì)造成表面包裹材料的脫落（輕集料普通表面處理方式通常采用脆性的材料，變形?。?。為此我們需要采用一種具有一定彈性形變的材料進(jìn)行相關(guān)表面處理，提高棉花秸稈與表面裹灰層的粘結(jié)能力，確保裹灰層的可靠粘結(jié)。本實(shí)驗(yàn)采用如下方式進(jìn)行處理：將切割成型的棉花秸稈顆粒放入容器，倒入適量的丙烯酸酯乳液（固體含量50%），將棉桿顆粒包裹住后，將粉狀材料（可以是水泥、粉煤灰等，根據(jù)擬使用的環(huán)境變化進(jìn)行調(diào)整）逐步撒入容器內(nèi)。根據(jù)乳液吸附的原理將粉狀材料吸附在棉花秸稈顆粒表面。最后將顆粒在合適的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)處理即可形成新型棉花秸稈超輕粗骨料。普通陶粒、秸稈顆粒和制備的新型棉花秸稈粗骨料如圖1所示。

4　棉花秸稈顆粒超輕粗集料基本力學(xué)性能的研究

在棉稈壓縮試驗(yàn)前，將萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的加載速度設(shè)定為1 mm/min，然后把棉桿顆粒豎向放置在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)的平臺(tái)上，通過(guò)調(diào)節(jié)橫梁的升降，使試驗(yàn)機(jī)壓頭與棉桿顆粒剛好接觸，壓頭與顆粒間的間隙為零。此時(shí)啟動(dòng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，正式開始試壓。電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)一邊進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，一邊將試驗(yàn)曲線直接在屏幕上顯示；待試驗(yàn)曲線達(dá)到要求后，即可結(jié)束本次試驗(yàn)。

4.1秸稈顆粒順紋抗壓試驗(yàn)

隨機(jī)取樣6顆秸稈顆粒進(jìn)行順紋抗壓試驗(yàn)，6顆秸稈顆粒的主要物理參數(shù)見表1，順紋受壓的荷載位移曲線見圖2。

表1　順紋抗壓試驗(yàn)秸稈顆粒的物理參數(shù)

圖2　秸稈顆粒順紋受壓荷載位移曲線

從圖2可以看出，順紋抗壓狀態(tài)下棉花秸稈粗骨料隨著荷載的增加，相應(yīng)變形也呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)。變形過(guò)程可分為2種類型：（1）當(dāng)髓心直徑小于2.0 mm時(shí)，如S1、S6試樣，整體呈現(xiàn)明顯彈性形變和塑性形變，體現(xiàn)出棉花秸稈顆粒具有較好的韌性，荷載在0～2.5 kN表現(xiàn)出彈性形變，荷載大于2.5 kN時(shí)表現(xiàn)為塑性形變?？梢娝栊闹睆綄?duì)于秸稈顆粒的力學(xué)性能有較大的影響。（2）當(dāng)髓心直徑大于等于2.0 mm時(shí)，如S2、S3和S5試樣，荷載增加幅度不大，但是相應(yīng)的位移變形卻增加很快，表現(xiàn)出塑性形變的特征。S4試樣在壓縮前期變形很大，但當(dāng)位移變形達(dá)到0.25 mm時(shí)，突然表現(xiàn)出較好承載能力，此時(shí)曲線形態(tài)類似于S1和S6試樣。究其原因是S4試樣的切割斷面不平整，導(dǎo)致整個(gè)顆粒受力不均勻，在變形到一定程度后就能夠表現(xiàn)出較好的性能。

4.2秸稈顆粒橫紋抗壓試驗(yàn)

隨機(jī)取樣6顆秸稈顆粒進(jìn)行橫紋抗壓試驗(yàn)，6顆秸稈顆粒的主要物理參數(shù)見表2，橫紋受壓的荷載位移曲線見圖3。

表2　橫紋抗壓試驗(yàn)秸稈顆粒的物理參數(shù)

圖3　秸稈顆粒橫紋受壓荷載位移曲線

從圖3可以看出，橫紋抗壓狀態(tài)下棉花秸稈粗骨料隨著荷載的增加，相應(yīng)變形也呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，并且大體趨勢(shì)類似。即使有H5和H6顆粒這種承載能力較小的試樣，但其所呈現(xiàn)的曲線趨勢(shì)仍然比較接近。H5和H6顆粒承載能力較小的原因在于都存在著結(jié)節(jié)，并且通過(guò)壓縮過(guò)程中的聲音和顆粒變化可以明顯發(fā)現(xiàn)，結(jié)節(jié)處出現(xiàn)了明顯的斷裂和裂紋。橫紋受壓破壞是由于壓力方向與秸稈纖維方向垂直時(shí)的受壓狀態(tài)，秸稈高度方向的管狀纖維細(xì)胞被壓扁，因而會(huì)產(chǎn)生較大的變形，并且這種變形會(huì)呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系。棉花秸稈顆粒在橫紋受壓狀態(tài)下也呈現(xiàn)出類似的性能，比如H1、H2、H3和H4試樣在受壓段曲線呈現(xiàn)明顯的一致性。將上述4個(gè)顆粒數(shù)據(jù)平均化處理后得到曲線為：Y=0.0011X-0.0912。其中X為位移變形，Y為荷載，0.0912為截距。

通過(guò)對(duì)比順紋抗壓和橫紋抗壓數(shù)據(jù)可知，順紋力學(xué)性能遠(yuǎn)好于橫紋，在同等變形條件下順紋秸稈能夠承受更大的荷載，在同等荷載條件下橫紋秸稈能夠承受更大的變形。因此，可以根據(jù)實(shí)際需要合理使用棉花秸稈顆粒。本文提出如下設(shè)想：當(dāng)需要顆粒承受更大的荷載并且變形小時(shí)，可以采用顆粒的順紋作為承載方式；當(dāng)需要具備一定荷載承受能力并且能夠通過(guò)變形來(lái)吸收荷載的情況下，可以采用顆粒的橫紋作為承載方式；若對(duì)荷載和變形都沒(méi)有特別要求時(shí)（比如作為輕質(zhì)填充時(shí)），可以不用區(qū)分橫紋和順紋。

5　結(jié)論

（1）棉花秸稈沿高度上呈現(xiàn)底部粗壯、中部略細(xì)、頂部較細(xì)的一種結(jié)構(gòu)。一般情況下底部和中部力學(xué)性能較好，但髓心直徑是棉桿顆粒順紋方向力學(xué)性能的決定因素。是否有結(jié)節(jié)是棉花秸稈顆粒順紋和橫紋力學(xué)性能是否穩(wěn)定發(fā)揮的重要因素。

（2）通過(guò)對(duì)棉花秸稈顆粒的抗壓性能分析可知，順紋抗壓狀態(tài)下，棉花秸稈顆粒具有較好的韌性，荷載在0～2.5 kN表現(xiàn)出彈性形變；橫紋抗壓狀態(tài)下，變形呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，普遍可承受1.4kN的荷載；在同等變形條件下順紋秸稈能夠承受更大的荷載，在同等荷載條件下橫紋秸稈能夠承受更大的變形。

（3）通過(guò)對(duì)棉花秸稈超輕粗骨料力學(xué)性能的研究發(fā)現(xiàn)，其能夠滿足西北農(nóng)村地區(qū)的建材需要。

［1］晉強(qiáng)，馮勇，何金春，等.石膏-EPS-棉花秸稈皮纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的試驗(yàn)研究［J］.新型建筑材料，2014（2）：48-51.

［2］胡曙光，王發(fā)洲.輕骨料混凝土［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］ 張艷芳，常紅航.我國(guó)輕骨料混凝土的介紹［J］.硅谷，2009（18）：121.

［4］付達(dá)新.輕骨料混凝土研究現(xiàn)狀與展望［J］.中國(guó)建材科技，2009 （6）：47-51.

On pre-test trial production of new cotton stalks of coarse aggregate

JIN Qiang，WANG Xuan，SHI Shaocong
（College of Water Conservancy and Civil Engineering of Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，Xinjiang，China）

In accordance with the present situation and problems of cotton straw utilization in Xinjiang，this paper discussed on the possibility of making coarse aggregate with cotton stalks.On the base of the physical and mechanical properties of cotton stalks，select the optimum cut way，and compressive properties of cotton stalks particles were studied in this work.The experimental results showed that under compression strength parallel to grain，cotton stalks particles have better toughness，if the load is between 0 and 2.5 kN，show elastic deformation；and under compression strength perpendicular to grain，it was found out that deformations was linear relationship，generally can subjected to 1.4 kN load，under the same deformation the cotton stalks of particles parallel to grain carry the more load，under the same load，the cotton stalks of particles perpendicular to grain can bear more deformation.

cotton stalks，coarse aggregate，ceramsite

TU528.041

A

1001-702X（2015）11-0008-03

新疆維吾爾自治區(qū)高等學(xué)?？蒲杏?jì)劃項(xiàng)目（XJEDU2014S021）；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410758020）

2015-07-04；

2015-08-06

晉強(qiáng)，男，1979年生，四川簡(jiǎn)陽(yáng)人，碩士，講師。