稻草纖維粉末混凝土及砌塊的性能研究

張睿驍，蘇有文

（西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621000）

0 引言

我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年的秸稈產(chǎn)量約為7億t[1]。無論是北方的麥稈、高粱桿，還是南方的稻草桿、玉米桿，每年都有大量的秸稈擱置、焚燒。而秸稈本身不僅是一種重要的生物資源，更是綠色環(huán)保的建筑材料，卻很少被國人利用。隨著2004年我國頒布了禁止生產(chǎn)實心黏土磚的禁令后，混凝土空心砌塊的應(yīng)用得到大量的推廣及使用。國內(nèi)纖維增強(qiáng)混凝土的研究也越來越多[2-4]，纖維混凝土在國內(nèi)發(fā)展迅速。但多數(shù)研究是圍繞金屬纖維或者無機(jī)纖維等，像植物纖維這類有機(jī)纖維混凝土的研究相對較少。本研究通過對稻草纖維原料進(jìn)行深度加工處理，得到稻草纖維粉末，以水泥、砂、碎石、稻草纖維等為原料，制備探討了稻草纖維粉末混凝土及空心砌塊，并測試了其物理性能。

1 試驗準(zhǔn)備及設(shè)計

1.1 試驗原材料

水泥：綿特牌PC32.5R水泥，綿陽水泥廠生產(chǎn)；砂：綿陽當(dāng)?shù)睾由?，中砂，含水?%；石子：碎石，綿陽龍門砂石廠生產(chǎn)，其最大粒徑20mm，含水率1%；水：自來水；稻草纖維：來源于綿陽涪城區(qū)新龍村郊區(qū)，選用稻草的標(biāo)準(zhǔn)為色澤光亮、保存完好、干燥。通過秸稈粉碎機(jī)，對稻草進(jìn)行多級碾碎，并分離出不同粒徑的稻草纖維粉末，根據(jù)粒徑范圍分為A1、A2、A3、A4，并設(shè)置A0作為試驗空白對照組，具體情況如表1所示。

表1 稻草纖維粉末的粒徑范圍

1.2 試驗設(shè)計

混凝土配合比按照J(rèn)GJ55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》進(jìn)行設(shè)計，本試驗采用工程中常用的C30混凝土，m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）=1∶1.11∶2.58，水泥用量 476 kg/m3，W/C=0.36，不同粒徑稻草纖維粉末分別按水泥質(zhì)量的2%、4%、6%、8%、10%摻入。

此次混凝土砌塊模型設(shè)計選自本課題前期優(yōu)化后的方案，采用小型空心砌塊標(biāo)準(zhǔn)尺寸，長390 mm×高190 mm×寬190 mm，空心率36.8%，具體尺寸如圖1所示。

圖1 混凝土空心砌塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.3 試件制作

根據(jù)試驗所用稻草纖維粉末的特性以及前期試驗經(jīng)驗，采用預(yù)拌水泥砂漿法，主要是為了使稻草纖維能夠更加均勻地與水泥砂漿混合，均勻地分布在混凝土中，具體施工工藝如圖2所示。

圖2 稻草纖維粉末混凝土二次投料法工藝

1.4 試驗方法及儀器設(shè)備

1.4.1 試驗方法

試驗前，根據(jù)混凝土配合比進(jìn)行稱料并攪拌，當(dāng)加入全部計算用水后，攪拌15 s，然后停機(jī)觀察混凝土的和易性，并用鐵棒進(jìn)行人工插搗，用手捏握混凝土，觀察其是否攪拌均勻。達(dá)到要求后，方可出料。出料時，采用人工拌合且不少于3鏟，盡量拌至均勻，然后裝料進(jìn)行坍落度試驗，滿足要求之后記錄混凝土試塊的用水量和終凝時間以及混凝土空心砌塊的密度、含水率和吸水率。

1.4.2 試驗儀器設(shè)備

磅秤：精度為0.2 kg，最大稱重300 kg；電子稱：精度為0.01g，最大稱重30 kg；攪拌機(jī)：SJD-60L臥式強(qiáng)制攪拌機(jī)；振動臺：規(guī)格為100 cm×100 cm；稻草纖維粉碎機(jī)：特殊定制；微機(jī)控制電液伺服萬能試驗機(jī)：WDYA-500B，精度0.0kN，最大荷載500 t；空氣壓縮機(jī)：型號為ZBM-081/8。

1.4.3 性能測試方法

（1）額外用水量以滿足坍落度要求時，記錄額外用水量；終凝時間檢測以手指按掐混凝土表面無明顯印痕為標(biāo)準(zhǔn)，并記錄終凝時間。

（2）密度

試驗前，先將試驗砌塊從養(yǎng)護(hù)室取出，至于鐵架晾干，用干毛巾擦掉表面多余水分。將試件浸入溫度為15～25℃、水面高出試件20 mm以上的水中，24 h后將其分別移到水桶中，稱出其懸浸質(zhì)量m1，精確至0.005kg，然后將試件從水中取出，放在鐵絲網(wǎng)架上滴水1min，再用擰干的濕布擦拭掉內(nèi)、外表面的水，立即稱其飽和面干狀態(tài)下的質(zhì)量m2，精確至0.005kg。將試件放入電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在105±5℃溫度下至少干燥24h，然后每間隔2h稱量一次，直至兩次稱量之差不超過后一次稱量的0.2%為止，待試件在電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)冷卻至與室溫差低于20℃后取出，立即稱其絕干質(zhì)量m，精確至0.005 kg。

每個試件的密度，精確至0.01kg/m3。塊體密度以3個試件塊體密度的算術(shù)平均值表示，精確至0.01 kg/m3。其中，試件的體積按式（1）計算，密度按式（2）計算。

式中：V——試件的體積，m3；

l——試件的長度，mm；

b——時間的寬度，mm；

h——試件的高度，mm。

式中：ρ——試件的密度，kg/m3；

m——時間的絕干質(zhì)量，kg；

V——試件的體積，m3。

（3）含水率和吸水率

試件取樣后立即用毛刷清理試件表面及孔洞內(nèi)粉塵，稱取其質(zhì)量m0，精確至0.005 kg，若試件用塑料袋密封運輸，則按照規(guī)范的相關(guān)要求，稱取質(zhì)量m0。

每個試件的含水率精確至0.01%。塊材的含水率以3個試件含水率的算術(shù)平均值表示。精確至0.01%，按式（3）計算。

式中：W1——試件的含水率；

m0——試件的取樣質(zhì)量，kg；

m——試件的絕干質(zhì)量，kg。

每個試件的吸水率，精確至 0.01%，按式（4）計算。

式中：W2——試件的吸水率；

m2——試件飽和面干質(zhì)量，kg；

m——試件的絕干質(zhì)量，kg。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 稻草纖維粉末混凝土的物理性能

2.1.1 稻草纖維粉末對混凝土用水量的影響

在控制混凝土坍落度為30～35 mm的情況下，稻草纖維粉末摻量和粒徑對混凝土額外用水量（在確定的混凝土配合比情況下，摻入一定量的稻草纖維粉末后，由于稻草纖維粉末吸水特性，為保證混凝土的坍落度以及和易性，導(dǎo)致混凝土的用水量增加，這部分用水量稱為額外用水量）的影響見圖3。

圖3 稻草纖維粉末摻量和粒徑對混凝土額外用水量的影響

由圖3可知，在控制混凝土坍落度為30～35 mm的情況下，同一粒徑的稻草纖維粉末混凝土，其額外用水量隨著稻草纖維摻量的增加而增加；同一稻草纖維摻量下，混凝土額外用水量隨著稻草纖維粒徑的減小逐漸增加。當(dāng)纖維摻量在2%～4%時，A1、A2粒徑下的稻草纖維混凝土，其額外用水量增加相對穩(wěn)定，但當(dāng)纖維摻量在4%～6%時，A1、A2、A3粒徑下的額外用水量增加較快，最高達(dá)約30%。這主要是由于A1、A2粒徑下的稻草纖維，由于其粒徑相對較大，總比表面積相對較小，在摻量不超過4%時，其額外增加用水不多，但當(dāng)摻量超過6%后，稻草纖維數(shù)量增加，導(dǎo)致用水量也逐漸增加；而A3、A4粒徑下的稻草纖維，其用水量隨著摻量增加而快速增加，尤其是在摻量超過4%后，其用水量呈直線增加。分析其原因，主要是由于A3、A4的稻草纖維粒徑較小，加入混凝土中之后，其總比表面積大，吸收水分多，導(dǎo)致額外用水量大大增加。在A4粒徑下，纖維摻量為10%時，額外用水量超出原設(shè)計用水量的45%。

2.1.2 終凝時間的影響

在室內(nèi)溫度為（20±5）℃條件下，稻草纖維粉末摻量和粒徑對混凝土終凝時間的影響見表2。

表2 稻草纖維粉末摻量和粒徑對混凝土終凝時間的影響

由表2可以看出，當(dāng)?shù)静堇w維粉末粒徑為A1、A2時，隨著纖維摻量的增加，混凝土的終凝時間也隨之延長，即使纖維摻量增加到10%，其終凝時間基本滿足普通混凝土驗收規(guī)范規(guī)定的時間；而使用A3粒徑的稻草纖維混凝土，在纖維摻量超過6%時，就已經(jīng)明顯延緩，尤其是在10%摻量時，其終凝時間已經(jīng)超過24 h；使用A4粒徑的稻草纖維混凝土，其終凝時間隨著摻量的增加，則延遲更長，只有在纖維摻量不超過4%時，其終凝時間能夠滿足實際使用要求。根據(jù)結(jié)果分析可知，稻草纖維粉末對混凝土有緩凝的效果。分析其原因，主要是由于稻草纖維粒徑太小，纖維粉末顆粒均勻分布在混凝土水泥膠結(jié)分子之間，阻礙了水泥漿的正常凝結(jié)，從而延緩了混凝土的凝結(jié)，這和大部分植物纖維混凝土一樣，在加入纖維之后，初、終凝時間都有所延緩。

2.2 稻草纖維粉末混凝土空心砌塊的物理性能

2.2.1 稻草纖維粉末對混凝土空心砌塊密度的影響

（見圖 4）

圖4 不同粒徑和摻量下稻草纖維粉末混凝土空心砌塊密度的變化

由圖4可以看出，不同粒徑的稻草纖維粉末混凝土空心砌塊的密度隨著稻草纖維摻量的增加而逐漸減小。在同一纖維粒徑下，纖維摻量越多，砌塊的密度下降越快，其中A1、A2砌塊的密度下降相對平穩(wěn)，而A3、A4粒徑的砌塊，其密度在纖維摻量不大于8%時下降較快，在8%～10%的階段，密度變化相對較小。分析其原因，主要是由于纖維的摻入替代了部分混凝土集料，使得同等體積的砌塊其質(zhì)量更輕，密度減小。同時，由于粒徑較小的稻草纖維，如A3、A4粒徑下稻草纖維在加入混凝土中后，由于水的表面張力，形成了一些細(xì)小的氣泡，導(dǎo)致同等體積下的混凝土砌塊，質(zhì)量減小，密度也隨之減小。

2.2.2 稻草纖維粉末對混凝土空心砌塊含水率的影響（見圖5）

圖5 不同粒徑和摻量下稻草纖維粉末混凝土空心砌塊含水率的變化

由圖5可以看出，稻草纖維粉末混凝土空心砌塊的含水率隨著稻草纖維摻量的增加而逐漸增大；纖維摻量≤8%時，纖維粒徑對砌塊的含水率影響不大，但當(dāng)纖維摻量為10%，纖維粒徑從A2到A4時，其含水率變化最大。這主要是因為在纖維粒徑相同時，稻草纖維的摻量增加，稻草纖維從四周吸水，導(dǎo)致砌塊的含水率上升，變化相對穩(wěn)定；而在纖維摻量相同時，粒徑變化對含水率的影響不如摻量變化帶來的影響大，但10%纖維摻量下的砌塊，其含水率變化幅度較大，主要是因為其混凝土強(qiáng)度發(fā)展較慢，凝結(jié)硬化的過程還未完成，其10%摻量的稻草纖維混凝土其強(qiáng)度還未發(fā)展完全，水分還未被充分利用，導(dǎo)致砌塊含水率較高。

2.2.3 稻草纖維粉末對混凝土空心砌塊吸水率的影響（見圖6）

圖6 不同粒徑和摻量下稻草纖維粉末混凝土空心砌塊吸水率的變化

由圖6可以看出，砌塊的吸水率隨著纖維摻量的增加而增大，隨著纖維粒徑的減小而增大。分析其原因，一是由于稻草纖維本身吸水特性，稻草纖維摻量越多，吸收的水越多，導(dǎo)致砌塊的吸水率增大；二是稻草纖維粒徑越小，在同等質(zhì)量情況下，其比表面積越大，顆粒之間的縫隙越多，能鎖住的水分越多，導(dǎo)致其吸水率越大。

3 結(jié)論

（1）配制稻草纖維粉末混凝土，摻入稻草纖維粉末時，由于稻草纖維的吸水性，導(dǎo)致混凝土的和易性降低、坍落度減小，并且隨著稻草纖維粉末摻量的增加，試驗額外用水量也不斷增大，在A4粒徑、摻量為10%時，額外用水量超出原設(shè)計用水量的45%。

（2）摻加了稻草纖維粉末的混凝土，其終凝時間隨著纖維摻量的增加而延長。其中，當(dāng)在A4粒徑時，纖維粉末摻量超過4%，其終凝時間已經(jīng)超過12 h，無法滿足試驗要求；當(dāng)纖維粒徑為A3、A4時，摻量超過8%后，其終凝時間已達(dá)1 d以上，無法滿足工程中使用要求。

（3）不同粒徑的稻草纖維粉末混凝土空心砌塊的密度隨著纖維摻量的增加而逐漸降低。

（4）稻草纖維粉末混凝土空心砌塊的含水率隨著稻草纖維摻量的增加而逐漸增大；在纖維摻量相同時，纖維粒徑對砌塊的含水率影響不大，但當(dāng)纖維摻量在10%，纖維粒徑從A2～A4時，其含水率變化最大。

（5）稻草纖維粉末混凝土空心砌塊的吸水率隨著纖維摻量的增加而增大，隨著纖維粒徑的減小而增大。