不同棉稈形態(tài)對(duì)棉稈-EPS砌塊物理力學(xué)性能的影響

(塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300)

1 研究背景

新疆作為我國(guó)最大的棉花生產(chǎn)大省，每年產(chǎn)生的棉稈農(nóng)作物廢棄物多達(dá)千百萬(wàn)噸[1]。棉稈資源在混凝土中應(yīng)用前景巨大，大量學(xué)者為了變廢為寶，利用廢棄的棉稈制作出棉稈水泥基砌塊、棉稈纖維-陶粒泡沫混凝土以及棉稈-EPS砌塊，這些以棉稈作為加筋材料，水泥為膠結(jié)材料的復(fù)合砌塊，有密度小、力學(xué)性能優(yōu)異、保溫性能好、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)[2-5]，可以替代實(shí)心黏土磚而作為一種新型墻體材料[6-10]。但在制作這些砌塊的過(guò)程中，棉稈的粉碎情況直接影響了棉稈的粗細(xì)形態(tài)的變化，棉稈的形態(tài)對(duì)砌塊的物理力學(xué)性能的影響是值得探究的問(wèn)題[11-14]。本文通過(guò)試驗(yàn)研究,在配合比一定的條件下，摻入不同形態(tài)的棉稈，制作棉稈-EPS砌塊；分析不同棉稈形態(tài)以及不同齡期對(duì)棉稈-EPS砌塊的抗壓強(qiáng)度、抗劈裂強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量，以及吸水性物理力學(xué)性能的影響規(guī)律，得出最佳棉稈摻入形態(tài)。以期為棉稈-EPS砌塊的應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。

圖1 不同棉稈形態(tài)Fig.1 Different forms of cotton stalk

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)配合比

水泥：采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥(廠商為新疆青松化工集團(tuán)股份有限公司)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試其8 d抗壓強(qiáng)度為46.2 MPa；砂：細(xì)度模數(shù)為2.9的中砂；減水劑：萘系高效減水劑，實(shí)測(cè)減水率為22.5%；EPS泡沫顆粒：采用廢棄的EPS泡沫，粉碎成粒徑大小為3～5 mm的細(xì)小顆粒；棉稈：將其用打碎機(jī)打碎回收后分篩，篩選出粒徑<1.5 mm的屑沫為T(mén)1處理，長(zhǎng)度1～3 cm的棉稈碎屑為T(mén)2處理，以及長(zhǎng)度3～8 cm的棉稈纖維為T(mén)3處理；棉稈形態(tài)如圖1所示。不同處理的棉稈-EPS砌塊配合比如表1所示。不同形態(tài)棉稈物理參數(shù)如表2所示。

表1 棉稈-EPS砌塊配合比Table 1 Mix ratios of cotton stalk-EPS blocks

注:配合比中各材料用量均以水泥質(zhì)量為基準(zhǔn)。mw為水的質(zhì)量；mc為水泥的質(zhì)量。

表2 棉稈形態(tài)性能參數(shù)Table 2 Morphological and performance parameters of cotton stalk

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2002),基于表1中棉稈-EPS混凝土的配合比，以棉稈形態(tài)作為單一變量，分別制作150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm大小規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的試件。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3，7，28 d后，分別測(cè)定不同棉稈-EPS砌塊試件的抗壓強(qiáng)度、抗劈裂強(qiáng)度、軸心抗壓強(qiáng)度、彈性模量、抗折強(qiáng)度及吸水量等物理力學(xué)性能。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 棉稈形態(tài)對(duì)棉稈-EPS砌塊抗壓強(qiáng)度的影響

棉稈-EPS砌塊的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件為一組，制作150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下，利用微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)：WHY-5/300)測(cè)定不同齡期標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗壓強(qiáng)度，數(shù)據(jù)如表3和圖2所示。

通過(guò)表3可以看出，棉稈打碎形態(tài)對(duì)棉稈-EPS砌塊抗壓強(qiáng)度有顯著的影響。其中，28 d T1處理砌塊的抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到6.95 MPa；T3處理抗壓強(qiáng)度為5.22 MPa；而T2抗壓強(qiáng)度最低，為2.95 MPa。

從圖2(c)曲線下降的趨勢(shì)可以看出，T1處理砌塊抗壓強(qiáng)度到達(dá)峰值后迅速下降，而T2和T3處理砌塊抗壓強(qiáng)度到達(dá)峰值后下降緩慢。在測(cè)試過(guò)程中，T1處理砌塊在抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值后繼續(xù)加壓，砌塊裂縫發(fā)展迅速，砌塊四周伴有混凝土的剝落，體現(xiàn)出脆性破壞特征；而T2和T3處理砌塊在峰值強(qiáng)

表3 不同齡期棉稈-EPS砌塊抗壓強(qiáng)度Table 3 Compressive strength of cotton stalk-EPS block at different age

注:表中字母表示P<0.05的顯著水平，大寫(xiě)字母為行顯著，小寫(xiě)字母為列顯著，A,B,C和a,b,c之間互為顯著，以下類同。

圖2 不同齡期棉稈-EPS砌塊抗壓值曲線Fig.2 Curves of compressive strength of cotton stalk -EPS blocks at different ages

度后，持續(xù)加壓的過(guò)程中，內(nèi)部棉稈和混凝土之間的拉扯使得砌塊四周混凝土材料剝落現(xiàn)象不明顯，壓縮能力比T1處理強(qiáng)，體現(xiàn)出延性破壞的特點(diǎn)，這一點(diǎn)也從抗壓曲線上可以得到印證。從試驗(yàn)結(jié)果可知：在相同的配合比下，棉稈粒徑的大小對(duì)砌塊抗壓強(qiáng)度的變化有著顯著影響。這是因?yàn)槊薅捔皆酱?，其孔隙率越大，抗壓?qiáng)度也越??；粒徑越小，孔隙率也變小，砌塊內(nèi)部更密實(shí)，抗壓強(qiáng)度也越大。

不同齡期的棉稈-EPS砌塊的抗壓強(qiáng)度隨著試件養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)也在不斷增大。但在抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)過(guò)程中，T2處理在不同齡期抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)呈顯著水平，但相對(duì)增長(zhǎng)值較??；T1、T3處理在3～7 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)不顯著，但7～28 d抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)顯著。從試驗(yàn)曲線可以看出，在3 d和7 d的抗壓試驗(yàn)中，T3處理試件在出現(xiàn)裂縫后抗壓強(qiáng)度仍不斷上升，而在28 d的抗壓試驗(yàn)中并未出現(xiàn)此現(xiàn)象。這可能是由于3 d和7 d的試件含水率均比較高(表4為不同齡期砌塊含水率情況)，砌塊內(nèi)部棉稈纖維含水量較高，提高了纖維固有的韌性。在持續(xù)加壓的過(guò)程中，纖維在砌塊破壞過(guò)程中起到拉結(jié)的作用，使得已經(jīng)破壞的混凝土不向四周擴(kuò)散，從而使砌塊盡管出現(xiàn)明顯的裂縫，但抗壓強(qiáng)度還在不斷上升。

表4 不同齡期棉稈-EPS砌塊含水率Table 4 Moisture content of cotton stalk-EPS block at different ages

3.2 棉稈形態(tài)對(duì)棉稈-EPS砌塊抗劈裂強(qiáng)度的影響

棉稈-EPS砌塊抗劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)以3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件為一組，制作150 mm×150 mm×150 mm的立方體試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3，7，28 d后，利用微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)：WHY-5/300)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗劈裂強(qiáng)度，數(shù)據(jù)如表5。

表5 不同齡期棉稈-EPS砌塊抗劈裂強(qiáng)度Table 5 Anti-splitting strength of cotton stalk-EPS block at different ages

由表5可以看出，棉稈打碎形態(tài)對(duì)棉稈-EPS砌塊抗劈裂強(qiáng)度有顯著的影響。其中T1處理砌塊的抗劈裂強(qiáng)度可以達(dá)到0.93 MPa；T3處理抗劈裂強(qiáng)度能達(dá)到0.81 MPa；而T2處理抗劈裂強(qiáng)度最低為0.38 MPa。從圖3曲線下降的趨勢(shì)可以看出，T1處理砌塊抗劈裂強(qiáng)度到達(dá)峰值后迅速下降；而T2處理和T3處理抗劈裂強(qiáng)度到達(dá)峰值后均體現(xiàn)出良好的延性。如圖4的劈裂后棉稈-EPS砌塊所示，棉稈粒徑越小，砌塊內(nèi)部棉稈分布越均勻；反之，砌塊內(nèi)部棉稈分布不均；棉稈長(zhǎng)度越短，砌塊內(nèi)部棉稈分布越均勻；反之，砌塊內(nèi)部棉稈分布不均。

圖3 28 d棉稈-EPS砌塊抗劈裂值曲線Fig.3 Anti-splitting strength cotton stalk -EPS block cured for 28 days

圖4 劈裂后棉稈-EPS砌塊Fig.4 Cotton stalk -EPS block after splitting

同時(shí)可以看出，隨著齡期的增大，不同處理試件的抗劈裂強(qiáng)度也不斷增大。在7 d內(nèi)，3個(gè)處理試件的抗劈裂強(qiáng)度增大不明顯，且抗劈裂強(qiáng)度差異不大；在7～28 d中，T1和T3處理試件抗劈裂強(qiáng)度增大較快。28 d時(shí)，T2處理抗劈裂強(qiáng)度是T1處理的40.86%，為T(mén)3處理的46.91%。而T2處理抗劈裂強(qiáng)度在7 d內(nèi)的增量比T1、T3處理的增量均大。

3.3 棉稈形態(tài)對(duì)棉稈-EPS砌塊抗折強(qiáng)度的影響

棉稈-EPS砌塊的抗折強(qiáng)度試驗(yàn)通過(guò)以3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件為一組處理，制作100 mm ×100 mm×400 mm大小的試件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3，7，28 d后，利用微機(jī)控制全自動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)：WHY-5/300)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)試塊的抗折強(qiáng)度，數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 不同齡期棉稈-EPS砌塊抗折強(qiáng)度Table 6 Flexural strength of cotton stalk -EPS blocks at different ages

從表6可以看出，28 d后，T3處理砌塊抗折強(qiáng)度達(dá)到1.44 MPa；T2處理砌塊抗折強(qiáng)度達(dá)到1.08 MPa；T1處理砌塊抗折強(qiáng)度最低，為0.45 MPa。從圖5可以看出，T1處理試件在抗折試驗(yàn)中直接折斷成2段，而T2和T3處理試件只是出現(xiàn)貫穿裂縫，但并未斷開(kāi)。這是因?yàn)槊薅掗L(zhǎng)短對(duì)砌塊抗折強(qiáng)度的變化有著顯著影響。棉稈長(zhǎng)度越長(zhǎng)，與混凝土結(jié)合面越大，加之棉稈纖維本身具有一定的抗拉作用，因此其抗折強(qiáng)度也越大；長(zhǎng)度越短，棉稈的抗拉作用也越不明顯，與混凝土結(jié)合面積變少，砌塊抗折強(qiáng)度也越小。

圖5 抗折試驗(yàn)后28 d棉稈-EPS砌塊破壞狀態(tài)Fig.5 Failure of cotton stalk-EPS blocks at 28 d age after bending test

3.4 棉稈形態(tài)對(duì)棉稈-EPS砌塊軸心抗壓強(qiáng)度及彈性模量的影響

棉稈-EPS砌塊的軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件為一組，制作150 mm ×150 mm×300 mm大小的試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)3，7，28 d后，利用采用電液式壓力試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)：YA-20000)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)試塊的軸心抗壓強(qiáng)度，采用電液式壓力試驗(yàn)機(jī)(型號(hào)：YA-20000)、彈性模量測(cè)量?jī)x以及千分表對(duì)棉稈-EPS砌塊試件彈性模量進(jìn)行測(cè)定。

表7為不同齡期棉稈-EPS砌塊軸心受壓強(qiáng)度。由表7可以看出，28 d時(shí)T1處理砌塊的軸心抗壓強(qiáng)度達(dá)到6.88 MPa；T3處理軸心抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.05 MPa；而T2處理軸心抗壓強(qiáng)度最低，為3.58 MPa。在3 d和7 d時(shí)，不同處理的軸心抗壓強(qiáng)度均較低，差異不顯著。其破壞狀態(tài)如圖6所示。

表7 不同齡期棉稈-EPS砌塊軸心受壓強(qiáng)度Table 7 Axial compressive strength of cotton stalk-EPS blocks at different ages

圖6 軸心抗壓試驗(yàn)后28 d棉稈-EPS砌塊破壞狀態(tài)Fig.6 Cotton stalk-EPS blocks at 28 d age after axial compression test

彈性模量是材料屬性中最為重要的性能參數(shù)之一，測(cè)定棉稈-EPS砌塊在不同棉稈形態(tài)變化處理下的彈性模量，對(duì)研究不同形態(tài)棉稈對(duì)棉稈-EPS砌塊力學(xué)性能的影響有著更深入的認(rèn)知。棉稈-EPS砌塊28 d齡期試件彈性模量如表8所示。由表8可以看出，摻入棉稈的粉碎形態(tài)對(duì)棉稈-EPS砌塊的彈性模量具有較顯著的影響。T3處理砌塊彈性模量最大，其彈性變形最好，該棉稈形態(tài)對(duì)砌塊的彈性模量影響

表8 不同處理的棉稈-EPS砌塊彈性模量
Table 8 Modulus of elasticity of cotton stalk-EPSblock with different treatments

處理T1T2T3彈性模量/MPa7.25a9.7a80.42b

最為顯著。而T1處理和T2處理砌塊的彈性模量差異不顯著，說(shuō)明這2種棉稈形態(tài)對(duì)砌塊的彈性模量影響不大。

3.5 棉稈形態(tài)對(duì)棉稈-EPS砌塊吸水性能的影響

從水泥標(biāo)準(zhǔn)恒溫保養(yǎng)箱分別取出不同處理齡期為28 d、規(guī)格為150 mm×150 mm×150 mm的棉稈-EPS砌塊，以3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件為一組，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，設(shè)定溫度為(105±5)℃，使其在干燥恒溫的環(huán)境中干燥處理4 d，4 d后待試件在干燥箱中冷卻后取出，放入水溫為(20±5)℃的恒溫水槽內(nèi)，采用天平，對(duì)每隔一段時(shí)間的棉稈-EPS砌塊試件進(jìn)行稱重，記錄數(shù)據(jù)，求其各個(gè)時(shí)間段吸水量平均值。不同時(shí)間棉稈-EPS砌塊吸水量如圖7。

圖7 不同處理的棉稈-EPS砌塊吸水量與時(shí)間的關(guān)系Fig.7 Time-histories of water absorption of cotton stalk-EPS blocks with different treatments

混凝土的吸水性與其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)有著密切聯(lián)系。混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在著大大小小的孔隙，這些孔隙在混凝土吸水的過(guò)程中產(chǎn)生毛細(xì)管的吸附作用，使水分慢慢填充混凝土內(nèi)部孔隙[15-17]。由圖7可知，在0.25 h前，各個(gè)處理的棉稈-EPS砌塊吸水速率最快。且在此時(shí)間內(nèi)，T3和T2處理吸水速率相接近。在3～11 h之間，各種砌塊吸水性趨勢(shì)趨于平緩。棉稈打碎形態(tài)對(duì)棉稈-EPS砌塊吸水性能具有較大的影響。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：砌塊的吸水量隨著棉稈長(zhǎng)度增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

(1)28 d 齡期后的棉稈-EPS砌塊，在配合比一定的情況下，當(dāng)棉稈長(zhǎng)度和粒徑較小時(shí)(屑沫)，砌塊的抗壓強(qiáng)度、抗劈裂強(qiáng)度及軸心抗壓強(qiáng)度最大，分別為6.95，0.93，6.88 MPa；而棉稈粒徑增大時(shí)(碎屑)，其砌塊的抗壓強(qiáng)度、抗劈裂強(qiáng)度以及軸心抗壓強(qiáng)度均降低；當(dāng)棉稈較長(zhǎng)為纖維狀態(tài)時(shí)，砌塊的抗折強(qiáng)度和彈性模量均最大，分別為1.44 MPa和80.42 MPa，但棉稈纖維長(zhǎng)度的增加會(huì)增大砌塊的吸水率。

(2)在3 d和7 d齡期的棉稈-EPS砌塊，棉稈形態(tài)對(duì)砌塊各項(xiàng)力學(xué)性能的影響不顯著。但砌塊內(nèi)部含水率對(duì)砌塊破壞后抗壓強(qiáng)度持續(xù)增高有一定影響。

(3)棉稈形態(tài)對(duì)砌塊破壞特征有一定的影響，在荷載的作用下，棉稈長(zhǎng)度較短(屑沫)的砌塊表現(xiàn)出脆性破壞的特征，而棉稈長(zhǎng)度較長(zhǎng)(纖維)的砌塊表現(xiàn)為延性破壞。

(4)棉稈形態(tài)的變化對(duì)砌塊各項(xiàng)物理力學(xué)性能的影響不同，所以建議根據(jù)工程的需要選擇不同形態(tài)的棉稈-EPS砌塊。