油菜秸稈纖維混凝土抗碳化性能的試驗研究

張文俊，劉保華*，周文，趙志華，肖宏，葉煜飄，陳禮德

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學水利與土木工程學院，湖南 長沙 410128；2.湖南省農(nóng)業(yè)裝備研究所，湖南 長沙 410125；3.湖南省衡陽市農(nóng)業(yè)技術服務中心，湖南 衡陽 421001)

楊惠芬[1]研究發(fā)現(xiàn)，混凝土中摻入稻草纖維微粒，其抗壓性能、劈裂抗拉性能及抗折(抗彎拉)性能都會降低，但韌性和抗沖擊性能有所提高。劉巧玲等[2]將油菜秸稈粉碎摻入素混凝土中，發(fā)現(xiàn)大量摻入油菜秸稈導致混凝土抗壓強度降低。張強等[3]將油菜秸稈灰分摻入普通混凝土中，發(fā)現(xiàn)混凝土抗壓強度有所降低，但劉保華等[4]的研究結(jié)果顯示油菜秸稈灰分的摻入可使混凝土的保溫性能有一定提高。曾哲等[5–6]研究發(fā)現(xiàn)，當纖維長度30～40 mm、體積摻量0.1%時，混凝土抗壓強度性能最好；當纖維長度20～30 mm、體積摻量0.2%時，劈裂抗拉和抗折強度性能最好；秸稈纖維摻量為2.5%的混凝土試件比秸稈纖維摻量為0 的混凝土試件的導熱系數(shù)均降低了30%左右。除力學性能和保溫性能外，耐久性是評價混凝土使用壽命的重要指標，而碳化(空氣中CO2滲入混凝土與水化產(chǎn)物Ca(OH)2反應生成CaCO3和 H2O 的過程)作為影響混凝土耐久性的重要因素，會使混凝土堿度降低，混凝土孔溶液中氫離子數(shù)量增加，減弱了混凝土對鋼筋的保護作用，使混凝土構(gòu)件在工程長期服役過程中的使用功能受到嚴重影響[7–10]。對普通混凝土抗碳化性能的研究表明：水灰比的影響極其顯著。蔣利學[11]發(fā)現(xiàn)大水灰比使混凝土孔隙中的游離水增多，有利于碳化反應。HOUST 等[12]研究表明，水灰比從 0.4 增長至0.8 時，混凝土中的氣體擴散系數(shù)將增長至少10倍。還有研究表明，水灰比在0.55 以下時，基本上可以保證混凝土的抗碳化能力[13]。方璟等[14]研究發(fā)現(xiàn)，水灰比與碳化深度有明顯的相關性。

筆者以水灰比、秸稈纖維長度和秸稈纖維體積摻量為變量，設計正交試驗，通過測試油菜秸稈纖維混凝土試件的碳化深度，探究3 個因素對混凝土抗碳化性能的影響。運用最小二乘法建立了油菜秸稈纖維混凝土的碳化深度預測模型。

1 材料和方法

1.1 油菜秸稈纖維的制備

取油菜距地表200 mm 的秸稈，洗凈，85 ℃烘烤 4 h，冷卻后去芯，將保留的秸稈表面纖維部分處理成15～20、>20～25、>25～30、>30～35 mm 等4種長度。采用2%的NaOH 溶液浸泡[15–16]，以防秸稈纖維木質(zhì)素在水泥漿中降解析出。排液法測得油菜秸稈纖維的表觀密度為0.34 g/cm3。

1.2 制作油菜秸稈纖維混凝土試件

依照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗方法標準》[17]，制作尺寸為 100 mm×100 mm×400 mm 的棱柱體非標準試件。使用CCB–70W 混凝土碳化試驗箱進行快速碳化試驗，用測量精度為0.1 mm 的游標卡尺測量混凝土試件養(yǎng)護3、7、14、28 d 的碳化深度。對最優(yōu)組28 d齡期試件進行電鏡掃描，觀察其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)。

混凝土試件采用強度等級為42.5MP 的世立牌快硬硫鋁酸鹽水泥[18]，細度模數(shù)為2.47 的河砂。根據(jù)GB/T 14685—2011《建設用碎石卵石》[19]并結(jié)合工程經(jīng)驗，不同單粒徑卵石、碎石混合使用，碎石粒徑9.5～16 mm、>20～26.5 mm，卵石粒徑2.36～4.75 mm、>4.75～10 mm。萘系減水劑減水率為20%，摻量為水泥用量的 1%；用 5%水泥用量的硅灰(四川朗天牌)等量替代水泥[20]。

1.3 混凝土碳化試驗

以水灰比(0.45、0.50、0.55、0.60)、秸稈纖維長度(15～20、>20～25、>25～30、>30～35 mm)和秸稈纖維體積摻量(0.50%、1.00%、1.50%、2.00%)為變量設計正交試驗 (表1)；參照JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設計規(guī)程》[21]，進行配合比設計，計算每立方米材料用量(表2)。

表1 正交試驗因素和水平Table 1 Factors and levels

正交試驗共20 組，每組3 個，共制作60 個試件。按水灰比水平編碼、秸稈纖維長度水平編碼和秸稈纖維體積摻量水平編碼順序?qū)υ嚰M行編號，編號中后2 個數(shù)字為0 時表示未摻入秸稈纖維。

2 結(jié)果與分析

2.1 油菜秸稈纖維混凝土的碳化深度

油菜秸稈纖維混凝土試件養(yǎng)護3、7、14、28 d的碳化深度測定結(jié)果列于表3。

表3 正交試驗秸稈纖維混凝土試件的碳化深度Table 3 Carbonation depth of straw fiber concrete in orthogonal test

對比水灰比0.45 組3 d 混凝土碳化深度，摻入秸稈纖維后，混凝土試件碳化深度相比基準混凝土試件碳化深度 9.46 mm，分別減小了 8.25%、20.19%、18.82%、35.31%。對其他水灰比組3 d 碳化深度進行對比計算，發(fā)現(xiàn)1–4–4 試件碳化深度值減小35.31%，減小程度最大。表明油菜秸稈纖維的摻入能夠明顯提高混凝土的抗碳化性能。

對混凝土養(yǎng)護7 d 的碳化深度進行極差分析，結(jié)果如表4 所示。

表4 油菜秸稈纖維混凝土養(yǎng)護7 d 碳化深度極差分析Table 4 Range analysis of carbonation depth on the 7th day

對比Rj值，可知3 因素對油菜秸稈混凝土抗碳化性能影響大小依次為水灰比、秸稈纖維長度、秸稈纖維體積摻量。對于油菜秸稈纖維混凝土抗碳化性能3 因素的最優(yōu)水平組合為水灰比0.45、秸稈纖維長度>30～35 mm、秸稈纖維體積摻量1.50%。

2.2 秸稈纖維混凝土試件的微觀結(jié)構(gòu)

選取抗碳化性能最優(yōu)組(水灰比為0.45、秸稈纖維長度>30～35 mm、秸稈纖維體積摻量1.50%)碳化28 d 后的混凝土試件與基準混凝土試件(水灰比為0.45)，采用SEM 電鏡掃描測試，放大400 倍，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 油菜秸稈纖維混凝土試件電鏡掃描結(jié)果Fig.1 SEM scan results of straw fiber concrete specimen

圖1–b 中，黃色區(qū)域為油菜秸稈纖維，其余為混凝土水泥漿體，比圖1–a 秸稈纖維與漿體交界處孔隙率明顯增大；圖 1–c 相比圖 1–a，混凝土漿體孔隙率明顯增大。這是由于油菜秸稈纖維吸收了漿體中部分水分，使混凝土體系中水化產(chǎn)物減少，使混凝土漿體孔隙率增大[22]；同時秸稈纖維為微孔結(jié)構(gòu)材料，水化物漿體產(chǎn)生和硬化過程中減小了漿體的平均孔徑，增加了混凝土內(nèi)部的連續(xù)性，改善了其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，使混凝土抗碳化性能得到提高。

2.3 油菜秸稈纖維混凝土碳化深度預測模型

其中：S 為秸稈纖維體積摻量(%)；L 為秸稈纖維長度(取最大值)(mm)；B 為水灰比；t 為碳化時間(d)。

通過模型計算各組試件28 d 碳化深度值，并得到與28 d 碳化深度實際測量值的比值，如表5 所示。碳化深度計算值與實測值的比值平均為1.020 8，標準差0.056 1。離散系數(shù)0.054 9?？紤]混凝土澆筑、養(yǎng)護和測量誤差等因素的影響，碳化深度實測值與計算值之間會存在一定偏差[24]，結(jié)果顯示離散系數(shù)接近0.05，說明預測模型基本可以用于工程實際。

表5 試件28 d 碳化深度計算值與實測值Table 5 Calculated value and measured value of 28 d carbonation depth