秸稈纖維混凝土的工程性能及其影響因素分析

錢金龍 喬月來(lái) 嚴(yán)淳 李瀟雨 黃濤 李虎龍

【摘 要】目前，學(xué)者對(duì)秸稈纖維摻入混凝土領(lǐng)域的研究還不夠廣泛，該領(lǐng)域還有較大的研究空間。文章在研究各種秸稈纖維混凝土相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，分析和總結(jié)了秸稈纖維混凝土的工程性能及影響工程性能的各種因素，研究了混凝土的力學(xué)性能、保溫性能及耐久性能等，并對(duì)秸稈纖維混凝土技術(shù)存在的不足提出改進(jìn)建議。

【關(guān)鍵詞】秸稈纖維混凝土;力學(xué)性;保溫性;耐久性;和易性;影響因素

0 引言

我國(guó)自古是農(nóng)業(yè)大國(guó)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國(guó)農(nóng)作物秸稈總產(chǎn)量達(dá)9億t且呈不斷增長(zhǎng)的趨勢(shì)。面對(duì)數(shù)量龐大的秸稈資源，我們最常用的處理方式是焚燒和填埋。這樣做不僅會(huì)造成大氣污染和對(duì)環(huán)境的破壞及土地資源的浪費(fèi)，還極易引發(fā)火災(zāi)，威脅人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全。隨著環(huán)境污染問題的加重，綠色可持續(xù)發(fā)展理念的提出，使秸稈的綜合利用成為解決農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題的焦點(diǎn)。

秸稈混凝土是將農(nóng)作物秸稈、水泥、骨料、砂子、水按一定的配合比攪拌在一起，利用農(nóng)作物秸稈輕質(zhì)高強(qiáng)、抗裂性好的特性[1]，使生產(chǎn)出來(lái)的混凝土質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、阻裂性和抗拉性較強(qiáng)，并且容易取材，成本廉價(jià)，制作簡(jiǎn)單。此方法是農(nóng)作物秸稈綜合利用的一個(gè)重要領(lǐng)域，為廢棄秸稈資源化提供了一條新的途徑。

1 秸稈纖維混凝土的材料組成

秸稈纖維混凝土（簡(jiǎn)稱秸稈混凝土）是由水泥、砂、石和水組成，同時(shí)摻和了秸稈纖維和適量外加劑[2]。其中，水泥與水形成水泥漿，水泥漿包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥漿起潤(rùn)滑作用，賦予拌合物一定和易性，便于施工。水泥漿硬化后，將骨料膠結(jié)成一個(gè)堅(jiān)實(shí)的整體，從而減小水泥在混凝土中產(chǎn)生的收縮并可以降低造價(jià)。砂是組成混凝土的良好細(xì)骨料，在制備過(guò)程中，一般需要用兩種砂石材料，即機(jī)制砂和天然砂。

2 秸稈混凝土的工程性能

2.1 秸稈混凝土的力學(xué)性能

混凝土的力學(xué)性能中，抗壓強(qiáng)度是檢驗(yàn)混凝土力學(xué)性能強(qiáng)弱的一個(gè)重要指標(biāo)。曾哲等人[3]將油菜秸稈纖維摻入混凝土的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水灰比作為一個(gè)固定因素時(shí)，油菜秸稈纖維的長(zhǎng)度和摻量與混凝土的抗壓強(qiáng)度有著密切的關(guān)系，并且得出結(jié)論：當(dāng)秸稈纖維長(zhǎng)度為39～40 mm、摻量為0.1%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度最大。

耿睿等人[4]在研究中提到，在一定程度上，混凝土的抗壓強(qiáng)度和秸稈的摻量呈負(fù)相關(guān)，并且解釋是秸稈中的有機(jī)物影響了水泥的水化作用，而且秸稈本身能使水灰比增大的吸水特性也是導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降的重要原因。遵循單一變量的原則，在控制摻量不變的條件下，將秸稈做成粉末狀摻入混凝土中比摻入條狀秸稈的抗壓強(qiáng)度大。劉巧玲等人[5]的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，秸稈長(zhǎng)度為0.5～2.5 cm時(shí)，油菜秸稈纖維混凝土隨著秸稈長(zhǎng)度的加長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度也會(huì)增大，特別在2.0～2.5 cm時(shí)，放置28 d的混凝土和基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度一致。

2.2 秸稈混凝土的保溫性能

混凝土材料大多應(yīng)用于建筑施工中，所以混凝土的保溫性能直接影響其應(yīng)用程度和應(yīng)用領(lǐng)域。在秸稈混凝土中，砂和秸稈的摻量等都會(huì)影響混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，而砂摻量的影響最大?；炷恋膶?dǎo)熱系數(shù)與砂的摻量密切相關(guān)，由于秸稈本身的導(dǎo)熱系數(shù)比砂小，所以砂的摻量一旦增加，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加;普通混凝土的孔隙小于秸稈纖維混凝土的孔隙，而空氣導(dǎo)熱系數(shù)大于秸稈纖維混凝土，所以秸稈摻量增大，混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)隨之降低。此外，干密度也在很大程度上影響秸稈混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)，它們之間是呈正相關(guān)的一種趨勢(shì)。干密度代表的是混凝土的密實(shí)程度，而干密度一旦增大，秸稈混凝土中秸稈與秸稈之間的空隙會(huì)縮小，秸稈混凝土的導(dǎo)熱性能會(huì)增強(qiáng)。而且，當(dāng)控制砂率不變時(shí)，秸稈混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)在通常情況下會(huì)與秸稈纖維摻量有一個(gè)反方向的變化效果。

2.3 秸稈混凝土的耐久性能

2.3.1 秸稈混凝土抗氯離子滲透性能

混凝土抗氯離子滲透能力是檢驗(yàn)混凝土抗?jié)B性能和耐久性的重要因素。王繼博[6]將麥秸稈粉碎處理后，將得到的麥秸稈纖維以不同摻量摻入13組混凝土中，采用電通量法檢測(cè)麥秸稈纖維混凝土對(duì)氯離子的抵抗能力。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入適量的麥秸稈纖維能有效填補(bǔ)混凝土內(nèi)部的孔隙，能提高混凝土的和易性，抑制裂縫的形成，也能提高混凝土的抗氯離子滲透能力。

2.3.2 秸稈混凝土的抗凍性能

研究發(fā)現(xiàn)，秸稈混凝土的抗凍性能主要受內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的特征和強(qiáng)度的影響。通過(guò)一些發(fā)達(dá)國(guó)家的抗凍實(shí)驗(yàn)方法和相關(guān)實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，氣泡間距是否均勻是影響秸稈混凝土抗凍性的最主要因素[7]，而凍結(jié)對(duì)秸稈混凝土的破壞性是指水遇冷凝結(jié)之后體積變大導(dǎo)致的靜水壓力和冰水蒸汽氣壓差所形成的滲透壓兩者作用的結(jié)果。有較大孔隙的混凝土，在實(shí)驗(yàn)早期的強(qiáng)度較高，但一段時(shí)間后，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生裂縫且隨著裂縫逐漸增大，最終會(huì)因膨脹產(chǎn)生作用力破壞混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致混凝土剝落和斷裂現(xiàn)象。

2.3.3 秸稈混凝土的抗震性能

尹世平等人[8]對(duì)纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)混凝土（Textile ReinForced Concrete，TRC）對(duì)加固鋼筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）柱的影響的研究中發(fā)現(xiàn)，TRC的抗震效果良好，在TRC加固良好的基礎(chǔ)上，摻入一定含量的PVA纖維，能增強(qiáng)加固RC柱的變形能力，即抗震性能。

在關(guān)宏潔[9]的研究中發(fā)現(xiàn)，在低溫條件下，再生混凝土的抗震性能不如普通混凝土，因此我們需要開展實(shí)驗(yàn)更深入地研究秸稈纖維混凝土的結(jié)構(gòu)及其抗震效果。張雅漫[10]的研究發(fā)現(xiàn)，纖維模型鋼筋混凝土的抗震性能，以橋墩模型為例，與初始的軸力有著密切的關(guān)系。

2.3.4 秸稈混凝土的耐腐蝕性能

混凝土作用周邊會(huì)有許多因素加速混凝土被腐蝕的進(jìn)程，諸如周邊溫度、空氣濕度、pH值、微生物代謝的有機(jī)酸[11]等。除此之外，混凝土本身也存在一些腐蝕介質(zhì)，例如通過(guò)分析X射線的衍射發(fā)現(xiàn)，鈣礬石是導(dǎo)致青石骨料混凝土腐蝕的重要礦物，它的存在會(huì)嚴(yán)重影響混凝土的利用效率與使用壽命[12]。

韓菊紅等人[13]用檸檬酸與硫酸檢驗(yàn)混凝土的抗腐蝕性能，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有機(jī)酸的pH值升高得非?？欤蛩釁s緩和很多，經(jīng)過(guò)80 d的腐齡期后，有機(jī)酸腐蝕的混凝土試件粗骨料明顯外露，附著在混凝土上的有機(jī)酸使混凝土嚴(yán)重鈍化，而相比之下，無(wú)機(jī)酸的硫酸對(duì)混凝土的影響不大，所以有機(jī)酸對(duì)混凝土的侵蝕是研究的焦點(diǎn)。

3 影響秸稈混凝土工程性能的主要因素

3.1 秸稈的摻入比例

綜合考慮坍塌度損失、力學(xué)強(qiáng)度及凝結(jié)時(shí)間等因素后發(fā)現(xiàn)，對(duì)于一些特定強(qiáng)度的秸稈纖維混凝土，它存在摻和材料的最佳摻和比例。例如，水泥與礦粉的最佳摻和比例為5∶1[14]。并且，如果加大摻和料的摻和量，并適當(dāng)?shù)卦黾拥V粉的含量，會(huì)大幅度地提高秸稈纖維混凝土的強(qiáng)度。

秸稈摻量與混凝土的表觀密度有著密切聯(lián)系，拌和物之間的距離因?yàn)轶w積大且密度小的秸稈的加入而變大，提高了混凝土的保溫性能。隨著秸稈摻量的增加，表觀密度和抗壓強(qiáng)度降低的幅度會(huì)增大且與后者有著線性關(guān)系。

此外，通過(guò)馬寶亮等人[15]通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，隨著粉煤灰量的不斷加入，秸稈纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度降低得更加明顯，尤其是28 d強(qiáng)度的混凝土試塊。大量實(shí)驗(yàn)研究數(shù)據(jù)表明：在C30— C35標(biāo)號(hào)中，粉煤灰的最佳摻入比例為22.5%。

3.2 秸稈纖維的幾何尺寸

秸稈纖維的幾何尺寸包括纖維的大小、粗細(xì)狀態(tài)及不同的彈性模量。馬保國(guó)[9]采用控制變量法，將3 mm、19 mm尺寸的纖維摻入水泥混凝土中發(fā)現(xiàn)，28 d后，摻入單一纖維或混雜纖維均能增強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度，但混雜纖維混凝土的抗折強(qiáng)度略高于單一纖維混凝土。在20 ℃的溫度條件下，通過(guò)每天對(duì)細(xì)微裂縫寬度的測(cè)量發(fā)現(xiàn)，單摻入19 mm纖維的混凝土比單摻入3 mm纖維混凝土的開裂時(shí)間長(zhǎng)，裂縫寬度小，并且混雜兩種尺寸纖維的混凝土的平均抗裂能力高于單一纖維混凝土。

單一尺寸纖維作用有限，因此需充分利用各種尺寸的纖維，尺寸較小的纖維可阻止橋梁道路上的微裂縫發(fā)展成宏觀裂縫，而尺寸較大的纖維可以預(yù)防宏觀裂縫繼續(xù)拓展。馬保國(guó)等人[16]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)短纖維的最佳混雜比例為5∶5～7∶3。

3.3 秸稈含有糖類物質(zhì)

在澆注混凝土的過(guò)程中，適度振搗混凝土能夠增強(qiáng)混凝土的和易性，使混凝土均勻密實(shí)，從而增強(qiáng)混凝土抗壓能力，而振搗混凝土必須在混凝土可塑狀態(tài)（混凝土達(dá)到初凝前）下完成。秸稈內(nèi)的葡萄糖、蔗糖利用自身的-COOH、–OH等有機(jī)官能團(tuán)與水泥中的鈣離子通過(guò)絡(luò)合作用形成難以溶解的沉淀附著在水泥顆粒的表面[17-19]，減少水泥顆粒與水分子的接觸面積，從而使標(biāo)準(zhǔn)水泥的水化和凝結(jié)反應(yīng)得到延緩。蔗糖及其還原態(tài)的單糖果糖和葡萄糖均能對(duì)水泥的流動(dòng)度產(chǎn)生影響，但影響程度大不相同，兩種單糖的混合物對(duì)標(biāo)準(zhǔn)水泥的流動(dòng)度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蔗糖，但對(duì)除標(biāo)準(zhǔn)水泥之外的水泥并無(wú)影響。

王培銘[20]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，蔗糖的摻入方式及摻入量會(huì)對(duì)水泥凝結(jié)產(chǎn)生影響，當(dāng)摻量低于臨界摻量時(shí)，會(huì)對(duì)水泥產(chǎn)生緩凝作用，當(dāng)摻量高于臨界摻量時(shí)，能夠延緩水泥凝結(jié)時(shí)間。鐘文慧[21]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，折合100%固含量計(jì)在0.000 3～0.000 4摻量范圍內(nèi)，在基準(zhǔn)水泥中加入含量為99.8%的蔗糖，含氣量比空白水泥降低0.3%，3 d強(qiáng)度平均增長(zhǎng)1.55 MPa，28 d強(qiáng)度平均增長(zhǎng)3.55 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

在秸稈纖維混凝土的制作過(guò)程中，由于秸稈纖維具有吸水性，所以導(dǎo)致用水量增加、混凝土和易性下降等問題，并且秸稈纖維和水泥的相容性較差，致使秸稈纖維混凝土不能得到廣泛的應(yīng)用。為了增強(qiáng)秸稈纖維混凝土的各項(xiàng)性能，充分利用農(nóng)作物秸稈的韌性和拉伸性等特性，本文提出如下建議。

（1）采用粉末狀秸稈纖維，粉末狀秸稈與水泥材料充分混合能夠填補(bǔ)材料間的空隙，使秸稈纖維與水泥形成相容體系，減少用水量，但需要解決制備工藝復(fù)雜和成本高的問題。

（2）環(huán)境變化等外界因素對(duì)秸稈纖維混凝土的各項(xiàng)性能有著顯著的影響，所以在設(shè)計(jì)秸稈纖維混凝土的配合比時(shí)，應(yīng)考慮環(huán)境變化對(duì)秸稈混凝土和易性的影響。

（3）采用混雜纖維混凝土，即利用2種或多種不同的纖維，通過(guò)加入不同尺寸的纖維增強(qiáng)混凝土不同方面的優(yōu)勢(shì)改善秸稈混凝土的綜合性能。

（4）添加外加劑，例如聚羧酸高性能減水劑、“花王”萘系高效減水劑等，分散水泥顆粒，提高水泥混凝土的和易性。

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