秸稈纖維復(fù)合混凝土力學(xué)性能研究

鄧宏宇，阮鵬淏，張中昊,2，李長青

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，哈爾濱150030； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，哈爾濱150090； 3.黑龍江中科新材料股份有限公司，哈爾濱150077)

我國每年產(chǎn)生各類農(nóng)作物秸稈達9億噸，居世界秸稈產(chǎn)量之首[1]，其中黑龍江省秸稈資源為全國最多，每年秸稈資源量達到1.3億噸，可收集量超過1億噸，約占全國總量的1/8。這些秸稈中，除了少量的秸稈被用于造紙、發(fā)電、食用菌種植和動物飼料外，其余大部分在田間就地焚燒。研究秸稈合理的處理方法，探索綠色可持續(xù)發(fā)展道路已得到越來越多的關(guān)注。將秸稈作為輔料摻入混凝土中制成秸稈纖維復(fù)合混凝土，具有自重輕、保溫隔熱性能好、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。介紹了秸稈表面預(yù)處理方法、秸稈纖維復(fù)合混凝土的配合比設(shè)計，通過改變秸稈纖維和玻璃纖維摻量，研究了對復(fù)合混凝土立方體抗壓強度的影響，為秸稈在綠色建筑材料領(lǐng)域中的進一步推廣應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。

1 試驗

1.1 原材料與配合比

水泥采用哈爾濱亞泰水泥廠生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥，密度為3.06 g/cm3，比表面積為345 m2/kg；石子采用玄武巖碎石，粒徑分別為4～6 mm和10～20 mm，兩種粒徑按7∶3的質(zhì)量比混合添加，石子表觀密度為2 582 kg/m3；細骨料采用普通河砂，細度模數(shù)為2.25，表觀密度2 640 kg/m3，含水率0.9%；混凝土拌和用水采用普通自來水。根據(jù)《JGJ55-2011 普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》[2]設(shè)計混凝土的配合比，初步按強度等級C25進行設(shè)計，水灰比為0.6，基準配合比如表1所示。

表1 混凝土基準配合比設(shè)計 (單位：kg/m3)

1.2 秸稈纖維與玻璃纖維預(yù)處理方法

本試驗擬向混凝土拌和物中添加植物纖維和無機纖維兩種材料制成復(fù)合混凝土試塊。植物纖維采用玉米秸稈，無機纖維采用玻璃纖維。秸稈中的纖維素和半纖維素在堿性環(huán)境中會轉(zhuǎn)化為糖酸，與混凝土拌合物中的游離鈣離子結(jié)合生成糖酸鈣，包裹在水泥顆粒周圍，阻礙水泥的水化反應(yīng)；玻璃纖維表面較為光滑，與基體缺少有效拉結(jié)，在受壓時秸稈容易拉脫、拔出，降低了秸稈纖維混凝土的抗壓強度。因此兩種材料在摻入混凝土拌和物之前均需經(jīng)過預(yù)處理對表面進行改性，改善秸稈與水泥基體界面的黏結(jié)條件，消除對水泥基材料的緩凝和阻凝作用。

1.2.1 秸稈預(yù)處理

玉米秸稈通過粉碎機粉碎成長度為10～25 cm不等的碎段，加入到濃度為3.5%的NaOH溶液中浸泡24 h，浸泡完成后溶液呈現(xiàn)深棕色。在配置NaOH溶液時，加入的NaOH固體應(yīng)緩慢倒入，并且邊傾倒邊攪拌，防止NaOH在水下發(fā)生結(jié)塊的現(xiàn)象。浸泡完成的秸稈應(yīng)及時用清水洗滌2～3次，當洗滌液呈淡棕色或無色時洗滌完成。洗滌后的秸稈應(yīng)該放在溫度為25℃±5℃干燥條件下自然風(fēng)干，風(fēng)干時間約為12 h。

1.2.2 玻璃纖維改性處理方法

配置硅烷偶聯(lián)劑混合處理溶液，具體為228 ml乙醇，20 ml蒸餾水，3 ml乙酸(醋酸)，1.2 ml硅烷偶聯(lián)劑KH550混合攪拌15 min，配制成溶液待用。配置硅烷偶聯(lián)劑混合處理溶液，取適量玻璃纖維浸泡于乙醇溶液中10 min，取出后放入到之前配置好的硅烷偶聯(lián)劑混合溶液中3 h，最后取出用水清洗干凈，置于80℃烘干箱內(nèi)烘干5 h。

1.3 制備工藝

將秸稈、細砂分成大致相等的兩份，將玻璃纖維加入水中，攪拌均勻，將水全部倒入攪拌機中，加入全部水泥，啟動攪拌機，攪拌45次；向水泥漿中加入一半量的細砂，攪拌30次，再加入一半量的秸稈，攪拌30次；加入全部4～6 mm碎石，攪拌30次；向水泥漿中加入另一半量的細砂，攪拌30次，再加入一半量的秸稈，攪拌30次；加入全部10～20 mm碎石，攪拌30次；將制得的秸稈玻璃纖維混凝土拌和物分3次加入已經(jīng)內(nèi)壁涂油的150 mm×150 mm×150 mm的立方體模具中，每次添加完畢后，振搗30 s，振搗時要用鐵棍不停插搗，排除氣泡，靜置24 h后，拆模后進行標準養(yǎng)護。

秸稈的含水量對混凝土的抗壓強度影響很大，秸稈纖維應(yīng)處于飽和面干狀態(tài)，即表面略潮濕，擠壓時成團，但是沒有水分溢出；混凝土表面顏色顯示了混凝土的含水量，7 d時應(yīng)該呈現(xiàn)出一半灰色、一半深灰色，14 d時應(yīng)完全呈現(xiàn)出灰色，如果顏色出現(xiàn)異常，可能存在秸稈水量過多的情況。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 秸稈摻量對混凝土抗壓強度的影響

在混凝土基準配合比的基礎(chǔ)上，添加經(jīng)過預(yù)處理的玉米秸稈纖維，添加的質(zhì)量為水泥質(zhì)量的1%～12%。添加之前將玉米秸稈纖維加水潤濕，加水量以秸稈纖維不再大量吸水，不影響混凝土的水灰比為準。拌和完成后的秸稈纖維復(fù)合混凝土以手捏成團、落地分散、振動擠壓后混凝土表面出水、成型的預(yù)制塊表面光潔為最佳。按照《SL352-2006 水工混凝土試驗規(guī)程》[3]的要求進行混凝土標準立方體抗壓強度測試，每組配比制作3個試塊，在溫度20℃±5℃，相對濕度95%以上的環(huán)境中養(yǎng)護28 d，抗壓強度取3個試塊的平均值，試驗結(jié)果見表2。

從試驗結(jié)果可以看出，當不添加秸稈時，混凝土立方體試塊抗壓強度為24.5 MPa，與設(shè)計強度等級C25比較接近，說明配合比設(shè)計較為準確。隨著秸稈纖維摻量的增加，混凝土立方體抗壓強度先提高、后降低。當秸稈纖維摻量為1%時，混凝土立方體抗壓強度為27.9 MPa，提高了13.9%；摻量為2%時，提高了9.4%。分析其原因，與普通混凝土相比，秸稈的加入提高了水泥基體材料之間相互的連接性能，當混凝土受壓開裂時，秸稈纖維通過與水泥基體之前的化學(xué)鍵和表面的機械摩擦力，阻止進一步開裂的趨勢，增強了整體性，進而提高了抗壓強度。但是隨著秸稈纖維摻量的增加，混凝土立方體抗壓強度會逐漸降低，其中秸稈摻量為3%時與普通混凝土持平，從摻量為4%開始，強度大幅下降，秸稈摻量為4%時，抗壓強度為18.7 MPa，下降了23.7%；摻量為5%時，抗壓強度為10.6 MPa，下降了56.7%，秸稈摻量在5%～12%變化時，混凝土抗壓強度變化不大，基本在10 MPa上下波動。分析其原因，秸稈纖維是按水泥質(zhì)量比添加的，摻入的秸稈替代了部分水泥，由于混凝土的強度主要是水泥發(fā)生水化反應(yīng)，與粗、細骨料凝結(jié)硬化產(chǎn)生的，因此水泥質(zhì)量的減少不可避免的造成混凝土強度的降低，雖然秸稈纖維在混凝土內(nèi)部提供了部分拉結(jié)強度，但是也無法抵消混凝土抗壓強度降低的趨勢。

表2 混凝土添加秸稈纖維抗壓強度測試結(jié)果Tab.2 Test results of compressive strength of concrete with straw fiber

從整體上看，當秸稈纖維摻量在3%以內(nèi)時，對混凝土的抗壓強度有提高作用，超過3%時混凝土強度會大幅下降，且隨著秸稈摻量的進一步增加，這種降低趨勢會逐漸減緩，最后趨于穩(wěn)定。

2.2 玻璃纖維和秸稈復(fù)摻對混凝土抗壓強度的影響

玻璃纖維是一種無機纖維增強材料，主要由石英砂、石灰石等礦石經(jīng)過高溫溶制、拉絲等工藝制造而成。由于其韌性高、抗腐蝕性好、成本低，因此廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料中作為增強材料。本試驗在已摻加秸稈纖維的基礎(chǔ)上，添加玻璃纖維，從而進一步改善混凝土的力學(xué)性能。與秸稈纖維摻量不同，玻璃纖維由于單絲直徑僅為幾微米、質(zhì)量輕，因此工程上一般是按體積份數(shù)添加的。這里以摻加7%質(zhì)量份數(shù)的秸稈纖維混凝土為例，添加玻璃纖維體積份數(shù)分別為0.1%、0.2%、0.4%、0.6%和1%，測試28 d混凝土立方體抗壓強度，結(jié)果如表3所示。

從試驗結(jié)果可以看出，當秸稈摻量相同時，隨著玻璃纖維摻量的增加，混凝土強度逐漸增加，當玻璃纖維摻量為0.4%時，抗壓強度達到15.6 MPa，與11.8 MPa相比提高了32.2%，這主要是因為玻璃纖維與秸稈纖維類似，在混凝土拌合物中起到拉結(jié)、增強韌性的功能，可以延緩混凝土的開裂破壞，增強整體性；又由于玻璃纖維束是長約3 cm，直徑幾微米的絲狀物體，與秸稈纖維體量上差距很大，玻璃纖維能起到很好的填充效果，使得秸稈纖維材料與漿骨料之間更加密實，因此抗壓強度會進一步提高。當摻量超過0.4%時，抗壓強度會逐漸下降，當摻量為1%時，抗壓強度為10.6 MPa，與玻璃纖維摻量為0時的初始強度相比降低了10.2%。分析其原因，當玻璃纖維摻量增加時，玻璃纖維很容易成團，不容易在混凝土拌和物中攪拌均勻，無法起到填充和增強拉結(jié)的作用，反而會成為內(nèi)部缺陷，在應(yīng)力集中的作用下率先破壞，從而降低了整體的抗壓強度。

表3 玻璃纖維和秸稈復(fù)摻混凝土抗壓強度測試結(jié)果Tab.3 Test results of compressive strength of concrete mixed with glass fiber and straw fiber

3 結(jié)論

秸稈纖維摻入混凝土中使得抗壓強度先提高、后降低。少量秸稈加入，能在混凝土內(nèi)部起到拉結(jié)作用，進而提高整體強度；當摻量繼續(xù)增加時，由于秸稈替代了部分水泥的質(zhì)量，造成強度下降。

玻璃纖維的加入可以很好地填充秸稈與水泥基之間的空隙，使得強度上升；但玻璃纖維體積摻量超過0.4%以后結(jié)團現(xiàn)象嚴重，由于玻璃纖維不能在混凝土中均勻分布，強度反而有所降低。

通過合理的配比，農(nóng)作物秸稈可以作為綠色材料應(yīng)用于建材領(lǐng)域。當秸稈摻量較大時，可以通過降低水灰比、提高漿骨比等方法提高抗壓強度，使得秸稈纖維混凝土滿足使用要求。