不同秸稈種類和摻量對混凝土性能影響研究

梁爽 孫延林 李世豪 孫月 李穎 聶欣然

(宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院)

秸稈是典型的的農(nóng)業(yè)固體廢棄物，我國農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量巨大，據(jù)統(tǒng)計，去年我國秸稈產(chǎn)量達到8.02 億噸[1]，可是充分利用的比例卻只有5%左右[2]。許多秸稈采用焚燒的處理方式，這會造成嚴重的大氣污染[3]，不僅是對資源的極大浪費，也影響我國的環(huán)境治理工作，與我國低碳發(fā)展方向背道而馳[4]。因此，如何處理廢棄秸稈是一個棘手的問題，合理利用秸稈資源對我們有重要的經(jīng)濟價值和環(huán)保價值[5]。

秸稈纖維的主要成分是纖維素，其韌性極強，是純天然的高分子增強材料，能夠很好的在混凝土試件內(nèi)部阻止裂縫的產(chǎn)生。且秸稈纖維具有取材容易、價格低廉、產(chǎn)量豐富的優(yōu)點，將其摻入到混凝土中制作成新型的綠色環(huán)保的植物纖維混凝土，為秸稈資源的利用提供了一種新的途徑[6-7]。

本文以水稻和小麥兩種秸稈為摻合料，將其加工成條狀摻入混凝土中，分析不同秸稈摻量對混凝土工作性能的影響，從而獲得較適宜的秸稈纖維摻量值。

1 試驗概況

1.1試驗材料的選取及處理

采用宿遷新三水水泥公司生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，等級P?O42.5；細骨料采用細度模數(shù)為2.5的河砂，含水率為3%；粗骨料為碎石，粒徑為5mm～20mm連續(xù)級配，含水率1%；試驗用水為正常生活用水；秸稈選取水稻秸稈和小麥秸稈兩種，并用破碎機進行破碎，將其分割成3cm～4cm長度的絲狀摻入混凝土，如圖1所示。

圖1 秸稈纖維材料

秸稈纖維的主要成分為纖維素、木質(zhì)素、糖分等物質(zhì)，研究表明［8-9］，糖分在混凝土攪拌過程中容易析出，這會導(dǎo)致Ca(OH)2晶體的生成受到妨礙，進而出現(xiàn)緩凝，延長硬化時間，為此，本試驗采用水洗法處理，即將秸稈用清水浸泡，每12 小時更換一次，反復(fù)浸泡直至水清澈，洗滌完成后的秸稈放在溫度為25℃±5℃的干燥條件下風(fēng)干。

1.2試件設(shè)計

1.2.1試驗配合比

根據(jù)JGJ55-2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》，在分析各試驗原料成分的基礎(chǔ)上，為滿足和易性要求，達到塌落度35mm～50mm，經(jīng)過試拌、測量與調(diào)整，最終確定秸稈混凝土實際配合比為水泥:水:砂:石子=1.66:1:2.59:4.81。

1.2.2試件制備

研究秸稈摻量為1%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%、6%時對秸稈混凝土力學(xué)性能的影響，并分別對比不摻秸稈混凝土、水稻秸稈混凝土和小麥秸稈混凝土的差異。設(shè)計尺寸為150mm×150mm×150mm 的抗壓試件9 組，每組澆筑6個試件，其中3個用于測定7d早期強度值，另外3個用于測定28d標(biāo)準(zhǔn)強度值。

試件制作時，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，采用強制式攪拌機，為保證秸稈纖維能在混凝土中混合均勻，按以下方法進行攪拌：先將石子，砂，水泥加入到攪拌機攪拌60s，期間邊拌合邊加入秸稈，觀察混合均勻后，加入水拌合120s，出料進行坍落度測試，塌落度符合要求后將混凝土裝模養(yǎng)護至規(guī)定齡期。具體拌合過程參見圖2。

圖2 纖維混凝土拌合流程圖

1.3試驗方案及測量

參照GB/T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》，對秸稈纖維混凝土進行抗壓強度試驗，采用壓力試驗機。拌和完成的混凝土試塊以表面光潔為佳，然后在溫度20℃±2℃，相對濕度95%以上的環(huán)境中養(yǎng)護至7d 和28d，分別取出進行加載。加壓時，應(yīng)持續(xù)而均勻地加荷，速度取每秒0.3MPa～0.5MPa。獲取破壞時的荷載值，并以測試結(jié)果平均值作為最終強度值[10]。

2 試件破壞分析

向基準(zhǔn)配合比混凝土中加入不同摻量的水稻秸稈纖維和小麥秸稈纖維，在達到養(yǎng)護齡期后，分別取不同秸稈種類和秸稈摻量的立方體試塊測量其抗壓強度，試件破壞形態(tài)見圖3。

圖3 試塊破壞圖

如圖3（a）所示，對照組試件在施加荷載后，發(fā)生一定的壓縮變形，而在垂直受力方向發(fā)生膨脹伸長，試件破壞前，由于上下端部的約束，在試塊的高度方向中部由于橫向應(yīng)力先出現(xiàn)裂縫，后逐步向角部延伸，最終形成正倒相連的八字形裂縫。而在摻入秸稈纖維后，混凝土試塊的應(yīng)力應(yīng)力發(fā)展過程與素混凝土類似，由于靠近端部的摩擦力約束，第一條裂縫也是出現(xiàn)在試件的中部，隨著荷載的持續(xù)變大，平行于荷載方向的裂縫數(shù)量不斷增加，同時已經(jīng)存在的裂縫不斷向上部和下部擴展延伸，將混凝土分割成數(shù)塊，但是由于秸稈纖維在混凝土中亂向分布，起到一定的拉結(jié)作用，抵消了一部分豎向應(yīng)力，因此，試驗加載后期，約束了裂縫向混凝土角部斜向開展，試塊表面的裂縫基本保持與荷載方向平行，以豎向裂縫為主，并沒有出現(xiàn)對照組中典型的八字形裂縫，即使是試塊破壞后，因為秸稈纖維的橫向拉結(jié)作用，混凝土雖然產(chǎn)生了向外鼓凸，但沒有出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，如圖3（b）、3（c）所示。所以，秸稈纖維摻入到混凝土中，對控制混凝土的裂縫開展產(chǎn)生了一定的有益效果。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1秸稈摻量對表觀密度的影響

從圖4 可知，無論是水稻秸稈纖維混凝土還是小麥秸稈纖維混凝土，其密度值相較于未摻入秸稈纖維的對照組混凝土都有所減小。摻量為1%的水稻秸稈纖維混凝土表觀密度為2291.36kg/m3，相較于對照組混凝土密度2323.95kg/m3減小了1.4%，同樣地，摻量為1%的小麥秸稈纖維混凝土表觀密度為2266.67kg/m3，相較于對照組混凝土密度減小了2.5%。

圖4 不同秸稈纖維摻量下混凝土的表觀密度

而且隨著混凝土中秸稈纖維摻量的增加，其表觀密度值不斷減小。摻量為6%的水稻秸稈纖維混凝土表觀密度相較于對照組混凝土減小了7.1%，而6%小麥秸稈纖維降低更多，減小了8.6%。分析為兩方面原因造成：其一是秸稈本身的重量較輕，本實驗采用等質(zhì)量量添加秸稈的方法，相比于混凝土，同等體積的秸稈質(zhì)量更小；其二是秸稈纖維的加入使混凝土中帶入了更多的空氣，且秸稈本身體積會因干燥失水而略有減小，因此總體而言降低了秸稈纖維混凝土的密度值。

3.2秸稈摻量對抗壓性能的影響

3.2.1秸稈摻量對早期強度的影響

取三個試塊抗壓強度的平均值作為抗壓強度代表值，由此得到不同秸稈纖維摻量下的混凝土早期強度變化規(guī)律，如圖5所示。

圖5 不同秸稈纖維摻量下的混凝土7d強度

從實驗結(jié)果不難看出，隨著秸稈摻量的逐步增加，對混凝土的強度的影響不是線性的，總體上呈下降的趨勢，但略有波動。2%摻量下的小麥秸稈纖維混凝土早期強度為11.73MPa，而摻量為2.5%時強度為12.38MPa，相較與素混凝土的抗壓強度值19.68MPa 分別減小了40.4%、37.1%，但摻量為2.5%時的抗壓強度比2%是增加了5.5%。由于每一摻量的混凝土都是單獨攪拌且不一定是同一批次制作，秸稈的飽和面干狀態(tài)無法精確控制其含水量，進而影響秸稈在混凝土中的吸水或失水差異，對混凝土的水灰比產(chǎn)生一定的影響，導(dǎo)致影響混凝土的強度，從而使實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生輕微波動。但從總體趨勢來看，秸稈的加入對混凝土強度的影響是不利的，會導(dǎo)致混凝土強度的下降，且這種不利影響隨著秸稈纖維摻量的增加而加劇。

值得注意的是，水稻秸稈纖維混凝土在1%摻量下的強度為26.38MPa，相較于對照組混凝土增加了34.0%。分析認為，秸稈纖維的加入，提高了水泥基體材料之間的相互連接，吸收耗散了部分開裂荷載，對限制裂縫的開展和發(fā)展有一定幫助，但隨著秸稈摻量的增加，使混凝土中帶入了更多的空氣，從而使混凝土內(nèi)部的氣孔增多。而且秸稈是按照水泥質(zhì)量比添加的，大量的秸稈取代了部分水泥，從而不可避免的造成混凝土強度的降低，雖然秸稈纖維的提供了一定的拉結(jié)作用，但也無法抵消缺少的水泥反應(yīng)產(chǎn)生的粘結(jié)力。

而小麥秸稈未出現(xiàn)該現(xiàn)象，是因為小麥秸稈處相較于水稻秸稈更粗，由于破碎機械和秸稈性質(zhì)的差異，實驗所用的小麥秸稈處理更為粗糙，而水稻秸稈纖維處理得更細，其與混凝土的有效接觸面積增大，兩者之間產(chǎn)生的機械摩擦力更多，化學(xué)結(jié)合也更緊密，對混凝土的承壓能力有更大的幫助，同時還可以更好的限制裂縫的開展。另一方面，小麥秸稈的表面比水稻秸稈更光滑，也在一定程度上削弱了與混凝土之間的黏結(jié)力，從而導(dǎo)致強度的降低。

3.2.2秸稈摻量對28d強度的影響

不同秸稈纖維摻量下混凝土28d 強度見表1，從表中數(shù)據(jù)可知，秸稈的加入對混凝土28d 的強度影響與早期強度影響規(guī)律基本一致，都是呈波動下降趨勢，隨著秸稈纖維摻量的增加，強度下降越大，說明秸稈的加入對混凝土強度的發(fā)展是不利的。而秸稈纖維處理較細時，小摻量秸稈纖維的加入對抗壓強度有益，其最佳摻量為1%左右。

表1 不同秸稈纖維摻量下混凝土28d強度

對各個摻量下混凝土的強度與素混凝土強度進行比較，得到不同摻量下混凝土的強度下降率曲線，如圖6。

圖6 混凝土的強度下降率與摻量的關(guān)系

從圖中可以看出，以小麥秸稈為例，1%纖維摻量下強度降低17.5%，摻量為2%時降低43.2%，而2%以后曲線較為平穩(wěn)。強度變化較大的主要集中在摻量為1%和2%，后期強度降低率有較小波動，因此秸稈的摻入總體上對強度影響是不利的，但是可以在此基礎(chǔ)上研究秸稈的加入對保溫性能等其他性能能否帶來較大的提升，從而獲得較為經(jīng)濟的秸稈纖維摻量。

4 結(jié)論與展望

⑴秸稈纖維的加入會帶入更多的空氣，使混凝土中氣孔增多，進而降低混凝土的表觀密度。大摻量的秸稈纖維還會取代膠凝材料的體積，減小混凝土的粘結(jié)力，總體上對混凝土的早期強度和28d 抗壓強度均不利。且隨著秸稈摻量的增加，表觀密度和抗壓強度降低越多。

⑵秸稈加入在混凝土中提供一定的拉結(jié)作用，對限制裂縫的開展有益。在秸稈纖維摻入量較小時，秸稈纖維處理的越細，表面越粗糙，其與混凝土的效接觸面積越大，兩者之間產(chǎn)生的機械摩擦力更多，化學(xué)結(jié)合也更緊密，對混凝土的承壓能力有一定的提升，最佳摻量為1%左右，但大摻量時會抵消這種幫助。

⑶隨著秸稈摻量的逐步增加，對混凝土的強度的影響不是線性的，總體上呈下降的趨勢，但略有波動。本文僅探究了不同秸稈摻量對混凝土強度的影響，可以在此基礎(chǔ)上研究秸稈的加入對保溫性能等其他性能能否帶來較大的提升，從而獲得更加經(jīng)濟的秸稈纖維摻量。