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

(宿遷學院建筑工程學院)

秸稈是典型的的農業固體廢棄物，我國農作物秸稈產生量巨大，據統計，去年我國秸稈產量達到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，也影響我國的環境治理工作，與我國低碳發展方向背道而馳[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濟價值和環保價值[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部阻止裂縫的產生。且秸稈纖維具有取材容易、價格低廉、產量豐富的優點，將其摻入到混凝土中制作成新型的綠色環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的普通硅酸鹽水泥，等級P?O42.5；細骨料采用細度模數為2.5的河砂，含水率為3%；粗骨料為碎石，粒徑為5mm～20mm連續級配，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、木質素、糖分等物質，研究表明［8-9］，糖分在混凝土攪拌過程中容易析出，這會導致Ca(OH)2晶體的生成受到妨礙，進而出現緩凝，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℃的干燥條件下風干。

1.2試件設計

1.2.1試驗配合比

根據JGJ55-2011《普通混凝土配合比設計規程》，在分析各試驗原料成分的基礎上，為滿足和易性要求，達到塌落度35mm～50mm，經過試拌、測量與調整，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標準強度值。

試件制作時，秸稈的含水量對混凝土的抗壓強度影響很大，秸稈纖維應處于飽和面干狀態，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護至規定齡期。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《普通混凝土力學性能試驗方法標準》，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%以上的環境中養護至7d 和28d，分別取出進行加載。加壓時，應持續而均勻地加荷，速度取每秒0.3MPa～0.5MPa。獲取破壞時的荷載值，并以測試結果平均值作為最終強度值[10]。

2 試件破壞分析

向基準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，發生一定的壓縮變形，而在垂直受力方向發生膨脹伸長，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力先出現裂縫，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，混凝土試塊的應力應力發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在試件的中部，隨著荷載的持續變大，平行于荷載方向的裂縫數量不斷增加，同時已經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，起到一定的拉結作用，抵消了一部分豎向應力，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作用，混凝土雖然產生了向外鼓凸，但沒有出現剝落現象，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生了一定的有益效果。

3 試驗結果及分析

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，本實驗采用等質量量添加秸稈的方法，相比于混凝土，同等體積的秸稈質量更??；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生一定的影響，導致影響混凝土的強度，從而使實驗數據產生輕微波動。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，從而使混凝土內部的氣孔增多。而且秸稈是按照水泥質量比添加的，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作用，但也無法抵消缺少的水泥反應產生的粘結力。

而小麥秸稈未出現該現象，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，兩者之間產生的機械摩擦力更多，化學結合也更緊密，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力，從而導致強度的降低。

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，從表中數據可知，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。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，從而獲得較為經濟的秸稈纖維摻量。

4 結論與展望

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，兩者之間產生的機械摩擦力更多，化學結合也更緊密，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，從而獲得更加經濟的秸稈纖維摻量。