□□ 詹翔宇，楊敬林，高廉鎮(zhèn)，寇 淵，蘇 盛，陽 輝，李 錚，高睿澤

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410128)

引言

大米是我國南方的主要糧食之一，伴隨大米產(chǎn)生的農(nóng)副作物稻草秸稈作為重要的物質(zhì)資源逐漸受到人們的重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年我國的稻草秸稈產(chǎn)量達(dá)1.20×108t。目前這些稻草秸稈或作為廢棄物焚燒或漚制發(fā)酵制肥，這不僅造成了自然資源的浪費(fèi)，也嚴(yán)重地污染了環(huán)境。另一方面，傳統(tǒng)的建筑材料碎石和砂等持續(xù)大量開采，極大地破壞了自然生態(tài)，造成大量的資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。有數(shù)據(jù)表明，2010年中國的水泥及水泥基材料的資源消耗量已達(dá)到1.54×1010t[1]，每生產(chǎn)1 t水泥(P·I 52.5、P·O 42.5和P·S 32.5)大約排放295.4～445.6 kg的CO2[2]，加劇了溫室效應(yīng)。利用農(nóng)業(yè)廢棄物作為發(fā)展新型墻體材料的新途徑，不僅可以充分利用大量待利用的天然植物纖維，而且還可以減少稻草秸稈帶來的環(huán)境污染。目前，秸稈在墻體材料中的應(yīng)用已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，通過機(jī)械壓力簡單壓制的秸稈砌塊為構(gòu)造或者為非構(gòu)造墻體而建造的房屋起源于20世紀(jì)初的美國內(nèi)布拉斯加州，至今已被許多國家推廣應(yīng)用，其具有保溫隔熱、造價(jià)低廉、生態(tài)環(huán)保、隔聲、抗震性能好、室內(nèi)環(huán)境舒適等優(yōu)點(diǎn)，其中保溫隔熱的性能最為突出。

李碧雄等[3]對麥秸稈纖維混凝土實(shí)心磚的抗壓、抗折強(qiáng)度和導(dǎo)熱系數(shù)、干縮性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究表明，由于秸稈纖維的摻入，秸稈纖維混凝土實(shí)心磚的大面抗壓強(qiáng)度較普通的混凝土實(shí)心磚低，但能滿足MU20的強(qiáng)度要求，可作為承重材料應(yīng)用于中低層建筑的承重墻中；隨著秸稈纖維摻量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)繼續(xù)降低，保溫隔熱性能不斷增強(qiáng)。李超飛等[4]通過對同一混凝土配合比不同摻量、不同形狀稻草纖維混凝土的物理力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，加入稻草纖維后混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度有所下降，但是其抗沖擊性能有所提高。劉丹等[5]研究了稻草秸稈水泥基砌塊材料墻板的延性性能，認(rèn)為該砌塊可在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。王佳慧等[6]分析發(fā)現(xiàn)，在單軸受壓試驗(yàn)中相同應(yīng)變下的棉花秸稈水泥基砌塊較普通混凝土的殘余強(qiáng)度高，抗震性能好。

綜上可見，秸稈纖維與水泥的復(fù)合是可行的，二者復(fù)合生產(chǎn)的新型墻體材料的保溫隔熱、抗拉強(qiáng)度、抗震性等性能均較好。本文以稻草秸稈纖維代替部分水泥和全部骨料生產(chǎn)稻草秸稈纖維水泥基實(shí)心磚，研究水泥和秸稈的配合比，并將其與普通混凝土實(shí)心磚對比，測試二者的大面抗壓、抗折、保溫隔熱等性能，以期為秸稈纖維的應(yīng)用推廣提高借鑒。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料及處理

稻草秸稈纖維的預(yù)處理：試驗(yàn)選用秸稈纖維為干稻草，通過鍘草機(jī)對干稻草進(jìn)行切割，將稻草切割成20 mm左右的小段，再將其在自來水中浸泡48 h，然后過濾得到預(yù)處理過的稻草秸稈纖維，如圖1所示。經(jīng)多次試驗(yàn)計(jì)算得出，稻草經(jīng)浸泡過后不出現(xiàn)滴水狀態(tài)時(shí)，其質(zhì)量增大為原來的5.62倍，即含水率為462%。

圖1 浸泡了48 h的稻草秸稈纖維

水泥：印山臺(tái)牌P·C 32.5R水泥。

GCB：按C30配合比設(shè)計(jì)生產(chǎn)，粗骨料為碎石，粒徑為16～38 mm，細(xì)骨料為河砂。

1.2 RSFCB的配合比設(shè)計(jì)

經(jīng)測試，水泥堆積密度為1 286 kg/m3；稻草秸稈密度為0.6 kg/m3。稻草秸稈和水泥的配合比通過試驗(yàn)調(diào)配得出，所用稻草秸稈纖維為水泥質(zhì)量20%的經(jīng)預(yù)處理后的濕稻草秸稈。

1.3 試件制備及試驗(yàn)方法

用于強(qiáng)度測試的試件每組按照配合比制作10個(gè)試件，RSFCB和GCB兩種磚共20個(gè)試件，尺寸均為255 mm×125 mm×70 mm。其中GCB-1～ GCB-5和RSFCB-1～RSFCB-5用于對比兩種磚的抗壓試驗(yàn)，另外兩組即GCB-6～GCB-10、RSFCB-6～ RSFCB-10進(jìn)行抗折性能試驗(yàn)。

隔熱保溫性能試驗(yàn)的試件尺寸為300 mm×300 mm×40 mm，每種實(shí)心磚制作3個(gè)試件，共6個(gè)隔熱保溫性能測試試件。

試件靜置24 h后拆模，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 物理性能計(jì)算

采用精確度為0.1 g的電子天平稱出兩組實(shí)心磚的質(zhì)量，計(jì)算兩種實(shí)心磚的表觀密度。

1.5 力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 21144—2007《混凝土實(shí)心磚》，試件尺寸要滿足高度≥40 mm、<90 mm的要求，采用疊塊試件。試件疊塊是將兩塊試件用找平材料水泥凈漿進(jìn)行重疊粘結(jié)，疊塊時(shí)，在磚的大面上均勻涂抹水泥凈漿，涂抹厚度≯3 mm，兩塊試樣邊緣對齊重疊，然后用水平儀和直角靠尺進(jìn)行調(diào)整，保持試件的壁面至少有兩個(gè)相鄰側(cè)面是平整的，以上操作完成后需要養(yǎng)護(hù)1 d，然后對上下承壓面找平，用水準(zhǔn)尺確保這兩個(gè)承壓面相互平行，再養(yǎng)護(hù)2 d，使用萬能材料自動(dòng)試驗(yàn)機(jī)以0.1 MPa/s的加載速度進(jìn)行試件的抗壓試驗(yàn)加載，以0.2 MPa/s的速度進(jìn)行試件的抗折試驗(yàn)加載。

1.6 保溫隔熱性能試驗(yàn)

按照GB/T 10295—2008《絕熱材料穩(wěn)態(tài)熱阻及有關(guān)特性的測定 熱流計(jì)法》，采用JTRG-Ⅲ導(dǎo)熱系數(shù)測試儀進(jìn)行試件熱阻試驗(yàn)，測養(yǎng)護(hù)28 d的試件導(dǎo)熱系數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 實(shí)心磚的密度

表1為兩組磚的質(zhì)量和密度的測試數(shù)據(jù)，GCB的密度為2 351.73 kg/m3，而RSFCB密度僅為1 171.90 kg/m3，RSFCB密度為GCB密度的49.83%，故RSFCB在密度方面較部分其他磚砌建材有優(yōu)勢，有著輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，如用作墻材用于建筑結(jié)構(gòu)，將會(huì)大大減小建筑物本身的自重。

表1 實(shí)心磚質(zhì)量及密度

2.2 實(shí)心磚的大面抗壓強(qiáng)度

兩種實(shí)心磚的大面抗壓破壞形態(tài)如圖2和圖3所示?？梢钥闯?，GCB側(cè)面出現(xiàn)大量豎向和斜向的裂縫，側(cè)面上分離的水泥塊體大量滑落。RSFCB的抗壓試驗(yàn)中表現(xiàn)為側(cè)面漸漸鼓起，裂縫較GCB的少，分離的混凝土塊體因?yàn)榈静萁斩捓w維的拉結(jié)力沒有掉落，試驗(yàn)結(jié)束試件仍具有較好的整體性，這表明加入稻草纖維能有效控制裂縫的發(fā)展，改善塊體內(nèi)部抗壓強(qiáng)度的不足。

圖2 GCB的大面抗壓破壞形態(tài)

圖3 RSFCB的大面抗壓破壞形態(tài)

表2為實(shí)心磚大面抗壓強(qiáng)度的測試值，RSFCB抗壓強(qiáng)度平均值低于GCB，這是因?yàn)镽SFCB中含有較多的稻草，造成水泥和稻草秸稈纖維之間、稻草秸稈纖維之間存在空隙，另外稻草秸稈纖維是天然的植物纖維，表面附有一層光滑蠟質(zhì)層，阻止了秸稈纖維與水泥更好的粘結(jié)，從而降低了RSFCB的強(qiáng)度。RSFCB的大面平均抗壓強(qiáng)度為10.4 MPa，離散性小，根據(jù)GB/T 21144—2007《混凝土實(shí)心磚》的要求，可以認(rèn)為RSFCB符合非承重墻墻磚的要求，能夠作為非承重材料用于建筑物的非承重墻中。GCB的抗壓強(qiáng)度平均值為30.3 MPa，單塊抗壓強(qiáng)度均>26 MPa，故GCB的強(qiáng)度等級(jí)確定為MU30。

表2 實(shí)心磚大面抗壓強(qiáng)度

2.3 實(shí)心磚的大面抗折

RSFCB的折斷面起伏不平，破壞面極少數(shù)一兩根秸稈被拔出，絕大部分是被拉斷，說明稻草秸稈纖維與水泥石的粘結(jié)良好。GCB的斷面多為碎石粗骨料的斷面或者拉脫界面，其余部分為砂漿斷面。表3為實(shí)心磚的抗折強(qiáng)度測試值，結(jié)果顯示RSFCB的抗折強(qiáng)度平均值為3.1 MPa，GCB的抗折強(qiáng)度平均值為4.2 MPa，相比兩者的抗壓強(qiáng)度差異，其抗折強(qiáng)度差異不大，這是由于稻草秸稈纖維本身具有很強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度，且與水泥石的粘結(jié)效果較好，在未出現(xiàn)裂縫和出現(xiàn)裂縫后的整個(gè)抗折過程中稻草秸稈纖維發(fā)揮了抗拉作用，抵抗RSFCB的折斷。

表3 實(shí)心磚抗折強(qiáng)度

2.4 保溫隔熱性能測試

表4為兩組實(shí)心磚的導(dǎo)熱系數(shù)測試值，可以看出RSFCB的導(dǎo)熱系數(shù)平均值為0.73 W/(m·K)，GCB的導(dǎo)熱系數(shù)平均值為1.67 W/(m·K)，RSFCB的導(dǎo)熱系數(shù)較GCB小，這主要是由于RSFCB中的稻草秸稈纖維導(dǎo)熱性能比混凝土弱，其次RSFCB中的秸稈纖維還帶入了少許空氣，而空氣的導(dǎo)熱系數(shù)(0 ℃的空氣導(dǎo)熱系數(shù)為0.24 W/(m·K))極低，因此，RSFCB有著良好的隔熱保溫性能。

表4 實(shí)心磚的導(dǎo)熱系數(shù)

3 結(jié)論

本文研制的RSFCB具有一定的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，且具備輕質(zhì)、保溫隔熱等性能，將其作為非承重墻用于建筑結(jié)構(gòu)，不僅能提高農(nóng)作廢棄物稻草秸稈的利用附加值，還能減少因?yàn)楦鞣N建材資源開采和加工制作所帶來的環(huán)境問題和能源消耗的不利影響。