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(dá)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(dá)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(dòng)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(diǎn)。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(jì)，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(qiáng)度的影響，為秸稈在綠色建筑材料領(lǐng)域中的進(jìn)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(yàn)

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(xì)骨料采用普通河砂，細(xì)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(jì)規(guī)程》[2]設(shè)計(jì)混凝土的配合比，初步按強(qiáng)度等級C25進(jìn)行設(shè)計(jì)，水灰比為0.6，基準(zhǔn)配合比如表1所示。

表1 混凝土基準(zhǔn)配合比設(shè)計(jì) (單位：kg/m3)

1.2 秸稈纖維與玻璃纖維預(yù)處理方法

本試驗(yàn)擬向混凝土拌和物中添加植物纖維和無機(jī)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(jī)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(huì)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(shí)秸稈容易拉脫、拔出，降低了秸稈纖維混凝土的抗壓強(qiáng)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(jìn)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(jī)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(shí)，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(shí)用清水洗滌2～3次，當(dāng)洗滌液呈淡棕色或無色時(shí)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(shí)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(xì)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(jī)中，加入全部水泥，啟動(dòng)攪拌機(jī)，攪拌45次；向水泥漿中加入一半量的細(xì)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(xì)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(shí)要用鐵棍不停插搗，排除氣泡，靜置24 h后，拆模后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

秸稈的含水量對混凝土的抗壓強(qiáng)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(shí)成團(tuán)，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(shí)應(yīng)該呈現(xiàn)出一半灰色、一半深灰色，14 d時(shí)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(yàn)結(jié)果與分析

2.1 秸稈摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

在混凝土基準(zhǔn)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(zhǔn)。拌和完成后的秸稈纖維復(fù)合混凝土以手捏成團(tuán)、落地分散、振動(dòng)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(yàn)規(guī)程》[3]的要求進(jìn)行混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度測試，每組配比制作3個(gè)試塊，在溫度20℃±5℃，相對濕度95%以上的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)28 d，抗壓強(qiáng)度取3個(gè)試塊的平均值，試驗(yàn)結(jié)果見表2。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)不添加秸稈時(shí)，混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度為24.5 MPa，與設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級C25比較接近，說明配合比設(shè)計(jì)較為準(zhǔn)確。隨著秸稈纖維摻量的增加，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度先提高、后降低。當(dāng)秸稈纖維摻量為1%時(shí)，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度為27.9 MPa，提高了13.9%；摻量為2%時(shí)，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(dāng)混凝土受壓開裂時(shí)，秸稈纖維通過與水泥基體之前的化學(xué)鍵和表面的機(jī)械摩擦力，阻止進(jìn)一步開裂的趨勢，增強(qiáng)了整體性，進(jìn)而提高了抗壓強(qiáng)度。但是隨著秸稈纖維摻量的增加，混凝土立方體抗壓強(qiáng)度會(huì)逐漸降低，其中秸稈摻量為3%時(shí)與普通混凝土持平，從摻量為4%開始，強(qiáng)度大幅下降，秸稈摻量為4%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為18.7 MPa，下降了23.7%；摻量為5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為10.6 MPa，下降了56.7%，秸稈摻量在5%～12%變化時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度變化不大，基本在10 MPa上下波動(dòng)。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(qiáng)度主要是水泥發(fā)生水化反應(yīng)，與粗、細(xì)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(qiáng)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(qiáng)度，但是也無法抵消混凝土抗壓強(qiáng)度降低的趨勢。

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

從整體上看，當(dāng)秸稈纖維摻量在3%以內(nèi)時(shí)，對混凝土的抗壓強(qiáng)度有提高作用，超過3%時(shí)混凝土強(qiáng)度會(huì)大幅下降，且隨著秸稈摻量的進(jìn)一步增加，這種降低趨勢會(huì)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(qiáng)度的影響

玻璃纖維是一種無機(jī)纖維增強(qiáng)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(qiáng)材料。本試驗(yàn)在已摻加秸稈纖維的基礎(chǔ)上，添加玻璃纖維，從而進(jìn)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(qiáng)度，結(jié)果如表3所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)秸稈摻量相同時(shí)，隨著玻璃纖維摻量的增加，混凝土強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)玻璃纖維摻量為0.4%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到15.6 MPa，與11.8 MPa相比提高了32.2%，這主要是因?yàn)椴ＡЮw維與秸稈纖維類似，在混凝土拌合物中起到拉結(jié)、增強(qiáng)韌性的功能，可以延緩混凝土的開裂破壞，增強(qiáng)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(shí)，因此抗壓強(qiáng)度會(huì)進(jìn)一步提高。當(dāng)摻量超過0.4%時(shí)，抗壓強(qiáng)度會(huì)逐漸下降，當(dāng)摻量為1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為10.6 MPa，與玻璃纖維摻量為0時(shí)的初始強(qiáng)度相比降低了10.2%。分析其原因，當(dāng)玻璃纖維摻量增加時(shí)，玻璃纖維很容易成團(tuán)，不容易在混凝土拌和物中攪拌均勻，無法起到填充和增強(qiáng)拉結(jié)的作用，反而會(huì)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(qiáng)度。

表3 玻璃纖維和秸稈復(fù)摻混凝土抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(jìn)而提高整體強(qiáng)度；當(dāng)摻量繼續(xù)增加時(shí)，由于秸稈替代了部分水泥的質(zhì)量，造成強(qiáng)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(qiáng)度上升；但玻璃纖維體積摻量超過0.4%以后結(jié)團(tuán)現(xiàn)象嚴(yán)重，由于玻璃纖維不能在混凝土中均勻分布，強(qiáng)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(dāng)秸稈摻量較大時(shí)，可以通過降低水灰比、提高漿骨比等方法提高抗壓強(qiáng)度，使得秸稈纖維混凝土滿足使用要求。