不同秸秆种类和掺量对混凝土性能影响研究

梁爽 孙延林 李世豪 孙月 李颖 聂欣然

(宿迁学院建筑工程学院)

秸秆是典型的的农业固体废弃物，我国农作物秸秆产生量巨大，据统计，去年我国秸秆产量达到8.02 亿吨[1]，可是充分利用的比例却只有5%左右[2]。许多秸秆采用焚烧的处理方式，这会造成严重的大气污染[3]，不仅是对资源的极大浪费，也影响我国的环境治理工作，与我国低碳发展方向背道而驰[4]。因此，如何处理废弃秸秆是一个棘手的问题，合理利用秸秆资源对我们有重要的经济价值和环保价值[5]。

秸秆纤维的主要成分是纤维素，其韧性极强，是纯天然的高分子增强材料，能够很好的在混凝土试件内部阻止裂缝的产生。且秸秆纤维具有取材容易、价格低廉、产量丰富的优点，将其掺入到混凝土中制作成新型的绿色环保的植物纤维混凝土，为秸秆资源的利用提供了一种新的途径[6-7]。

本文以水稻和小麦两种秸秆为掺合料，将其加工成条状掺入混凝土中，分析不同秸秆掺量对混凝土工作性能的影响，从而获得较适宜的秸秆纤维掺量值。

1 试验概况

1.1试验材料的选取及处理

采用宿迁新三水水泥公司生产的普通硅酸盐水泥，等级P•O42.5；细骨料采用细度模数为2.5的河砂，含水率为3%；粗骨料为碎石，粒径为5mm～20mm连续级配，含水率1%；试验用水为正常生活用水；秸秆选取水稻秸秆和小麦秸秆两种，并用破碎机进行破碎，将其分割成3cm～4cm长度的丝状掺入混凝土，如图1所示。

图1 秸秆纤维材料

秸秆纤维的主要成分为纤维素、木质素、糖分等物质，研究表明［8-9］，糖分在混凝土搅拌过程中容易析出，这会导致Ca(OH)2晶体的生成受到妨碍，进而出现缓凝，延长硬化时间，为此，本试验采用水洗法处理，即将秸秆用清水浸泡，每12 小时更换一次，反复浸泡直至水清澈，洗涤完成后的秸秆放在温度为25℃±5℃的干燥条件下风干。

1.2试件设计

1.2.1试验配合比

根据JGJ55-2011《普通混凝土配合比设计规程》，在分析各试验原料成分的基础上，为满足和易性要求，达到塌落度35mm～50mm，经过试拌、测量与调整，最终确定秸秆混凝土实际配合比为水泥:水:砂:石子=1.66:1:2.59:4.81。

1.2.2试件制备

研究秸秆掺量为1%、2%、2.5%、3%、3.5%、4%、5%、6%时对秸秆混凝土力学性能的影响，并分别对比不掺秸秆混凝土、水稻秸秆混凝土和小麦秸秆混凝土的差异。设计尺寸为150mm×150mm×150mm 的抗压试件9 组，每组浇筑6个试件，其中3个用于测定7d早期强度值，另外3个用于测定28d标准强度值。

试件制作时，秸秆的含水量对混凝土的抗压强度影响很大，秸秆纤维应处于饱和面干状态，即表面略潮湿，挤压时成团，但是没有水分溢出，采用强制式搅拌机，为保证秸秆纤维能在混凝土中混合均匀，按以下方法进行搅拌：先将石子，砂，水泥加入到搅拌机搅拌60s，期间边拌合边加入秸秆，观察混合均匀后，加入水拌合120s，出料进行坍落度测试，塌落度符合要求后将混凝土装模养护至规定龄期。具体拌合过程参见图2。

图2 纤维混凝土拌合流程图

1.3试验方案及测量

参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，对秸秆纤维混凝土进行抗压强度试验，采用压力试验机。拌和完成的混凝土试块以表面光洁为佳，然后在温度20℃±2℃，相对湿度95%以上的环境中养护至7d 和28d，分别取出进行加载。加压时，应持续而均匀地加荷，速度取每秒0.3MPa～0.5MPa。获取破坏时的荷载值，并以测试结果平均值作为最终强度值[10]。

2 试件破坏分析

向基准配合比混凝土中加入不同掺量的水稻秸秆纤维和小麦秸秆纤维，在达到养护龄期后，分别取不同秸秆种类和秸秆掺量的立方体试块测量其抗压强度，试件破坏形态见图3。

图3 试块破坏图

如图3（a）所示，对照组试件在施加荷载后，发生一定的压缩变形，而在垂直受力方向发生膨胀伸长，试件破坏前，由于上下端部的约束，在试块的高度方向中部由于横向应力先出现裂缝，后逐步向角部延伸，最终形成正倒相连的八字形裂缝。而在掺入秸秆纤维后，混凝土试块的应力应力发展过程与素混凝土类似，由于靠近端部的摩擦力约束，第一条裂缝也是出现在试件的中部，随着荷载的持续变大，平行于荷载方向的裂缝数量不断增加，同时已经存在的裂缝不断向上部和下部扩展延伸，将混凝土分割成数块，但是由于秸秆纤维在混凝土中乱向分布，起到一定的拉结作用，抵消了一部分竖向应力，因此，试验加载后期，约束了裂缝向混凝土角部斜向开展，试块表面的裂缝基本保持与荷载方向平行，以竖向裂缝为主，并没有出现对照组中典型的八字形裂缝，即使是试块破坏后，因为秸秆纤维的横向拉结作用，混凝土虽然产生了向外鼓凸，但没有出现剥落现象，如图3（b）、3（c）所示。所以，秸秆纤维掺入到混凝土中，对控制混凝土的裂缝开展产生了一定的有益效果。

3 试验结果及分析

3.1秸秆掺量对表观密度的影响

从图4 可知，无论是水稻秸秆纤维混凝土还是小麦秸秆纤维混凝土，其密度值相较于未掺入秸秆纤维的对照组混凝土都有所减小。掺量为1%的水稻秸秆纤维混凝土表观密度为2291.36kg/m3，相较于对照组混凝土密度2323.95kg/m3减小了1.4%，同样地，掺量为1%的小麦秸秆纤维混凝土表观密度为2266.67kg/m3，相较于对照组混凝土密度减小了2.5%。

图4 不同秸秆纤维掺量下混凝土的表观密度

而且随着混凝土中秸秆纤维掺量的增加，其表观密度值不断减小。掺量为6%的水稻秸秆纤维混凝土表观密度相较于对照组混凝土减小了7.1%，而6%小麦秸秆纤维降低更多，减小了8.6%。分析为两方面原因造成：其一是秸秆本身的重量较轻，本实验采用等质量量添加秸秆的方法，相比于混凝土，同等体积的秸秆质量更小；其二是秸秆纤维的加入使混凝土中带入了更多的空气，且秸秆本身体积会因干燥失水而略有减小，因此总体而言降低了秸秆纤维混凝土的密度值。

3.2秸秆掺量对抗压性能的影响

3.2.1秸秆掺量对早期强度的影响

取三个试块抗压强度的平均值作为抗压强度代表值，由此得到不同秸秆纤维掺量下的混凝土早期强度变化规律，如图5所示。

图5 不同秸秆纤维掺量下的混凝土7d强度

从实验结果不难看出，随着秸秆掺量的逐步增加，对混凝土的强度的影响不是线性的，总体上呈下降的趋势，但略有波动。2%掺量下的小麦秸秆纤维混凝土早期强度为11.73MPa，而掺量为2.5%时强度为12.38MPa，相较与素混凝土的抗压强度值19.68MPa 分别减小了40.4%、37.1%，但掺量为2.5%时的抗压强度比2%是增加了5.5%。由于每一掺量的混凝土都是单独搅拌且不一定是同一批次制作，秸秆的饱和面干状态无法精确控制其含水量，进而影响秸秆在混凝土中的吸水或失水差异，对混凝土的水灰比产生一定的影响，导致影响混凝土的强度，从而使实验数据产生轻微波动。但从总体趋势来看，秸秆的加入对混凝土强度的影响是不利的，会导致混凝土强度的下降，且这种不利影响随着秸秆纤维掺量的增加而加剧。

值得注意的是，水稻秸秆纤维混凝土在1%掺量下的强度为26.38MPa，相较于对照组混凝土增加了34.0%。分析认为，秸秆纤维的加入，提高了水泥基体材料之间的相互连接，吸收耗散了部分开裂荷载，对限制裂缝的开展和发展有一定帮助，但随着秸秆掺量的增加，使混凝土中带入了更多的空气，从而使混凝土内部的气孔增多。而且秸秆是按照水泥质量比添加的，大量的秸秆取代了部分水泥，从而不可避免的造成混凝土强度的降低，虽然秸秆纤维的提供了一定的拉结作用，但也无法抵消缺少的水泥反应产生的粘结力。

而小麦秸秆未出现该现象，是因为小麦秸秆处相较于水稻秸秆更粗，由于破碎机械和秸秆性质的差异，实验所用的小麦秸秆处理更为粗糙，而水稻秸秆纤维处理得更细，其与混凝土的有效接触面积增大，两者之间产生的机械摩擦力更多，化学结合也更紧密，对混凝土的承压能力有更大的帮助，同时还可以更好的限制裂缝的开展。另一方面，小麦秸秆的表面比水稻秸秆更光滑，也在一定程度上削弱了与混凝土之间的黏结力，从而导致强度的降低。

3.2.2秸秆掺量对28d强度的影响

不同秸秆纤维掺量下混凝土28d 强度见表1，从表中数据可知，秸秆的加入对混凝土28d 的强度影响与早期强度影响规律基本一致，都是呈波动下降趋势，随着秸秆纤维掺量的增加，强度下降越大，说明秸秆的加入对混凝土强度的发展是不利的。而秸秆纤维处理较细时，小掺量秸秆纤维的加入对抗压强度有益，其最佳掺量为1%左右。

表1 不同秸秆纤维掺量下混凝土28d强度

对各个掺量下混凝土的强度与素混凝土强度进行比较，得到不同掺量下混凝土的强度下降率曲线，如图6。

图6 混凝土的强度下降率与掺量的关系

从图中可以看出，以小麦秸秆为例，1%纤维掺量下强度降低17.5%，掺量为2%时降低43.2%，而2%以后曲线较为平稳。强度变化较大的主要集中在掺量为1%和2%，后期强度降低率有较小波动，因此秸秆的掺入总体上对强度影响是不利的，但是可以在此基础上研究秸秆的加入对保温性能等其他性能能否带来较大的提升，从而获得较为经济的秸秆纤维掺量。

4 结论与展望

⑴秸秆纤维的加入会带入更多的空气，使混凝土中气孔增多，进而降低混凝土的表观密度。大掺量的秸秆纤维还会取代胶凝材料的体积，减小混凝土的粘结力，总体上对混凝土的早期强度和28d 抗压强度均不利。且随着秸秆掺量的增加，表观密度和抗压强度降低越多。

⑵秸秆加入在混凝土中提供一定的拉结作用，对限制裂缝的开展有益。在秸秆纤维掺入量较小时，秸秆纤维处理的越细，表面越粗糙，其与混凝土的效接触面积越大，两者之间产生的机械摩擦力更多，化学结合也更紧密，对混凝土的承压能力有一定的提升，最佳掺量为1%左右，但大掺量时会抵消这种帮助。

⑶随着秸秆掺量的逐步增加，对混凝土的强度的影响不是线性的，总体上呈下降的趋势，但略有波动。本文仅探究了不同秸秆掺量对混凝土强度的影响，可以在此基础上研究秸秆的加入对保温性能等其他性能能否带来较大的提升，从而获得更加经济的秸秆纤维掺量。