稻草纤维粉末混凝土及砌块的性能研究

2018-10-19张睿骁苏有文

新型建筑材料 2018年8期

张睿骁，苏有文

（西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621000）

0 引言

我国作为农业大国，每年的秸秆产量约为7亿t[1]。无论是北方的麦秆、高粱杆，还是南方的稻草杆、玉米杆，每年都有大量的秸秆搁置、焚烧。而秸秆本身不仅是一种重要的生物资源，更是绿色环保的建筑材料，却很少被国人利用。随着2004年我国颁布了禁止生产实心黏土砖的禁令后，混凝土空心砌块的应用得到大量的推广及使用。国内纤维增强混凝土的研究也越来越多[2-4]，纤维混凝土在国内发展迅速。但多数研究是围绕金属纤维或者无机纤维等，像植物纤维这类有机纤维混凝土的研究相对较少。本研究通过对稻草纤维原料进行深度加工处理，得到稻草纤维粉末，以水泥、砂、碎石、稻草纤维等为原料，制备探讨了稻草纤维粉末混凝土及空心砌块，并测试了其物理性能。

1 试验准备及设计

1.1 试验原材料

水泥：绵特牌PC32.5R水泥，绵阳水泥厂生产；砂：绵阳当地河砂，中砂，含水率2%；石子：碎石，绵阳龙门砂石厂生产，其最大粒径20mm，含水率1%；水：自来水；稻草纤维：来源于绵阳涪城区新龙村郊区，选用稻草的标准为色泽光亮、保存完好、干燥。通过秸秆粉碎机，对稻草进行多级碾碎，并分离出不同粒径的稻草纤维粉末，根据粒径范围分为A1、A2、A3、A4，并设置A0作为试验空白对照组，具体情况如表1所示。

表1 稻草纤维粉末的粒径范围

1.2 试验设计

混凝土配合比按照JGJ55—2011《普通混凝土配合比设计规程》进行设计，本试验采用工程中常用的C30混凝土，m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）=1∶1.11∶2.58，水泥用量 476 kg/m3，W/C=0.36，不同粒径稻草纤维粉末分别按水泥质量的2%、4%、6%、8%、10%掺入。

此次混凝土砌块模型设计选自本课题前期优化后的方案，采用小型空心砌块标准尺寸，长390 mm×高190 mm×宽190 mm，空心率36.8%，具体尺寸如图1所示。

图1 混凝土空心砌块结构设计

1.3 试件制作

根据试验所用稻草纤维粉末的特性以及前期试验经验，采用预拌水泥砂浆法，主要是为了使稻草纤维能够更加均匀地与水泥砂浆混合，均匀地分布在混凝土中，具体施工工艺如图2所示。

图2 稻草纤维粉末混凝土二次投料法工艺

1.4 试验方法及仪器设备

1.4.1 试验方法

试验前，根据混凝土配合比进行称料并搅拌，当加入全部计算用水后，搅拌15 s，然后停机观察混凝土的和易性，并用铁棒进行人工插捣，用手捏握混凝土，观察其是否搅拌均匀。达到要求后，方可出料。出料时，采用人工拌合且不少于3铲，尽量拌至均匀，然后装料进行坍落度试验，满足要求之后记录混凝土试块的用水量和终凝时间以及混凝土空心砌块的密度、含水率和吸水率。

1.4.2 试验仪器设备

磅秤：精度为0.2 kg，最大称重300 kg；电子称：精度为0.01g，最大称重30 kg；搅拌机：SJD-60L卧式强制搅拌机；振动台：规格为100 cm×100 cm；稻草纤维粉碎机：特殊定制；微机控制电液伺服万能试验机：WDYA-500B，精度0.0kN，最大荷载500 t；空气压缩机：型号为ZBM-081/8。

1.4.3 性能测试方法

（1）额外用水量以满足坍落度要求时，记录额外用水量；终凝时间检测以手指按掐混凝土表面无明显印痕为标准，并记录终凝时间。

（2）密度

试验前，先将试验砌块从养护室取出，至于铁架晾干，用干毛巾擦掉表面多余水分。将试件浸入温度为15～25℃、水面高出试件20 mm以上的水中，24 h后将其分别移到水桶中，称出其悬浸质量m1，精确至0.005kg，然后将试件从水中取出，放在铁丝网架上滴水1min，再用拧干的湿布擦拭掉内、外表面的水，立即称其饱和面干状态下的质量m2，精确至0.005kg。将试件放入电热鼓风干燥箱内，在105±5℃温度下至少干燥24h，然后每间隔2h称量一次，直至两次称量之差不超过后一次称量的0.2%为止，待试件在电热鼓风干燥箱内冷却至与室温差低于20℃后取出，立即称其绝干质量m，精确至0.005 kg。

每个试件的密度，精确至0.01kg/m3。块体密度以3个试件块体密度的算术平均值表示，精确至0.01 kg/m3。其中，试件的体积按式（1）计算，密度按式（2）计算。

式中：V——试件的体积，m3；

l——试件的长度，mm；

b——时间的宽度，mm；

h——试件的高度，mm。

式中：ρ——试件的密度，kg/m3；

m——时间的绝干质量，kg；

V——试件的体积，m3。

（3）含水率和吸水率

试件取样后立即用毛刷清理试件表面及孔洞内粉尘，称取其质量m0，精确至0.005 kg，若试件用塑料袋密封运输，则按照规范的相关要求，称取质量m0。

每个试件的含水率精确至0.01%。块材的含水率以3个试件含水率的算术平均值表示。精确至0.01%，按式（3）计算。

式中：W1——试件的含水率；

m0——试件的取样质量，kg；

m——试件的绝干质量，kg。

每个试件的吸水率，精确至 0.01%，按式（4）计算。

式中：W2——试件的吸水率；

m2——试件饱和面干质量，kg；

m——试件的绝干质量，kg。

2 试验结果与分析

2.1 稻草纤维粉末混凝土的物理性能

2.1.1 稻草纤维粉末对混凝土用水量的影响

在控制混凝土坍落度为30～35 mm的情况下，稻草纤维粉末掺量和粒径对混凝土额外用水量（在确定的混凝土配合比情况下，掺入一定量的稻草纤维粉末后，由于稻草纤维粉末吸水特性，为保证混凝土的坍落度以及和易性，导致混凝土的用水量增加，这部分用水量称为额外用水量）的影响见图3。

图3 稻草纤维粉末掺量和粒径对混凝土额外用水量的影响

由图3可知，在控制混凝土坍落度为30～35 mm的情况下，同一粒径的稻草纤维粉末混凝土，其额外用水量随着稻草纤维掺量的增加而增加；同一稻草纤维掺量下，混凝土额外用水量随着稻草纤维粒径的减小逐渐增加。当纤维掺量在2%～4%时，A1、A2粒径下的稻草纤维混凝土，其额外用水量增加相对稳定，但当纤维掺量在4%～6%时，A1、A2、A3粒径下的额外用水量增加较快，最高达约30%。这主要是由于A1、A2粒径下的稻草纤维，由于其粒径相对较大，总比表面积相对较小，在掺量不超过4%时，其额外增加用水不多，但当掺量超过6%后，稻草纤维数量增加，导致用水量也逐渐增加；而A3、A4粒径下的稻草纤维，其用水量随着掺量增加而快速增加，尤其是在掺量超过4%后，其用水量呈直线增加。分析其原因，主要是由于A3、A4的稻草纤维粒径较小，加入混凝土中之后，其总比表面积大，吸收水分多，导致额外用水量大大增加。在A4粒径下，纤维掺量为10%时，额外用水量超出原设计用水量的45%。

2.1.2 终凝时间的影响

在室内温度为（20±5）℃条件下，稻草纤维粉末掺量和粒径对混凝土终凝时间的影响见表2。

表2 稻草纤维粉末掺量和粒径对混凝土终凝时间的影响

由表2可以看出，当稻草纤维粉末粒径为A1、A2时，随着纤维掺量的增加，混凝土的终凝时间也随之延长，即使纤维掺量增加到10%，其终凝时间基本满足普通混凝土验收规范规定的时间；而使用A3粒径的稻草纤维混凝土，在纤维掺量超过6%时，就已经明显延缓，尤其是在10%掺量时，其终凝时间已经超过24 h；使用A4粒径的稻草纤维混凝土，其终凝时间随着掺量的增加，则延迟更长，只有在纤维掺量不超过4%时，其终凝时间能够满足实际使用要求。根据结果分析可知，稻草纤维粉末对混凝土有缓凝的效果。分析其原因，主要是由于稻草纤维粒径太小，纤维粉末颗粒均匀分布在混凝土水泥胶结分子之间，阻碍了水泥浆的正常凝结，从而延缓了混凝土的凝结，这和大部分植物纤维混凝土一样，在加入纤维之后，初、终凝时间都有所延缓。

2.2 稻草纤维粉末混凝土空心砌块的物理性能

2.2.1 稻草纤维粉末对混凝土空心砌块密度的影响

（见图 4）

图4 不同粒径和掺量下稻草纤维粉末混凝土空心砌块密度的变化

由图4可以看出，不同粒径的稻草纤维粉末混凝土空心砌块的密度随着稻草纤维掺量的增加而逐渐减小。在同一纤维粒径下，纤维掺量越多，砌块的密度下降越快，其中A1、A2砌块的密度下降相对平稳，而A3、A4粒径的砌块，其密度在纤维掺量不大于8%时下降较快，在8%～10%的阶段，密度变化相对较小。分析其原因，主要是由于纤维的掺入替代了部分混凝土集料，使得同等体积的砌块其质量更轻，密度减小。同时，由于粒径较小的稻草纤维，如A3、A4粒径下稻草纤维在加入混凝土中后，由于水的表面张力，形成了一些细小的气泡，导致同等体积下的混凝土砌块，质量减小，密度也随之减小。

2.2.2 稻草纤维粉末对混凝土空心砌块含水率的影响（见图5）

图5 不同粒径和掺量下稻草纤维粉末混凝土空心砌块含水率的变化

由图5可以看出，稻草纤维粉末混凝土空心砌块的含水率随着稻草纤维掺量的增加而逐渐增大；纤维掺量≤8%时，纤维粒径对砌块的含水率影响不大，但当纤维掺量为10%，纤维粒径从A2到A4时，其含水率变化最大。这主要是因为在纤维粒径相同时，稻草纤维的掺量增加，稻草纤维从四周吸水，导致砌块的含水率上升，变化相对稳定；而在纤维掺量相同时，粒径变化对含水率的影响不如掺量变化带来的影响大，但10%纤维掺量下的砌块，其含水率变化幅度较大，主要是因为其混凝土强度发展较慢，凝结硬化的过程还未完成，其10%掺量的稻草纤维混凝土其强度还未发展完全，水分还未被充分利用，导致砌块含水率较高。

2.2.3 稻草纤维粉末对混凝土空心砌块吸水率的影响（见图6）