玉米芯骨料生态混凝土的制备及性能

冀晓珊，李秋义，刘 娟

玉米芯骨料生态混凝土的制备及性能

冀晓珊，李秋义，刘 娟※

（青岛农业大学建筑工程学院，青岛 266109）

生态混凝土；复合材料；玉米芯；再生砂浆；颗粒级配

0 引 言

玉米是中国年产量最高的农作物，因此每年会产生大量玉米芯，多数玉米芯被丢弃或作为燃料烧掉，不仅造成资源浪费而且严重污染环境。玉米芯是玉米棒脱粒后的穗轴，一般占玉米棒质量的20%～30%[1]，玉米芯中的有机质主要是纤维素、木质素等，具有较高的承载能力及韧性，多孔结构又使其具备轻质、隔音及隔热等性能，因此，玉米芯可用于保温材料或非承重结构，是一种天然的生物质资源[2-3]。中国目前对生物质资源的利用多集中于秸秆[4-8]，将秸秆加入无机胶凝材料中，不仅降低建材的密度和导热系数，其纤维物质还能有效抑制建材的开裂；也有部分对稻壳灰的研究，稻壳灰中含有大量SiO2，又具有巨大的比表面积，是理想的活性矿物掺合料[9-14]。国内对玉米芯用于建筑的研究相对较少，大部分玉米芯用于饲料、菌类种植及化工行业等[15-20]，利用率也较低，因此，如何消纳更多的玉米芯等农业固体废弃物并将其资源化利用成为农业农村迫在眉睫的问题。

再生骨料是由废弃混凝土经过破碎、筛分制备的骨料，可全部或部分取代天然骨料，实现建筑垃圾的循环再利用[21-23]。根据粒径的大小可将再生骨料分为再生粗骨料及再生细骨料，将再生细骨料即再生砂与水泥搅拌可形成再生砂浆。本文将破碎后的玉米芯颗粒作为粗骨料掺入再生砂浆中制备生态混凝土，进行玉米芯骨料的颗粒级配分析及生态混凝土的基本性能研究，并探讨生态混凝土用于农业农村建设的可行性。

目前中国农村建筑中仍大量采用高耗能高污染的黏土砖作为围护结构，部分地区采用轻质保温的加气混凝土砌块，但加气混凝土砌块的生产要经过发气、蒸压养护等工艺，噪音及大气污染较为严重，且砌块的强度及干缩性能差异较大。本文将农业废弃物玉米芯用于制备质量较轻、保温性能较好且具有一定强度的生态混凝土，不仅能够消纳大量农业固废，以期解决玉米芯占地、焚烧带来的环境问题，而且将生态混凝土加工成结构-保温一体化的墙体材料用于农村建筑的围护结构，生产流程简单且无高耗能高污染的生产工艺，对节约资源、保护环境，推动绿色建材在农业农村建设中的应用提供学术支撑。

1 试验原材料

1）玉米芯：试验选用山东滨州产的玉米，将脱粒后的玉米芯进行破碎处理，筛除直径大于19 mm的芯块，留取粒径小于19 mm的玉米芯颗粒作为生态混凝土的粗骨料。

2）水泥：玉米芯中的纤维素和半纤维素在水泥砂浆环境中易碱性水解为低聚糖，这些糖分与水泥水化产物进行反应，生成沉淀物包裹在水泥外围[24-25]，造成水泥缓凝，影响强度发展。因此试验选用快硬硫铝酸盐水泥，在玉米芯糖分析出前将其固结，以降低玉米芯对水泥缓凝作用的影响。快硬硫铝酸盐水泥的凝结时间及强度指标见表1。

表1 水泥的凝结时间及1～28 d强度指标

3）再生砂：试验用细骨料选用青岛某拆迁工程产生的废弃混凝土制备的再生砂，性能满足GB/T25176—2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》中的II类再生细骨料性能要求，见表2。

表2 再生砂基本性能指标

4）水：实验室自来水，符合JGJ3—2006《混凝土用水标准》规定。

2 玉米芯骨料颗粒级配试验

2.1 玉米芯颗粒体积分数

将玉米芯的粉粒、小颗粒及大颗粒的质量比设定为0∶1∶1.5、0.5∶1∶1.5、1∶1∶1.5掺入1 200 g水泥砂浆（胶砂比为1∶3）中，得到混凝土拌合物中玉米芯颗粒的体积分数与其掺入质量的关系曲线，如图1所示。从图中可以看出，生态混凝土中玉米芯颗粒的体积分数与其掺入质量基本呈线性关系，因为玉米芯粉粒的密度较小，所以玉米芯颗粒中粉粒含量越大，相同质量的玉米芯颗粒在混凝土拌合物中的体积分数就越大。

2.2 玉米芯骨料颗粒级配优化试验

将不同级配的玉米芯颗粒按照设定的体积分数掺入再生砂浆中，测量不同级配玉米芯骨料生态混凝土的强度，从而确定试验范围内玉米芯颗粒的最佳级配。试验设定胶砂比为1∶3，玉米芯颗粒体积分数为40%，根据图1确定各级配玉米芯颗粒的掺入质量，表3为不同配比水泥性能试验结果。

表3 玉米芯骨料颗粒级配试验

由于玉米芯吸水性较强，密度较小，玉米芯颗粒的粒径又相对较大，试验前将玉米芯小颗粒及大颗粒在水中浸泡半小时，让其充分润湿，以避免玉米芯颗粒大量吸收再生砂浆中的自由水导致水泥无法正常水化；生态混凝土在自然养护时，初始预湿时玉米芯颗粒中的水分在水泥水化过程中易迁移至水泥颗粒，有利于生态混凝土的内养护，可有效抑制混凝土的干缩开裂。另外，玉米芯颗粒预湿后密度增加，将预湿后的玉米芯颗粒与水泥砂浆搅拌，可一定程度减少因两者密度相差较大而在搅拌过程中产生的玉米芯颗粒上浮的问题。

玉米芯主要由三部分构成，表层脱粒后的毛糙部分为鼓糠层，中间硬而有弹性的部位为木质层，占玉米芯总质量的60%，而最里端软而洁白的部分为玉米芯的海绵絮层。玉米芯粉粒多为脱落的骨康层及打碎的海绵絮层，密度小且强度极低，而玉米芯小颗粒及中颗粒则为破碎的木质层，密度大且有一定强度，因此，玉米芯颗粒中粉粒含量越少，混凝土强度越高。当粉粒、小颗粒、大颗粒的质量比为0∶1∶1.5（编号JP2）时，骨料的级配较合理，混凝土的强度较高，因此，本文选取JP2即玉米芯小颗粒与大颗粒比例为1∶1.5进行后续试验。

3 玉米芯骨料生态混凝土基本性能试验

3.1 试验配合比

将玉米芯颗粒掺入再生砂浆中制备玉米芯骨料生态混凝土，通过改变胶凝材料与再生砂的质量比（即胶砂比）及玉米芯颗粒的体积分数，研究生态混凝土的干密度、导热系数及抗压强度。试验设定胶砂比为1∶3、1∶3.5和1∶4，再生砂浆的用水量根据砂浆稠度试验确定；选用级配为JP2的玉米芯颗粒作为粗骨料，玉米芯体积分数设定为30%~50%。生态混凝土基本性能试验的配合比见表4。

3.2 试验结果及讨论

干密度是衡量生态混凝土性能的重要指标，图3a为生态混凝土的干密度随胶砂比及玉米芯颗粒体积分数的变化曲线。从图中能够看出，由于玉米芯的堆积密度仅为140~180 kg/m3，因此玉米芯颗粒的体积分数对混凝土干密度的影响较大，随玉米芯颗粒体积分数的增加，生态混凝土的干密度明显降低，玉米芯体积分数每增加5%，混凝土干密度减少约60~70 kg/m3；由于再生砂的密度与水泥非常接近，因此胶砂比对混凝土干密度的影响较小。试验范围内生态混凝土的干密度约为1 200~1 550 kg/m3，属轻骨料混凝土范畴（800~1 900 kg/m3）。

表4 生态混凝土基本性能试验配合比

表5 生态混凝土基本性能试验

图3b为试验得到的不同配合比生态混凝土的导热系数，从图中能够看出，由于玉米芯为多孔结构，具有优越的保温性能，因此随玉米芯体积分数的增加，生态混凝土的导热系数逐渐减小；另外，混凝土的胶砂比不同导致混凝土密实程度不同，也会对生态混凝土的保温性能产生一定影响，从图3b能够看出，再生砂在砂浆中含量越高，混凝土导热系数越低，材料的保温性越好。试验范围内生态混凝土的导热系数为0.20～0.26 W/m·K，稍高于加气混凝土0.19 W/m·K，但仅为普通轻骨料混凝土导热系数的1/2～1/3，炉渣砖砌体的1/3，因此玉米芯骨料混凝土可为具有保温性能的墙体材料的研究提供参考。

图4为不同胶砂比及玉米芯体积分数时生态混凝土3 d、7 d及28 d的抗压强度曲线，从图中能够看出，混凝土各龄期的抗压强度均随玉米芯体积分数的增加而显著降低，玉米芯体积分数每增加5%，28 d的强度损失约0.7 MPa，可见生态混凝土抗压强度对玉米芯的体积分数很敏感；胶砂比对混凝土抗压强度也有一定影响，如图，随胶砂比变化，同龄期同玉米芯体积分数的混凝土抗压强度变化约15%～20%；另外，因为试验使用快硬硫铝酸盐水泥，因此生态混凝土早期强度上升较快，以A40为例，3 d及7 d的强度已达到28 d强度的80%～90%。试验范围内生态混凝土28 d的抗压强度为2.0～5.7 MPa，可为轻质保温墙体材料提供强度保证。

3.3 性能相关性分析

图5为生态混凝土干密度、导热系数及28 d强度之间的相关性曲线，从图中能够看出，生态混凝土各性能之间均存在一定关联，混凝土的导热系数及28 d强度均随材料干密度的增加呈上升趋势，如图5a及5b，而导热系数也基本与28 d强度正相关，如图5c，即随着生态混凝土中玉米芯体积分数的减少，混凝土的干密度逐渐增加，同时混凝土的强度增加但保温性能减弱。生态混凝土的干密度为1 200 kg/m3时，导热系数为0.20 W/m·K，28 d强度为2.0 MPa；混凝土干密度为1 550 kg/m3时，导热系数为0.26 W/m·K，28 d强度为5.7 MPa。

4 结 论

本文探讨玉米芯骨料的颗粒级配及不同配合比生态混凝土的基本性能，得到以下结论：

1）玉米芯破碎过程中，由于粒径小于4.75 mm的粉粒自身强度极低，若将其掺入混凝土中会对混凝土的强度产生不利影响，因此试验中将粉粒筛除，将玉米芯小颗粒及大颗粒质量比质量比以1∶1.5混合作为粗骨料，生态混凝土强度较高，以确定玉米芯颗粒的最佳级配。

2）试验前将玉米芯颗粒在水中浸泡使其充分吸水，可避免玉米芯颗粒吸收拌合物中的自由水导致水泥无法正常水化，有效抑制混凝土的干缩开裂；另外，由于预湿后的玉米芯颗粒密度增加，可一定程度减少玉米芯颗粒上浮的问题。

3）试验探讨了不同配合比生态混凝土的基本性能，再生砂浆中再生砂的含量对混凝土干密度影响不大，但对导热系数及强度有一定影响，再生砂含量越高，导热系数及强度越低；生态混凝土的干密度、导热系数及强度对玉米芯颗粒体积分数较敏感，随玉米芯颗粒体积分数增加，三者均呈明显下降趋势；试验范围内生态混凝土的干密度约1 200～1 550 kg/m3，导热系数约0.20～0.26 W/m.K，强度约2.0～5.7 MPa。

4）试验还探讨了生态混凝土各基本性能的相关性，随着生态混凝土中玉米芯体积分数的减少，混凝土的干密度逐渐增加，同时混凝土的强度增加但保温性能减弱。

玉米芯作为农业固体废弃物，具有轻质、保温、强度适中等建筑性能，对其进行资源化利用，制备自保墙体材料用于农业农村建设，可降低建造成本、保护环境。本文经过试验研究得出一定结论，但生态混凝土的抗裂、韧性、抗冲击等性能及微观机理方面还有待进一步研究，为玉米芯骨料生态混凝土墙体材料的开发提供理论及试验依据。

[1]王红彦，张轩铭，王道龙，等. 中国玉米芯资源量估算及其开发利用[J]. 中国农业资源与区划，2016，37(1)：1-8. Wang Hongyan, Zhang Xuanming, Wang Daolong, et al. Estimation and utilization of corncob resources in China[J]. Chinese Journal of Agricultural Resources and Regional Planning, 2016, 37(1): 1-8. (in Chinese with English Abstract)

[2]吴宪玲，侯晓玉，王笑可，等. 玉米芯的综合利用研究现状[J]，农业科技与装备，2019(6)：59-60. Wu Xianling, Hou Xiaoyu, Wang Xiaoke, et al. Research progress on comprehensive utilization of corncob[J], Agricultural Science & Technology and Equipment, 2019(6): 59-60. (in Chinese with English Abstract)

[3]耿欣，诸葛详占，彭冉，等. 生物质废弃物资源化利用研究进展[J]，低碳世界，2019，9(6)：24-25.

[4]黄群艺，宋茜. 秸秆的建筑性能及其应用探析[J]. 四川建筑，2017，37(6)：213-216.

[5]陈登，宋旭艳，姜正平，等. 秸秆与粉煤灰复掺对混凝土性能的影响[J]，混凝土与水泥制品，2020 (4)：100-103. Chen Deng, Song Xuyan, Jiang Zhengping, et al. Effects of combined admixture of straw and fly ash on the properties of concrete[J]. China Concrete and Cement Products, 2020(4): 100-103. (in Chinese with English Abstract)

[6]程岚. 双掺秸秆灰钢渣绿色混凝土配合比设计及性能研究[D]. 张家口：河北建筑工程学院，2019. Cheng Lan. Design and Performance Study of Green Concrete with Double Straw Ash and Steel Slag[D]. Zhangjiakou: Hebei University of Architecture, 2019. (in Chinese with English Abstract)

[7]许鹏，王正君，魏凌傲，等. 玉米秸秆灰生态多孔混凝土抗冻性能试验研究[J]. 水利科学与寒区工程，2018，1(8)：6-10. Xu Peng, Wang Zhengjun, Wei Lin'gao, et al. Experimental study on freeze-thaw performance of eco-porous concrete with corn straw ash[J]. Hydro Science and Cold Zone Engineering, 2018, 1(8): 6-10. (in Chinese with English Abstract)

[8]戢娇. 新型农作物秸秆复合墙体的应用研究[D]. 西安：西安科技大学，2015. Ji Jiao. Application of New Crop Straw Composite wall[D]. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology, 2015. (in Chinese with English Abstract)

[9]De Sensale G R. Effect of rice husk ash on mechanical behavior and durability of high-performance concrete[J]. Second International Conference on Engineering Materials, 2001(1): 521-532.

[10]Jauberthiea R, Rendella F, Tambab S, et al. Origin of the pozzolanic effect of rice husks[J]. Construction and Building Materials, 2000(14): 419-423.

[11]Liou T H. Preparation and characterization of nan-structured silica from rice husk[J]. Materials Science and Engineering A, 2004, 364(1/2): 313-323.

[12]杨一凡，何智海. 原状稻壳灰及磨细灰对水泥胶砂强度和微观结构的影响[J]. 混凝土与水泥制品，2019(10)：92-96. Yang Yifan, He Zhihai. Effect of undisturbed rice husk ash and ground ash on strength and microstructure of cement mortar[J]. China Concrete and Cement Products, 2019(10): 92-96. (in Chinese with English Abstract)

[13]蒋浩. 掺加稻壳灰的混凝土性能研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2019. Jiang Hao. Study on the Properties of Concrete Mixed with Rice Husk Ash[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2019. (in Chinese with English Abstract)

[14]张继华，董云，蒋洋，等. 稻壳灰与高岭土掺料对再生细骨料混凝土性能的影响[J]. 科学技术与工程，2018，18(13)：294-298. Zhang Jihua, Dong Yun, Jiang Yang, et al. Effects of rice husk ash and kaolin admixture on the performance of recycled fine aggregate concrete[J]. Science Technology and Engineering, 2018, 18(13): 294-298. (in Chinese with English Abstract)

[15]王家旺，杨晓峰，刘国明，等. 优化预处理及脱毒工艺以制备玉米芯半纤维素水解液[J]. 中国农学通报，2020，36(20)：28-35. Wang Jiawang, Yang Xiaofeng, Liu Guoming, et al. Corncob hemicellulose hydrolysate: Optimized pretreatment and detoxification process[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2020, 36(20): 28-35. (in Chinese with English Abstract)

[16]王绍庆，李志合，易维明，等，活化赤泥催化热解玉米芯木质素制备高值单酚[J]. 农业工程学报，2020，36(13)：203-211. Wang Shaoqing, Li Zhihe, Yi Weiming, et al. Catalytic pyrolysis of maize cob lignin over activated red mud catalyst for value-added mono-phenol production[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(13): 203-211. (in Chinese with English Abstract)

[17]Minal V, Parteek M, Dilbag S, et al. Recent developments in heterogeneous catalytic routes for the sustainable production of succinic acid from biomass resources[J]. ChemSusChem, 2020, 13(16): 4026-4034

[18]范博文，张俊莹，赵长江，等. 不同玉米芯基质预处理方式对猴头菌生长的影响[J]. 黑龙江八一农垦大学学报，2020，32(4)：8-14. Fan Bowen, Zhang Junying, Zhao Changjiang, et al. Effects of different corncob pretreatment methods on the growth of hericium erinaceus[J]. Journal of Heilongjiang Bayi Agricultural University, 2020, 32(4): 8-14. (in Chinese with English Abstract)

[19]房晓燕，王献杰，张相松，等. 辣椒秆玉米芯复合基质栽培平菇配方试验[J]. 食用菌，2020，42(4)：36-39.

[20]何香凝，刘娜，安晓萍，等. 发酵玉米芯在反刍动物中的研究进展[J]，饲料研究，2019(12)：102-104. He Xiangning, Liu Na, An Xiaoping, et al. Research progress of fermented corn cob in ruminants feeding[J]. Feed Research, 2019(12): 102-104. (in Chinese with English Abstract)

[21]Minkwan Ju, Kyoungsoo Park, Won-Jun Park. Mechanical behavior of recycled fine aggregate concrete with high slump property in normal- and high-strength[J]. International Journal of Concrete Structures and Materials, 2019, 13(1): 1-13.

[22]郭远新，李秋义，岳公冰，等. 考虑粗骨料品质和取代率的再生混凝土抗压强度计算[J]. 建筑结构学报，2018，39(4)：153-159. Guo Yuanxin, Li Qiuyi, Yue Gongbing, et al. Calculation of compressive strength of recycled concrete based on coarse aggregate quality and replacement rate[J]. Journal of Building Structures, 2018, 39(4): 153- 159. (in Chinese with English Abstract)

[23]肖建庄，张凯建，胡博，等. 基于可靠度分析的再生混凝土材料分项系数[J]. 工程力学，2017，34(6)：82-91. Xiao Jianzhuang, Zhang Kaijian, Hu Bo, et al. Reliability-based study on partial coefficient of recycled aggregate concrete[J]. Engineering Mechanics, 2017, 34(6): 82-91. (in Chinese with English Abstract)

[24]沈卫国，周明凯. 蔗糖对水泥水化过程影响机理研究[J]，建筑材料学报，2007，10(5)：566-572. Shen Weiguo, Zhou Mingkai. Influence mechanism of sucrose on hydration process of portland cement[J]. Journal of Building Materials, 2007, 10(5): 566-572. (in Chinese with English Abstract)

[25]张胜标，李伟峰，马素花，等. 麦芽糖对硅酸盐水泥性能及水化过程的影响[J]. 混凝土，2013，289(11)：7-10. Zhang Shengbiao, Li Weifeng, Ma Suhua, et al. Influence of maltose on performance and hydration of portland cement[J]. Concrete, 2013, 289(11): 7-10. (in Chinese with English Abstract)

Preparation and properties of ecological concrete with maize-cob aggregate

Ji Xiaoshan, Li Qiuyi, Liu Juan※

(,,266109,)

52 million tons of maize cobs are produced behind a huge annual output of maize each year in China. A maize cob was normally estimated as 21% of a whole maize. Previous maize cobs are generally discarded or burned as fuel, wasting natural biomass resources, while seriously polluting the environment. Currently, most maize cobs with a low utilization rate are used in the field of feeding, fungus planting, and chemical industry. Actually, maize cobs can serve as insulation materials or non-load-bearing structures, due to the high toughness, moderate strength, sound and heat insulation from the naturally porous structure. But only a few studies were focused on the utilization of maize cobs in construction. Waste concrete after crushing and screening can be an alternative way to prepare recycled aggregates with maize cobs in rural areas. In this study, a light and heat-preservation ecological concrete was fabricated, where maize cobs were broken into particles to serve as coarse aggregates in recycled mortar. The particle gradation of maize-cob aggregate was analyzed under various cement-sand ratios and maize-cob volume contents. A field test was also conducted to evaluate the performances of ecological concrete. The results show that the ecological concrete behaved a high strength with the reasonable particle gradation, when the mass ratio for the small and large particles of maize cob was 1∶1.5. There was little influence of cement-sand ratio on the dry density of ecological concrete. But the recycled sand contributed to the decrease of thermal conductivity and strength. The dry density, thermal conductivity, and strength of ecological concrete decreased obviously with the increase of maize-cob volume content. In the field test, the dry density of ecological concrete was 1 200-1 550 kg/m3, while the thermal conductivity was 0.20-0.26 W/m·K, and the 28d strength was 2.0-5.7 MPa. The thermal conductivity was positively correlated with the 28 d strength of ecological concrete, while both increased as the dry density increased. Ecological concrete with maize-cob aggregate can be expected to replace traditional building material in agricultural and rural construction, due to its light weight, thermal insulation, and high strength. The utilization of maize cobs in ecological concrete can alleviate agricultural wastes occupies and incineration pollution. The treatment of maize cob and recycled sand can also promote the recycling use of solid wastes in agriculture and construction in rural areas.

ecological concrete; composite materials; maize cob; recycled cement mortar; particle gradation

冀晓珊，李秋义，刘娟. 玉米芯骨料生态混凝土的制备及性能[J]. 农业工程学报，2021，37(6)：289-294.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.035 http://www.tcsae.org

Ji Xiaoshan, Li Qiuyi, Liu Juan. Preparation and properties of ecological concrete with maize-cob aggregate[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(6): 289-294. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.035 http://www.tcsae.org

2020-11-09

2021-02-28

国家自然科学基金面上项目（51878366，52078261）；山东省自然科学基金重大基础研究项目（ZR2017ZC0737）；青岛市科技惠民示范引导专项（20-3-4-10-nsh）

冀晓珊，研究方向为生态混凝土性能及利用。Email：1500076992@qq.com

刘娟，讲师，研究方向为农业固体废弃物资源化利用和开发。Email：349604216@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.035

TU528

A

1002-6819(2021)-06-0289-06