玉米芯生物質(zhì)混凝土綠色墻體材料性能研究

何嘉樂 張 坤 劉 娟 高 永 劉蕓秀 孫 芳 韓連秀

(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,山東 青島 266109)

0 引言

玉米是我國產(chǎn)量第一的糧食作物品種，據(jù)計算玉米棒脫粒加工后的“玉米芯”產(chǎn)量巨大[1]。目前玉米芯的資源化利用多集中于食用菌種植、新型能源等方面，但利用率也僅為17%，多數(shù)玉米芯仍占地堆放或無組織焚燒，造成大量的資源浪費[2]。

玉米芯具有自重輕、質(zhì)地均勻、硬度適中等優(yōu)點，且利用玉米芯作為生物質(zhì)混凝土的骨料制備的生物質(zhì)混凝土裝配式墻板具有保溫性、節(jié)能、取材成本低等特點。2018年李心平等[3]研究了玉米芯的力學(xué)性能。其研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)玉米芯含水率低于13%，當(dāng)含水率降低時玉米芯抗壓強(qiáng)度緩慢增加；當(dāng)玉米芯含水率為13%～25%時，抗壓強(qiáng)度增加，抗壓能力增強(qiáng)；當(dāng)玉米芯含水率高于25%后，抗壓能力急劇減弱。

玉米芯吸水后一段時間后會析出糖分，析出的糖分會阻止膠凝材料凝結(jié)。聶光臨等[4]研究的當(dāng)快硬硫鋁酸鹽水泥占比0%～50%時，隨著硫鋁酸鹽水泥占比的增加，普通硅酸鹽與快硬硫鋁酸鹽體系的凝結(jié)時間逐漸縮短。因此本試驗將普通硅酸鹽水泥和快硬硫鋁酸鹽水泥進(jìn)行復(fù)配來縮短凝結(jié)時間。復(fù)合水泥體系中，普通硅酸鹽水泥占比90%、快硬硫鋁酸鹽占比10%，既可以縮短凝結(jié)時間也能節(jié)約成本。

本研究以破碎玉米芯作為粗骨料、全組分再生砂作為細(xì)骨料、復(fù)合水泥體系作為膠凝材料制備玉米芯生物質(zhì)混凝土，研究生物質(zhì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能并得出一定結(jié)論，開發(fā)玉米芯生物質(zhì)材料，開辟玉米芯新型利用渠道。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

骨料為山東青島附近收購后自行打碎的玉米芯顆粒，經(jīng)測定玉米芯顆粒堆積密度為133 kg/m3；全組分再生砂為青島某拆遷工程產(chǎn)生的廢棄混凝土經(jīng)破碎而成，緊密堆積密度實測值為1 685 kg/m3；膠凝材料為P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，R.SAC425快硬硫鋁酸鹽水泥；實驗室自來水。

1.2 試驗方案

本實驗設(shè)定3種不同膠砂體積比(1∶4,1∶5,1∶6)、玉米芯含量占生物質(zhì)混凝土總體積的百分比分別為：33.3%,37.5%,41.2%,44.5%,47.4%,50%。據(jù)謝汝朋[5]研究，廢棄建筑材料破碎后制得的再生砂吸水率較天然砂明顯偏大，同時玉米芯在攪拌過程中也會吸收一些水分，故需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)稠度試驗測得各組生物質(zhì)混凝土的用水量。通過標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量試驗最終得表1為每立方米生物質(zhì)混凝土所需的用水量。

選用STSJ-15砂漿攪拌機(jī)攪拌生物質(zhì)混凝土，制取尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的生物質(zhì)混凝土試塊測定強(qiáng)度，同時制取尺寸為300 mm×300 mm×35 mm的生物質(zhì)混凝土試塊來測量3 d,7 d,28 d的導(dǎo)熱系數(shù)。

表1 三種膠砂比下不同玉米芯含量的用水量 kg/m3

1.3 試驗配合比設(shè)計

根據(jù)表1標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、膠砂比設(shè)計、計算得表2生物質(zhì)混凝土配合比，所有試樣均在自然條件下放置，試驗變量為膠砂比、玉米芯含量、水膠比。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同玉米芯含量與水膠比的關(guān)系

分析圖1生物質(zhì)混凝土中玉米芯含量與水膠比關(guān)系圖可得玉米芯含量與水膠比之間呈線性關(guān)系，當(dāng)玉米芯含量占比越大時，相應(yīng)的水膠比就越大。

2.2 抗壓強(qiáng)度

用水泥膠砂抗壓測試儀測得表3為100 mm×100 mm×100 mm生物質(zhì)混凝土試塊在3 d,7 d,28 d時的抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

表2 試樣配合比

表3 生物質(zhì)混凝土3 d,7 d,28 d試塊抗壓強(qiáng)度

對比表3中數(shù)據(jù)，在三種膠砂比下，3 d,7 d,28 d的抗壓強(qiáng)度隨著膠砂比值的降低而降低。生物質(zhì)混凝土的強(qiáng)度在28 d時最具代表性，圖2為生物質(zhì)混凝土的28 d抗壓強(qiáng)度曲線。通過圖2可分析，隨著玉米芯含量的增加，生物質(zhì)混凝土的強(qiáng)度呈下降趨勢，其強(qiáng)度變化范圍在1.44 MPa～11.36 MPa之間，幅度為9.92 MPa。當(dāng)玉米芯含量為44.5%,47.5%,50%時，其關(guān)系曲線呈平穩(wěn)遞減狀態(tài)，無大幅度的起伏。

2.3 導(dǎo)熱性能

通過導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測得生物質(zhì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，圖3為導(dǎo)熱系數(shù)曲線關(guān)系，隨著玉米芯含量增加，生物質(zhì)混凝土試塊的導(dǎo)熱系數(shù)降低，導(dǎo)熱系數(shù)在0.228 6 W/(m·K)～0.289 2 W/(m·K)范圍內(nèi)，與絕熱材料的標(biāo)準(zhǔn)(導(dǎo)熱系數(shù)小于0.23 W/(m·K))對比，試驗試塊導(dǎo)熱系數(shù)較絕熱材料較為接近。

3 結(jié)論

1)玉米芯的含量與水膠比之間呈明顯的線性關(guān)系，且當(dāng)玉米芯含量超過41.5%時，水膠比與玉米芯含量的線性關(guān)系較明顯；

2)生物質(zhì)混凝土試塊28 d的抗壓強(qiáng)度與玉米芯占比呈線性關(guān)系，玉米芯含量占比越大，生物質(zhì)混凝土強(qiáng)度越低，當(dāng)玉米芯含量在37.5%之前時，強(qiáng)度較高。生物質(zhì)混凝土的膠砂比為1∶4、玉米芯含量為37.5%時強(qiáng)度最高為11.36 MPa。當(dāng)玉米芯含量不小于41.2%時，強(qiáng)度較低且變化率較小；

3)生物質(zhì)混凝土隨著玉米芯占比增加，導(dǎo)熱系數(shù)越來越小，絕熱性能越來越好，導(dǎo)熱系數(shù)在0.228 6～0.289 2區(qū)間內(nèi)，接近與絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，在生物質(zhì)混凝土強(qiáng)度要求允許值內(nèi)利用玉米芯作為粗骨料有助于增強(qiáng)保溫性能。