玉米芯骨料生態混凝土的制備及性能

冀曉珊，李秋義，劉 娟

玉米芯骨料生態混凝土的制備及性能

冀曉珊，李秋義，劉 娟※

（青島農業大學建筑工程學院，青島 266109）

生態混凝土；復合材料；玉米芯；再生砂漿；顆粒級配

0 引 言

玉米是中國年產量最高的農作物，因此每年會產生大量玉米芯，多數玉米芯被丟棄或作為燃料燒掉，不僅造成資源浪費而且嚴重污染環境。玉米芯是玉米棒脫粒后的穗軸，一般占玉米棒質量的20%～30%[1]，玉米芯中的有機質主要是纖維素、木質素等，具有較高的承載能力及韌性，多孔結構又使其具備輕質、隔音及隔熱等性能，因此，玉米芯可用于保溫材料或非承重結構，是一種天然的生物質資源[2-3]。中國目前對生物質資源的利用多集中于秸稈[4-8]，將秸稈加入無機膠凝材料中，不僅降低建材的密度和導熱系數，其纖維物質還能有效抑制建材的開裂；也有部分對稻殼灰的研究，稻殼灰中含有大量SiO2，又具有巨大的比表面積，是理想的活性礦物摻合料[9-14]。國內對玉米芯用于建筑的研究相對較少，大部分玉米芯用于飼料、菌類種植及化工行業等[15-20]，利用率也較低，因此，如何消納更多的玉米芯等農業固體廢棄物并將其資源化利用成為農業農村迫在眉睫的問題。

再生骨料是由廢棄混凝土經過破碎、篩分制備的骨料，可全部或部分取代天然骨料，實現建筑垃圾的循環再利用[21-23]。根據粒徑的大小可將再生骨料分為再生粗骨料及再生細骨料，將再生細骨料即再生砂與水泥攪拌可形成再生砂漿。本文將破碎后的玉米芯顆粒作為粗骨料摻入再生砂漿中制備生態混凝土，進行玉米芯骨料的顆粒級配分析及生態混凝土的基本性能研究，并探討生態混凝土用于農業農村建設的可行性。

目前中國農村建筑中仍大量采用高耗能高污染的黏土磚作為圍護結構，部分地區采用輕質保溫的加氣混凝土砌塊，但加氣混凝土砌塊的生產要經過發氣、蒸壓養護等工藝，噪音及大氣污染較為嚴重，且砌塊的強度及干縮性能差異較大。本文將農業廢棄物玉米芯用于制備質量較輕、保溫性能較好且具有一定強度的生態混凝土，不僅能夠消納大量農業固廢，以期解決玉米芯占地、焚燒帶來的環境問題，而且將生態混凝土加工成結構-保溫一體化的墻體材料用于農村建筑的圍護結構，生產流程簡單且無高耗能高污染的生產工藝，對節約資源、保護環境，推動綠色建材在農業農村建設中的應用提供學術支撐。

1 試驗原材料

1）玉米芯：試驗選用山東濱州產的玉米，將脫粒后的玉米芯進行破碎處理，篩除直徑大于19 mm的芯塊，留取粒徑小于19 mm的玉米芯顆粒作為生態混凝土的粗骨料。

2）水泥：玉米芯中的纖維素和半纖維素在水泥砂漿環境中易堿性水解為低聚糖，這些糖分與水泥水化產物進行反應，生成沉淀物包裹在水泥外圍[24-25]，造成水泥緩凝，影響強度發展。因此試驗選用快硬硫鋁酸鹽水泥，在玉米芯糖分析出前將其固結，以降低玉米芯對水泥緩凝作用的影響。快硬硫鋁酸鹽水泥的凝結時間及強度指標見表1。

表1 水泥的凝結時間及1～28 d強度指標

3）再生砂：試驗用細骨料選用青島某拆遷工程產生的廢棄混凝土制備的再生砂，性能滿足GB/T25176—2010《混凝土和砂漿用再生細骨料》中的II類再生細骨料性能要求，見表2。

表2 再生砂基本性能指標

4）水：實驗室自來水，符合JGJ3—2006《混凝土用水標準》規定。

2 玉米芯骨料顆粒級配試驗

2.1 玉米芯顆粒體積分數

將玉米芯的粉粒、小顆粒及大顆粒的質量比設定為0∶1∶1.5、0.5∶1∶1.5、1∶1∶1.5摻入1 200 g水泥砂漿（膠砂比為1∶3）中，得到混凝土拌合物中玉米芯顆粒的體積分數與其摻入質量的關系曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，生態混凝土中玉米芯顆粒的體積分數與其摻入質量基本呈線性關系，因為玉米芯粉粒的密度較小，所以玉米芯顆粒中粉粒含量越大，相同質量的玉米芯顆粒在混凝土拌合物中的體積分數就越大。

2.2 玉米芯骨料顆粒級配優化試驗

將不同級配的玉米芯顆粒按照設定的體積分數摻入再生砂漿中，測量不同級配玉米芯骨料生態混凝土的強度，從而確定試驗范圍內玉米芯顆粒的最佳級配。試驗設定膠砂比為1∶3，玉米芯顆粒體積分數為40%，根據圖1確定各級配玉米芯顆粒的摻入質量，表3為不同配比水泥性能試驗結果。

表3 玉米芯骨料顆粒級配試驗

由于玉米芯吸水性較強，密度較小，玉米芯顆粒的粒徑又相對較大，試驗前將玉米芯小顆粒及大顆粒在水中浸泡半小時，讓其充分潤濕，以避免玉米芯顆粒大量吸收再生砂漿中的自由水導致水泥無法正常水化；生態混凝土在自然養護時，初始預濕時玉米芯顆粒中的水分在水泥水化過程中易遷移至水泥顆粒，有利于生態混凝土的內養護，可有效抑制混凝土的干縮開裂。另外，玉米芯顆粒預濕后密度增加，將預濕后的玉米芯顆粒與水泥砂漿攪拌，可一定程度減少因兩者密度相差較大而在攪拌過程中產生的玉米芯顆粒上浮的問題。

玉米芯主要由三部分構成，表層脫粒后的毛糙部分為鼓糠層，中間硬而有彈性的部位為木質層，占玉米芯總質量的60%，而最里端軟而潔白的部分為玉米芯的海綿絮層。玉米芯粉粒多為脫落的骨康層及打碎的海綿絮層，密度小且強度極低，而玉米芯小顆粒及中顆粒則為破碎的木質層，密度大且有一定強度，因此，玉米芯顆粒中粉粒含量越少，混凝土強度越高。當粉粒、小顆粒、大顆粒的質量比為0∶1∶1.5（編號JP2）時，骨料的級配較合理，混凝土的強度較高，因此，本文選取JP2即玉米芯小顆粒與大顆粒比例為1∶1.5進行后續試驗。

3 玉米芯骨料生態混凝土基本性能試驗

3.1 試驗配合比

將玉米芯顆粒摻入再生砂漿中制備玉米芯骨料生態混凝土，通過改變膠凝材料與再生砂的質量比（即膠砂比）及玉米芯顆粒的體積分數，研究生態混凝土的干密度、導熱系數及抗壓強度。試驗設定膠砂比為1∶3、1∶3.5和1∶4，再生砂漿的用水量根據砂漿稠度試驗確定；選用級配為JP2的玉米芯顆粒作為粗骨料，玉米芯體積分數設定為30%~50%。生態混凝土基本性能試驗的配合比見表4。

3.2 試驗結果及討論

干密度是衡量生態混凝土性能的重要指標，圖3a為生態混凝土的干密度隨膠砂比及玉米芯顆粒體積分數的變化曲線。從圖中能夠看出，由于玉米芯的堆積密度僅為140~180 kg/m3，因此玉米芯顆粒的體積分數對混凝土干密度的影響較大，隨玉米芯顆粒體積分數的增加，生態混凝土的干密度明顯降低，玉米芯體積分數每增加5%，混凝土干密度減少約60~70 kg/m3；由于再生砂的密度與水泥非常接近，因此膠砂比對混凝土干密度的影響較小。試驗范圍內生態混凝土的干密度約為1 200~1 550 kg/m3，屬輕骨料混凝土范疇（800~1 900 kg/m3）。

表4 生態混凝土基本性能試驗配合比

表5 生態混凝土基本性能試驗

圖3b為試驗得到的不同配合比生態混凝土的導熱系數，從圖中能夠看出，由于玉米芯為多孔結構，具有優越的保溫性能，因此隨玉米芯體積分數的增加，生態混凝土的導熱系數逐漸減小；另外，混凝土的膠砂比不同導致混凝土密實程度不同，也會對生態混凝土的保溫性能產生一定影響，從圖3b能夠看出，再生砂在砂漿中含量越高，混凝土導熱系數越低，材料的保溫性越好。試驗范圍內生態混凝土的導熱系數為0.20～0.26 W/m·K，稍高于加氣混凝土0.19 W/m·K，但僅為普通輕骨料混凝土導熱系數的1/2～1/3，爐渣磚砌體的1/3，因此玉米芯骨料混凝土可為具有保溫性能的墻體材料的研究提供參考。

圖4為不同膠砂比及玉米芯體積分數時生態混凝土3 d、7 d及28 d的抗壓強度曲線，從圖中能夠看出，混凝土各齡期的抗壓強度均隨玉米芯體積分數的增加而顯著降低，玉米芯體積分數每增加5%，28 d的強度損失約0.7 MPa，可見生態混凝土抗壓強度對玉米芯的體積分數很敏感；膠砂比對混凝土抗壓強度也有一定影響，如圖，隨膠砂比變化，同齡期同玉米芯體積分數的混凝土抗壓強度變化約15%～20%；另外，因為試驗使用快硬硫鋁酸鹽水泥，因此生態混凝土早期強度上升較快，以A40為例，3 d及7 d的強度已達到28 d強度的80%～90%。試驗范圍內生態混凝土28 d的抗壓強度為2.0～5.7 MPa，可為輕質保溫墻體材料提供強度保證。

3.3 性能相關性分析

圖5為生態混凝土干密度、導熱系數及28 d強度之間的相關性曲線，從圖中能夠看出，生態混凝土各性能之間均存在一定關聯，混凝土的導熱系數及28 d強度均隨材料干密度的增加呈上升趨勢，如圖5a及5b，而導熱系數也基本與28 d強度正相關，如圖5c，即隨著生態混凝土中玉米芯體積分數的減少，混凝土的干密度逐漸增加，同時混凝土的強度增加但保溫性能減弱。生態混凝土的干密度為1 200 kg/m3時，導熱系數為0.20 W/m·K，28 d強度為2.0 MPa；混凝土干密度為1 550 kg/m3時，導熱系數為0.26 W/m·K，28 d強度為5.7 MPa。

4 結 論

本文探討玉米芯骨料的顆粒級配及不同配合比生態混凝土的基本性能，得到以下結論：

1）玉米芯破碎過程中，由于粒徑小于4.75 mm的粉粒自身強度極低，若將其摻入混凝土中會對混凝土的強度產生不利影響，因此試驗中將粉粒篩除，將玉米芯小顆粒及大顆粒質量比質量比以1∶1.5混合作為粗骨料，生態混凝土強度較高，以確定玉米芯顆粒的最佳級配。

2）試驗前將玉米芯顆粒在水中浸泡使其充分吸水，可避免玉米芯顆粒吸收拌合物中的自由水導致水泥無法正常水化，有效抑制混凝土的干縮開裂；另外，由于預濕后的玉米芯顆粒密度增加，可一定程度減少玉米芯顆粒上浮的問題。

3）試驗探討了不同配合比生態混凝土的基本性能，再生砂漿中再生砂的含量對混凝土干密度影響不大，但對導熱系數及強度有一定影響，再生砂含量越高，導熱系數及強度越低；生態混凝土的干密度、導熱系數及強度對玉米芯顆粒體積分數較敏感，隨玉米芯顆粒體積分數增加，三者均呈明顯下降趨勢；試驗范圍內生態混凝土的干密度約1 200～1 550 kg/m3，導熱系數約0.20～0.26 W/m.K，強度約2.0～5.7 MPa。

4）試驗還探討了生態混凝土各基本性能的相關性，隨著生態混凝土中玉米芯體積分數的減少，混凝土的干密度逐漸增加，同時混凝土的強度增加但保溫性能減弱。

玉米芯作為農業固體廢棄物，具有輕質、保溫、強度適中等建筑性能，對其進行資源化利用，制備自保墻體材料用于農業農村建設，可降低建造成本、保護環境。本文經過試驗研究得出一定結論，但生態混凝土的抗裂、韌性、抗沖擊等性能及微觀機理方面還有待進一步研究，為玉米芯骨料生態混凝土墻體材料的開發提供理論及試驗依據。

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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

冀曉珊，李秋義，劉娟. 玉米芯骨料生態混凝土的制備及性能[J]. 農業工程學報，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

國家自然科學基金面上項目（51878366，52078261）；山東省自然科學基金重大基礎研究項目（ZR2017ZC0737）；青島市科技惠民示范引導專項（20-3-4-10-nsh）

冀曉珊，研究方向為生態混凝土性能及利用。Email：1500076992@qq.com

劉娟，講師，研究方向為農業固體廢棄物資源化利用和開發。Email：349604216@qq.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.06.035

TU528

A

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