棉稈纖維水泥基砌塊性能實(shí)驗(yàn)研究

王 柯，安巧霞，王 寧，管 裕，牟 丹

（塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300）

新疆棉花產(chǎn)量居世界第二、中國第一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010 年新疆棉花種植面積約2 000 萬畝（1 畝≈0.067 hm2），2020 年新疆棉花種植面積約3 810.8 萬畝[1]。這意味著新疆每年都有大量的棉花秸稈產(chǎn)出，目前棉花秸稈主要用于2 個方面，一是就地焚燒，二是粉碎還田。據(jù)黃新平[2]研究發(fā)現(xiàn)棉花秸稈直接燃燒后產(chǎn)生的450 ℃高溫使土地微生物損失率達(dá)50%左右，地面的水分、磷、氮、碳損失率分別達(dá)到8%、13%、75%、90%，且燃燒過程產(chǎn)生的有害氣體會污染大氣環(huán)境。棉稈粉碎還田雖然被應(yīng)用最廣，但棉稈質(zhì)地堅(jiān)硬且新疆陽光充足氣候干燥、降雨量少，使棉花秸稈難以漚爛進(jìn)而不能作為當(dāng)年的肥料使用，并且棉花秸稈中的農(nóng)藥殘留也會污染土地和地下水[3]。所以開展棉花秸稈多途徑資源化利用已經(jīng)成為越來越多的學(xué)者所關(guān)心的問題。

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，保護(hù)環(huán)境和合理利用不可再生能源已經(jīng)成為全球矚目的熱點(diǎn)，2010 年國務(wù)院印發(fā)了《關(guān)于進(jìn)一步推進(jìn)墻體材料革新和推廣節(jié)能建筑的通知》，規(guī)定中國境內(nèi)的所有城市都要禁止使用實(shí)心黏土磚。在這種背景下植物纖維砌塊以其節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)逐漸被越來越多的專家和學(xué)者所關(guān)注。目前國內(nèi)外學(xué)者對秸稈水泥砌塊在力學(xué)性能、保溫性能方面做了較多的研究，馬千里[4]發(fā)現(xiàn)隨著蓖麻秸稈摻量增多，砌塊抗壓強(qiáng)度、密度和傳熱系數(shù)在下降。亢毅[5]研究發(fā)現(xiàn)以植物秸稈為原料制得的植物纖維加入到水泥基試塊中，可以提高試塊的抗拉能力，同時因?yàn)橹参锢w維的導(dǎo)熱系數(shù)低和質(zhì)量輕，可以制作輕質(zhì)保溫砌塊并用于村鎮(zhèn)建筑。吳剛等[6]將不同種棉稈形態(tài)加入EPS 砌塊中，結(jié)果表明，當(dāng)棉稈為較長纖維時砌塊28 d 的抗折強(qiáng)度和彈性模量均增大。陳國新等[7]探究棉稈纖維、鋁粉摻量和砂率對植物纖維水泥基砌塊性能的影響，結(jié)果表明棉稈纖維水泥基砌塊28 d 的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度都隨著棉稈纖維摻量增加而降低。張喜明等[8]研究發(fā)現(xiàn)隨著小麥秸稈摻量的增加，秸稈混凝土砌塊28 d 的抗壓強(qiáng)度下降。

通過閱讀文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)外對植物纖維砌塊的力學(xué)性能研究主要集中在前期（28 d 前）的力學(xué)性能上，對于后期（28 d 后）的力學(xué)性能探究較少。基于此，本研究將探究不同摻量的棉稈纖維對棉稈纖維砌塊前期和后期力學(xué)性能的影響以及保溫性能和物理性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 原材料

水泥為青松化工有限公司生產(chǎn)的P.O 42.5 水泥；細(xì)骨料為水洗中砂，細(xì)度模數(shù)為2.6；粉煤灰取自新疆阿拉爾的煤電廠；棉稈纖維取自塔里木大學(xué)內(nèi)試驗(yàn)田（將棉稈粉碎篩分后經(jīng)4%的NaOH 浸泡12 h，洗凈晾干后用2%的Na2SiO3溶液表面噴灑處理）；減水劑為聚羧酸高效減水劑（減水率為30%）。

棉稈纖維性能參數(shù)如表1 所示，棉稈纖維水泥基砌塊配合比如表2 所示。

表1 棉稈纖維性能參數(shù)

表2 棉稈纖維水泥基砌塊配合比

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

砌塊的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)分別按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行3 d、7 d、28 d、56 d、108 d 強(qiáng)度測試。抗壓試塊采用100 mm×100 mm×100 mm，每組3 個；抗折試塊采用100 mm×100 mm×400 mm，每組3 個。部分試塊如圖1 所示，處理后的棉稈纖維如圖2 所示。

圖1 部分試塊

圖2 處理后的棉稈纖維

2 結(jié)果與討論

2.1 棉稈纖維摻量對砌塊材料坍落度的影響

圖3 為不同纖維摻量水泥基材料的坍落度，由圖可知隨著纖維摻量的增加，棉稈纖維水泥基材料的坍落度逐漸下降，且纖維摻量越大，坍落度下降的越多，當(dāng)棉稈纖維摻量為3%時坍落度幾乎為零，可能是因?yàn)槊薅捓w維的吸水特性導(dǎo)致拌和物間自由水減少[9]，且因?yàn)槊薅捓w維堿處理后表面變得更加粗糙[10]，增大了纖維和水泥基材料表面的作用力，因此隨著纖維摻量的增加，坍落度逐漸降低。

圖3 棉稈纖維摻量對砌塊坍落度的影響

2.2 棉稈纖維摻量對砌塊力學(xué)性能的影響

2.2.1 抗壓強(qiáng)度

棉稈纖維摻量對砌塊抗壓強(qiáng)度的影響如圖4所示，由圖可知，砌塊抗壓強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而降低，且砌塊在7～56 d 的養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)抗壓強(qiáng)度增長最快。這主要是因?yàn)槊薅捓w維在水泥基材料中攪拌時會帶入空氣，這些空氣在試塊中形成細(xì)小的氣泡，而這些氣泡難以用振動臺震動出，從而導(dǎo)致棉稈纖維水泥基砌塊的密實(shí)度降低，故砌塊的抗壓強(qiáng)度隨著棉稈纖維摻量增加而降低。至于試塊前期抗壓強(qiáng)度增長緩慢的原因可能與棉稈纖維成分有關(guān)，棉稈纖維經(jīng)過NaOH 溶液浸泡后只能去除部分木質(zhì)素和半纖維素[11]，而半纖維素和木質(zhì)素會影響水泥的水化速率，且因?yàn)槊薅捓w維的含糖量高，棉稈纖維與水接觸后會釋放大量的糖類物質(zhì)從而減緩水泥的水化速率。

圖4 棉稈纖維摻量對砌塊抗壓強(qiáng)度的影響

2.2.2 抗折強(qiáng)度

由圖5 可知，當(dāng)棉稈纖維摻量為3%以內(nèi)時，砌塊抗折強(qiáng)度隨棉稈纖維摻量呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢，且當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期大于28 d 時，砌塊抗折強(qiáng)度開始出現(xiàn)降低。棉稈纖維摻量為2%時，砌塊7 d、28 d、56 d、120 d抗折強(qiáng)度較3 d抗折強(qiáng)度增長了7.5%、21%、17%、16%。棉稈纖維的抗折能力較強(qiáng)，棉稈纖維能與水泥基材料的界面之間能形成一種很強(qiáng)的粘結(jié)力，這些粘結(jié)力包括范德華力、化學(xué)作用力和機(jī)械作用力[10]，故開始隨著棉稈纖維摻量的增加，棉稈纖維與水泥基材料間的摩擦和拉拔作用加強(qiáng)，表現(xiàn)為砌塊的抗折能力增強(qiáng)。但當(dāng)棉稈纖維摻量為3%時，砌塊抗折強(qiáng)度變小，其原因是棉花秸稈的摻入增加水泥基體內(nèi)部不均勻性，當(dāng)棉稈纖維體積分?jǐn)?shù)超過一定的量后，纖維無法完全充分包裹于水泥基膠凝材料中，導(dǎo)致其與水泥基材料的界面結(jié)合強(qiáng)度下降，抗折強(qiáng)度隨之降低。

圖5 棉稈纖維摻量對砌塊抗折強(qiáng)度的影響

當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期大于28 d，棉稈纖維水泥基試塊的抗折強(qiáng)度降低，分析認(rèn)為，這是因?yàn)槠鰤K長時間在潮濕環(huán)境中，棉稈纖維吸濕使其細(xì)胞壁內(nèi)纖絲間、微纖絲間和微晶間水層變厚而伸展，從而導(dǎo)致細(xì)胞壁乃至整個棉稈纖維尺寸和體積發(fā)生變化[12]，當(dāng)棉稈纖維長時間處于飽水狀態(tài)時，會發(fā)生濕脹現(xiàn)象導(dǎo)致纖維素破壞，纖維素是決定棉稈纖維韌性的重要因素，故隨著養(yǎng)護(hù)齡期的加長棉稈纖維韌性下降從而導(dǎo)致棉稈纖維水泥基試塊抗折能力降低。

2.3 棉稈纖維對水泥基砌塊干表觀密度的影響

圖6 反映了不同棉稈纖維摻量砌塊的干表觀密度變化，由圖可知，隨著棉稈纖維摻量的增加，棉稈纖維水泥基砌塊的干表觀密度逐漸降低，與未摻加棉稈纖維的基準(zhǔn)組相比，當(dāng)棉稈纖維摻量為2%時，砌塊干表觀密度降低了1.5%；當(dāng)纖維摻量為3%時，砌塊干表觀密度降低了4.24%。由此可知，加入棉稈纖維雖然可以在一定程度上降低水泥基砌塊的容重，但是降低幅度不大。

圖6 棉稈纖維摻量對砌塊干表觀密度的影響

2.4 棉稈纖維對水泥基砌塊吸水率的影響

砌塊的吸水率高低決定著砌塊的質(zhì)量，吸水率越高說明砌塊內(nèi)部孔隙大、不密實(shí)、質(zhì)量越差。棉稈纖維摻量對砌塊吸水率的影響如圖7 所示，由圖可知，棉稈纖維摻量的增加會使棉稈纖維水泥基砌塊的吸水率增大，與未摻加棉稈纖維的基準(zhǔn)組相比，砌塊吸水率分別增加1.8%、20%、52.27%。當(dāng)棉稈纖維摻量為3%時，砌塊吸水率為6.7%，仍滿足JG/T 327—2011《植物纖維工業(yè)灰渣混凝土砌塊》中規(guī)定的最大吸水率為20%的要求。

圖7 棉稈纖維摻量對砌塊吸水率的影響

3 結(jié)論

棉稈纖維的吸水性降低了水泥基材料的坍落度，當(dāng)棉稈纖維摻量為3%時，坍落度幾乎為零，對于摻棉稈纖維的水泥基材料可適當(dāng)增加減水劑來改善其流動性。

棉稈纖維的加入導(dǎo)致水泥基砌塊抗壓強(qiáng)度下降，但抗折強(qiáng)度會提升，但當(dāng)棉稈纖維水泥基砌塊長時間處于潮濕環(huán)境中時，砌塊后期抗折強(qiáng)度會下降。

棉稈纖維摻量并非越多越好，當(dāng)棉稈纖維的摻量為2%時，砌塊的抗折強(qiáng)度最佳，當(dāng)棉稈纖維的摻量為3%時，砌塊的抗壓強(qiáng)度不僅下降，抗折強(qiáng)度甚至低于基準(zhǔn)組。

棉稈纖維會降低砌塊的干表觀密度，棉稈纖維在發(fā)展輕質(zhì)砌塊方面有積極的作用。但棉稈纖維會增大砌塊的吸水率，當(dāng)棉稈纖維摻量為3%時，砌塊吸水率為6.7%，此時仍滿足JG/T 327—2011《植物纖維工業(yè)灰渣混凝土砌塊》中規(guī)定的要求。