油菜秸稈纖維對水泥膠砂孔隙特征的影響

張繁，谷悅，曹琛，劉保華

（湖南農業大學水利與土木工程學院，長沙 410128）

2018年，我國水泥產量為21.77×108t，占全球市場份額的55.95%[1]。水泥生產是我國國民經濟各產業部門中除火電外CO2排放量最大的產業[2]，因此，水泥工業急需節能減排。將秸稈纖維摻入混凝土中，既可以改善混凝土性能，又能有效處理秸稈廢棄物。據估算，我國秸稈纖維理論產量為7 159×104t，可收集總量為6 300×104t，其中，湖南地區647×104t[3-4]。但秸稈資源綜合利用水平整體不高，秸稈的區域性、季節性、結構性過剩現象不斷凸顯[5]，甚至部分地區將秸稈進行焚燒，嚴重污染了環境[6]。因此，科學利用和處理秸稈具有重要意義。

研究表明，制備混凝土時摻入植物纖維，既能提高其保溫和抗拉性能[7]，又可充分利用農業廢棄物，因此，成為國內外纖維混凝土研究的熱點[8-9]。前人將油菜秸稈纖維摻入混凝土中，對油菜秸稈纖維混凝土的力學性能及耐久性進行了研究，結果表明，油菜秸稈纖維的摻入使混凝土的保溫隔熱和抗碳化等性能有所提高，但隨著秸稈纖維摻量的增加，油菜秸稈纖維混凝土的抗壓強度有所降低[10-14]。前期研究主要集中在油菜秸稈混凝土的耐久性及混凝土力學性能上，而關于秸稈纖維對水泥膠砂標準稠度用水量、凝結時間及孔隙特征影響的研究鮮見報道，而孔隙率及孔徑分布是影響混凝土強度和耐久性的重要因素。因此，本研究設定不同油菜秸稈摻量和養護齡期，研究不同處理下油菜秸稈纖維混凝土的標準稠度用水量和凝結時間，測定其密度和壓碎后的孔隙率及孔隙特征，為改善油菜秸稈纖維混凝土的孔隙結構、提高油菜秸稈混凝土強度提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

油菜秸稈纖維：取種植于湖南農業大學耘園的油菜秸稈（距地表20 cm），洗凈并曬干；去除秸稈內部白色絮狀物后將油菜秸稈加工成5～10 mm長條狀，用質量濃度2%的NaOH浸泡12 h；洗凈后在烘箱中烘干制得油菜秸稈，如圖1所示。

圖1 秸稈處理Fig.1 Straw treatment

P·I 42.5硅酸鹽水泥購自撫順水泥股份有限公司；ISO標準砂購自廈門艾思歐標準砂有限公司；水為蒸餾水。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗方案 分別將0（基準組）、1%、2%、3%和4%（質量體積分數）的油菜秸稈摻入水泥，測定不同摻入量下水泥的標準稠度用水量及凝結時間。制作0、1%、2%、3%和4%的油菜秸稈水泥膠砂試塊，在標準養護箱中分別養護3、7和28 d，共計15組，每組制作3個試塊，總計制作45個試塊，測定其密度后壓碎。取各齡期不同秸稈摻量試塊，進行壓汞試驗，測得其孔隙率和孔隙特征。采用TIPSCOPE顯微鏡（日本）將水泥膠砂試塊內部放大50倍進行顯微形貌分析。

1.2.2 試驗方法 油菜秸稈表面存在大量的木質素及半纖維素，會阻礙水泥的水化反應[15]。NaOH具有脫木質素、潤漲纖維素的作用。因此，采用2%的NaOH浸泡油菜秸稈12 h，以去除木質素,降解半纖維素,改變纖維素的結晶結構,提高纖維素的可及度[16-18]。

為使秸稈纖維與水泥攪拌均勻，攪拌時采用先加入水，再加入秸稈纖維，最后加入水泥的方式。參照GB/T 1346—2011《水泥標準稠度用水量、凝結時間、安定性檢驗方法》[19]用標準稠度維卡儀測定油菜秸稈水泥的標準稠度用水量及凝結時間。

水泥膠砂試塊均在濕度90%、20℃條件下養護，試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，配比如表1所示。參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》[20]，將各齡期不同摻量的油菜秸稈水泥膠砂試塊壓碎，取尺寸小于15 mm×15 mm×15 mm的水泥膠砂試塊用無水乙醇終止水化，采用壓汞法測其孔隙率和孔隙特征。用TIPSCOPE顯微觀察其內部的孔隙分布。采用排水法測定28 d齡期下不同秸稈摻量水泥膠砂試塊的密度。

表1 水泥膠砂配比Table 1 Mix proportion of cement mortar

2 結果與分析

2.1 秸稈纖維量對水泥膠砂孔隙特征的影響

2.1.1 標準稠度用水量及凝結時間 如圖2所示，隨著油菜秸稈摻量的增加，水泥標準稠度用水量顯著增加，而初凝時間及終凝時間顯著縮短。其中，當油菜秸稈摻量為1%時，試塊的標準稠度用水量較基準組顯著增加5.5%，初凝時間及終凝時間較基準組分別減少12.5%和12.3%；當摻量為4%時，標準稠度用水量較基準組顯著增加32.0%，初凝時間和終凝時間較基準組分別減少55%和50%。

圖2 不同纖維摻量下的水泥性能Fig.2 Cement performance between different straw fiber ratios

2.1.2 秸稈纖維對水泥膠砂孔隙率及孔隙特征的影響 分析不同摻量秸稈纖維水泥膠砂試塊在不同齡期的孔隙率變化趨勢，結果（圖3）表明，隨著秸稈纖維摻量的增加，水泥膠砂試塊的孔隙率逐漸增大；隨著齡期的增加，水泥膠砂試塊的孔隙率顯著減小。根據不同孔徑對混凝土性能的影響，按孔徑尺寸將其分為：無害孔（＜20 nm）、少害孔（21～100 nm）、有害孔（101～200 nm）和多害孔（＞200 nm）[21]。分析不同摻量油菜秸稈水泥膠砂試塊在不同齡期時的孔徑分布，結果（圖4）表明，隨著油菜秸稈摻入量的增加，少害孔及有害孔的占比逐漸增加，無害孔的占比逐漸減少。秸稈摻量為1%時對水泥膠砂孔徑分布影響較小；摻量為2%時，28 d齡期膠砂試塊的有害孔和多害孔比例分別為6.68%和7.17%；摻量為3%和4%時，水泥膠砂試塊的孔徑分布占比相似，其齡期28 d膠砂試塊的有害孔占比為14.2%和15.4%，多害孔占比為24.15%和25.01%，均約為基準組的3.5倍。

圖3 不同纖維摻量及齡期下的孔隙率和孔徑分布Fig.3 Porosity and cumulative aperture distribution of different fiber ratios and curing times

分析28 d齡期下不同秸稈摻量水泥膠砂試塊的密度，結果（圖4）顯示，水泥膠砂試塊的密度隨著秸稈摻量的增加逐漸減小，其中，基準組的密度為2 211 kg·m-3；當秸稈摻量為1%時，水泥膠砂試塊的密度為2 162 kg·m-3，較基準組顯著降低2.21%；當秸稈摻量為4%時，水泥膠砂試塊的密度為2 006 kg·m-3，較基準組顯著降低9.27%；不同處理間均存在顯著差異（P＜0.05）。

圖4 不同纖維摻量及齡期下水泥膠砂的密度Fig.4 Densities of cement mortar with different fiber ratios and curing times

進一步分析齡期28 d時不同摻量秸稈纖維水泥膠砂試塊的進汞微分曲線，曲線上峰值所對應的孔徑稱為最可幾孔徑，結果（圖5A）表明，基準組的最可幾孔徑大于油菜秸稈處理組，說明秸稈纖維的摻入能減小水泥膠砂試塊的最可幾孔徑。對秸稈摻量為1%時不同齡期間進行比較，結果（圖5B）表明，隨著齡期的增加，水泥膠砂試塊的孔隙率減小，最可幾孔徑減小。

圖5 不同纖維摻量及齡期下的最可幾孔徑Fig.5 Maximum aperture amony different fiber ratio and curing time

2.2 顯微形貌分析

由顯微形貌圖（圖6）可以看出，油菜秸稈能均勻分布在水泥膠砂內部。秸稈摻量為1%時，水泥與秸稈纖維表面膠結較好。摻量為4%時，有害孔主要出現在秸稈纖維周圍，秸稈纖維自身與水泥膠結較好，與壓汞法測得的孔隙特征一致，進一步驗證了秸稈纖維摻入后水泥膠砂最可幾孔徑減小，有害孔及少害孔增加的結果。由此表明，當摻量為1%時，水泥與秸稈纖維膠結較好。

圖6 秸稈纖維水泥膠砂試件顯微結構Fig.6 Micro structure of straw fiber cement mortar

3 討論

秸稈纖維經2%（質量體積分數）NaOH處理并烘干后，具有較強的吸水能力。同時，隨著秸稈摻量的增加，纖維與水泥之間出現“膠結成團”現象，秸稈與水泥之間包裹一部分自由水，拌合水量相對減少，流動性減弱，水泥標準稠度用水量增加。因此，纖維摻量對水泥標準稠度用水量影響較大，在使用大摻量油菜秸稈纖維混凝土時，應通過計算適當調整其用水量以保證混凝土良好的工作性。

秸稈摻量對水泥凝結時間影響較大，油菜秸稈中纖維素含量較大，約占52.77%[22]。纖維素是一種親水材料，其在水泥中持續吸水，導致標準稠度的用水量增加，水泥周圍游離水減少，水泥顆粒和秸稈之間膠結成絮狀，其內部還包裹著部分游離水，表現為水泥漿體含量增加，凝結時間縮短。

秸稈纖維的摻入影響水泥標準稠度用水量和凝結時間，水泥水化反應受到影響，水化產物無法完全填充試塊內部孔隙，導致孔隙率增大。秸稈摻量為3%和4%時的水泥膠砂試塊孔隙率無顯著差異，可能是由于當秸稈摻量增加到一定范圍時，秸稈均勻分布在水泥膠砂試塊內部，繼續增加秸稈摻量對孔隙率影響減小。隨著齡期的增加，水泥水化反應持續進行，水泥內部生成水化產物填充內部孔隙，晶體不斷生長，使水泥膠砂孔隙率減小。

本研究結果表明，當秸稈纖維摻量較小時，更易于攪拌均勻，使秸稈與水泥膠結良好，充足的水量保證了水泥水化反應的充分進行[23]，因此，摻入1%的油菜秸稈對水泥膠砂的孔徑分布影響較小。當秸稈摻量增加到3%以上時，秸稈纖維與水泥基材料不易攪拌均勻，標準稠度用水量顯著增加，因此，用于水泥水化的用水量相對減少，使水化反應無法充分進行[24]，導致有害孔、多害孔增加。而有害孔和多害孔的增加又會影響混凝土的強度[25]。為避免出現此類孔隙，應將秸稈摻量控制在3%（質量分數）以內。隨著齡期的增加，無害孔和少害孔均顯著減少，可能是由于隨著齡期的逐漸增加，水泥水化反應更加完全，內部孔隙被水化產物填充。

秸稈纖維本身密度較小，屬于輕質材料。秸稈纖維水泥膠砂試塊中部分水泥被秸稈替代，導致其平均密度極顯著減小。隨著油菜秸稈的摻入，水泥膠砂試塊的孔隙率增大，有害孔和多害孔增加，減輕了膠砂自重。秸稈纖維自身能有效填充入水泥材料內部，減小水泥膠砂材料存在幾率最多的孔隙。隨著時間的增加水泥水化生成了較多的水化產物，水化產物填充了毛細孔，使試塊變得更加致密，最可幾孔徑減小。

當油菜秸稈摻量為1%時，孔隙特征并未有較大變化，結合前期油菜秸稈纖維混凝土力學試驗，可用于承重結構。當秸稈摻量超過3%，水泥膠砂孔隙中的有害孔和多害孔顯著增加，因此，若作為承重構件，需將秸稈摻量控制在3%以內，對于3%以上摻量大孔較多的水泥膠砂可考慮用于生態護坡。孔隙特征影響混凝土的強度，后續可考慮摻入粉煤灰、石灰石粉[26]等材料調節水泥膠砂孔結構，改善秸稈纖維水泥膠砂力學性能。