改性稻草纖維對透水再生混凝土性能的影響

許晨雨，秦思談，陳旭勇*，2

1. 武漢工程大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430074；

2. 湖北省綠色土木工程材料與結構工程研究中心，湖北 武漢 430074

對稻草進行提前改性的原因是其表面存在纖維素和木質素等都對水泥有阻凝或緩凝作用，會導致水泥基材料原有的一些性能下降，且未改性稻草纖維易出現干縮和濕膨脹問題。李輝勇［16］發現堿預處理和氨纖維爆破對稻草纖維是最好處理方法，Jiang 等［17］發現水泥基中摻入堿預處理的秸稈纖維會帶來較好的強度和吸水性?？偠灾?，現有的研究一般集中于堿預處理稻草纖維對普通混凝土性能影響，而較少關于對透水混凝土影響的研究成果。

本文基于楚藩大道擴建工程道路試驗段，設計并開展不同形態、不同摻量的堿改性稻草纖維（alkali modified straw fiber，ASF）對透水再生混凝土強度和透水性能影響研究，進而分析其影響機理，并尋求最佳方案。

1 試驗部分

1.1 原材料

天然粗骨料選自鄂州市燕磯鎮商混站的9.50~16.0 mm 天然碎石，根據《標準普通混凝土用砂、石質量檢驗方法標準》（JGJ 52—2006）測得表觀密度和堆積密度分別為2 719 和1 662 kg/m3，吸水率0.65%，壓碎指標11.0%，含泥量0.1%；再生粗骨料選自武漢勝軍城建材有限公司再生石回收站路面破壞碎石，粒徑在9.50~16.00 mm 范圍內，測得表觀密度和堆積密度分別為2 622和1 670 kg/m3，吸水率3.36%，壓碎指標16.7%，含泥量1.08%；水泥選用武漢本地生產的P.O.42.5 普通硅酸鹽水泥，物理性能見表1；拌合用水為符合國家自來水標準實驗室自來水；減水劑為聚羧酸高性能減水劑，減水率為29%；砂選用細度模數2.7 的天然河砂；稻草纖維選用沭陽晴川木園藝有限公司生產的6~10 mm 絲狀稻草纖維。

表1 水泥物理力學性質指標Tab.1 Physical and mechanical properties of cement

1.2 改性稻草纖維制備

絲狀堿改性稻草纖維制備方法：溫度在20~30 ℃的通常氣強下，將一定量的稻草纖維（長度6~10 mm）置于質量分數為4%的NaOH 溶液中，浸泡12 h［18］，后將預處理的稻草秸稈放入清水中攪拌并洗滌至中性，放入恒溫為60 ℃的電熱鼓風干燥箱中風干，圖1（a）為絲狀堿改性稻草纖維（silklike alkali modified straw fiber，SASF）。粉末狀堿改性稻草纖維制備方法：將已制作好的絲狀堿改性稻草纖維通過機械碾碎形成長度小于1 mm 的粉末顆粒，圖1（b）是粉末狀堿改性稻草纖維（powder-like alkali modified straw fiber，PASF）。

圖1 不同形態改性稻草纖維實物圖：（a）6~10 mm SASF，（b）PASFFig.1 Real object pictures of different morphologies of modified straw fibers：（a）6-10 mm SASF，（b）PASF

圖2 是改性處理前后稻草纖維的電鏡（scanning electron microscope，SEM）圖片，可以很明顯看到纖維表面由光滑變得表面褶皺粗糙［圖2（a）和圖2（b）］，從圖2（b）中可以看出，細胞壁束分離、一些組織脫落、許多空腔形成以及內部纖維暴露，半纖維素和木質素的分子鏈受到一定程度的破壞，可以減弱稻草纖維對水化進程不利影響。

圖2 SEM 下稻草纖維表面：（a）未改性稻草纖維，（b）堿改性稻草纖維Fig.2 SEM images of surface of straw fibers：（a）unmodified straw fibers，（b）alkaline modified straw fibers

1.3 透水再生混凝土配合比設計及制備

根據CJJ/T253—2016《再生骨料透水混凝土應用技術規程》中體積法進行設計，目標孔隙率15%，再生粗骨料的摻量定為30%［19］，絲狀和粉末狀的纖維分別以0、1.6、3.2、4.8 kg/m3摻量外摻，具體配合比見表2。

表2 改性稻草纖維透水再生混凝土配合比Tab.2 Mixture ratios of modified recycled straw fiber permeable concrete

制備試樣的主要步驟如下：將加入攪拌機的天然粗骨料和再生粗骨料攪拌30 s 左右，形成天然-再生混合料，后將改性稻草纖維摻合料均勻撒入混合料中進行干攪拌30~60 s，然后分別將水泥和砂加入其中，在攪拌的過程中攪拌加入稱量好的水（含再生骨料附加水），加水的過程中可將聚羧酸高效減水劑加入水中混合投放到攪拌物中，連續正向攪拌60~90 s 形成摻入改性稻草纖維的透水再生混凝土拌合物。攪拌完成倒出后呈顆粒狀，但可黏結成團。后將拌和物分兩層依次進行人工插搗裝入模具中，不可進行機械振搗，因為機械振搗容易使砂漿封底，造成透水性能下降。觀察到表面顆粒黏結狀態后1~2 d 后脫模，試塊放入20 ℃的標養室中養護至28 d 齡期后進行檢測。

1.4 試驗方法

1.4.1 力學性能測試 抗壓強度測試采用的是標準立方體試件，將試件底部對準壓力機里承重面中心后擺正，兩受壓面的尺寸為實際量距，試件放好后即可開始測量；抗折強度測試：將長和寬均為100 mm，高300 mm 的小型抗折試塊放到試驗裝置上，兩邊凸出卡座長度保持一致，上頂面與夾具接觸緊密后開啟儀器測量。

僅就融資功能而言，中國金融業一方面尚未建立覆蓋一、二、三產業及不同所有制企業的服務體系。此外，因資本市場的長期萎靡不振而使中國的融資體系一直表現得過度偏狹，同時對技術研發創新的融資現尚處摸索階段；人們在不同地域多元配置資產的愿望也未能得到滿足，金融機構自身也主要依靠傳統方式去消化自身的經營風險。這就是金融業跟不上社會經濟發展的問題。

1.4.2 透水性能測試 孔隙率的測試方法是首先將試件在水箱充分浸水24 h 后用塑料繩將四周綁好，測出在水箱中間處用手提電子秤拉起狀態下的質量m1（g），稱出表面干燥后的質量m2（g），然后算出試件體積V（cm3），用式（1）計算出透水混凝土的實際孔隙率P（%）。

透水系數采用的透水試件是在標準立方體試件上鉆取直徑100 mm，高50 mm 芯樣后，通過《透水水泥混凝土路面技術規程》中測量器測試透水系數，如圖3 所用儀器，透水系數計算如式（2）：

圖3 透水系數測試儀器Fig.3 Tester for permeability coefficients

式中：Kt—水溫為t℃時試樣的透水系數（mm/s）；Q—時間t秒內滲出的水量（m3）；L—試樣的厚度（mm）；A—試樣的上表面積（mm2）；H—水位差（mm）；t—時間（s）。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

不同改性ASF 對透水再生混凝土28 d 抗壓強度影響見圖4。由圖中可以看出，隨著ASF 摻量的增加，透水再生混凝土28 d 抗壓強度逐步降低。這是因為稻草纖維在混凝土中所占的體積增加，造成混凝土內部的含氣量增加，造成了混凝土強度的下降［20］。而在相同摻量下，絲狀改性稻草纖維透水再生混凝土（SASF-RPC）的抗壓強度低于粉末狀改性稻草纖維透水再生混凝土（PASFRPC）。其中PASF-RPC 抗壓強度分別為29.59、27.36、26.51 和25.03 MPa，而SASF-RPC 抗壓強度分別為29.59、25.41、23.32 和15.92 MPa，說明絲狀改性稻草纖維對透水再生混凝土28 d 抗壓強度影響較大，且在摻量為4.8 kg/m3，透水再生混凝土強度出現急劇下降。這主要是由于SASF 的加入使水泥基內部產生了較多的空隙，導致了混凝土抗壓強度降低。

圖4 不同形態和摻量ASF 對試塊抗壓強度的影響Fig.4 Influences of different forms and dosages of ASF on compressive strength of test block

2.2 抗折強度

不同改性ASF 對透水再生混凝土28 d 抗折強度影響見圖5。從圖中可以看到，隨著SASF 摻量的增加，SASF-RPC 抗折強度表現出先增大后降低的趨勢，其中摻量為3.2 kg/m3時抗折強度達到最高，而隨著PASF 摻量的增加，PASF-RPC 抗折強度逐步增高，其中SASF-RPC 強度分別為3.22、3.73、4.02、2.98 MPa，PASF-RPC 強度分別為3.22、3.48、3.62、3.71 MPa。且在3.2 kg/m3摻量以內，SASFRPC 抗折強度總體比PASF-RPC 的高，原因在于SASF 更能體現稻草纖維的加筋效應，能夠延緩微裂縫的產生和發展，故而增加了混凝土試塊的抗折強度。但SASF 摻量為4.8 kg/m3時抗折強度顯著下降，因為此時混凝土內部沒有形成較好的穩定結構導致的。而PASF-RPC 的抗折強度能緩慢提升原因在于PASF 在水泥漿體內部的橋接效應發揮了作用［21］，但是沒有SASF 的加筋效果明顯。

圖5 不同形態和摻量ASF 對試塊抗折強度的影響Fig.5 Influences of different forms and dosages of ASF on flexural strength of test block

2.3 折壓比

不同改性ASF 對透水再生混凝土28 d 折壓比影響見圖6。由圖可見，隨著改性稻草纖維摻量增加，ASF-RPC 的折壓比都是呈上升趨勢，且SASFRPC折壓比分別為10.88%、14.67%、17.24%、18.72%，PASF-RPC折壓比分別為10.88%、12.72%、13.66%、14.82%。這意味著能改善再生骨料透水混凝土脆性破壞的狀態，使得它向塑性破壞的方向轉變，提高ASF-RPC 的韌性［22］，且SASF-RPC 總體折壓比高于PASF-RPC，產生透水再生混凝土韌性效果更佳的效果。

圖6 不同形態和摻量ASF 對試塊折壓比的影響Fig.6 Influences of different forms and dosages of ASF on pressure ratios of test block

2.4 透水性能

不同改性ASF 對透水再生混凝土28 d 透水性能影響見圖7。由圖7 可明顯看出，SASF-RPC 的透水系數和實際孔隙率隨著ASF 摻量增加兩者同時得到提升，與強度呈反向趨勢，但PASF-RPC 的透水系數和實際孔隙率變化較平緩，其中PASFRPC 的透水系數分別為1.87、2.12、2.63、3.05 mm/s，且對應的實際孔隙率分別為13.53%、14.81%、15.65%、16.73%；SASF 帶來的透水效果優于PASF，隨著摻量的增加，透水性能提升較快，且透水系數分別為1.87、3.16、4.53、8.22 mm/s，實際孔隙率分別為13.53%、16.3%、19.3%、25.6%。從上述現象也反映出力學性能與透水性能存在相互矛盾的關系［23-24］。

圖7 不同形態和摻量ASF 對試塊透水性能的影響：（a）透水系數，（b）實際孔隙率Fig.7 Effects of different forms and dosages of ASF on water permeability of test block：（a）water permeability coefficient，（b）actual porosity

不同形態改性稻草纖維透水再生混凝土內部微觀分析見圖8。由于ASF 與水泥基材料是存在相容性差的問題，容易在水泥界面過渡區附近形成較多孔隙，但是可以利用多孔隙來提升透水率。如圖8（a）所示，可以看到SASF 鑲嵌在水合物中，有SASF 的穿插的地方都會形成孔洞來提升透水性能，而如圖8（b）中PASF 只能以微粒的形式來形成較小孔隙，能增加透水能力但是不及SASF 帶來的孔隙效果。

圖8 SASF-RPC 和PASF-RPC 的SEM 圖：（a）SASF-RPC，（b）PASF-RPCFig.8 SEM images of SASF-RPC and PASF-RPC：（a）SASF-RPC，（b）PASF-RPC

2.5 強度和透水性之間的關系

通過試驗對強度和透水能力的研究已分析出這兩者存在相互矛盾關系，就這一現象對不同形態改性稻草纖維透水再生混凝土的抗壓強度和透水系數進行數據擬合。

通過擬合，得到SASF-RPC 方程式（3），R2為0.995 07；

其中t為透水系數，單位是mm/s；k為抗壓強度，單位是MPa。

不同形態改性稻草纖維透水再生混凝土28 d抗壓強度與透水系數的擬合關系見圖9。隨著兩種改性稻草透水再生混凝土透水系數的提高，抗壓強度降低，原因在于纖維摻量的增加，能提升透水再生混凝土內部孔隙數量，從而提高透水能力；相反，混凝土內部結構因孔隙的增多而變得松散，造成強度降低。所以尋找一個使得透水再生混凝土強度與透水能力相平衡的參數至關重要，由于透水能力在透水混凝土實踐工程中作為首先考慮的指標，在強度滿足透水混凝土規范要求前提下，透水再生混凝土在絲狀改性稻草纖維3.2 kg/m3摻量下的性能更符合實際要求。

圖9 不同形態改性稻草纖維透水再生混凝土抗壓強度與透水系數的擬合關系：（a）SASF-RPC，（b）PASF-RPCFig.9 Fitting relationship between different forms of alkali modification on surface of recycled straw fiberpermeable concrete compressive strength and water permeability coefficients：（a）SASF-RPC，（b）PASF-RPC

3 結 語

（1）SASF-RPC 隨SASF 摻量增加抗壓強度逐漸下降，而抗折強度逐漸提高，但摻量達到4.8 kg/m3時透水再生混凝土抗壓、抗折強度低于規范要求。PASF 對透水再生混凝土抗壓強度影響較小，提升了抗折強度，且在摻量最大時達到最大，SASF-RPC最高折壓比比PASF-RPC 最高折壓比高出20.83%，這表明ASF 能改善再生骨料透水混凝土脆性破壞的狀態，使得它向塑性破壞的方向轉變，并且相比之下SASF-RPC 表現出更好的韌性。

（2）ASF-RPC 的透水性能隨著不同形態ASF摻量的增加總體呈上升趨勢，這表明纖維摻量的增加能提升透水再生混凝土內部孔隙數量，從而提高透水能力，且SASF-RPC 在摻量3.2 kg/m3時實際孔隙率為19.3%，透水系數為4.53 mm/s，優于PASF-RPC 在最大摻量時的實際孔隙率，對應的透水系數最高僅有3.05 mm/s。

（3）結合力學性能與透水性能兩者數據和關系可以得出，SASF 摻量為3.2 kg/m3時SASF-RPC性能最佳，更加符合實踐工程規范要求，雖然PASF 摻量為4.8 kg/m3時PASF-RPC 效果最好，但抗壓強度僅比SASF-RPC 高出6.83%，透水系數卻大幅降低。從以上研究結果可以說明利用廢棄稻草纖維實現透水再生混凝土的固廢利用，來制備滿足透水性能再生混凝土是可行的。