稻草秸稈與粉煤灰對混凝土性能影響的試驗研究＊

曹 源

（重慶水利電力職業技術學院，重慶 402106）

0 引言

近年來我國年生產水泥量高達20多億t，每年產生粉煤灰工業垃圾數量高達2億t，但在工程應用中，混凝土中粉煤灰替代水泥的摻量一般在30%以下[1]，主要是因為粉煤灰摻量過大會引起混凝土開裂。文獻[2-3]研究表明：稻草秸稈含有豐富的纖維，其纖維結構緊密，具有較好的柔韌性和抗拉性能，加入混凝土中可提高其抗裂及抗拉性能。我國作為農業大國，現階段稻草秸稈資源量超過8億t，其中可收集量約7億t[4]。每年夏收和秋收之際，總有大量的小麥、玉米和稻草秸稈在田間焚燒，產生大量濃煙，造成環境污染[5]。將二者復摻加入混凝土中可實現優勢互補，增大混凝土中粉煤灰摻量，帶來不可估量的經濟價值，亦符合“美麗中國”建設的要求。目前，中國知網可查的文獻中對粉煤灰混凝土性能的研究較多，研究二者復合摻加的幾乎沒有。我國秸稈種類繁多，但由于當季當地資源的有限性，本文研究的混凝土中僅加入稻草這一種秸稈。抗壓強度是衡量混凝土性能的最基本指標，所以本文重點研究混凝土的抗壓強度。干縮性能在一定程度上可反映混凝土開裂性能，為此本文進一步研究28d抗壓強度較高混凝土的干縮性能。

1 試塊制備與養護

1）原材料選用32.5級普通硅酸鹽水泥；細度模數為2.8的天然河砂，質地堅硬、清潔。

2）級配良好的碎石（粒徑5～16mm）；Ⅱ級粉煤灰；本年度新鮮、潔凈、無腐爛的粉碎成0～5mm和5～10mm兩種粒徑的稻草秸稈；水采用自來水。

3）成型工藝 將稻草秸稈采用3.5%的NaOH溶液浸泡2h，然后取出用蒸餾水洗滌至中性，風干至表面無水，進行預濕及糖分處理（拌合前，稻草秸稈要進行預濕，以減少干稻草秸稈吸水對混凝土水灰比造成的影響。由于稻草秸稈含有糖分，也需要進行預處理）；按設定的配合比（水膠比0.4，砂率30%，每組配合比分別按水泥重量的2%，4%，6%摻入稻草秸稈，按水泥重量的30%，40%，50%摻入粉煤灰）稱取原材料；模具均勻刷油待用；將處理后的稻草秸稈與砂攪拌均勻后加入事先攪拌均勻的粉煤灰、水泥中再次拌合；最后加入所需的水（配合比中所選用的是凈用水量，未考慮輕骨料及稻草秸稈在拌合過程中的吸水量），拌合均勻，倒入立方體模具中，振搗密實，至此試件制作完成。

4）抗壓試件（150mm×150mm×150mm）養護與測試按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法》進行。

5）干縮試件（100mm×100mm×515mm）養護與測試按照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》進行。

2 混凝土抗壓強度試驗設計

根據經驗保持水膠比0.4，砂率30%不變。準備0～5mm和5～10mm兩種粒徑的稻草秸稈，其摻量取水泥質量的2%，4%，6%，粉煤灰摻量取水泥質量的30%，40%，50%，混凝土強度配置目標為C25。試驗方案如表1，2所示，表中包含混凝土28d抗壓強度的試驗結果，其中水為2.49kg，砂為6.43kg，石子為15kg。

表1 摻加粒徑0～5mm稻草時混凝土試驗方案設計

表2 摻加粒徑5～10mm稻草時混凝土試驗方案設計

3 混凝土抗壓強度試驗結果與分析

3.1 粉煤灰摻量對混凝土抗壓強度的影響

混凝土28d抗壓強度與粉煤灰摻量的關系曲線如圖1所示。由圖1可知：粉煤灰摻量在30%～50%變化時，混凝土28d抗壓強度隨粉煤灰摻量的增大而降低，摻量越大，影響越大。因此，粉煤灰的大量摻入對混凝土28d抗壓強度不利。

圖1 混凝土28d抗壓強度與粉煤灰摻量關系曲線

原因是粉煤灰粒徑一般比水泥要大，水化速度小于水泥熟料，水化反應就慢，生成水化膠凝材料就少。同時，相同水膠比的混凝土，如果水化慢，就會存在多余的水分，多余水分蒸發時就會在混凝土中留下孔隙，致使摻加粉煤灰的早期強度低于不摻加粉煤灰的早期強度，而且粉煤灰摻量越高早期強度就越低[6]。

3.2 稻草秸稈摻量對混凝土抗壓強度的影響

混凝土28d抗壓強度與稻草秸稈摻量的關系曲線如圖2所示。由圖2及表1，2可知：無論稻草秸稈粒徑是0～5mm還是5～10mm，其摻量在2%～6%變化，混凝土28d抗壓強度均隨稻草秸稈摻量的增大而降低，且稻草秸稈摻量與混凝土28d抗壓強度近似成線性。原因分析如下。

圖2 混凝土28d抗壓強度與稻草秸稈摻量關系曲線

1）加入稻草秸稈，混凝土的材料差異變大，會導致混凝土各材料之間的黏結性降低，材料之間的密實度降低，勢必會影響其強度值。

2）稻草秸稈材料本身的強度比水泥要低，取代部分水泥后，混凝土的強度不可避免會降低；另外，由于稻草秸稈自身活性低，加入后勢必會延緩拌合物水化反應，造成其早期強度低[8-9]。至于為什么成線性，是否是特定試驗條件偶然巧合，目前無法下定論，因為混凝土試驗復雜，影響因素太多，需進一步研究。

3.3 稻草秸稈與粉煤灰復合摻加對混凝土抗壓強度的影響

1）稻草秸稈摻量越多，混凝土早期抗壓強度降低越嚴重，當粉煤灰摻量在30%～50%變化時，稻草秸稈粒徑為5～10mm時，稻草秸稈摻量分別為2%，4%，6%時，混凝土抗壓強度與基準強度相比分別降低30%～40%，43%～57%，60%～71%。

2）稻草秸稈粒徑越大，混凝土早期抗壓強度降低越嚴重，當粉煤灰摻量在30%～50%變化，當稻草秸稈粒徑為0～5mm以下時，稻草秸稈摻量分別為2%，4%，6%時，混凝土的抗壓強度與基準強度相比分別降低19%～42%，27%～55%，34%～65%；稻草秸稈粒徑為5～10mm時，稻草秸稈摻量分別為2%，4%，6%時，混凝土的抗壓強度與基準強度相比分別降低31%～55%，43%～58%，60%～71%。

原因是稻草秸稈本身的強度比水泥水化產物要低，所以摻量越多混凝土早期抗壓強度降低越多；稻草秸稈活性低，摻入混凝土勢必會延緩拌合物水化反應，造成早期抗壓強度低；稻草秸稈的存在降低了拌合物之間的黏結強度，減少了骨料之間的密實度，粒徑越大，這種副作用就越明顯。所以稻草秸稈摻量越多、粒徑越大，混凝土早期抗壓強度降低就越多。

4 抗壓強度20MPa以上混凝土干縮性能的研究

通過抗壓強度試驗可看出：當稻草秸稈粒徑在0～5mm時，稻草秸稈摻量2%，粉煤灰摻量30%和40%時以及稻草秸稈摻量4%，粉煤灰摻量30%時，混凝土抗壓強度均大于20MPa。當稻草秸稈粒徑5～10mm，稻草秸稈摻量2%，粉煤灰摻量30%、40%時，混凝土抗壓強度也均大于20MPa。但作為市政園林的座椅或對抗壓強度要求不高的建筑構件，其抗壓強度可滿足使用要求。為此進一步試驗其干縮性能。其試驗設計與結果如表3所示，編號1～3為稻草秸稈粒徑0～5mm的混凝土，編號4，5為稻草秸稈粒徑5～10mm的混凝土。

表3 抗壓強度20MPa以上混凝土干縮性能的試驗設計與結果

由表3可知：稻草秸稈粒徑0～5mm、稻草秸稈摻量2%、粉煤灰摻量40%時，混凝土的干縮與稻草秸稈摻量4%、粉煤灰摻量30%時相差不大。

綜合考慮混凝土抗壓強度及干縮性，最佳混凝土配合比為：稻草秸稈粒徑0～5mm，稻草秸稈摻量4%，粉煤灰摻量30%，水膠比0.4，砂率30%。

5 結論與展望

1）稻草秸稈摻量、粒徑不變，粉煤灰摻量在30%～50%變化時，混凝土28d抗壓強度隨粉煤灰摻量的增大而降低，摻量越大，影響越大。

2）粉煤灰摻量不變時，無論稻草秸稈粒徑是0～5mm還是5～10mm，其摻量在2%～6%之間變化時，混凝土28d抗壓強度均隨稻草秸稈摻量的增大而降低，而且稻草秸稈摻量與混凝土28d抗壓強度近似成線性。

3）粉煤灰摻量不變時，稻草秸稈摻量越多，混凝土抗壓強度降低越嚴重。

4）稻草秸稈與粉煤灰摻量不變時，稻草秸稈粒徑越大，混凝土抗壓強度降低越嚴重。

5）綜合考慮混凝土抗壓強度及干縮性，混凝土最佳配合比為：稻草秸稈粒徑0～5mm，稻草秸稈摻量4%，粉煤灰摻量30%，水膠比0.4，砂率30%。

6）稻草秸稈摻量大于4%，粉煤灰摻量大于30%時，雖然混凝土抗壓強度小于20MPa，但是作為市政園林的座椅等類似構件或建筑保溫材料，其抗壓強度及干縮性也可滿足使用要求，后期可對其保溫性能做進一步研究，以期實現稻草秸稈與粉煤灰的資源化應用，工程實際應用更廣泛。