棉稈纖維水泥基砌塊性能實驗研究

王 柯，安巧霞，王 寧，管 裕，牟 丹

（塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

新疆棉花產量居世界第二、中國第一。據統計，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。據黃新平[2]研究發現棉花秸稈直接燃燒后產生的450 ℃高溫使土地微生物損失率達50%左右，地面的水分、磷、氮、碳損失率分別達到8%、13%、75%、90%，且燃燒過程產生的有害氣體會污染大氣環境。棉稈粉碎還田雖然被應用最廣，但棉稈質地堅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而不能作為當年的肥料使用，并且棉花秸稈中的農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成為越來越多的學者所關心的問題。

進入21 世紀以來，保護環境和合理利用不可再生能源已經成為全球矚目的熱點，2010 年國務院印發了《關于進一步推進墻體材料革新和推廣節能建筑的通知》，規定中國境內的所有城市都要禁止使用實心黏土磚。在這種背景下植物纖維砌塊以其節能、環保的特點逐漸被越來越多的專家和學者所關注。目前國內外學者對秸稈水泥砌塊在力學性能、保溫性能方面做了較多的研究，馬千里[4]發現隨著蓖麻秸稈摻量增多，砌塊抗壓強度、密度和傳熱系數在下降。亢毅[5]研究發現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，同時因為植物纖維的導熱系數低和質量輕，可以制作輕質保溫砌塊并用于村鎮建筑。吳剛等[6]將不同種棉稈形態加入EPS 砌塊中，結果表明，當棉稈為較長纖維時砌塊28 d 的抗折強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，結果表明棉稈纖維水泥基砌塊28 d 的抗壓強度和劈裂抗拉強度都隨著棉稈纖維摻量增加而降低。張喜明等[8]研究發現隨著小麥秸稈摻量的增加，秸稈混凝土砌塊28 d 的抗壓強度下降。

通過閱讀文獻發現，目前國內外對植物纖維砌塊的力學性能研究主要集中在前期（28 d 前）的力學性能上，對于后期（28 d 后）的力學性能探究較少?；诖?，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性能的影響以及保溫性能和物理性能的影響。

1 實驗概況

1.1 原材料

水泥為青松化工有限公司生產的P.O 42.5 水泥；細骨料為水洗中砂，細度模數為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內試驗田（將棉稈粉碎篩分后經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

表2 棉稈纖維水泥基砌塊配合比

1.2 實驗方法

砌塊的抗壓強度和抗折強度實驗分別按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能實驗方法標準》進行3 d、7 d、28 d、56 d、108 d 強度測試?？箟涸噳K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，當棉稈纖維摻量為3%時坍落度幾乎為零，可能是因為棉稈纖維的吸水特性導致拌和物間自由水減少[9]，且因為棉稈纖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性能的影響

2.2.1 抗壓強度

棉稈纖維摻量對砌塊抗壓強度的影響如圖4所示，由圖可知，砌塊抗壓強度隨著纖維摻量的增加而降低，且砌塊在7～56 d 的養護齡期內抗壓強度增長最快。這主要是因為棉稈纖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小的氣泡，而這些氣泡難以用振動臺震動出，從而導致棉稈纖維水泥基砌塊的密實度降低，故砌塊的抗壓強度隨著棉稈纖維摻量增加而降低。至于試塊前期抗壓強度增長緩慢的原因可能與棉稈纖維成分有關，棉稈纖維經過NaOH 溶液浸泡后只能去除部分木質素和半纖維素[11]，而半纖維素和木質素會影響水泥的水化速率，且因為棉稈纖維的含糖量高，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度的影響

2.2.2 抗折強度

由圖5 可知，當棉稈纖維摻量為3%以內時，砌塊抗折強度隨棉稈纖維摻量呈現出先增加后降低的趨勢，且當養護齡期大于28 d 時，砌塊抗折強度開始出現降低。棉稈纖維摻量為2%時，砌塊7 d、28 d、56 d、120 d抗折強度較3 d抗折強度增長了7.5%、21%、17%、16%。棉稈纖維的抗折能力較強，棉稈纖維能與水泥基材料的界面之間能形成一種很強的粘結力，這些粘結力包括范德華力、化學作用力和機械作用力[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，表現為砌塊的抗折能力增強。但當棉稈纖維摻量為3%時，砌塊抗折強度變小，其原因是棉花秸稈的摻入增加水泥基體內部不均勻性，當棉稈纖維體積分數超過一定的量后，纖維無法完全充分包裹于水泥基膠凝材料中，導致其與水泥基材料的界面結合強度下降，抗折強度隨之降低。

圖5 棉稈纖維摻量對砌塊抗折強度的影響

當養護齡期大于28 d，棉稈纖維水泥基試塊的抗折強度降低，分析認為，這是因為砌塊長時間在潮濕環境中，棉稈纖維吸濕使其細胞壁內纖絲間、微纖絲間和微晶間水層變厚而伸展，從而導致細胞壁乃至整個棉稈纖維尺寸和體積發生變化[12]，當棉稈纖維長時間處于飽水狀態時，會發生濕脹現象導致纖維素破壞，纖維素是決定棉稈纖維韌性的重要因素，故隨著養護齡期的加長棉稈纖維韌性下降從而導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組相比，當棉稈纖維摻量為2%時，砌塊干表觀密度降低了1.5%；當纖維摻量為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量，吸水率越高說明砌塊內部孔隙大、不密實、質量越差。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組相比，砌塊吸水率分別增加1.8%、20%、52.27%。當棉稈纖維摻量為3%時，砌塊吸水率為6.7%，仍滿足JG/T 327—2011《植物纖維工業灰渣混凝土砌塊》中規定的最大吸水率為20%的要求。

圖7 棉稈纖維摻量對砌塊吸水率的影響

3 結論

棉稈纖維的吸水性降低了水泥基材料的坍落度，當棉稈纖維摻量為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增加減水劑來改善其流動性。

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

棉稈纖維摻量并非越多越好，當棉稈纖維的摻量為2%時，砌塊的抗折強度最佳，當棉稈纖維的摻量為3%時，砌塊的抗壓強度不僅下降，抗折強度甚至低于基準組。

棉稈纖維會降低砌塊的干表觀密度，棉稈纖維在發展輕質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《植物纖維工業灰渣混凝土砌塊》中規定的要求。