廢棄物替代河砂制備水泥磚的可行性研究

摘要：在水泥磚生產中，農業廢棄物的使用可減少環境污染。為研究農業廢棄物替代河砂制備水泥磚的可行性，本文使用農業廢棄物部分替代砂來制備水泥磚，并測試水泥磚的物理性能。結果表明，大部分農業廢棄物制備的水泥磚抗壓強度和抗拉強度較弱，但經過合理的配合比設計，秸稈水泥磚滿足強度要求。研究結果為廢棄物的再利用提供參考。

關鍵詞：農業廢棄物；抗壓強度；抗拉強度；吸水率；耐久性

中圖分類號：TU522.1 文獻標識碼：A 文章編號：1008-9500（2024）03-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1008-9500.2024.03.004

Abstract： In the production of cement bricks， the use of agricultural waste can reduce environmental pollution. In order to study the feasibility of using agricultural waste as a substitute for river sand to prepare cement bricks， this paper uses agricultural waste partially as a substitute for sand to prepare cement bricks， and tests the physical properties of cement bricks. The results show that the compressive and tensile strength of cement bricks prepared from most agricultural waste are weak， but through reasonable mix design， straw cement bricks meet the strength requirements. The research results provide reference for the reuse of waste.

Keywords： agricultural waste; compressive strength; tensile strength; water absorption rate; durability

環境污染是當今世界面臨的一個重大問題。近年來，隨著我國農業規模的不斷擴大，農業廢棄物的處理成為一個環境問題[1]。為減少農業廢棄物對環境的負面影響，有必要將農業廢棄物轉化為有用的材料[2]。天然河砂作為使用最廣泛的細骨料，大量的河砂消耗對環境造成非常嚴重的影響，如河床深度增加、水位降低和水生生物從淡水中逐漸消失等[3]。考慮農業廢棄物造成的環境問題和天然河砂稀缺的問題，回收農業廢棄物，將其納入建筑材料是解決污染問題的可行辦法。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

試驗材料主要有3類，即膠凝材料、河砂和農業廢棄物。

1.1.1 膠凝材料

采用符合《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2023）要求的普通硅酸鹽水泥（P.O42.5R）作為膠凝材料。水泥的主要性能參數如表1所示，水泥的化學成分如表2所示。

1.1.2 河砂

采用當地天然河砂作為水泥磚用砂，河砂的細度模數為3.02，比重為2.71，容重為1 453 kg/m3，吸水率為1.12%。經篩分分析，該河砂符合《建筑用砂》（GB/T 14684—2022）的標準。根據河砂級配結果，100%的河砂通過篩孔為4.75 mm的篩子，100%的河砂留在篩孔為75 μm的篩子上。

1.1.3 農業廢棄物

根據我國農業廢棄物的可獲得性，選擇5種農業廢棄物，分別是稻殼、木屑、花生殼、秸稈和椰子殼。稻殼、木屑和花生殼作為原料，沒有進行任何預處理。椰子殼壓碎成2 cm×2 cm的小塊，秸稈切成長度小于25 mm的碎片，將其加入砂漿混合物中。不同農業廢棄物的物理性質如表3所示。每種材料進行篩分試驗，不同材料的粒徑分布曲線如圖1所示。

1.2 水泥磚配合比設計

根據體積的百分比，選擇合適的水泥磚配合比。為了達到研究目標，試驗采用與工地相同的水泥磚混合比例。對照組水泥磚未添加農業廢棄物，水泥、砂和農業廢棄物的配合比為1∶6∶0。試驗組水泥磚分別添加不同的農業廢棄物，水泥、砂和農業廢棄物的配合比均為1∶4∶2。對照組和試驗組的砂漿混合物坍落度變化如圖2所示。在一定范圍內，隨著水灰比的變大，摻入農業廢棄物的砂漿混合物坍落度增加。經分析，農業廢棄物具有高吸水性，隨著自由水含量的減少，砂漿混合物的流動性降低。添加稻殼或花生殼的砂漿混合物的需水量接近對照組砂漿混合物。經分析，與其他農業廢棄物相比，稻殼和花生殼的密度和吸水率較小。此外，木屑和秸稈在特定的坍落度下表現出較高的需水量。

為了合理選擇水灰比，將砂漿混合物坍落度固定為50 mm，保持其和易性。砂漿需水量取決于骨料粒度、級配和粉塵含量。對于含有稻殼、椰子殼或花生殼的砂漿，要想實現50 mm的坍落度，必須將水灰比控制在1.05～1.42。然而，對于含有木屑或秸稈的砂漿，坍落度達到50 mm時，需水量較高。木屑和秸稈的高吸水率是降低砂漿混合物和易性的重要因素，二者對其和易性有負面影響。

砂漿混合物坍落度為50 mm時，水泥磚的材料用量和需水量如表4所示。砂漿混合物中，農業廢棄物的占比較高，需水量變化大。一般來說，水泥砂漿添加農業廢棄物，會導致和易性降低，砂漿壓實效果變差。本試驗采用人工拌合砂漿混合物，然后通過壓縮制作水泥磚。首先稱量水泥、砂和農業廢棄物質量，然后不斷向混合物中加水，充分混合，直到得到均勻的混合物。整個過程需要攪拌30 min。澆筑的水泥磚尺寸為240 mm×115 mm×53 mm。

1.3 試驗方法

本研究共制備6組水泥磚試塊，其中1組為對照組，5組為添加農業廢棄物的水泥磚。水泥磚放在露天棚子下養護28 d，然后送到實驗室進行檢測。養護期間，溫度控制在20 ℃±1 ℃，濕度控制在90%左右。

1.3.1 抗壓強度測試

按照《普通混凝土小型砌塊》（GB/T 8239—2014）的標準，測定水泥磚在28 d齡期的抗壓強度。對水泥磚進行軸向加載試驗。試驗采用位移控制法，以2 mm/min的位移速度在萬能試驗機上進行。在水泥磚上施加荷載，直至失效，記錄極限荷載，每組測試10個水泥磚試塊，取平均值作為水泥磚試塊的抗壓強度。

1.3.2 抗拉強度測試

按照《普通混凝土小型砌塊》（GB/T 8239—2014）的標準，測定水泥磚在28 d齡期的抗拉強度。試驗使用三點彎曲法對水泥磚的抗拉強度進行評價。水泥磚凈跨度為175 mm，在跨中施加集中荷載。試驗采用位移控制法，以2 mm/min的位移速度在萬能試驗機上進行。

1.3.3 密度和吸水率測試

為了得到水泥磚的密度和吸水率，對含有不同農業廢棄物的水泥磚的質量和尺寸進行測量。使用齡期為28 d的水泥磚，在110 ℃的烘箱中烘烤24 h，然后測量水泥磚的質量，計算水泥磚的密度。室溫下，將干燥的水泥磚完全浸入清水中24 h。將水泥磚從浸泡狀態取出后，擦去表面的水分，記錄水泥磚的質量，采用式（1）計算吸水率。

式中：P為吸水率，%；W1為干燥狀態的水泥磚質量，kg；W2為濕潤狀態的水泥磚質量，kg。

1.3.4 耐酸性和耐堿性測試

將各組水泥磚試塊浸泡在濃度3%的H2SO4溶液中進行耐酸性試驗，浸泡在濃度3%的NaOH溶液中進行耐堿性試驗，分別紀錄30 d和60 d的水泥磚質量。浸泡前測量水泥磚的質量，浸泡后測量水泥磚的質量。密度損失采用式（2）計算。

式中：Q為密度損失，%；Wa為浸泡前水泥磚的質量，kg；Wb為浸泡后水泥磚的質量，kg。

2 結果與討論

2.1 水泥磚的密度

水泥磚的密度取決于多種因素，如所用材料的比重、水灰比、砂的種類及其含量、廢料的替代量、吸水率等。由各組水泥磚的干密度統計結果可知，農業廢棄物的密度較低，導致水泥磚的密度均低于對照組。

2.2 水泥磚的強度

2.2.1 抗壓強度

目前，水泥磚在建筑中的應用僅限于非承重構件。即使非承重，為了監測水泥磚的質量，仍然設定抗壓強度不小于4.14 MPa的最低標準。各組水泥磚的抗壓強度結果表明，總體來看，添加農業廢棄物的水泥磚抗壓強度均小于對照組。試驗組中，椰子殼水泥磚抗壓強度最高，秸稈水泥磚抗壓強度最低。與其他農業廢棄物相比，椰殼密度最高，因此抗壓強度高。同樣，與其他農業廢棄物相比，秸稈密度最低，所以抗壓強度低。根據設定的抗壓強度標準，除了秸稈水泥磚外，其余各組的水泥磚均滿足規定的最低要求。

2.2.2 抗拉強度

抗拉強度是衡量水泥磚力學性能的一個指標，用來檢驗水泥磚承受拉應力的能力。裂縫一般發生在水泥磚受拉的一側。水泥磚的抗拉強度統計結果表明，隨著農業廢棄物的添加，材料的抗拉強度降低。椰子殼水泥磚抗拉強度最高，秸稈水泥磚抗拉強度最低。水泥磚的抗拉強度主要受廢料的種類、粒徑、密度和水分分布的影響，農業廢棄物的低密度也會導致水泥磚抗拉強度的降低。

2.3 水泥磚的耐久性

2.3.1 吸水率

水泥磚的吸水率取決于孔隙的性質。水泥磚孔隙越多，水和化學物質的易損性越高。水泥磚采用農業廢棄物代替砂，主要問題是廢棄物吸水率高。水泥磚的吸水率結果表明，椰子殼水泥磚的吸水率小于對照組，其他4組水泥磚的吸水率均大于對照組。農業廢棄物吸水率較高，原因可能是農業廢棄物與水泥的粘接強度較低，浸水后回彈較多，廢棄物具有較高的親水性。同時，農業廢棄物的容重較低，砂漿混合料有很多的孔隙。添加農業廢棄物的水泥磚密度較低，它屬于輕質砌塊，根據相關標準，輕質砌塊吸水率應小于320 kg/m3。秸稈水泥磚吸水率超出標準允許范圍，說明秸稈水泥磚抵抗外界物質滲透的能力較弱。

2.3.2 耐酸性

水泥磚受到酸侵蝕，會導致密度降低。試驗結果顯示，含有農業廢棄物的水泥磚密度降低幅度均大于對照組。摻有秸稈的水泥磚密度下降幅度非常大，60 d的密度下降183 kg/m3，而對照組的密度僅下降43 kg/m3。此外，含有稻殼、木屑或花生殼的水泥磚在60 d內密度下降幅度介于90～110 kg/m3。椰殼水泥磚的密度僅降低58 kg/m3，數值適中，比較接近對照組。

2.3.3 耐堿性

水泥磚受到堿侵蝕，也會導致密度降低。試驗結果表明，含有農業廢棄物的水泥磚密度降低幅度均大于對照組。摻有木屑或秸稈的水泥磚密度下降幅度非常大，60 d的密度下降幅度分別為136 kg/m3和155 kg/m3，對照組為78 kg/m3。椰子殼水泥磚密度降低66 kg/m3，略低于對照組，該數值最為合適。

3 結論

為驗證農業廢棄物替代河砂來制備水泥磚的可能性，試驗采用稻殼、木屑、花生殼、秸稈和椰子殼部分替代河砂制備水泥磚。結果表明，添加農業廢棄物的水泥磚抗壓強度和抗拉強度均弱于對照組。除秸稈外，其他試驗組水泥磚的抗壓強度均超過相關標準推薦的最低強度。椰子殼水泥磚的吸水率小于對照組，其他試驗組水泥磚的吸水率均大于對照組，除秸稈外，其他試驗組水泥磚的吸水率均在相關標準允許的范圍內。耐酸堿性方面，只有椰殼水泥磚和花生殼水泥磚密度損失相對較低，與對照組比較接近。使用稻殼、木屑或秸稈的水泥磚耐酸性和耐堿性很差，酸性或堿性環境下暴露60 d，密度損失幅度是對照組的3倍左右。

參考文獻

1 張喜明，李向遠，何子璇，等.秸稈-粉煤灰混凝土砌塊試驗研究[J].節能，2023（1）：39-42.

2 王占旺.尼龍纖維對水工砌塊干硬混凝土性能影響的試驗研究[J].水利科技與經濟，2022（4）：107-110.

3 李 靈，張玉林.輕質混凝土砌塊配合比設計及熱工性能分析[J].建筑技術開發，2021（3）：157-158.

作者簡介：高風蘭（1988—），女，山東濟寧人，工程師。研究方向：建筑工程。