新型棉花秸秆粗骨料的试制初探

晋强，王宣，施少聪

（新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐　830052）

新型棉花秸秆粗骨料的试制初探

晋强，王宣，施少聪

（新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐830052）

根据新疆棉花秸秆利用的现状及问题，论述了棉花秸秆制作粗骨料的探索性思路。根据棉花秸秆的物理力学性能选取合适的切割成型方式，并对棉花秸秆颗粒的抗压性能做了初步试验。结果表明：顺纹抗压状态下，棉花秸秆颗粒具有较好的韧性，荷载在0～2.5 kN表现出弹性形变；横纹抗压状态下，变形呈现一定的线性关系，普遍可承受1.4 kN的荷载；在同等变形条件下顺纹秸秆能够承受更大的荷载，在同等荷载条件下横纹秸秆能够承受更大的变形。

棉花秸秆；粗骨料；陶粒

1　棉花秸秆作为建筑材料的研究意义

2013年全国棉花实播面积为7080万亩，其中新疆棉花播种面积2400多万亩。2014年全国棉花实播面积6324.1万亩，西北内陆地区棉花实播面积为3390.6万亩。新疆作为我国棉花生产主要基地，每年产生大量棉花秸秆，棉花秸秆产量为1000余万t。全国棉花秸秆产量为3000余万t。大量的棉花秸秆在秋季棉花采摘完成后，部分用来造纸、制板材，部分经过处理后用来培养食用菌和做饲料，更多的棉花秸秆被直接焚烧和还田［1］。棉花秸秆作为废弃物被焚烧或掩埋，焚烧的浓烟污染环境。棉花秸秆还田，虽未造成连作障碍，但导致枯、黄萎病发病率逐年加重，另外，棉秆上附着的病菌和虫卵被植入土壤繁殖蔓延，造成病虫害的泛滥成灾。棉花秸秆作为绵羊饲料的研究目前仍处在实验研究阶段。因此，迫切需要加大技术研发与推广力度，在多个领域促进棉花秸秆利用的产业链延伸，提高棉花秸秆的附加值，最终使得经济效益和生态效益都有较大的改善，从而获得更大的社会效益。合理有效地使用棉花秸秆开发新型建筑材料，对发展新疆农村基础建设，促进当地经济发展，加快新疆社会主义新农村建设将起到积极的推动作用。

2　粗骨料的研究现状

绿色的涵义即：“节约资源、能源；不破坏环境，更有利于环境；可持续发展，既满足当代人的需求，又不危及后代满足其需要的能力”［2］。绿色骨料即是以绿色原材料生产开发出的一种优质骨料。由于混凝土中骨料在化学上属于惰性材料，因此在轻骨料混凝土中细骨料是稳定的。而轻骨料混凝土所用的骨料不同于普通骨料，轻骨料是一种人造骨料，其堆积密度小于1200 kg/m3，且内部具有多孔结构［3］。超轻粗骨料是一种粒径大于4.75 mm以上、堆积密度小于500 kg/m3的保温或者结构保温用的粗骨料。新疆作为我国内陆的高纬度地区，夏季炎热干旱，冬季寒冷干燥，是冻土常常出现的区域，超轻型骨料的特点就是使得在严寒地区的混凝土质量损失和强度损失都有所降低，可以为应对新疆等西北地区特别是农村冬季严寒的气候所适应和使用。而超轻骨料的吸水率大大低于普通骨料，通过文献得知，超轻粗骨料的物理性能不会随吸水率发生较大的变化，而且其可直接进行泵送，较普通骨料的输送效率大大提高，节约成本［4］。骨料的使用量很大，是制作普通混凝土的重要原材料，超轻粗骨料可以替代普通砂、石制作轻质混凝土。目前全世界每年耗用数十亿m3的砂石，不少地区的骨料已经面临资源枯竭。因此，开发新的天然轻骨料资源，研制各种人造骨料和寻找合适的代用材料，已成为目前混凝土骨料发展的重要任务。当前，人工制作黏土陶粒和页岩陶粒必须大量使用黏土和页岩，这必然会破坏自然资源，违背了“保护耕地、还地于民”的基本国策，因此黏土陶粒和页岩陶粒均不可能长期成为我国人造轻骨料的主导产品。利用粉煤灰焙烧或养护制备的轻骨料，尤其是采用Ⅲ级以下的劣质粉煤灰，具有较好的经济与技术优势。淤（底）泥添加少量外加剂，制粒经烧胀而成的人造轻骨料，近些年也有所应用。但不同流域、不同时间段形成的淤泥，其有机成份和含量都有所不同，所需的外加剂和烧结温度、时间等都也有所不同。淤泥的这些特点造成不同区域制成的轻骨料质量不易稳定、参差不齐，作为地方局部区域的应用较为适宜。

图1　普通陶粒、棉秸秆颗粒和制备的新型棉花秸秆粗骨料

3　棉花秸秆超轻粗集料成型处理研究

3.1秸秆部位的选择及成型处理

实验棉秆取自石河子市郊棉花地，取样地面积约2000 m2。试样为2014年度棉花采收后生长良好的成熟棉秆。采用手工去除秸秆叶片、棉壳和棉杆侧枝，整理好备用。试样要求通直、无虫害、无明显缺陷、没有表皮的损伤或开裂。

制作棉花秸秆骨料首先要对收集的完整棉花秸秆进行切割成型处理，目前使用切割机对完整的棉花秸秆进行切割。试验过程中发现，将秸秆切割成不同长度对制作成型的骨料其力学性能有不同程度的影响，而且取秸秆不同位置进行切割对制作成的骨料的性能也有不同程度的影响。棉秆是一种木质部较为集中且含量特别高的一种植物秸秆，沿高度上呈现一种底部粗壮、中部略细、顶部较细的结构。底部和中部力学性能较好，因此，取靠近底部直径较大且长度在25 mm左右作为切割标准为宜。

不仅如此，切割工具的结构应与所棉花秸秆的特点相适应，刀口越薄，刃口越锐利，越有利于切割。但过于单薄而尖锐的刀口，如果强度不够，会造成刀口的磨损或折断，而缩短使用寿命，降低切割效率，提高切割成本。因此，必须处理好刀口锐利度与刀口材料耐磨性的关系。

3.2秸秆颗粒的表面改性处理

棉秆颗粒具有木质材料的相关特性，其具有一定弹性形变的能力，因此如果采用普通的轻集料表面处理方式进行处理，那么势必会造成表面包裹材料的脱落（轻集料普通表面处理方式通常采用脆性的材料，变形小）。为此我们需要采用一种具有一定弹性形变的材料进行相关表面处理，提高棉花秸秆与表面裹灰层的粘结能力，确保裹灰层的可靠粘结。本实验采用如下方式进行处理：将切割成型的棉花秸秆颗粒放入容器，倒入适量的丙烯酸酯乳液（固体含量50%），将棉杆颗粒包裹住后，将粉状材料（可以是水泥、粉煤灰等，根据拟使用的环境变化进行调整）逐步撒入容器内。根据乳液吸附的原理将粉状材料吸附在棉花秸秆颗粒表面。最后将颗粒在合适的条件下进行养护处理即可形成新型棉花秸秆超轻粗骨料。普通陶粒、秸秆颗粒和制备的新型棉花秸秆粗骨料如图1所示。

4　棉花秸秆颗粒超轻粗集料基本力学性能的研究

在棉秆压缩试验前，将万能试验机的加载速度设定为1 mm/min，然后把棉杆颗粒竖向放置在万能试验机的平台上，通过调节横梁的升降，使试验机压头与棉杆颗粒刚好接触，压头与颗粒间的间隙为零。此时启动万能试验机，正式开始试压。电子万能试验机一边进行数据的采集，一边将试验曲线直接在屏幕上显示；待试验曲线达到要求后，即可结束本次试验。

4.1秸秆颗粒顺纹抗压试验

随机取样6颗秸秆颗粒进行顺纹抗压试验，6颗秸秆颗粒的主要物理参数见表1，顺纹受压的荷载位移曲线见图2。

表1　顺纹抗压试验秸秆颗粒的物理参数

图2　秸秆颗粒顺纹受压荷载位移曲线

从图2可以看出，顺纹抗压状态下棉花秸秆粗骨料随着荷载的增加，相应变形也呈现逐步增大的趋势。变形过程可分为2种类型：（1）当髓心直径小于2.0 mm时，如S1、S6试样，整体呈现明显弹性形变和塑性形变，体现出棉花秸秆颗粒具有较好的韧性，荷载在0～2.5 kN表现出弹性形变，荷载大于2.5 kN时表现为塑性形变。可见髓心直径对于秸秆颗粒的力学性能有较大的影响。（2）当髓心直径大于等于2.0 mm时，如S2、S3和S5试样，荷载增加幅度不大，但是相应的位移变形却增加很快，表现出塑性形变的特征。S4试样在压缩前期变形很大，但当位移变形达到0.25 mm时，突然表现出较好承载能力，此时曲线形态类似于S1和S6试样。究其原因是S4试样的切割断面不平整，导致整个颗粒受力不均匀，在变形到一定程度后就能够表现出较好的性能。

4.2秸秆颗粒横纹抗压试验

随机取样6颗秸秆颗粒进行横纹抗压试验，6颗秸秆颗粒的主要物理参数见表2，横纹受压的荷载位移曲线见图3。

表2　横纹抗压试验秸秆颗粒的物理参数

图3　秸秆颗粒横纹受压荷载位移曲线

从图3可以看出，横纹抗压状态下棉花秸秆粗骨料随着荷载的增加，相应变形也呈现逐步增大的趋势，并且大体趋势类似。即使有H5和H6颗粒这种承载能力较小的试样，但其所呈现的曲线趋势仍然比较接近。H5和H6颗粒承载能力较小的原因在于都存在着结节，并且通过压缩过程中的声音和颗粒变化可以明显发现，结节处出现了明显的断裂和裂纹。横纹受压破坏是由于压力方向与秸秆纤维方向垂直时的受压状态，秸秆高度方向的管状纤维细胞被压扁，因而会产生较大的变形，并且这种变形会呈现一定的线性关系。棉花秸秆颗粒在横纹受压状态下也呈现出类似的性能，比如H1、H2、H3和H4试样在受压段曲线呈现明显的一致性。将上述4个颗粒数据平均化处理后得到曲线为：Y=0.0011X-0.0912。其中X为位移变形，Y为荷载，0.0912为截距。

通过对比顺纹抗压和横纹抗压数据可知，顺纹力学性能远好于横纹，在同等变形条件下顺纹秸秆能够承受更大的荷载，在同等荷载条件下横纹秸秆能够承受更大的变形。因此，可以根据实际需要合理使用棉花秸秆颗粒。本文提出如下设想：当需要颗粒承受更大的荷载并且变形小时，可以采用颗粒的顺纹作为承载方式；当需要具备一定荷载承受能力并且能够通过变形来吸收荷载的情况下，可以采用颗粒的横纹作为承载方式；若对荷载和变形都没有特别要求时（比如作为轻质填充时），可以不用区分横纹和顺纹。

5　结论

（1）棉花秸秆沿高度上呈现底部粗壮、中部略细、顶部较细的一种结构。一般情况下底部和中部力学性能较好，但髓心直径是棉杆颗粒顺纹方向力学性能的决定因素。是否有结节是棉花秸秆颗粒顺纹和横纹力学性能是否稳定发挥的重要因素。

（2）通过对棉花秸秆颗粒的抗压性能分析可知，顺纹抗压状态下，棉花秸秆颗粒具有较好的韧性，荷载在0～2.5 kN表现出弹性形变；横纹抗压状态下，变形呈现一定的线性关系，普遍可承受1.4kN的荷载；在同等变形条件下顺纹秸秆能够承受更大的荷载，在同等荷载条件下横纹秸秆能够承受更大的变形。

（3）通过对棉花秸秆超轻粗骨料力学性能的研究发现，其能够满足西北农村地区的建材需要。

［1］晋强，冯勇，何金春，等.石膏-EPS-棉花秸秆皮纤维复合材料力学性能的试验研究［J］.新型建筑材料，2014（2）：48-51.

［2］胡曙光，王发洲.轻骨料混凝土［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［3］ 张艳芳，常红航.我国轻骨料混凝土的介绍［J］.硅谷，2009（18）：121.

［4］付达新.轻骨料混凝土研究现状与展望［J］.中国建材科技，2009 （6）：47-51.

On pre-test trial production of new cotton stalks of coarse aggregate

JIN Qiang，WANG Xuan，SHI Shaocong
（College of Water Conservancy and Civil Engineering of Xinjiang Agricultural University，Urumqi 830052，Xinjiang，China）

In accordance with the present situation and problems of cotton straw utilization in Xinjiang，this paper discussed on the possibility of making coarse aggregate with cotton stalks.On the base of the physical and mechanical properties of cotton stalks，select the optimum cut way，and compressive properties of cotton stalks particles were studied in this work.The experimental results showed that under compression strength parallel to grain，cotton stalks particles have better toughness，if the load is between 0 and 2.5 kN，show elastic deformation；and under compression strength perpendicular to grain，it was found out that deformations was linear relationship，generally can subjected to 1.4 kN load，under the same deformation the cotton stalks of particles parallel to grain carry the more load，under the same load，the cotton stalks of particles perpendicular to grain can bear more deformation.

cotton stalks，coarse aggregate，ceramsite

TU528.041

A

1001-702X（2015）11-0008-03

新疆维吾尔自治区高等学校科研计划项目（XJEDU2014S021）；国家级大学生创新创业训练计划项目（201410758020）

2015-07-04；

2015-08-06

晋强，男，1979年生，四川简阳人，硕士，讲师。