不同棉秆形态对棉秆-EPS砌块物理力学性能的影响

(塔里木大学 水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300)

1 研究背景

新疆作为我国最大的棉花生产大省，每年产生的棉秆农作物废弃物多达千百万吨[1]。棉秆资源在混凝土中应用前景巨大，大量学者为了变废为宝，利用废弃的棉秆制作出棉秆水泥基砌块、棉秆纤维-陶粒泡沫混凝土以及棉秆-EPS砌块，这些以棉秆作为加筋材料，水泥为胶结材料的复合砌块，有密度小、力学性能优异、保温性能好、节能环保等特点[2-5]，可以替代实心黏土砖而作为一种新型墙体材料[6-10]。但在制作这些砌块的过程中，棉秆的粉碎情况直接影响了棉秆的粗细形态的变化，棉秆的形态对砌块的物理力学性能的影响是值得探究的问题[11-14]。本文通过试验研究,在配合比一定的条件下，掺入不同形态的棉秆，制作棉秆-EPS砌块；分析不同棉秆形态以及不同龄期对棉秆-EPS砌块的抗压强度、抗劈裂强度、抗折强度、轴心抗压强度、弹性模量，以及吸水性物理力学性能的影响规律，得出最佳棉秆掺入形态。以期为棉秆-EPS砌块的应用提供一定的理论依据。

图1 不同棉秆形态Fig.1 Different forms of cotton stalk

2 试验概况

2.1 试验材料与试验配合比

水泥：采用P.O42.5普通硅酸盐水泥(厂商为新疆青松化工集团股份有限公司)，现场测试其8 d抗压强度为46.2 MPa；砂：细度模数为2.9的中砂；减水剂：萘系高效减水剂，实测减水率为22.5%；EPS泡沫颗粒：采用废弃的EPS泡沫，粉碎成粒径大小为3～5 mm的细小颗粒；棉秆：将其用打碎机打碎回收后分筛，筛选出粒径<1.5 mm的屑沫为T1处理，长度1～3 cm的棉秆碎屑为T2处理，以及长度3～8 cm的棉秆纤维为T3处理；棉秆形态如图1所示。不同处理的棉秆-EPS砌块配合比如表1所示。不同形态棉秆物理参数如表2所示。

表1 棉秆-EPS砌块配合比Table 1 Mix ratios of cotton stalk-EPS blocks

注:配合比中各材料用量均以水泥质量为基准。mw为水的质量；mc为水泥的质量。

表2 棉秆形态性能参数Table 2 Morphological and performance parameters of cotton stalk

2.2 试验方法

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002),基于表1中棉秆-EPS混凝土的配合比，以棉秆形态作为单一变量，分别制作150 mm×150 mm×150 mm、150 mm×150 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm大小规范标准的试件。通过标准养护3，7，28 d后，分别测定不同棉秆-EPS砌块试件的抗压强度、抗劈裂强度、轴心抗压强度、弹性模量、抗折强度及吸水量等物理力学性能。

3 试验结果与分析

3.1 棉秆形态对棉秆-EPS砌块抗压强度的影响

棉秆-EPS砌块的抗压强度试验以3个标准试件为一组，制作150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件在标准养护下，利用微机控制全自动压力试验机(型号：WHY-5/300)测定不同龄期标准试块的抗压强度，数据如表3和图2所示。

通过表3可以看出，棉秆打碎形态对棉秆-EPS砌块抗压强度有显著的影响。其中，28 d T1处理砌块的抗压强度可以达到6.95 MPa；T3处理抗压强度为5.22 MPa；而T2抗压强度最低，为2.95 MPa。

从图2(c)曲线下降的趋势可以看出，T1处理砌块抗压强度到达峰值后迅速下降，而T2和T3处理砌块抗压强度到达峰值后下降缓慢。在测试过程中，T1处理砌块在抗压强度达到峰值后继续加压，砌块裂缝发展迅速，砌块四周伴有混凝土的剥落，体现出脆性破坏特征；而T2和T3处理砌块在峰值强

表3 不同龄期棉秆-EPS砌块抗压强度Table 3 Compressive strength of cotton stalk-EPS block at different age

注:表中字母表示P<0.05的显著水平，大写字母为行显著，小写字母为列显著，A,B,C和a,b,c之间互为显著，以下类同。

图2 不同龄期棉秆-EPS砌块抗压值曲线Fig.2 Curves of compressive strength of cotton stalk -EPS blocks at different ages

度后，持续加压的过程中，内部棉秆和混凝土之间的拉扯使得砌块四周混凝土材料剥落现象不明显，压缩能力比T1处理强，体现出延性破坏的特点，这一点也从抗压曲线上可以得到印证。从试验结果可知：在相同的配合比下，棉秆粒径的大小对砌块抗压强度的变化有着显著影响。这是因为棉秆粒径越大，其孔隙率越大，抗压强度也越小；粒径越小，孔隙率也变小，砌块内部更密实，抗压强度也越大。

不同龄期的棉秆-EPS砌块的抗压强度随着试件养护龄期的增长也在不断增大。但在抗压强度增长过程中，T2处理在不同龄期抗压强度的增长呈显著水平，但相对增长值较小；T1、T3处理在3～7 d抗压强度增长不显著，但7～28 d抗压强度增长显著。从试验曲线可以看出，在3 d和7 d的抗压试验中，T3处理试件在出现裂缝后抗压强度仍不断上升，而在28 d的抗压试验中并未出现此现象。这可能是由于3 d和7 d的试件含水率均比较高(表4为不同龄期砌块含水率情况)，砌块内部棉秆纤维含水量较高，提高了纤维固有的韧性。在持续加压的过程中，纤维在砌块破坏过程中起到拉结的作用，使得已经破坏的混凝土不向四周扩散，从而使砌块尽管出现明显的裂缝，但抗压强度还在不断上升。

表4 不同龄期棉秆-EPS砌块含水率Table 4 Moisture content of cotton stalk-EPS block at different ages

3.2 棉秆形态对棉秆-EPS砌块抗劈裂强度的影响

棉秆-EPS砌块抗劈裂强度试验以3个标准试件为一组，制作150 mm×150 mm×150 mm的立方体试件标准养护3，7，28 d后，利用微机控制全自动压力试验机(型号：WHY-5/300)测定标准试块的抗劈裂强度，数据如表5。

表5 不同龄期棉秆-EPS砌块抗劈裂强度Table 5 Anti-splitting strength of cotton stalk-EPS block at different ages

由表5可以看出，棉秆打碎形态对棉秆-EPS砌块抗劈裂强度有显著的影响。其中T1处理砌块的抗劈裂强度可以达到0.93 MPa；T3处理抗劈裂强度能达到0.81 MPa；而T2处理抗劈裂强度最低为0.38 MPa。从图3曲线下降的趋势可以看出，T1处理砌块抗劈裂强度到达峰值后迅速下降；而T2处理和T3处理抗劈裂强度到达峰值后均体现出良好的延性。如图4的劈裂后棉秆-EPS砌块所示，棉秆粒径越小，砌块内部棉秆分布越均匀；反之，砌块内部棉秆分布不均；棉秆长度越短，砌块内部棉秆分布越均匀；反之，砌块内部棉秆分布不均。

图3 28 d棉秆-EPS砌块抗劈裂值曲线Fig.3 Anti-splitting strength cotton stalk -EPS block cured for 28 days

图4 劈裂后棉秆-EPS砌块Fig.4 Cotton stalk -EPS block after splitting

同时可以看出，随着龄期的增大，不同处理试件的抗劈裂强度也不断增大。在7 d内，3个处理试件的抗劈裂强度增大不明显，且抗劈裂强度差异不大；在7～28 d中，T1和T3处理试件抗劈裂强度增大较快。28 d时，T2处理抗劈裂强度是T1处理的40.86%，为T3处理的46.91%。而T2处理抗劈裂强度在7 d内的增量比T1、T3处理的增量均大。

3.3 棉秆形态对棉秆-EPS砌块抗折强度的影响

棉秆-EPS砌块的抗折强度试验通过以3个标准试件为一组处理，制作100 mm ×100 mm×400 mm大小的试件通过标准养护3，7，28 d后，利用微机控制全自动压力试验机(型号：WHY-5/300)测定标准试块的抗折强度，数据如表6所示。

表6 不同龄期棉秆-EPS砌块抗折强度Table 6 Flexural strength of cotton stalk -EPS blocks at different ages

从表6可以看出，28 d后，T3处理砌块抗折强度达到1.44 MPa；T2处理砌块抗折强度达到1.08 MPa；T1处理砌块抗折强度最低，为0.45 MPa。从图5可以看出，T1处理试件在抗折试验中直接折断成2段，而T2和T3处理试件只是出现贯穿裂缝，但并未断开。这是因为棉秆长短对砌块抗折强度的变化有着显著影响。棉秆长度越长，与混凝土结合面越大，加之棉秆纤维本身具有一定的抗拉作用，因此其抗折强度也越大；长度越短，棉秆的抗拉作用也越不明显，与混凝土结合面积变少，砌块抗折强度也越小。

图5 抗折试验后28 d棉秆-EPS砌块破坏状态Fig.5 Failure of cotton stalk-EPS blocks at 28 d age after bending test

3.4 棉秆形态对棉秆-EPS砌块轴心抗压强度及弹性模量的影响

棉秆-EPS砌块的轴心抗压强度试验以3个标准试件为一组，制作150 mm ×150 mm×300 mm大小的试件标准养护3，7，28 d后，利用采用电液式压力试验机(型号：YA-20000)测定标准试块的轴心抗压强度，采用电液式压力试验机(型号：YA-20000)、弹性模量测量仪以及千分表对棉秆-EPS砌块试件弹性模量进行测定。

表7为不同龄期棉秆-EPS砌块轴心受压强度。由表7可以看出，28 d时T1处理砌块的轴心抗压强度达到6.88 MPa；T3处理轴心抗压强度达到5.05 MPa；而T2处理轴心抗压强度最低，为3.58 MPa。在3 d和7 d时，不同处理的轴心抗压强度均较低，差异不显著。其破坏状态如图6所示。

表7 不同龄期棉秆-EPS砌块轴心受压强度Table 7 Axial compressive strength of cotton stalk-EPS blocks at different ages

图6 轴心抗压试验后28 d棉秆-EPS砌块破坏状态Fig.6 Cotton stalk-EPS blocks at 28 d age after axial compression test

弹性模量是材料属性中最为重要的性能参数之一，测定棉秆-EPS砌块在不同棉秆形态变化处理下的弹性模量，对研究不同形态棉秆对棉秆-EPS砌块力学性能的影响有着更深入的认知。棉秆-EPS砌块28 d龄期试件弹性模量如表8所示。由表8可以看出，掺入棉秆的粉碎形态对棉秆-EPS砌块的弹性模量具有较显著的影响。T3处理砌块弹性模量最大，其弹性变形最好，该棉秆形态对砌块的弹性模量影响

表8 不同处理的棉秆-EPS砌块弹性模量
Table 8 Modulus of elasticity of cotton stalk-EPSblock with different treatments

处理T1T2T3弹性模量/MPa7.25a9.7a80.42b

最为显著。而T1处理和T2处理砌块的弹性模量差异不显著，说明这2种棉秆形态对砌块的弹性模量影响不大。

3.5 棉秆形态对棉秆-EPS砌块吸水性能的影响

从水泥标准恒温保养箱分别取出不同处理龄期为28 d、规格为150 mm×150 mm×150 mm的棉秆-EPS砌块，以3个标准试件为一组，放入电热鼓风干燥箱中，设定温度为(105±5)℃，使其在干燥恒温的环境中干燥处理4 d，4 d后待试件在干燥箱中冷却后取出，放入水温为(20±5)℃的恒温水槽内，采用天平，对每隔一段时间的棉秆-EPS砌块试件进行称重，记录数据，求其各个时间段吸水量平均值。不同时间棉秆-EPS砌块吸水量如图7。

图7 不同处理的棉秆-EPS砌块吸水量与时间的关系Fig.7 Time-histories of water absorption of cotton stalk-EPS blocks with different treatments

混凝土的吸水性与其内部的微观结构有着密切联系。混凝土的内部结构存在着大大小小的孔隙，这些孔隙在混凝土吸水的过程中产生毛细管的吸附作用，使水分慢慢填充混凝土内部孔隙[15-17]。由图7可知，在0.25 h前，各个处理的棉秆-EPS砌块吸水速率最快。且在此时间内，T3和T2处理吸水速率相接近。在3～11 h之间，各种砌块吸水性趋势趋于平缓。棉秆打碎形态对棉秆-EPS砌块吸水性能具有较大的影响。从试验结果可以看出：砌块的吸水量随着棉秆长度增加呈现增大的趋势。

4 结 论

(1)28 d 龄期后的棉秆-EPS砌块，在配合比一定的情况下，当棉秆长度和粒径较小时(屑沫)，砌块的抗压强度、抗劈裂强度及轴心抗压强度最大，分别为6.95，0.93，6.88 MPa；而棉秆粒径增大时(碎屑)，其砌块的抗压强度、抗劈裂强度以及轴心抗压强度均降低；当棉秆较长为纤维状态时，砌块的抗折强度和弹性模量均最大，分别为1.44 MPa和80.42 MPa，但棉秆纤维长度的增加会增大砌块的吸水率。

(2)在3 d和7 d龄期的棉秆-EPS砌块，棉秆形态对砌块各项力学性能的影响不显著。但砌块内部含水率对砌块破坏后抗压强度持续增高有一定影响。

(3)棉秆形态对砌块破坏特征有一定的影响，在荷载的作用下，棉秆长度较短(屑沫)的砌块表现出脆性破坏的特征，而棉秆长度较长(纤维)的砌块表现为延性破坏。

(4)棉秆形态的变化对砌块各项物理力学性能的影响不同，所以建议根据工程的需要选择不同形态的棉秆-EPS砌块。