秸秆纤维混凝土的工程性能及其影响因素分析

钱金龙 乔月来 严淳 李潇雨 黄涛 李虎龙

【摘 要】目前，学者对秸秆纤维掺入混凝土领域的研究还不够广泛，该领域还有较大的研究空间。文章在研究各种秸秆纤维混凝土相关文献的基础上，分析和总结了秸秆纤维混凝土的工程性能及影响工程性能的各种因素，研究了混凝土的力学性能、保温性能及耐久性能等，并对秸秆纤维混凝土技术存在的不足提出改进建议。

【关键词】秸秆纤维混凝土;力学性;保温性;耐久性;和易性;影响因素

0 引言

我国自古是农业大国，据统计，2018年我国农作物秸秆总产量达9亿t且呈不断增长的趋势。面对数量庞大的秸秆资源，我们最常用的处理方式是焚烧和填埋。这样做不仅会造成大气污染和对环境的破坏及土地资源的浪费，还极易引发火灾，威胁人民的生命和财产安全。随着环境污染问题的加重，绿色可持续发展理念的提出，使秸秆的综合利用成为解决农业可持续发展问题的焦点。

秸秆混凝土是将农作物秸秆、水泥、骨料、砂子、水按一定的配合比搅拌在一起，利用农作物秸秆轻质高强、抗裂性好的特性[1]，使生产出来的混凝土质量轻、强度高、阻裂性和抗拉性较强，并且容易取材，成本廉价，制作简单。此方法是农作物秸秆综合利用的一個重要领域，为废弃秸秆资源化提供了一条新的途径。

1 秸秆纤维混凝土的材料组成

秸秆纤维混凝土（简称秸秆混凝土）是由水泥、砂、石和水组成，同时掺和了秸秆纤维和适量外加剂[2]。其中，水泥与水形成水泥浆，水泥浆包裹在骨料表面并填充其空隙。在硬化前，水泥浆起润滑作用，赋予拌合物一定和易性，便于施工。水泥浆硬化后，将骨料胶结成一个坚实的整体，从而减小水泥在混凝土中产生的收缩并可以降低造价。砂是组成混凝土的良好细骨料，在制备过程中，一般需要用两种砂石材料，即机制砂和天然砂。

2 秸秆混凝土的工程性能

2.1 秸秆混凝土的力学性能

混凝土的力学性能中，抗压强度是检验混凝土力学性能强弱的一个重要指标。曾哲等人[3]将油菜秸秆纤维掺入混凝土的试验中发现，当水灰比作为一个固定因素时，油菜秸秆纤维的长度和掺量与混凝土的抗压强度有着密切的关系，并且得出结论：当秸秆纤维长度为39～40 mm、掺量为0.1%时，混凝土的抗压强度最大。

耿睿等人[4]在研究中提到，在一定程度上，混凝土的抗压强度和秸秆的掺量呈负相关，并且解释是秸秆中的有机物影响了水泥的水化作用，而且秸秆本身能使水灰比增大的吸水特性也是导致混凝土抗压强度下降的重要原因。遵循单一变量的原则，在控制掺量不变的条件下，将秸秆做成粉末状掺入混凝土中比掺入条状秸秆的抗压强度大。刘巧玲等人[5]的试验研究发现，秸秆长度为0.5～2.5 cm时，油菜秸秆纤维混凝土随着秸秆长度的加长，对应的抗压强度也会增大，特别在2.0～2.5 cm时，放置28 d的混凝土和基准混凝土的抗压强度一致。

2.2 秸秆混凝土的保温性能

混凝土材料大多应用于建筑施工中，所以混凝土的保温性能直接影响其应用程度和应用领域。在秸秆混凝土中，砂和秸秆的掺量等都会影响混凝土的导热系数，而砂掺量的影响最大。混凝土的导热系数与砂的掺量密切相关，由于秸秆本身的导热系数比砂小，所以砂的掺量一旦增加，混凝土的导热系数也会相应增加;普通混凝土的孔隙小于秸秆纤维混凝土的孔隙，而空气导热系数大于秸秆纤维混凝土，所以秸秆掺量增大，混凝土的导热系数会随之降低。此外，干密度也在很大程度上影响秸秆混凝土的导热系数，它们之间是呈正相关的一种趋势。干密度代表的是混凝土的密实程度，而干密度一旦增大，秸秆混凝土中秸秆与秸秆之间的空隙会缩小，秸秆混凝土的导热性能会增强。而且，当控制砂率不变时，秸秆混凝土的导热系数在通常情况下会与秸秆纤维掺量有一个反方向的变化效果。

2.3 秸秆混凝土的耐久性能

2.3.1 秸秆混凝土抗氯离子渗透性能

混凝土抗氯离子渗透能力是检验混凝土抗渗性能和耐久性的重要因素。王继博[6]将麦秸秆粉碎处理后，将得到的麦秸秆纤维以不同掺量掺入13组混凝土中，采用电通量法检测麦秸秆纤维混凝土对氯离子的抵抗能力。实验发现，掺入适量的麦秸秆纤维能有效填补混凝土内部的孔隙，能提高混凝土的和易性，抑制裂缝的形成，也能提高混凝土的抗氯离子渗透能力。

2.3.2 秸秆混凝土的抗冻性能

研究发现，秸秆混凝土的抗冻性能主要受内部孔结构的特征和强度的影响。通过一些发达国家的抗冻实验方法和相关实验我们发现，气泡间距是否均匀是影响秸秆混凝土抗冻性的最主要因素[7]，而冻结对秸秆混凝土的破坏性是指水遇冷凝结之后体积变大导致的静水压力和冰水蒸汽气压差所形成的渗透压两者作用的结果。有较大孔隙的混凝土，在实验早期的强度较高，但一段时间后，混凝土内部会产生裂缝且随着裂缝逐渐增大，最终会因膨胀产生作用力破坏混凝土的内部结构，导致混凝土剥落和断裂现象。

2.3.3 秸秆混凝土的抗震性能

尹世平等人[8]对纤维编织网增强混凝土（Textile ReinForced Concrete，TRC）对加固钢筋混凝土（Reinforced Concrete，RC）柱的影响的研究中发现，TRC的抗震效果良好，在TRC加固良好的基础上，掺入一定含量的PVA纤维，能增强加固RC柱的变形能力，即抗震性能。

在关宏洁[9]的研究中发现，在低温条件下，再生混凝土的抗震性能不如普通混凝土，因此我们需要开展实验更深入地研究秸秆纤维混凝土的结构及其抗震效果。张雅漫[10]的研究发现，纤维模型钢筋混凝土的抗震性能，以桥墩模型为例，与初始的轴力有着密切的关系。

2.3.4 秸秆混凝土的耐腐蚀性能

混凝土作用周边会有许多因素加速混凝土被腐蚀的进程，诸如周边温度、空气湿度、pH值、微生物代谢的有机酸[11]等。除此之外，混凝土本身也存在一些腐蚀介质，例如通过分析X射线的衍射发现，钙矾石是导致青石骨料混凝土腐蚀的重要矿物，它的存在会严重影响混凝土的利用效率与使用寿命[12]。

韩菊红等人[13]用柠檬酸与硫酸检验混凝土的抗腐蚀性能，实验发现有机酸的pH值升高得非常快，而硫酸却缓和很多，经过80 d的腐龄期后，有机酸腐蚀的混凝土试件粗骨料明显外露，附着在混凝土上的有机酸使混凝土严重钝化，而相比之下，无机酸的硫酸对混凝土的影响不大，所以有机酸对混凝土的侵蚀是研究的焦点。

3 影响秸秆混凝土工程性能的主要因素

3.1 秸秆的掺入比例

综合考虑坍塌度损失、力学强度及凝结时间等因素后发现，对于一些特定强度的秸秆纤维混凝土，它存在掺和材料的最佳掺和比例。例如，水泥与矿粉的最佳掺和比例为5∶1[14]。并且，如果加大掺和料的掺和量，并适当地增加矿粉的含量，会大幅度地提高秸秆纤维混凝土的强度。

秸秆掺量与混凝土的表观密度有着密切联系，拌和物之间的距离因为体积大且密度小的秸秆的加入而变大，提高了混凝土的保温性能。随着秸秆掺量的增加，表观密度和抗压强度降低的幅度会增大且与后者有着线性关系。

此外，通过马宝亮等人[15]通过室内实验得出结论，随着粉煤灰量的不断加入，秸秆纤维混凝土的抗压强度降低得更加明显，尤其是28 d强度的混凝土试块。大量实验研究数据表明：在C30— C35标号中，粉煤灰的最佳掺入比例为22.5%。

3.2 秸秆纤维的几何尺寸

秸秆纤维的几何尺寸包括纤维的大小、粗细状态及不同的弹性模量。马保国[9]采用控制变量法，将3 mm、19 mm尺寸的纤维掺入水泥混凝土中发现，28 d后，掺入单一纤维或混杂纤维均能增强混凝土的抗折强度，但混杂纤维混凝土的抗折强度略高于单一纤维混凝土。在20 ℃的温度条件下，通过每天对细微裂缝宽度的测量发现，单掺入19 mm纤维的混凝土比单掺入3 mm纤维混凝土的开裂时间长，裂缝宽度小，并且混杂两种尺寸纤维的混凝土的平均抗裂能力高于单一纤维混凝土。

单一尺寸纤维作用有限，因此需充分利用各种尺寸的纤维，尺寸较小的纤维可阻止桥梁道路上的微裂缝发展成宏观裂缝，而尺寸较大的纤维可以预防宏观裂缝继续拓展。马保國等人[16]通过实验发现，长短纤维的最佳混杂比例为5∶5～7∶3。

3.3 秸秆含有糖类物质

在浇注混凝土的过程中，适度振捣混凝土能够增强混凝土的和易性，使混凝土均匀密实，从而增强混凝土抗压能力，而振捣混凝土必须在混凝土可塑状态（混凝土达到初凝前）下完成。秸秆内的葡萄糖、蔗糖利用自身的-COOH、–OH等有机官能团与水泥中的钙离子通过络合作用形成难以溶解的沉淀附着在水泥颗粒的表面[17-19]，减少水泥颗粒与水分子的接触面积，从而使标准水泥的水化和凝结反应得到延缓。蔗糖及其还原态的单糖果糖和葡萄糖均能对水泥的流动度产生影响，但影响程度大不相同，两种单糖的混合物对标准水泥的流动度的影响远远小于蔗糖，但对除标准水泥之外的水泥并无影响。

王培铭[20]通过研究发现，蔗糖的掺入方式及掺入量会对水泥凝结产生影响，当掺量低于临界掺量时，会对水泥产生缓凝作用，当掺量高于临界掺量时，能够延缓水泥凝结时间。钟文慧[21]通过实验发现，折合100%固含量计在0.000 3～0.000 4掺量范围内，在基准水泥中加入含量为99.8%的蔗糖，含气量比空白水泥降低0.3%，3 d强度平均增长1.55 MPa，28 d强度平均增长3.55 MPa。

4 结语

在秸秆纤维混凝土的制作过程中，由于秸秆纤维具有吸水性，所以导致用水量增加、混凝土和易性下降等问题，并且秸秆纤维和水泥的相容性较差，致使秸秆纤维混凝土不能得到广泛的应用。为了增强秸秆纤维混凝土的各项性能，充分利用农作物秸秆的韧性和拉伸性等特性，本文提出如下建议。

（1）采用粉末状秸秆纤维，粉末状秸秆与水泥材料充分混合能够填补材料间的空隙，使秸秆纤维与水泥形成相容体系，减少用水量，但需要解决制备工艺复杂和成本高的问题。

（2）环境变化等外界因素对秸秆纤维混凝土的各项性能有着显著的影响，所以在设计秸秆纤维混凝土的配合比时，应考虑环境变化对秸秆混凝土和易性的影响。

（3）采用混杂纤维混凝土，即利用2种或多种不同的纤维，通过加入不同尺寸的纤维增强混凝土不同方面的优势改善秸秆混凝土的综合性能。

（4）添加外加剂，例如聚羧酸高性能减水剂、“花王”萘系高效减水剂等，分散水泥颗粒，提高水泥混凝土的和易性。

参 考 文 献

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[4]耿睿，姚勇，褚云朋，等.秸秆纤维混凝土力学性能影响因素分析[J].混凝土与水泥制品，2012（12）：54-56.

[5]刘巧玲，刘保华，张强.油菜秸秆纤维混凝土力学性能研究[J].混凝土与水泥制品，2012（12）：51-53.

[6]王继博，任慧超，张涛，等.麦秸秆纤维混凝土抗氯离子渗透性能研究[J].新型建筑材料，2018（1）：131-

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