棉秆纤维水泥基砌块性能实验研究

王 柯，安巧霞，王 宁，管 裕，牟 丹

（塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

新疆棉花产量居世界第二、中国第一。据统计，2010 年新疆棉花种植面积约2 000 万亩（1 亩≈0.067 hm2），2020 年新疆棉花种植面积约3 810.8 万亩[1]。这意味着新疆每年都有大量的棉花秸秆产出，目前棉花秸秆主要用于2 个方面，一是就地焚烧，二是粉碎还田。据黄新平[2]研究发现棉花秸秆直接燃烧后产生的450 ℃高温使土地微生物损失率达50%左右，地面的水分、磷、氮、碳损失率分别达到8%、13%、75%、90%，且燃烧过程产生的有害气体会污染大气环境。棉秆粉碎还田虽然被应用最广，但棉秆质地坚硬且新疆阳光充足气候干燥、降雨量少，使棉花秸秆难以沤烂进而不能作为当年的肥料使用，并且棉花秸秆中的农药残留也会污染土地和地下水[3]。所以开展棉花秸秆多途径资源化利用已经成为越来越多的学者所关心的问题。

进入21 世纪以来，保护环境和合理利用不可再生能源已经成为全球瞩目的热点，2010 年国务院印发了《关于进一步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通知》，规定中国境内的所有城市都要禁止使用实心黏土砖。在这种背景下植物纤维砌块以其节能、环保的特点逐渐被越来越多的专家和学者所关注。目前国内外学者对秸秆水泥砌块在力学性能、保温性能方面做了较多的研究，马千里[4]发现随着蓖麻秸秆掺量增多，砌块抗压强度、密度和传热系数在下降。亢毅[5]研究发现以植物秸秆为原料制得的植物纤维加入到水泥基试块中，可以提高试块的抗拉能力，同时因为植物纤维的导热系数低和质量轻，可以制作轻质保温砌块并用于村镇建筑。吴刚等[6]将不同种棉秆形态加入EPS 砌块中，结果表明，当棉秆为较长纤维时砌块28 d 的抗折强度和弹性模量均增大。陈国新等[7]探究棉秆纤维、铝粉掺量和砂率对植物纤维水泥基砌块性能的影响，结果表明棉秆纤维水泥基砌块28 d 的抗压强度和劈裂抗拉强度都随着棉秆纤维掺量增加而降低。张喜明等[8]研究发现随着小麦秸秆掺量的增加，秸秆混凝土砌块28 d 的抗压强度下降。

通过阅读文献发现，目前国内外对植物纤维砌块的力学性能研究主要集中在前期（28 d 前）的力学性能上，对于后期（28 d 后）的力学性能探究较少。基于此，本研究将探究不同掺量的棉秆纤维对棉秆纤维砌块前期和后期力学性能的影响以及保温性能和物理性能的影响。

1 实验概况

1.1 原材料

水泥为青松化工有限公司生产的P.O 42.5 水泥；细骨料为水洗中砂，细度模数为2.6；粉煤灰取自新疆阿拉尔的煤电厂；棉秆纤维取自塔里木大学内试验田（将棉秆粉碎筛分后经4%的NaOH 浸泡12 h，洗净晾干后用2%的Na2SiO3溶液表面喷洒处理）；减水剂为聚羧酸高效减水剂（减水率为30%）。

棉秆纤维性能参数如表1 所示，棉秆纤维水泥基砌块配合比如表2 所示。

表1 棉秆纤维性能参数

表2 棉秆纤维水泥基砌块配合比

1.2 实验方法

砌块的抗压强度和抗折强度实验分别按照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能实验方法标准》进行3 d、7 d、28 d、56 d、108 d 强度测试。抗压试块采用100 mm×100 mm×100 mm，每组3 个；抗折试块采用100 mm×100 mm×400 mm，每组3 个。部分试块如图1 所示，处理后的棉秆纤维如图2 所示。

图1 部分试块

图2 处理后的棉秆纤维

2 结果与讨论

2.1 棉秆纤维掺量对砌块材料坍落度的影响

图3 为不同纤维掺量水泥基材料的坍落度，由图可知随着纤维掺量的增加，棉秆纤维水泥基材料的坍落度逐渐下降，且纤维掺量越大，坍落度下降的越多，当棉秆纤维掺量为3%时坍落度几乎为零，可能是因为棉秆纤维的吸水特性导致拌和物间自由水减少[9]，且因为棉秆纤维碱处理后表面变得更加粗糙[10]，增大了纤维和水泥基材料表面的作用力，因此随着纤维掺量的增加，坍落度逐渐降低。

图3 棉秆纤维掺量对砌块坍落度的影响

2.2 棉秆纤维掺量对砌块力学性能的影响

2.2.1 抗压强度

棉秆纤维掺量对砌块抗压强度的影响如图4所示，由图可知，砌块抗压强度随着纤维掺量的增加而降低，且砌块在7～56 d 的养护龄期内抗压强度增长最快。这主要是因为棉秆纤维在水泥基材料中搅拌时会带入空气，这些空气在试块中形成细小的气泡，而这些气泡难以用振动台震动出，从而导致棉秆纤维水泥基砌块的密实度降低，故砌块的抗压强度随着棉秆纤维掺量增加而降低。至于试块前期抗压强度增长缓慢的原因可能与棉秆纤维成分有关，棉秆纤维经过NaOH 溶液浸泡后只能去除部分木质素和半纤维素[11]，而半纤维素和木质素会影响水泥的水化速率，且因为棉秆纤维的含糖量高，棉秆纤维与水接触后会释放大量的糖类物质从而减缓水泥的水化速率。

图4 棉秆纤维掺量对砌块抗压强度的影响

2.2.2 抗折强度

由图5 可知，当棉秆纤维掺量为3%以内时，砌块抗折强度随棉秆纤维掺量呈现出先增加后降低的趋势，且当养护龄期大于28 d 时，砌块抗折强度开始出现降低。棉秆纤维掺量为2%时，砌块7 d、28 d、56 d、120 d抗折强度较3 d抗折强度增长了7.5%、21%、17%、16%。棉秆纤维的抗折能力较强，棉秆纤维能与水泥基材料的界面之间能形成一种很强的粘结力，这些粘结力包括范德华力、化学作用力和机械作用力[10]，故开始随着棉秆纤维掺量的增加，棉秆纤维与水泥基材料间的摩擦和拉拔作用加强，表现为砌块的抗折能力增强。但当棉秆纤维掺量为3%时，砌块抗折强度变小，其原因是棉花秸秆的掺入增加水泥基体内部不均匀性，当棉秆纤维体积分数超过一定的量后，纤维无法完全充分包裹于水泥基胶凝材料中，导致其与水泥基材料的界面结合强度下降，抗折强度随之降低。

图5 棉秆纤维掺量对砌块抗折强度的影响

当养护龄期大于28 d，棉秆纤维水泥基试块的抗折强度降低，分析认为，这是因为砌块长时间在潮湿环境中，棉秆纤维吸湿使其细胞壁内纤丝间、微纤丝间和微晶间水层变厚而伸展，从而导致细胞壁乃至整个棉秆纤维尺寸和体积发生变化[12]，当棉秆纤维长时间处于饱水状态时，会发生湿胀现象导致纤维素破坏，纤维素是决定棉秆纤维韧性的重要因素，故随着养护龄期的加长棉秆纤维韧性下降从而导致棉秆纤维水泥基试块抗折能力降低。

2.3 棉秆纤维对水泥基砌块干表观密度的影响

图6 反映了不同棉秆纤维掺量砌块的干表观密度变化，由图可知，随着棉秆纤维掺量的增加，棉秆纤维水泥基砌块的干表观密度逐渐降低，与未掺加棉秆纤维的基准组相比，当棉秆纤维掺量为2%时，砌块干表观密度降低了1.5%；当纤维掺量为3%时，砌块干表观密度降低了4.24%。由此可知，加入棉秆纤维虽然可以在一定程度上降低水泥基砌块的容重，但是降低幅度不大。

图6 棉秆纤维掺量对砌块干表观密度的影响

2.4 棉秆纤维对水泥基砌块吸水率的影响

砌块的吸水率高低决定着砌块的质量，吸水率越高说明砌块内部孔隙大、不密实、质量越差。棉秆纤维掺量对砌块吸水率的影响如图7 所示，由图可知，棉秆纤维掺量的增加会使棉秆纤维水泥基砌块的吸水率增大，与未掺加棉秆纤维的基准组相比，砌块吸水率分别增加1.8%、20%、52.27%。当棉秆纤维掺量为3%时，砌块吸水率为6.7%，仍满足JG/T 327—2011《植物纤维工业灰渣混凝土砌块》中规定的最大吸水率为20%的要求。

图7 棉秆纤维掺量对砌块吸水率的影响

3 结论

棉秆纤维的吸水性降低了水泥基材料的坍落度，当棉秆纤维掺量为3%时，坍落度几乎为零，对于掺棉秆纤维的水泥基材料可适当增加减水剂来改善其流动性。

棉秆纤维的加入导致水泥基砌块抗压强度下降，但抗折强度会提升，但当棉秆纤维水泥基砌块长时间处于潮湿环境中时，砌块后期抗折强度会下降。

棉秆纤维掺量并非越多越好，当棉秆纤维的掺量为2%时，砌块的抗折强度最佳，当棉秆纤维的掺量为3%时，砌块的抗压强度不仅下降，抗折强度甚至低于基准组。

棉秆纤维会降低砌块的干表观密度，棉秆纤维在发展轻质砌块方面有积极的作用。但棉秆纤维会增大砌块的吸水率，当棉秆纤维掺量为3%时，砌块吸水率为6.7%，此时仍满足JG/T 327—2011《植物纤维工业灰渣混凝土砌块》中规定的要求。