稻草秸秆与粉煤灰对混凝土性能影响的试验研究＊

曹 源

（重庆水利电力职业技术学院，重庆 402106）

0 引言

近年来我国年生产水泥量高达20多亿t，每年产生粉煤灰工业垃圾数量高达2亿t，但在工程应用中，混凝土中粉煤灰替代水泥的掺量一般在30%以下[1]，主要是因为粉煤灰掺量过大会引起混凝土开裂。文献[2-3]研究表明：稻草秸秆含有丰富的纤维，其纤维结构紧密，具有较好的柔韧性和抗拉性能，加入混凝土中可提高其抗裂及抗拉性能。我国作为农业大国，现阶段稻草秸秆资源量超过8亿t，其中可收集量约7亿t[4]。每年夏收和秋收之际，总有大量的小麦、玉米和稻草秸秆在田间焚烧，产生大量浓烟，造成环境污染[5]。将二者复掺加入混凝土中可实现优势互补，增大混凝土中粉煤灰掺量，带来不可估量的经济价值，亦符合“美丽中国”建设的要求。目前，中国知网可查的文献中对粉煤灰混凝土性能的研究较多，研究二者复合掺加的几乎没有。我国秸秆种类繁多，但由于当季当地资源的有限性，本文研究的混凝土中仅加入稻草这一种秸秆。抗压强度是衡量混凝土性能的最基本指标，所以本文重点研究混凝土的抗压强度。干缩性能在一定程度上可反映混凝土开裂性能，为此本文进一步研究28d抗压强度较高混凝土的干缩性能。

1 试块制备与养护

1）原材料选用32.5级普通硅酸盐水泥；细度模数为2.8的天然河砂，质地坚硬、清洁。

2）级配良好的碎石（粒径5～16mm）；Ⅱ级粉煤灰；本年度新鲜、洁净、无腐烂的粉碎成0～5mm和5～10mm两种粒径的稻草秸秆；水采用自来水。

3）成型工艺 将稻草秸秆采用3.5%的NaOH溶液浸泡2h，然后取出用蒸馏水洗涤至中性，风干至表面无水，进行预湿及糖分处理（拌合前，稻草秸秆要进行预湿，以减少干稻草秸秆吸水对混凝土水灰比造成的影响。由于稻草秸秆含有糖分，也需要进行预处理）；按设定的配合比（水胶比0.4，砂率30%，每组配合比分别按水泥重量的2%，4%，6%掺入稻草秸秆，按水泥重量的30%，40%，50%掺入粉煤灰）称取原材料；模具均匀刷油待用；将处理后的稻草秸秆与砂搅拌均匀后加入事先搅拌均匀的粉煤灰、水泥中再次拌合；最后加入所需的水（配合比中所选用的是净用水量，未考虑轻骨料及稻草秸秆在拌合过程中的吸水量），拌合均匀，倒入立方体模具中，振捣密实，至此试件制作完成。

4）抗压试件（150mm×150mm×150mm）养护与测试按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法》进行。

5）干缩试件（100mm×100mm×515mm）养护与测试按照GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》进行。

2 混凝土抗压强度试验设计

根据经验保持水胶比0.4，砂率30%不变。准备0～5mm和5～10mm两种粒径的稻草秸秆，其掺量取水泥质量的2%，4%，6%，粉煤灰掺量取水泥质量的30%，40%，50%，混凝土强度配置目标为C25。试验方案如表1，2所示，表中包含混凝土28d抗压强度的试验结果，其中水为2.49kg，砂为6.43kg，石子为15kg。

表1 掺加粒径0～5mm稻草时混凝土试验方案设计

表2 掺加粒径5～10mm稻草时混凝土试验方案设计

3 混凝土抗压强度试验结果与分析

3.1 粉煤灰掺量对混凝土抗压强度的影响

混凝土28d抗压强度与粉煤灰掺量的关系曲线如图1所示。由图1可知：粉煤灰掺量在30%～50%变化时，混凝土28d抗压强度随粉煤灰掺量的增大而降低，掺量越大，影响越大。因此，粉煤灰的大量掺入对混凝土28d抗压强度不利。

图1 混凝土28d抗压强度与粉煤灰掺量关系曲线

原因是粉煤灰粒径一般比水泥要大，水化速度小于水泥熟料，水化反应就慢，生成水化胶凝材料就少。同时，相同水胶比的混凝土，如果水化慢，就会存在多余的水分，多余水分蒸发时就会在混凝土中留下孔隙，致使掺加粉煤灰的早期强度低于不掺加粉煤灰的早期强度，而且粉煤灰掺量越高早期强度就越低[6]。

3.2 稻草秸秆掺量对混凝土抗压强度的影响

混凝土28d抗压强度与稻草秸秆掺量的关系曲线如图2所示。由图2及表1，2可知：无论稻草秸秆粒径是0～5mm还是5～10mm，其掺量在2%～6%变化，混凝土28d抗压强度均随稻草秸秆掺量的增大而降低，且稻草秸秆掺量与混凝土28d抗压强度近似成线性。原因分析如下。

图2 混凝土28d抗压强度与稻草秸秆掺量关系曲线

1）加入稻草秸秆，混凝土的材料差异变大，会导致混凝土各材料之间的黏结性降低，材料之间的密实度降低，势必会影响其强度值。

2）稻草秸秆材料本身的强度比水泥要低，取代部分水泥后，混凝土的强度不可避免会降低；另外，由于稻草秸秆自身活性低，加入后势必会延缓拌合物水化反应，造成其早期强度低[8-9]。至于为什么成线性，是否是特定试验条件偶然巧合，目前无法下定论，因为混凝土试验复杂，影响因素太多，需进一步研究。

3.3 稻草秸秆与粉煤灰复合掺加对混凝土抗压强度的影响

1）稻草秸秆掺量越多，混凝土早期抗压强度降低越严重，当粉煤灰掺量在30%～50%变化时，稻草秸秆粒径为5～10mm时，稻草秸秆掺量分别为2%，4%，6%时，混凝土抗压强度与基准强度相比分别降低30%～40%，43%～57%，60%～71%。

2）稻草秸秆粒径越大，混凝土早期抗压强度降低越严重，当粉煤灰掺量在30%～50%变化，当稻草秸秆粒径为0～5mm以下时，稻草秸秆掺量分别为2%，4%，6%时，混凝土的抗压强度与基准强度相比分别降低19%～42%，27%～55%，34%～65%；稻草秸秆粒径为5～10mm时，稻草秸秆掺量分别为2%，4%，6%时，混凝土的抗压强度与基准强度相比分别降低31%～55%，43%～58%，60%～71%。

原因是稻草秸秆本身的强度比水泥水化产物要低，所以掺量越多混凝土早期抗压强度降低越多；稻草秸秆活性低，掺入混凝土势必会延缓拌合物水化反应，造成早期抗压强度低；稻草秸秆的存在降低了拌合物之间的黏结强度，减少了骨料之间的密实度，粒径越大，这种副作用就越明显。所以稻草秸秆掺量越多、粒径越大，混凝土早期抗压强度降低就越多。

4 抗压强度20MPa以上混凝土干缩性能的研究

通过抗压强度试验可看出：当稻草秸秆粒径在0～5mm时，稻草秸秆掺量2%，粉煤灰掺量30%和40%时以及稻草秸秆掺量4%，粉煤灰掺量30%时，混凝土抗压强度均大于20MPa。当稻草秸秆粒径5～10mm，稻草秸秆掺量2%，粉煤灰掺量30%、40%时，混凝土抗压强度也均大于20MPa。但作为市政园林的座椅或对抗压强度要求不高的建筑构件，其抗压强度可满足使用要求。为此进一步试验其干缩性能。其试验设计与结果如表3所示，编号1～3为稻草秸秆粒径0～5mm的混凝土，编号4，5为稻草秸秆粒径5～10mm的混凝土。

表3 抗压强度20MPa以上混凝土干缩性能的试验设计与结果

由表3可知：稻草秸秆粒径0～5mm、稻草秸秆掺量2%、粉煤灰掺量40%时，混凝土的干缩与稻草秸秆掺量4%、粉煤灰掺量30%时相差不大。

综合考虑混凝土抗压强度及干缩性，最佳混凝土配合比为：稻草秸秆粒径0～5mm，稻草秸秆掺量4%，粉煤灰掺量30%，水胶比0.4，砂率30%。

5 结论与展望

1）稻草秸秆掺量、粒径不变，粉煤灰掺量在30%～50%变化时，混凝土28d抗压强度随粉煤灰掺量的增大而降低，掺量越大，影响越大。

2）粉煤灰掺量不变时，无论稻草秸秆粒径是0～5mm还是5～10mm，其掺量在2%～6%之间变化时，混凝土28d抗压强度均随稻草秸秆掺量的增大而降低，而且稻草秸秆掺量与混凝土28d抗压强度近似成线性。

3）粉煤灰掺量不变时，稻草秸秆掺量越多，混凝土抗压强度降低越严重。

4）稻草秸秆与粉煤灰掺量不变时，稻草秸秆粒径越大，混凝土抗压强度降低越严重。

5）综合考虑混凝土抗压强度及干缩性，混凝土最佳配合比为：稻草秸秆粒径0～5mm，稻草秸秆掺量4%，粉煤灰掺量30%，水胶比0.4，砂率30%。

6）稻草秸秆掺量大于4%，粉煤灰掺量大于30%时，虽然混凝土抗压强度小于20MPa，但是作为市政园林的座椅等类似构件或建筑保温材料，其抗压强度及干缩性也可满足使用要求，后期可对其保温性能做进一步研究，以期实现稻草秸秆与粉煤灰的资源化应用，工程实际应用更广泛。