小麦秸秆纤维及其掺量对混凝土性能影响的试验研究

小麦秸秆纤维及其掺量对混凝土性能影响的试验研究

赵琳1, 杨光1,2，杨家彤1，王煦雅1，洪珍珍1，

1.西安欧亚学院人居环境学院，陕西 西安 710065

2.城市智慧建造陕西省高校工程研究中心，陕西 西安710065

摘要：小麦秸秆纤维混凝土是一种新型的环保节能建筑材料。本文旨在研究小麦秸秆纤维对混凝土力学性能的影响。本文实验主要通过向普通配合比下的混凝土中掺入1%~7%的不同掺量的小麦秸秆纤维，而后观测混凝土的抗压强度、表观密度、抗折强度的变化情况及规律。结果表明：小麦秸秆纤维加入对限制裂缝有明显作用，通过数据得出小麦秸秆纤维半径处理的越细，表明越粗糙，在1%小麦秸秆纤维掺量下能够提高混凝土的抗压能力，但随着秸秆纤维掺量的增加，小麦秸秆纤维混凝土的抗压强度、抗折强度和表观密度明显减小。

关键词：小麦秸秆纤维：混凝土力学性能：掺量

据统计，2021我国年产农林废弃物约14亿吨，其中玉米、水稻、小麦等大宗作物的秸秆高达7亿吨，仅有不到1/3实现了还田：秸秆肥料化利用率不足20%,被焚烧或废弃的秸秆达20%以上。在部分地区农作物秸秆出现乱堆、乱弃、焚烧现象，既对环境造成了破坏与污染，又对资源造成了浪费，并且影响了我国环境治理问题。近年来，随着国家政策的发布，人们对于绿色环保的意识逐渐增强，农作物秸秆处理问题也在逐步引起人们的重视。其中如何处理废弃秸秆是一个棘手的问题，合理利用农作物秸秆资源会对我们有重要的经济价值和社会效益。

小麦秸秆纤维的主要成分是纤维素，其韧性极强，是纯天然的高分子增强材料，能够很好的在混凝土试件内部阻止裂缝的产生。并且小麦秸秆纤维具有取材容易、价格低廉、产量丰富的优点，将其掺入混凝土中制作成的新型绿色环保植物纤维混凝土，为秸秆资源再利用提供了一种新的途径，目前这方面的研究也在逐渐增加[1-3]。

本文以小麦秸秆纤维为掺合料将其加工成3cm~5cm条状掺入混凝土中，分析不同小麦秸秆纤维掺量对混凝土工作性能的影响，从而获得较适宜的秸秆纤维掺量值。

1 试验原材料和试验方法

1.1 试验原材料

1.1.1 水泥

水泥为实验室提供专用水泥，型号为P·O42.5级普通硅酸盐水泥，其物理性能分别如表1所示。

表1 水泥的基本性能

1.1.2 小麦秸秆纤维

小麦秸秆纤维取自江苏连云港，品种为连麦8号如图1，收获后直接自然晾干。裁剪成长度为3cm~5cm的当年新干小麦秸秆纤维，其各成分的含量如表2。

表2 小麦秸秆纤维成分

图1 小麦秸秆纤维

1.1.3 减水剂

减水剂为FK-A型聚羧酸减水剂粉体，主要性能如表3。

表3 减水剂性能

1.1.4 集料

粗骨料：最大粒径为31.5mm的连续级配碎石。细骨料：细度模数2.7~3.4中粗砂、含泥率≤1%的河沙。

1.1.5 掺合料

为降低水泥用量提高混凝土额和易性，选择使用II级粉煤灰，其物理性能指标见表4。

表4 粉煤灰的性能指标

1.2 试验设计

1.2.1 试验配合比设计

本实验以小麦秸秆纤维占胶凝材料（水泥+秸秆纤维）总质量百分比为变量，选取4种不同的秸秆纤维比例掺量（1％、3%、5%、7%），粉煤灰以取代原水泥10%的质量掺入，其它材料配比不变。同时选取未掺加秸秆纤维的普通混凝土作为空白对照组，经过试拌、测量与调整，最终确定小麦秸秆纤维混凝土试验所需原材料质量如表5所示。

表5 秸秆纤维混凝土试验所需原材料质量

1.2.2 试件制备

根据试验配合比设计称取原料用料，而后研究小麦秸秆纤维掺量分别为1%、3%、5%、7%时对秸秆混凝土力学性能的影响，并分别对比不同掺量下小麦秸秆纤维混凝土的性能变化。因此共设计5组尺寸为150mm*150mm*150mm的抗压试件，每组浇筑10个试件，其中5个用于测定7d早期强度值，另外5个用于测定28d标准强度值。试件拌合前应将所用铁锹，试模等工具清洗干净。秸秆的含水量对混凝土的抗压强度有明显影响，因此在小麦秸秆纤维在试验时应处于饱和状态。搅拌时应先将砂，水泥，石子加入到搅拌机中搅拌60s，期间边搅拌边拌合边加入小麦秸秆纤维，搅拌至混合均匀后，加入水拌合120S，出料进行坍落度测试，坍落度符合要求后将混凝土装模养护至规定龄期。

1.3 试验方案

本次试验中，混凝土配合比依据《普通混凝土配合比设计技术规程》[4]按照GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[5]分别进行7d和28d抗压强度、抗折强度测试。

拌合完成的小麦秸秆纤维混凝土试块以表面平整为佳，在温度20℃±3℃，相对湿度在95%以上的养护条件中养护至7d和28d，分别取出进行加载。加压时，应持续而均匀地加荷，速度取每秒0.3MPa~0.5MPa。记录破坏时的荷载，并以测试结果的平均值作为最终强度值。

2试验结果及分析

2.1 不同小麦秸秆纤维掺量对混凝土表观密度的影响

从图2可知，小麦秸秆纤维混凝土密度值相较于未掺入秸秆纤维的对照组混凝土有所减小。掺量为1%的小麦秸秆纤维混凝土密度为2266.67kg/m³，相较于对照组混凝土密度2323.95kg//m³减小了2.5%。

随着混凝土中小麦秸秆纤维掺量的增加，其表观密度值不断减小。掺量为6%的小麦秸秆纤维混凝土表观密度相较于对照组混凝土减小了8.6%。分析造成该现象的原因有两种：

1）秸秆纤维的加入使混凝土中带入了更多的空气，秸秆自身体积会因干燥失水而略有减小。

2）秸秆自身的重量较轻，本实验采用等质量添加秸秆的方法，相比于素混凝土，同等体积的秸秆质量更小，因此会降低秸秆纤维混凝土的表观密度值。

2.2 不同小麦秸秆纤维掺量对混凝土强度的影响

2.2.1 不同小麦秸秆纤维掺量对混凝土抗压强度的影响

该实验取三个试块抗压强度的平均值作为抗压强度代表值，得到不同小麦秸秆纤维掺量下的混凝土7d强度变化规律曲线与28d强度变化规律曲线如图3、图4所示。

图3 不同掺量下的混凝土7d强度    图4 不同维掺量下混凝土28d强度

从试验结果中可以看出，随着秸秆掺量的不断增加，小麦秸秆纤维的加入对早期强度影响与对28d的强度影响规律基本一致，二者对混凝土强度的影响都是非线性的，总体上呈现下降趋势，有略微波动。从早期强度图中可以看出在2%掺量下的小麦秸秆纤维混凝土早期强度为11.73MPa，而掺量为2.5%时强度为12.38MPa，相较于素混凝土的抗压强度值19.68MPa分别减小了40.4%、37.1%，但掺量为2.5%时的抗压强度比2%是增加5.5%。该现象主要是由于不同掺量下的混凝土都是单独搅拌且不一定是同一批次制作，因此秸秆的表面状态无法精确控制其含水量，进而影响秸秆在混凝土中的吸水或失水产生差异，同时会对混凝土的水灰比产生造成一定影响，导致影响混凝土的强度，因而使得实验数据产出波动。但从总体趋势上来看，小麦秸秆纤维的加入还是会导致混凝土强度的下降，并且这种不利影响会随着秸秆纤维掺量的增加而加剧。而当小麦秸秆纤维处理较细时，小掺量秸秆纤维的加入对抗压强度有益，其最佳掺量为1%左右。

2.2.2 不同小麦秸秆纤维掺量对混凝土抗折强度的影响

从图6可以看出，早期强度中在1%掺量时强度为3.61MPa，2%掺量下的小麦秸秆纤维混凝土早期强度为3.82MPa，增加0.21MPa，但在掺量为3%以上时随着小麦秸秆纤维掺量的增加，小麦秸秆纤维混凝土的抗折强度降低，图7中28d强度同理与对早期强度影响规律基本一致，这主要原因是随着小麦秸秆纤维掺量的增加，小麦秸秆纤维混凝土中含气量增加从而使得抗折强度降低。而当小麦秸秆纤维处理较细时，小掺量秸秆纤维的加入对抗折强度有益，其最佳掺量为1%左右。该掺量下的混凝土可以明显分散和传递混凝土受到的应力，因而使得混凝土的抗折强度明显提高。

3结论与展望

即使普通混凝土的抗压强度性能优势较为突出，但因为其脆性较大，因此在抗拉、抗冲击、抗弯及韧性等方面的性能还存在一定的缺陷。经过研究发现在普通混凝土中加入小麦秸秆纤维形成的秸秆纤维混凝土可以很好地改善其在脆性等方面的不足。

1）提高混凝土的抗拉、抗弯性能。混凝土内部存在不同程度的细微裂缝，而当秸秆加入混凝土中会提供一定的拉结作用，可以很好地改善混凝土的内部缺陷，限制混凝土裂缝。并且在小麦秸秆纤维小掺量的情况下，小麦秸秆纤维处理的越细，表明越粗糙，其与混凝土的接触面积越大，两者之间产生的机械摩擦力更多，化学结合越紧密，对混凝土的承压能力有一定的作用，其小麦秸秆纤维最佳掺量在1%左右，相反大掺量会抵消这种作用。

2）在掺入小麦秸秆纤维时会带入更多的空气，使得混凝土中的气孔增加，从而降低混凝土的表观密度。并且大掺量的秸秆纤维会取代凝胶材料的体积，减小混凝土的粘结力，在混凝土拌合过程中，秸秆纤维呈乱向分布，在混凝土中起桥接作用，因此小麦秸秆纤维与拌合物之间的相互连接力需要加入更多的水才能满足和易性的要求。总体上对混凝土的早期抗压强度和28d抗压强度的影响均不利。随着秸秆纤维掺量的增加，表观密度和抗压强度性能越差。

3）随着小麦秸秆纤维掺量的增加，对混凝土强度的影响是非线性的，总体上呈下降趋势，略有波动。本文主要探究了不同小麦秸秆纤维掺量对混凝土强度的影响，后续可在此基础上研究秸秆的加入对抗拉性能等其他性能能否带来提升例如在保温方面的影响[6]，从而获得更有价值的小麦秸秆纤维掺量。

参考文献

[1] 梁爽, 孙延林, 李世豪, 等. 不同秸秆种类和掺量对混凝土性能影响研究[J].广东建材, 2024.

[2] 邓宏宇, 田宇航, 张中昊, 等.秸秆纤维混凝土的研究与应用进展[J]. 混凝土与水泥制品, 2023.

[3] 魏勇全. 植物秸秆混凝土物理力学与热工性能试验研究[D]. 上海交通大学, 2020.

[4] 轻骨料混凝土技术规程( GJ51－2002)［S］. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002．

[5] 普通混凝土力学性能试验方法标准( GB/T50081-2002)［S］. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002．

[6] 张瑞琦. 秸秆纤维自保温混凝土砌块砌体性能试验研究[D]. 延边大学, 2017.  

基金项目：陕西省大学生创新创业训练计划项目：秸秆变形记-植物秸秆制备生态混凝土（S202312712013）；陕西省大学生创新创业训练计划项目：基于纳米材料的水泥砂浆组成设计与性能优化研究（S202212712001）；西安欧亚学院科研创新团队：建筑建造技术创新团队（2021XJD01）；西安欧亚学院科研平台：人居环境学院智能建造技术工程中心（2022XJPT01）。

作者：赵琳（2004-），女，汉族，陕西榆林人，在读本科生，主要学习和研究方向：智能建造技术及应用，E-mall：2711470940@qq.com。

地址：陕西省西安市雁塔区东仪路南段8号，西安欧亚学院人居环境学院，赵琳，18391295682