利用玉米秸秆制备浮石复合混凝土的试验研究.pdf

2 0 1 3年 第 7 期 (总 第 2 8 5 期 ) N u mb e r 7 i n 2 0 1 3 ( T o t a l No 2 8 5 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHN0LOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 3 0 7 0 3 9 利用玉米秸秆制备浮石复合混凝土的试验研究 孙婧 ，麻建锁 ，蔡焕琴 ，白润山 ( 河北建筑工程学院，河北 张家口 0 7 5 0 0 0 ) 摘要： 利用我国北方主要农作物玉米秸秆 ， 并结合河北等地储量丰富的浮石资源 ， 与水泥复合制成新型节能环保混凝土。 试 验结果表 明： 采用裹覆预处理技术 ， 不仅可以大大降低浮石和秸秆的吸水率 ， 还可对玉米秸秆 中的糖类物质形成有效封堵 ， 有利 于混凝土硬化成型 ， 保证了混凝土强度的正常发展。 另外 ， 秸秆的掺入可降低混凝土的表观密度 ， 导热系数随之减小， 改善了混凝 土的保温隔热性能。 关键词： 玉米秸秆 ；浮石 ；预处理 ；糖类封堵 ；复合；环保 中图分类号： T U5 2 8 0 4 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 1 3 8 0 3 E x p e r i m e n t a l s t u d y on p r e p a r a t i o n o f p u m i c e c omp o s i t e c on c r e t e u s i n g c o r n s t r a w SUNJ i n g， MA J i a n s u o， CAI Hu a n q i n， BAI Ru n s ha n ( H e b e i I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， Z h a n g j i a k o u 0 7 5 0 0 0 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e ne w t y p e e ne r g y s a v i n g a nd e n v i r o n me n t a l p r o t e c t i o n c o n c r e t e wa s c o mpo s i t e ma de of c e me n t ， c o r n s tr a w wh i c h wa s t h e ma i n c r o ps i n t h e no r t h o fo u r c o u nt r y， a nd n a t u r a l p umi c e wh i c h p r o d u c e d i n He b e i The r e s u l t s s ho we d t h a t no t on l y t h e wa t e r a bs o r pt i o n r a t e o f p umi c e a n d s tra w c o u l d b e r e d u c e d g r e a t l y， b u t a l s o the c a r bo h y d r a t e i n c o m s tra w c o u l d b e s e a l e d e f f e c t i ve l y b y us i n g c o v e r p r o c e s s i ng t e c h no l o gy Be c a u s e o f t h a t ， t hi s t e c h n o l o gy c o ul d p r o mo t e the mo l d i ng o f t h e c o nc r e t e a n d e ns ur e d the no r ma l d e v e l o p me n t o f c o n c r e t e s tr e n g t h Mo r e o v e r ， t h e mi x o f c o r n s tr a w c o u l d r e d u c e t h e a p p a r e n t d e n s i t y o f t h e c o n c r e t e ， d e c r e a s e t h e t h e rm a l c o n d u c t i v i ty a n d i mp r o v e t he t he rm a l i n s ul a t i n g p r o pe r t i e s o ft h e c o n c r e t e Key w or ds ： C O rn s t r a w； p umi c e s t o ne； pr e p r o c e s s i n g； c arbo h y dra t e s e a l ； c o mp os i t e； e n v i r o nm e nt a l p r o t e c t i o n 0 引 言 秸秆是农作物的副产 品， 也是可 以综合利用的重要资 源 ， 可制作秸秆饲料或作为燃料 、 肥料 、 新型建筑材料 和养 殖食用菌等工农业生产 的原料。 中国的秸秆资源拥有量居 世界第一， 年产量约为 7 _ 3 亿 t ， 并且呈增长趋势。 但是， 我 国秸秆的利用率却很低 ， 作为粗饲料利用 的比例为 2 8 ， 作 为燃料 、 工业原料 、 秸秆还 田等用仅 占 5 左右 ， 绝 大部分 在 田间直接烧掉 ， 不仅浪费了大量宝贵的能量和氮素资源 ， 还造成了环境污染_ 1- 4 。 由于近年来人们生活质量 和结构的 改变， 作为燃料， 传统的将秸杆作为生活燃料的需求逐年 减少 ； 而作为肥料 ， 由于秸秆成分中 S i O 的含量约为 1 9 左右， 长期腐烂不完， 作为饲料也不为动物所吸收圈 ； 导致 了剩余秸杆处理难 的问题十分突出。 因此如何有效综合利 用农业剩余物资源 ， 将是我 国面临的亟待解决的任务。 为 了 提高秸秆 的利用率 ， 针对不 同农作物秸秆特点 ， 许多文献 提出了不同利用方法。 例如 ： 将秸秆等生物质转化为清洁燃 料或化工原料， 发展秸秆化工技术同 ； 以农业剩余物秸秆生 产建筑板材； 采用皮瓤分离技术 ， 提高秸秆作为反刍动物 饲料资源的利用等7 1 。 把大量秸秆用于生产秸秆建材产品 ， 即可解决秸秆 的 处理 问题 ， 增加农 民的收入 ， 又可以提供充足 的建筑原材 料 ； 而且符合国家 新型墙体材料专项基金征收和使用管 理办法 中原材料掺有不少于 3 0 的工业废渣 、 农作物 秸 秆 、 垃圾 、 江河( 湖 、 海 ) 淤泥的墙体材料产品减免征收税的 规定 。 因此 ， 本试验利用我 国北方主要农作物玉米 的秸秆 ， 并结合本地 区储量丰富的天然轻骨料浮石资源 ， 与水泥复 合制作新 型节能混凝土 ， 不仅提高 了秸秆 、 浮石的开发利 用率 ， 还有利 于带动 当地 的经济发展和社会就业 ， 实现经 济、 环保和社会三重效益 。 1 试验用原材料及其性能 1 1 玉 米秸 秆 农作物秸秆是由大量 的纤维素类物质、 可溶性糖类 、 少 量的无机盐及水构成。 利用农作物秸秆与水 泥复合制作新 型节能墙体材料 ， 既利用 了农作物废料 ， 又达到 了节约 能 源的目的。 但是水泥中加入糖类 、 甘油 、 羧基甲基纤维素 、 单宁和葡萄糖酸及盐类等 ， 将使水泥凝固延缓嘲 。 几乎所有 收稿 日期：2 0 1 3 - 0 1 2 7 基金项 目：河北省 自然科学基金资助项 目( E 2 0 1 2 4 0 4 0 0 4 ) ； 河北省科技支撑计划项 目( 1 1 2 1 5 6 0 8 D) l 38 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 农 作物秸秆都对水泥有 阻凝或缓凝使用 ， 因此 ， 在使用农 作物秸秆时 ， 需要首先解决的问题是减少或抑制糖类物质 和木质素浸 出。 本试验选用的农作物秸秆是玉米秸秆 。 玉米秸秆孔隙 大、 质量轻、 耐腐蚀性好 ， 主要由叶、 外皮和髓构成。 髓和叶 含有粗蛋 白、 粗脂肪 、 半纤维素和糖等 ； 而外皮的主要成分 是纤维素和木质素 ， 强度高 、 韧性好。 利用玉米秸秆制作水 泥基建材 ， 由于秸秆本身 的性能决定了它不可能提高水泥 基体材料 的抗压强度 ， 就希望其有助于提高基体材料 的其 他性能 ， 这样秸秆在水泥基体材料 中的形态对其制品性能 影响就很大。 试验用玉米秸秆取 自张家 口市市郊 ， 主要进行 了两种 形态的加工处理， 块状和纤维状的玉米秸秆 ， 具体操作如下 。 纤维状玉米秸秆 ： 首先 ， 将收集的玉米秸秆在太 阳下 曝晒晾干 ， 除去玉米叶 ； 然后 ， 用木槌将玉米 杆敲扁 ， 除去 杆 中部 分瓤质物质 ； 最后 ， 用碎料机将杆茎粉碎 成窄而薄 的纤 维状态 细料 ， 其 中长 1 1 0 m m、 宽 2 3 m m 的长径 比 大的纤维含量大 ， 处理后玉米秸秆纤维密度为 0 1 8 k g i n ， 。 块状玉米秸秆 ： 先将 收集 的玉米秸秆在 阳光下曝晒至 干枯 ， 除去叶子 ， 只 留杆茎 ； 然后用铡刀将玉米杆茎截成长 度在 2 c m左右的 、 近圆柱形的秸秆块备用 。 处理后的秸秆 块堆积密度为 1 0 0 k g m ， 。 1 2 浮石粗骨料 浮石在河北 、 山西 、 内蒙及东北等地 区储量 巨大 ， 是一 种天然轻骨料 ， 制成 的混凝 土具有质量轻 、 保温性能好等 优点 ， 是一种有显著节能效果 的材料 。 但由于浮石颗粒表面 粗糙且具有裸露开放性孔洞 ， 对拌 和用水 、 水泥浆吸收量 较大， 从而使其混凝土拌合料和易性较差， 而且水泥用量 比普通混凝土大嘲 ； 同时由于孔洞 中吸入 了较多的水 泥浆 ， 增加 了混凝土的密度 ， 降低 了保 温隔音性能。 所以 ， 浮石原 料在使用前必须经过一定的预处理， 来改善其开放性的孔 洞结构 。 试验用浮石产 自张家 口张北县 ， 最大粒径 2 0 m i l l ， 颜色 呈灰黑色或红褐色 ， 有发达 的气孔构 造 ， 同一部分的气孔 大小较 均匀 ， 气孔 尺寸约为 0 2 5 m m， 气孑 L 一般呈圆至椭 圆形 ， 孔壁光滑 。 经测试 ， 堆积密度为 6 2 0 k g m。 ， 吸水率为 3 0 。 对浮石进行化学成分分析 ， 结果见表 1 。 表 1 浮石粉化学成分结果表 化学成分 S i O 2 A1 2 O 3 F e 2 O 3 C a O Mg O L o s s 含量 4 6 5 3 1 5 4 0 1 1 5 3 9 5 6 4 6 6 2 9 5 1 3河砂 试验用砂为河北张家 口崇礼产河砂 ， 性能检测结果如 表 2所示 。 表 2 河砂性能检验 品种 表观密度 密 空 颗粒级配 粗细程度 。 ( g m ) ( k m )P ， 纵 ： 任厦 河砂 2 5 6 1 5 6 0 4 0 2区、 级配合格 Mx = 2 4 ， 中砂 1 4水 泥 P O4 2 5 级水泥 ， 产 自张家 口宣化金隅水 泥有限公司， 性能检测结果见表 3 。 表 3 水泥性能检测结果 强度 细度 ( 负压筛法) 标准稠度体积安定性 2 8 d 抗压强度 等级 用水量 P ( 饼法 ) 实测值 MP a 4 2 5 2 2 8 5 合格 5 8 0 1 5 粉 煤灰 河北省张家 口市沙岭子发电厂 I I 级粉煤灰。 1 6外加 剂 聚羧酸系高效减水剂 J K 4 ， 由北京建恺外加剂公司生产。 2试 验 过 程 2 1 秸秆一 浮石 复合 混凝土 的配合 比 制备秸秆一 浮石复合混凝 土 ， 主要包括 配料 、 原料预处 理 、 拌制三道工序 。 根据原材料 的性能 ， 经试拌 ， 确定基准 配合 比为水泥： 粉煤灰： 浮石颗粒： 河砂 ： 高效减水 剂： 水 = 1 ： 0 4 3 ： 1 2 6 ： 1 1 1 ： 0 0 0 8 ： 0 5 8 ； 水胶 比 0 4 1 。 其中 ， 块状 玉米秸秆 以 1 0 3 0 的体积取代率来替代浮石颗粒 ； 纤维状玉米秸 秆则以 1 0 3 0 的体积取代率来替代河砂 。 2 2 秸秆及 浮石的预处理 为充分利用玉米秸秆和浮石 的优点 ， 改善其 缺点 ， 在 制备混凝土之前 ， 必须对玉米秸秆 、 浮石进行界面预处理。 对玉米秸秆主要是通过预处理来抑制秸秆原料萃取物对 水泥缓凝 的影响， 从 而改善秸秆纤维与水泥的界面结合 ； 对 浮石预处理的 目的则是改善其开放性 的孔洞结构 ， 降低吸 水 、 吸浆率。 对玉米秸秆 、 浮石颗粒两种原料 ， 本课题均采用 了薄 层裹覆处理方式 ， 先处理成薄层裹壳秸秆和薄层裹壳浮石 ， 然后再拌制混凝土。 具体处理方法如下 ： 首先是将所需量 的浮石和所需量 的玉米秸秆分别 准 备好 ， 再将配制好的硅 酸钠水溶液均匀的喷淋到两种原材 料 表面 ， 边 喷淋边 翻动 ， 保证原 材料 的均匀润 湿并具有一 定湿度 ； 其次， 将水泥、 粉煤灰、 水按比例混合加入并在搅 拌 机中搅 拌 ； 然后 ， 将 预湿的玉米秸秆 和预湿 的浮石分别 投入搅拌机中继续搅拌 ； 最后 ， 将各 自的搅拌物自然养护 2 4 h 便制成了薄层裹壳秸秆和薄层裹壳浮石。 2 3 秸秆一 浮石复合混凝土 的制备 由于试验所用原材料均为轻质原料 ， 采用通常所用 的 振动成型工艺时易出现分层 现象 ， 使混凝 土内部各相分布 不均匀， 从而影响制得混凝土的性能。 为了减少集料的分层 ， 采用加压振动的成型工艺更 为适宜 ， 即在振动时用一平板 盖在模具上， 并施加压力使板与模具同时振动。 具体秸秆一 浮石新型复合混凝土制备工艺流程如图 1 所示 。 3 试验 结果及 分析 3 1 玉米秸秆形态、 掺量对混凝土力学性能的影响 对块状 、 纤维状两种形态的玉米秸秆都先进行 了薄层 裹覆处理 ， 然后再拌制混凝 土 ， 养护至 2 8 d时进行了力学 性能测试 ， 结果如图 2 所示 。 1 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ( 3 ) 采用植剪切销钉 的附加锚 固措施前 ， 用硬钢 丝刷 清孑 L ， 采用掺有无机材料外加剂 的水泥净浆注浆。 ( 4 ) 剪切销钉一般应采用表面变形 钢筋 ； 剪切销钉植 筋锚 固深度 ： 有机胶植筋不应小于 5 d ( d为植筋直径 ) ， 且 不应小 于 4 0 m i l l ； 对于无 机材料植筋应不 小于 8 d ( d为植 筋直径 ) ， 且不应小于 6 0 I n l T l 。 ( 5 ) 四面包裹加固时 ， 剪跨段可 以不用植入剪切销钉 ， 以减少对原混凝土构件的损伤 ； u形加固+抗剪销钉应注 意植筋的位置 ， 尽量使剪切销钉植筋位置在原混凝土梁集 中荷载与支座连线上侧 ， 同时两侧植筋位置尽量一致 。 ( 6 ) 加 固梁按 照计 算所需 钢筋 网网孑 L 尺 寸施 工 ， 采用 四面包加 固时应注意加 固梁所增加的钢筋 网要穿过楼板 ， 钢筋上端伸至加 固层上层 楼板 ， 环抱梁后搭焊 ； 钻通楼板 的钻孔孔径不宜 大于 1 0 m m， 钻透截 面后 ， 用 高压水枪 冲 洗再注浆 ； 若钢筋 网网孔 尺寸较小 ， 钢筋 网间隔钢筋在楼 板上钻孔 。 ( 7 ) 水泥复合砂浆抹面完成后应及时加强养护， 在水泥 复合砂浆养护期间不得拆卸临时支架 ， 避免对梁的扰动。 ( 8 ) 可用小木锤轻轻敲击加 固梁表面或采用超声波检 上接第 1 4 0页 制成 的混凝土 隔热性也随之提高 。 对 比图 中两条 曲线还可 以看 出， 掺块状秸秆混凝土的导热 系数 比掺纤维状玉米秸 秆 的小 ， 尤其在秸秆掺 量在 2 0 时 ， 两者数 据相差 较大 ， 分 析原 因主要是块状秸秆在混凝土 中的实 际体积取代 量 较纤维状秸秆大 ， 而且在秸秆掺量 2 0 时 ， 掺两种形态秸秆的混 凝土导热系数就比较接近了， 根据混凝土拌制时的实际情况 分析 ， 水泥用量不变 ， 而秸秆掺量越大 ， 所需裹覆的水泥浆的 量越大， 就会造成水泥基体不够密实， 出现一些非封闭性的 孔洞， 导热系数降低 的数值就小。 在秸秆掺量在 3 0 时 ， 掺两 种形态秸秆的混凝土导热系数都降到了0 3 7 w ( m K) 左右。 4结 论 ( 1 ) 玉米秸秆 和浮石都属于具有开放性孔洞的轻质材 料 ， 吸水率较大 ， 因此在拌制混凝土前必须经过预处理 ， 封 闭孔洞减少吸浆量 ； 而且玉米秸秆 中的糖类和木质素等成 分的浸 出会影响水泥的凝结硬化 ， 试验结果表 明裹覆 预处 理也起 到了对玉米秸秆封堵 的作用 ， 减少 了糖类成分 的析 出， 保证 了混凝土 的硬化成型 。 ( 2 ) 由于玉米秸秆本 身的强度不高 ， 混凝 土 中掺人秸 秆后 ， 抗压强度也 随秸秆掺量 的增 大而增大 ， 尤其是掺块 状秸秆的混凝土下降幅度较大。 比较而言， 掺纤维状玉米秸 秆的混凝土强度虽然也下降了 ， 但在掺量为 3 0 时抗压强 度仍能达到 1 3 MP a ， 能够满足轻质保温材料应用的要求。 ( 3 ) 块状秸秆和纤维状秸秆的掺入， 都可以显著降低 混凝土 的表观密度 和导热系数。 由于块状秸秆在混凝土 中 的体积取代量大 ， 因而减重效果更 明显 ； 但在掺量较大时 ， 查加 固层与原混凝土梁之问的黏接效果 ， 不得有较大空洞 。 ( 9 ) 根据实际情况 ， 当加 固后试件 的抗 剪承载力提高 幅度在 4 0 以上时 ， 宜采取 四面包裹 的加 固方法 ； 同时混 凝土梁 的抗剪承载力提高幅度不宜超过 6 0 。 4结语 工程实践表 明， 水泥复合砂浆钢筋 网对于钢筋混凝土 梁的抗剪补强加固十分有效， 是一种简单、 方便 、 安全、 经 济的加 固方法 ， 具有显著的经济效应和社会效 应 ， 随着 水 泥复合砂浆钢筋 网加 固技术 的广泛应用 ， 对施工质量和技 术要求必将提出更高的要求 ， 以便使该种方法更好 的为混 凝土结构维修加 固服务 。 参考文献 ： 1 万墨林 混凝土结构加固技术的研究 J 施工技术 ， 1 9 9 4 ： 2 4 2 】蒋隆敏， 尚守平 ， 黄政宇 一种适合于钢丝( 筋) 网水泥加 固 R C 结构的纤维增强复合砂浆和界面剂 土木工程学报， 2 0 0 5 ( 5 ) 作者简介 ： 罗利波( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 高级工程师 ， 工学硕士。 联 系地址 ： 长沙市曙光中路 1 8 1 号 长沙市规划设计院( 4 1 0 0 0 7 ) 联 系电话 ： 1 3 1 0 7 4 2 6 9 8 7 裹覆秸秆 的水泥浆量也大 ， 混凝土硬化的微观结构有所变 化 ， 使得块状秸秆浮石混凝土的表观密度 比纤维状浮石混 凝土小 ， 导热系数却比较接近。 ( 4 ) 从原材料制备方面考虑 ， 纤维状的秸秆 容易获得 ， 而块状秸秆 的加工较为困难 ； 从混凝土性能方面考虑 ， 掺纤 维状秸秆 的混凝土强度大 ； 当其掺量较大时 ， 导热系数与 掺块状秸秆的混凝土相差不大。 综合二方面因素 ， 将纤维状 秸秆应用到浮石混凝土 中制成秸秆纤维浮石混凝土是有 应用推广价值 的。 参考文献： 1北京市农业局农机化管理处 农作物秸秆治理和资源化利用 J _ 北京农业， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ： 1 2 2 】王永明 ， 蒋振山 ， 朱小宁 我国农业生物质秸秆能源化利用的途 径及思路 J 】 环境与可持续发展， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 5 0 5 2 3 周晓燕， 周定国， 李键 中国农作物秸秆墙体材料研究的现状与 展望 J 】 南京林业大学学报： 自然科学版， 2 0 0 5 ， 2 9 ( 6 ) ： 1 0 9 1 1 3 【 4 J汪德众 秸秆丝化设备的设计要点及参数选择 J 农村新技术， 2 0 1 0 ( 1 2 ) ： 2 8 2 9 5 涂平涛 以农业剩余物为原料生产的建筑板材及其发展现状 J 】 砖瓦， 2 0 0 4 ( 1 2 ) ： 3 0 3 6 6 】王少光， 武书彬， 郭秀强， 等 玉米秸秆木素的化学结构及热解 特性 J 1 华南理工大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 3 ) ： 4 0 4 2 7 】孙竹莹， 梁鸿馨 玉米秸皮穰分离及其综合利用研究【 J 】 农牧产 品开发 ， 1 9 9 9 ( 5 ) ： 1 7 1 8 8 詹怀宇 纤维化学与物理 M 】 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 5 ： 4 3 9 麻建锁 ， 蔡焕琴 ， 白润山 ， 等 硬壳浮石混凝土空心砌块的块型 设计及其制备技术研究 混凝土， 2 0 0 8 ( 1 0 ) ： 1 0 7 1 0 8 作者简介： 孙婧( 1 9 8 0 一 ) ， 女， 硕士研究生， 研究方向： 主要从事水 泥基复合材料的研究。 联系地址： 河北省张家口市桥东区惠安苑 1 9号楼甲单元 5 0 1 ( 0 7 5 0 0 0 ) 联 系电话 ： 1 3 4 6 3 4 5 1 5 0 7 1 4 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m