宋梓寧，周林聰

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春130012）

秸稈混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)及抗壓承載力的試驗研究

宋梓寧，周林聰

（吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，吉林長春130012）

摘要:秸稈是一種保溫性能非常好的材料，并且是一種每年可再生的資源，把這種材料應(yīng)用于建材領(lǐng)域，研究節(jié)能立廢的新型墻體材料，具有促進(jìn)建筑結(jié)構(gòu)工業(yè)化快速發(fā)展和節(jié)約能源、減少環(huán)境污染的重要意義。本文在秸稈混凝土中分別加入粉煤灰和硅灰，通過試驗研究秸稈混凝土試塊的導(dǎo)熱系數(shù)以及抗壓強(qiáng)度，研究發(fā)現(xiàn)粉煤灰的摻量越多，試塊的保溫性能越好，但其抗壓強(qiáng)度越低；摻有硅灰的試塊，硅灰的摻量越大其抗壓強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)越高。

關(guān)鍵詞:秸稈混凝土；粉煤灰；硅灰；導(dǎo)熱系數(shù)；抗壓強(qiáng)度

墻體材料的發(fā)展由來已久，草磚建房技術(shù)在北美已有百年歷史。早在20世紀(jì)初就出現(xiàn)了利用秸稈加工生產(chǎn)人造板材的技術(shù)；1920年美國路易安那州建立了蔗渣制板廠；英國Compak設(shè)備公司最早開始研究采用麥秸和稻草作為板材原料 ，經(jīng)過10年努力，成功制造出性能高于木質(zhì)刨花板的Compak板；波蘭天然纖維研究所利用亞麻、黃麻和大麻的下腳料、甘蔗渣、蘆葦稈、棉稈、香草根、油菜稈、麥秸等外加鋸末為原料，制造出高質(zhì)量的人造板。目前，全球已有20余個國家開辦了以農(nóng)作物為原料的人造板生產(chǎn)廠家，美國和加拿大超過50%。其中，美國PR IML BOARD公司，加拿大ISOBORD公司生產(chǎn)線產(chǎn)量均在10萬m3和20萬m3以上；美國的麥秸板全年產(chǎn)量約為1 600萬m3［1-3］。

由于我國是一個能源消耗大國 ，其中，建筑能耗已占全國總能耗的27.6%，而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失占建筑物總熱損失的70%～80%，因此，必須加強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱。再加上近年來我國建筑業(yè)的迅猛發(fā)展 ，建筑結(jié)構(gòu)和節(jié)能環(huán)保等問題都受到廣泛關(guān)注 ，新型墻體材料開始逐漸被科研人員關(guān)注，復(fù)合、輕質(zhì)墻體已成為墻體材料的重要發(fā)展方向。新型墻體材料按其承重情況大致可分為非承重墻體材料和承重墻體材料兩類。非承重墻體材料沒有承重要求，對材料強(qiáng)度要求相對較低，其性能指標(biāo)一般要求滿足密度、隔音、保溫、防火、吸水率低、易于加工等，主要應(yīng)用于內(nèi)墻、小型構(gòu)件和工藝品等。秸稈混凝土材料有著優(yōu)越的保溫性能，輕質(zhì)，高強(qiáng)，作為墻體材料具有突出的節(jié)能效果［4-6］。近些年，國內(nèi)外學(xué)者們主要研究含有秸稈和水泥的秸稈混凝土性能，關(guān)于摻有其它建筑材料如粉煤灰、硅灰的研究不是很多。論文主要進(jìn)行研究摻有粉煤灰和硅灰的秸稈混凝土的保溫性能和力學(xué)性能。

1　不同粉煤灰、硅灰摻量的秸稈混凝土的制備

1.1試驗用材料與設(shè)備

試驗采用的原料主要有:玉米秸稈、水泥、砂子、石子、粉煤灰、硅灰和水。

水泥采用的是42.5級普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用干燥的河沙；砂子的細(xì)度模數(shù)為2.51，屬于級配良好的中砂；粗骨料采用人工碎石，粒徑為5 mm ～13 mm；玉米秸稈經(jīng)過機(jī)器粉碎得到長度為3 cm ～4 cm，寬度為0.5 cm～1 cm的秸稈骨料（除去玉米秸稈內(nèi)芯），其主要成分為SiO2等，其粉碎后的特點有:孔隙度較大，表現(xiàn)為纖維碎料的狀態(tài) ，重量較輕、保溫性能較好、耐腐蝕能力較強(qiáng)，韌性較好且有一定的強(qiáng)度 ，密度為0.18 g/m3；減水劑采用大連西卡減水劑，質(zhì)量摻量為水泥的0.15%；采用干燥磨細(xì)粉煤灰和硅灰，主要指標(biāo)符合GB/T1596-2005規(guī)范中的Ⅱ級要求；水使用普通自來水，符合《混凝土拌合用水標(biāo)準(zhǔn)》［7］（JGJ6 3-2006）。

圖1　150 mm×150 mm×150 mm試塊

試驗過程中使用的是150 mm×150 mm×150 mm的塑料試模（圖1）、砂漿攪拌機(jī)、振動臺、hot disk導(dǎo)熱系數(shù)儀以及微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)測試秸稈混凝土保溫性能及力學(xué)性能。

1.2摻有粉煤灰的秸稈混凝土配合比

在進(jìn)行配合比設(shè)計時 ，采用試驗——計算法，結(jié)合其它參數(shù)如單位用水量、砂率、外加劑摻量等進(jìn)行試拌和配合比調(diào)整，以配制出具有良好工作性能的混凝土。秸稈的摻量選擇分別是試塊體積的10%、8%、6%、4%、2%。粉煤灰的摻量分別是試塊體積的10%、20%、30%、40%。粉煤灰摻量為10%的秸稈混凝土配合比見表1。

表1　摻有10%粉煤灰的秸稈混凝土配合比

1.3摻有硅灰的秸稈混凝土配合比

秸稈摻量分別選擇為試塊體積的10%、8%、6%、4%、2%。硅灰的摻量根據(jù)文獻(xiàn)［8］，取其抗壓強(qiáng)度最高的配合比進(jìn)行設(shè)計，硅灰摻量分別為試塊體積的3%、7%。硅灰摻量為3%的秸稈混凝土配合比見表2。

表2　摻有3%硅灰的秸稈混凝土配合比

1.4試件的制備

將秸稈混凝土的各組分材料稱好，依次加入攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌。先將水泥、砂子、石子加入其中攪拌約60 s左右，該過程中逐漸加入玉米秸稈，待其分散均勻后再加水和減水劑繼續(xù)攪拌約60 s。攪拌結(jié)束后 ，將其導(dǎo)入相應(yīng)的模具中，并在振動臺上振動25 s左右，試件制作完畢 ，再將試件覆膜養(yǎng)護(hù)24 h后拆模放入溫度24℃±2℃的水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行測導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度測定［8］。試驗過程中測得秸稈混凝土的坍落度在50 mm～80 mm之間。

2　秸稈混凝土試件導(dǎo)熱系數(shù)

混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)是混凝土保溫性能的重要指標(biāo)之一，導(dǎo)熱系數(shù)越大物質(zhì)導(dǎo)熱性能越好，其保溫性能越差。本文采用hot disk導(dǎo)熱系數(shù)儀對秸稈混凝土試塊進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測定。得到摻有粉煤灰的秸稈混凝土試塊試驗結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2　摻有粉煤灰的秸稈混凝土試塊的導(dǎo)熱系數(shù)曲線圖

圖3　摻有硅灰的秸稈混凝土試塊的導(dǎo)熱系數(shù)曲線圖

從圖2中可以看出，隨著粉煤灰摻量的增加，秸稈混凝土試塊的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸降低，說明粉煤灰的含量越多，試塊的保溫性能越好。同時，在相同粉煤灰摻量的條件下，隨著秸稈摻量的增加，試塊的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，其保溫性能出現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢。在相同粉煤灰摻量下，秸稈摻量10%的試塊比秸稈摻量2%的試塊保溫性能提高了13%，比不摻秸稈和粉煤灰的混凝土試塊提高了68%。

從圖3中可以看出，隨著硅灰摻量的增加，秸稈混凝土試塊的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸升高，說明硅灰的含量越少，試塊的保溫性能越好。同時，在相同硅灰摻量的條件下，隨著秸稈摻量的增加，試塊的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小，其保溫性能出現(xiàn)增強(qiáng)的趨勢。

3　秸稈混凝土試件抗壓強(qiáng)度

采用微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)對各試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗，試驗結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，摻有粉煤灰的最大抗壓強(qiáng)度為51.13 MPa，隨著粉煤灰摻量的增加，試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸降低；摻有硅灰的試塊的最大抗壓強(qiáng)度為56.46 MPa，此時秸稈摻量為2%，在秸稈摻量為6%之前的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于摻有粉煤灰試塊的抗壓強(qiáng)度，但是在秸稈摻量大于8%之后，其強(qiáng)度逐漸降低于摻有粉煤灰試塊的強(qiáng)度；摻有粉煤灰和硅灰的試塊，其抗壓強(qiáng)度都隨著秸稈摻量的增加而出現(xiàn)降低趨勢。在相同粉煤灰摻量的情況下，10%秸稈摻量比2%秸稈摻量抗壓強(qiáng)度降低了33%。

圖4　摻有粉煤灰和硅灰的秸稈混凝土試塊的強(qiáng)度曲線

如圖4所示，試驗還發(fā)現(xiàn)，對于相同秸稈摻量的試塊，硅灰的摻量為7%試塊的抗壓強(qiáng)度大于同樣條件的硅灰摻量為3%試塊的抗壓強(qiáng)度，可以看出，硅灰摻量越多，能夠在一定范圍內(nèi)增強(qiáng)混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度。

4　結(jié) 論

對于秸稈混凝土的研究，前人大多是將秸稈壓縮后放入空心混凝土磚中進(jìn)行抗壓測試 ，本文將秸稈粉碎后將其作為摻合料放入混凝土中 ，并加入粉煤灰和硅灰進(jìn)行抗壓測試和導(dǎo)熱系數(shù)測定。通過對摻有粉煤灰和硅灰的秸稈混凝土試塊進(jìn)行溫度和力學(xué)性能的試驗研究，論文得出以下結(jié)論:

（1）摻有粉煤灰試塊的導(dǎo)熱系數(shù)，在相同粉煤灰摻量的條件下，秸稈摻量10%試塊的保溫性能比摻量2%的增強(qiáng)13%。與不摻秸稈和粉煤灰的試塊相比，保溫性能提高了68%。硅灰摻量的增加對試塊的保溫性能有削弱的趨勢。

（2）粉煤灰摻量的增加降低了混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度，在相同粉煤灰摻量的情況下，10%秸稈摻量比2%秸稈摻量的試塊抗壓強(qiáng)度降低了33%。硅灰摻量的增加可以在一定范圍內(nèi)提高混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度。

（3）摻有粉煤灰、硅灰的試塊中，秸稈摻量的增加都降低了試塊抗壓強(qiáng)度。

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中圖分類號:TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1672—1144（2015）01—0148—03

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.031

收稿日期 :2014-10-04修稿日期:2014-11-07

作者簡介 :宋梓寧（1990—），男，吉林省吉林市人，碩士研究生 ，研究方向為建筑結(jié)構(gòu)抗震。E-mail:187160690@qq.com

Experimental Research on Thermal Conductivity Coefficient and Bearing Capacity of Straw Concrete

SONG Zi-ning，ZHOU Lin-cong
（College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun，Jilin 130012，China）

Abstract:Straw is a renewable resource with excellent thermal performance.This material was used in the field of building materials.Here，to develop new building materials for walls on the concept of energy saving and waste utilization. This new material could promote the industrialization development of building structures，and it is of great essence to energy saving and pollution reduction.In the experiments of thermal conductivity coefficient and compressive strength，fly ash and silica fume were added to the straw concrete mix respectively，it was found that the higher dosage of fly ash，the better heat preservation performance of the test piece，but the lower the compressive strength；with the test pieces added with silica fume，the greater the content of silica fume，the higher the compressive strength within a certain range.

Keywords:straw concrete；fly ash；silica fume；coefficient of thermal conductivity；compressive strength