秸稈環(huán)保節(jié)能材料性能的研究

楊成江 陳雪

摘要：對秸稈水泥基復(fù)合材料的性能進(jìn)行了研究，利用秸稈制成的輕體保溫砌塊具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫性能好、吸水率低、抗凍融性能高、防火、防水、防蟲鼠害及環(huán)保節(jié)能等特點(diǎn)，成本低廉，實(shí)現(xiàn)了北方寒冷地區(qū)單一墻體材料節(jié)能50%（240 mm厚）的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：秸稈；水泥基復(fù)合材料；環(huán)保節(jié)能；秸稈輕體保溫砌塊

綠色化是新型建材的發(fā)展趨勢，綠色建材是指具有環(huán)保、節(jié)能、健康、安全、可靠、可再生等屬性的建材，其核心內(nèi)容是采用清潔的技術(shù)，從原料選用，產(chǎn)品制造，使用過程或再循環(huán)，以及廢棄物處理等環(huán)節(jié)中進(jìn)行污染控制設(shè)計(jì)，選用無毒和低毒的原材料，生產(chǎn)過程中盡可能減少污染的產(chǎn)生，副產(chǎn)物盡可能的做到回收利用，產(chǎn)品在使用過程中，不應(yīng)對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生污染和威脅。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1秸稈纖維

實(shí)驗(yàn)采用的秸稈纖維是經(jīng)破碎的玉米秸稈，其主要成份是SiO2、木質(zhì)素纖維素等。玉米秸稈顆粒均勻，粒度適中，濕潤后體積不膨脹，易于壓實(shí)，這有利于拌和均勻和提高混合料的密實(shí)度。而采用的水泥和表面改性劑均為弱堿性物質(zhì)，因此，玉米秸稈與水泥及表面改性劑拌和，其混合料的化學(xué)性能較穩(wěn)定。植物纖維玉米秸稈，既可起增強(qiáng)作用，又可減輕復(fù)合材料的質(zhì)量，使其具有隔音、隔熱性能。

玉米秸稈在破碎后，形成窄而薄的纖維狀態(tài)，長徑比大的纖維含量大，加入一定的助劑時與水泥基體混合均勻、充分，且結(jié)合狀態(tài)好、強(qiáng)度高。秸稈成分見表1。

1.2 水泥

以波特蘭水泥（硅酸鹽水泥）為基體的植物纖維水泥材料存在耐久性問題，在堿環(huán)境中，植物纖維的耐久性下降。Gram[1]認(rèn)為，水泥基材孔隙中的高堿性液相對劍麻纖維有侵蝕作用，Velpari等將黃麻纖維浸泡在pH=13的波特蘭水泥料漿的濾液中30 d，發(fā)現(xiàn)纖維的抗拉強(qiáng)度由50 MPa降至12 MPa。很多研究者認(rèn)為，這可能與Ca（OH）2在纖維孔隙內(nèi)結(jié)晶有關(guān)。波特蘭水泥料的pH值一般都超過13，避免植物纖維破壞的方法之一是，把水泥的堿性降到pH（12～12·5）。由于硅酸鹽水泥的堿性很高，所以不宜選用硅酸鹽水泥。實(shí)驗(yàn)采用低堿性的氯氧鎂水泥。

氯氧鎂水泥也稱Sorel水泥或鎂質(zhì)水泥，是一種氣硬性膠凝材料。它有許多性能優(yōu)于波特蘭水泥，如不需要濕養(yǎng)護(hù)，防火性能好，導(dǎo)熱系數(shù)小，耐磨性好，早期強(qiáng)度高、耐油、抗普通鹽和硫化物侵蝕性能也相當(dāng)好。鎂水泥的水化產(chǎn)物主要是：5 Mg（OH）2·MgCl2·8H2O（簡稱5·1·8相或相5）和3 Mg（OH）2·MgCl2·8 H2O（簡稱3·1·8相或相3），是由活性的MgO和MgCl2水溶液發(fā)生水化反應(yīng)形成的。因此，提高鎂水泥的耐水性主要是提高5·1·8相和3·1·8相的穩(wěn)定性。

（1）氧化鎂。實(shí)驗(yàn)用的是輕燒鎂粉，是用菱鎂礦石（MgCO3）經(jīng)750℃～850℃煅燒后再磨細(xì)而成，是一種淺黃色的粉末。其物理性能如下：密度3·2 g/cm3，細(xì)度120目/cm2篩余量1·5%?；瘜W(xué)成分如下：MgO為81·4%；CaO為1·2%；燒失量為8%。

（2）鹵粉（塊、片或粒狀）。鹵粉應(yīng)易溶于水，不溶解的沉淀物<0·5%，MgCl2≥45%，SO42-<2%，NaCl<2%。

1.3 磷酸

采用天津市化學(xué)試劑三廠生產(chǎn)的磷酸，其化學(xué)成分如下：H3PO4含量不少于85%；灼燒殘?jiān)?·2%。

1.4 粉煤灰

粉煤灰是火力發(fā)電廠煤粉燃燒后剩下的灰分，是工業(yè)廢料，含有相當(dāng)高的無定性硅質(zhì)材料。粉煤灰是由各種顆粒機(jī)械混合而成的群體，其中多為球形玻璃體，比表面積較大，其礦物組成主要是玻璃相、莫來石相、石英、赤鐵礦、磁鐵礦及少量未燃燒碳粒。主要化學(xué)成分如下：Loss：7.78%；SiO2：59.93%；Al2O3：20.16%；Fe2O3：4.24%；CaO：0.92%；MgO：1.45%。采用干燥磨細(xì)粉煤灰。

1.5 硅藻土

采用吉林長白硅藻土。我國是世界上硅藻土礦大國之一，有豐富的硅藻土資源，全國保有儲量6 636萬t，遠(yuǎn)景儲量5億t，可開采一千年以上。

吉林長白硅藻土化學(xué)成分如下：SiO2：79.80%；Al2O3：4.09%；MgO：0.16%；CaO：0.3%；TiO2：0.2%；燒失量：9.70%。實(shí)驗(yàn)采用經(jīng)過600℃煅燒的硅藻土，由于有機(jī)質(zhì)被燒掉，使硅藻土相對富集，孔隙度增大，比表面積提高，活性顯著改善。

1.6 超細(xì)礦渣

通化鋼鐵集團(tuán)超細(xì)粉磨廠生產(chǎn)，灰白色粉末狀、高性能混凝土摻合料。礦渣粉比表面積：8 000 cm2/g。化學(xué)成分見表2。

1.7 其它外加劑

（1）脲醛樹脂。乳白色液體。

（2）有機(jī)硅（JHG-621甲基硅酸鈉）。外觀：淡黃色液體；比重：1·20～1·26；游離堿（%）：10；甲基硅酸鈉（%）：20；氯化鈉（%）：3。

（3）鐵礬（FeSO4·7H2O）。含量<99·0%，

（4）標(biāo)準(zhǔn)砂：采用湖南平潭產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)砂。

1.8 耐水性實(shí)驗(yàn)過程

（1）膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)。根據(jù)GB 177-85《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》，進(jìn)行膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)（對于氯氧鎂水泥漿體來說，其用液量為達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)稠度時MgCl2溶液用量）。

（2）抗水性能試驗(yàn)?？顾杂密浕禂?shù)表示。

（3）掃描電子顯微鏡。采用JEOL日本電子株式會社生產(chǎn)的JSM-5500 LV掃描電子顯微鏡。

2 結(jié)果與討論

2.1 秸稈摻量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

從圖1～圖3可以看出，隨著秸稈摻量的增加，復(fù)合材料的28 d抗折強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)有所提高。這是因?yàn)榧尤氲慕斩捘芘c膠凝材料很好的粘結(jié)，對材料基體起到增強(qiáng)的作用；但秸稈摻量超過一定的范圍，由于體系內(nèi)沒有足夠的膠凝材料來包裹它，這樣抽出物大量析出，影響了界面的結(jié)合強(qiáng)度，所以，當(dāng)秸稈摻量過大時，抗折強(qiáng)度也就會降低；28 d抗壓強(qiáng)度就隨著秸稈摻量的增加而降低。但從總整體上看，隨著秸稈摻量的增加，復(fù)合材料的折壓比逐漸增大，說明材料的脆性下降，韌性增加。

2.2 超細(xì)礦渣對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖4～圖6是秸稈摻量為10%、樹脂摻量為2%，超細(xì)礦渣摻量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響.加入的活性SiO2，在氯氧鎂漿體中能與MgO反應(yīng)，生成水硬性的MgSiO2，而使鎂水泥的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐水性提高。

2.3 脲醛樹脂對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

圖7～圖9是秸稈摻量為10%、礦渣摻量為10%，樹脂摻量對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。由于脲醛樹脂與秸稈的粘結(jié)強(qiáng)度較高，且與鎂水泥的界面結(jié)合較致密，加入樹脂后可以提高復(fù)合材料的強(qiáng)度；當(dāng)樹脂的摻量為2%，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值.隨著樹脂摻量的增加，抗折強(qiáng)度緩慢降低，抗壓強(qiáng)度大幅度降低，折壓比增高。這是由于樹脂與氯氧鎂水泥漿體渾然一體一起浸透粘接纖維，包裹和填充在纖維的表面和空隙中，提高了對纖維的握裹力。樹脂膠乳分子內(nèi)和分子間的活動性大，具有一定的柔韌性和彈性，當(dāng)受到應(yīng)力作用時，可以吸收一定的能量，減緩因應(yīng)力引起的開裂破壞.樹脂膠乳加入到氯氧鎂水泥中后，構(gòu)成了膠體、晶體、纖維交錯連生的整體，起到了強(qiáng)化界面的作用。

2.4保溫性能

通過導(dǎo)熱系數(shù)測定儀測得材料的導(dǎo)熱系數(shù)，精確到0.001.從圖15可以看出，隨著秸稈摻量的增加，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)不斷降低，即材料的保溫性能隨秸稈摻量的增加而提高.從秸稈的微觀結(jié)構(gòu)中可以看到，秸稈為多孔結(jié)構(gòu)，當(dāng)其被鎂水泥的水化產(chǎn)物包裹后，這些孔隙就被封閉起來，這樣的結(jié)構(gòu)無異于其它保溫材料的微觀結(jié)構(gòu)，所以，加入秸稈同樣可以起到保溫的作用。

3 利用秸稈生產(chǎn)輕體節(jié)能保溫砌塊的研究

秸稈輕體節(jié)能保溫砌塊，芯材以破碎玉米秸稈為主要原材料，以改性耐水鎂水泥為膠凝材料，配以調(diào)凝劑、抗水劑、防水劑、防腐劑及各種改性外加劑、活性粉煤灰等，芯材兩側(cè)配以保護(hù)層。項(xiàng)目處于國際先進(jìn)水平，取得了突破性的創(chuàng)新性研究成果，秸稈輕體保溫砌塊具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫性能好、吸水率低、抗凍融性能高、防火、防水、防滲、防蟲鼠害等特點(diǎn)，成本低廉，實(shí)現(xiàn)了北方寒冷地區(qū)單一墻體材料節(jié)能50%（240 mm厚）的目標(biāo)，現(xiàn)已申報國家發(fā)明專利。

4 結(jié)論

從上文可以得出結(jié)論，利用秸稈制成的輕體保溫砌塊具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、保溫性能好、吸水率低、抗凍融性能高、防火、防水、防滲、防蟲鼠害等特點(diǎn)，成本低廉，實(shí)現(xiàn)了北方寒冷地區(qū)單一墻體材料節(jié)能50%（240 mm厚）的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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