棉花秸稈超輕粗骨料表面改性的試驗(yàn)研究

王宣，朱琳，晉強(qiáng)

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊　830052）

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棉花秸稈超輕粗骨料表面改性的試驗(yàn)研究

王宣，朱琳，晉強(qiáng)

（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052）

摘要：通過對(duì)棉花秸稈顆粒表面改性的方式制備超輕粗骨料。采用2種不同的包裹方式和丙烯酸酯防水涂料對(duì)棉花秸稈顆粒表面進(jìn)行改性，利用微觀電鏡分析包裹效果，確定最佳包裹方式，以吸水率試驗(yàn)來驗(yàn)證表面改性的效果。結(jié)果表明，分層包裹比混合包裹效果好，包裹層更薄；丙烯酸酯防水涂料吸附水泥的方式改性效果最好；表面改性后的棉花秸稈超輕粗骨料1 h吸水率可以控制在10%～20%。

關(guān)鍵詞：棉花秸稈；粗骨料；表面改性；吸水率

棉花秸稈是一種產(chǎn)量大、可再生的農(nóng)業(yè)廢棄物。合理有效地開發(fā)利用棉花秸稈制作超輕粗骨料不僅可以節(jié)能利廢，還可以享受眾多優(yōu)惠政策和免稅待遇，而且在同等產(chǎn)品性能下，綜合生產(chǎn)能耗少（不需要高溫?zé)疲?、生產(chǎn)成本低、經(jīng)濟(jì)效益好、社會(huì)效益顯著［1］。本研究以棉花秸稈顆粒為主并添加界面改性劑，改善其界面性能，開發(fā)綠色保溫可以替代普通陶粒的超輕粗骨料。由棉花秸稈制作的綠色有機(jī)超輕粗骨料，無需高溫?zé)?，?jīng)簡單養(yǎng)護(hù)就可成型，并且堆積密度比較小，可達(dá)200 kg/m3，保溫性能較好。

植物有機(jī)材料作為輕骨料的研究目前比較少，究其原因主要在于目前常用的植物有機(jī)材料木質(zhì)成分含量較低，不易成型，強(qiáng)度較低，且吸水率高。但棉花秸稈木質(zhì)成分含量較高，力學(xué)性能較好［2］。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)研究表明，表面未處理的棉花秸稈顆粒在拌和過程中具有較高的吸水率，會(huì)提高膠凝材料拌和用水量，影響強(qiáng)度，所以必須對(duì)其進(jìn)行憎水性裹灰處理，降低吸水率。在后續(xù)處理過程中發(fā)現(xiàn)，棉花秸稈顆粒是一種具有一定彈性的顆粒，而現(xiàn)行的陶粒裹灰處理方式其裹灰材料是一種脆性的硬質(zhì)材料。本研究主要就棉花秸稈的含水量、直徑對(duì)棉花秸稈軸向壓縮的彈性模量以及抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行試驗(yàn)和分析，測試棉花秸稈超輕粗骨料的力學(xué)性能，為棉花秸稈超輕粗骨料的應(yīng)用提供參考。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1原材料

棉稈取自新疆石河子市郊區(qū)，取樣地面積約2畝，試樣為2014年年末人工收割的生長良好的棉花秸稈。采用專用工具去除細(xì)枝、葉片和棉殼，外部擦拭干凈。棉花秸稈最好上下通直、枝葉較細(xì)、沒有明顯缺陷、表皮損傷較小、無開裂。將上述試樣隔空放置在室外自然風(fēng)干，第2年春季采用專用工具對(duì)其加工制作，獲取合適的棉花秸稈顆粒備用。每1批次的每組實(shí)驗(yàn)都是從50株棉稈中隨機(jī)取8株。隨后制作試樣、編號(hào)，并測量記錄試樣直徑、高度，試樣直徑為9～23mm，平均直徑為15.5mm，精確至0.1mm。

水泥：42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，青松水泥股份有限公司。粉煤灰：Ⅱ級(jí)粉煤灰。

丙烯酸酯防水涂料：固體含量為50%，市售。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

試樣應(yīng)滿足下列條件：

（1）試樣要求1＜H/D＜3，其中：H為秸稈顆粒的長度，mm；D為秸稈顆粒的直徑，mm。

（2）試樣必須平直，兩端平齊，避免影響試驗(yàn)結(jié)果。

所選擇的棉稈試樣一般情況下至少包含7個(gè)不同的直徑，試樣直徑范圍為8～20mm，試樣長度范圍為10～20mm，并掛上標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

試樣含水率測試采用干燥法，參照GB/T 1931—2009《木材含水率測定方法》進(jìn)行。將同組試樣一并放入干燥箱內(nèi)，在（60±2）℃下干燥12 h后，從中選定2～3個(gè)試樣進(jìn)行第1次試稱，以后每隔2 h試稱1次，至最后2次稱量之差不超過0.05 g時(shí)，即認(rèn)為試樣達(dá)到全干。

2　棉花秸稈超輕粗骨料的表面改性研究

2.1棉花秸稈超輕粗骨料的表面包覆方法

棉花秸稈顆粒是一種具有一定彈性形變的顆粒，目前常用的裹灰處理采用脆性的硬質(zhì)材料。采用這種脆性的硬質(zhì)材料對(duì)棉花秸稈顆粒進(jìn)行包覆處理后，二者表面的裹灰層特別容易脫落，不能共同發(fā)生相應(yīng)的形變。為此必須采用新的裹灰處理方式對(duì)棉花秸稈顆粒表面進(jìn)行改性，提高棉花秸稈與表面裹灰層的黏結(jié)能力，確保裹灰層與棉花秸稈顆粒的可靠黏結(jié)。本研究采用以下2種包裹方法［3］：

（1）分層包裹。先包裹1層丙烯酸酯防水涂料，厚度為0.2～0.5mm，再包裹1層水泥或者粉煤灰，厚度為0.1～0.5mm。具體方法為將棉花秸稈顆粒放入容器中，添加適量防水涂料進(jìn)行攪拌，目測防水涂料完全包裹住棉花秸稈顆粒后，采用少量多次的方式添加水泥或者粉煤灰，并不斷攪拌，目測防水涂料表面均沾有水泥或者粉煤灰時(shí)停止，取出混合包裹后的顆粒在20℃、相對(duì)濕度70%條件下養(yǎng)護(hù)3d，得到棉花秸稈超輕粗骨料。

（2）混合包裹。按照防水涂料50%～70%、水泥或者粉煤灰30%～50%的質(zhì)量比在容器內(nèi)混合，待混合均勻后將棉花秸稈顆粒放入容器中，再攪拌直至棉花秸稈顆粒被完全包裹后出料，取出混合包裹后的顆粒在20℃、相對(duì)濕度70%條件下養(yǎng)護(hù)3 d，得到棉花秸稈超輕粗骨料。

采用上述方法制作的棉花秸稈超輕粗骨料工藝簡單，無需大型煅燒設(shè)備，經(jīng)簡單攪拌即可制備，由于本產(chǎn)品采用免燒工藝，因此與焙燒工藝相比，具有節(jié)能和低碳等環(huán)保效果，并且堆積密度小，吸水率低。利用該技術(shù)制備的棉花秸稈超輕粗骨料外形為長度10～20mm、直徑8～15mm的圓柱形顆粒，堆積密度150～200kg/m3，筒壓強(qiáng)度0.5～1.0MPa，1h吸水率10%～20%。

2.2棉花秸稈超輕粗骨料的表面改性微觀結(jié)構(gòu)分析

未改性的棉花秸稈顆粒見圖1。

圖1　未改性的棉花秸稈顆粒

丙烯酸酯防水涂料與水泥混合凝固后具有較大的變形性能，而這個(gè)變形性能使其能夠與棉稈顆粒的變形協(xié)調(diào)一致。本次實(shí)驗(yàn)采用丙烯酸酯防水涂料對(duì)棉花秸稈顆粒進(jìn)行包裹處理，通過掃描電鏡分析丙烯酸酯防水涂料的包裹效果。包裹材料以及方式為：先將棉花秸稈顆粒放入容器內(nèi)，然后將丙烯酸酯防水涂料適量摻入以完全包裹住棉花秸稈顆粒為標(biāo)準(zhǔn)，接著將42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥逐步撒入容器內(nèi)，并同時(shí)進(jìn)行攪拌，待顆粒表面完全黏附住水泥顆粒時(shí)停止。將上述包裹方式制作的顆粒自然養(yǎng)護(hù)至28 d時(shí)進(jìn)行電鏡分析。表面改性后的棉花秸稈顆粒照片見圖2，丙烯酸酯防水涂料與水泥的界面SEM分析見圖3（a），未采用丙烯酸酯防水涂料包裹的棉稈顆粒與水泥砂漿的界面SEM分析見圖3（b）。

圖2　表面改性后的棉花秸稈顆粒照片

圖3　丙烯酸酯防水涂料、水泥、棉稈顆粒界面的SEM分析

由圖3（a）可知，采用丙烯酸酯防水涂料與水泥包覆后，丙烯酸酯防水涂料凝固后具有成膜連續(xù)、粘附性強(qiáng)的特點(diǎn)，再加上表面吸附的水泥顯示出包覆效果較好的特征。丙烯酸酯防水涂料濃的地方成膜連續(xù)，而表面吸附的水泥水化孔洞較多，在它們的界面交接處體現(xiàn)出聚合物水泥的特征，結(jié)構(gòu)致密，包覆完整。由圖3（b）可知，未采用丙烯酸酯防水涂料包裹的棉稈顆粒與水泥砂漿攪拌后，秸稈表皮分離。由此可知，外表裸露的棉花秸稈，會(huì)在混凝土拌合過程中釋放出糖分，同時(shí)也會(huì)吸收混凝土中的水分，這就導(dǎo)致了水泥砂漿與棉桿顆粒的結(jié)合是不牢固的，有害的。而經(jīng)過丙烯酸酯防水涂料包裹后的棉花秸稈顆粒表皮細(xì)胞被疏水性丙烯酸酯防水涂料所包裹，所以包裹后的棉花秸稈顆粒就不會(huì)在混凝土拌合過程中吸收水分。

3　棉花秸稈超輕粗骨料的吸水率實(shí)驗(yàn)

一般來說輕骨料都具有孔狀結(jié)構(gòu)，這使得其吸水率比普通骨料高很多。不同種類輕骨料由于孔隙率及孔結(jié)構(gòu)差別，吸水率也往往相差較大。輕骨料的吸水率越高，預(yù)飽水程度就越低，對(duì)新拌混凝土拌合工作性能的影響就越大［4］。而對(duì)于棉花秸稈粗骨料來說，首先它是一種有機(jī)材料，在水的作用下會(huì)逐漸降解腐爛；其次，含水率的提高會(huì)降低它的力學(xué)性能［5］。因此，秸稈表面的包覆處理就顯得至關(guān)重要，也就是說控制秸稈顆粒的吸水率是該超輕粗骨料的關(guān)鍵點(diǎn)。

3.1分層包裹的吸水率實(shí)驗(yàn)

棉花秸稈粗骨料制作過程：先將棉花秸稈顆粒放入容器內(nèi)，接著將濃度為50%的丙烯酸酯防水涂料放入容器內(nèi)，并不斷攪拌秸稈顆粒，待顆粒表面被完全包裹時(shí)停止，靜置5 min，使得秸稈顆粒表面能夠完全吸附丙烯酸酯防水涂料，接著撒入水泥并不斷攪拌，目測防水涂料表面均沾有水泥時(shí)停止，取出混合包裹后的顆粒，在20℃、相對(duì)濕度70%條件下養(yǎng)護(hù)3 d，制得棉花秸稈超輕粗骨料。

吸水率實(shí)驗(yàn)方法：根據(jù)粒徑把試樣分成7組，每組6個(gè)試樣，分別稱重，然后放入盛水的容器中。棉花秸稈顆粒密度較小，會(huì)漂浮在水面，應(yīng)將其用不吸水的重物壓入水中。浸水1 h后將試樣取出，制成飽和面干狀態(tài)，然后稱量，計(jì)算吸水率，取6個(gè)試樣的平均值作為該組試樣的吸水率。

分層包裹實(shí)驗(yàn)棉花秸稈粗骨料的基本性能指標(biāo)見表1，未改性和分層包裹改性時(shí)的棉花秸稈粗骨料的1 h吸水率分別見表2、表3。

表1　分層包裹實(shí)驗(yàn)棉花秸稈粗骨料的基本性能指標(biāo)

表2　未改性時(shí)棉花秸稈粗骨料的1 h吸水率

表3　分層包裹改性時(shí)棉花秸稈粗骨料的1 h吸水率

由表2、表3可知，將棉花秸稈粗骨料采用分層包裹方式改性后吸水率大幅降低，采用丙烯酸酯防水涂料作為改性材料效果明顯。在后續(xù)試驗(yàn)中將改性后的秸稈顆粒剔除表面的包裹材料再進(jìn)行稱量發(fā)現(xiàn)，秸稈顆粒內(nèi)部吸收的水分很少，也就是說改性后秸稈顆粒在1 h內(nèi)主要是表面吸附的材料在吸收水分。這間接地表明了改性后的秸稈顆粒吸水率變化和表面的包裹材料密切相關(guān)。包裹材料越厚吸水率就越高。對(duì)于未改性的秸稈顆粒，它的吸水率主要和髓心直徑關(guān)系比較密切，髓心直徑越大吸水率越高。

3.2混合包裹的吸水率實(shí)驗(yàn)

棉花秸稈粗骨料采用混合包裹進(jìn)行改性，分別選擇7種不同粒徑的棉花秸稈，每種粒徑選擇6個(gè)顆粒，采用求平均的方式，進(jìn)行吸水率實(shí)驗(yàn)。

棉花秸稈粗骨料制作過程：先將700 g丙烯酸酯防水涂料、300 g水泥在容器內(nèi)混合，待混合均勻后將棉花秸稈顆粒放入容器中，再攪拌直至棉花秸稈顆粒被完全包裹后出料，取出混合包裹后的顆粒按照混凝土養(yǎng)護(hù)方法養(yǎng)護(hù)3d，制得棉花秸稈超輕粗骨料。

按照3.1節(jié)吸水率實(shí)驗(yàn)方法，混合包裹實(shí)驗(yàn)棉花秸稈粗骨料的基本性能指標(biāo)見表4，混合包裹改性后棉花秸稈顆粒的1h吸水率見表5。

表4　混合包裹改性時(shí)棉花秸稈粗骨料的基本性能指標(biāo)

表5　混合包裹改性時(shí)棉花秸稈粗骨料的1 h吸水率

由表5可知，棉花秸稈粗骨料采用混合包裹改性后吸水率大幅降低，混合包裹吸水率比分層包裹的稍大，但混合包裹的處理方法比較簡單，并且包裹質(zhì)量比較容易控制。因此，在后續(xù)應(yīng)用于工程實(shí)踐中時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用混合包裹，只要控制混合包裹的配比，則包裹的效果就確定了。

包裹材料對(duì)于包裹效果影響很大，實(shí)驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，包裹材料越稀則包裹層厚度越薄，對(duì)應(yīng)的吸水率就越低；包裹材料越厚則包裹層厚度就越大，對(duì)應(yīng)的吸水率就越高。采用水泥或者粉煤灰對(duì)于包裹材料的包裹效果無明顯差異，因此不再重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，但可以研究使用其它粉狀類材料作為包裹材料的一部分，使其具備成本優(yōu)勢或者其它特殊功能。

4　結(jié)　論

（1）本文提供的2種包裹方法均能有效地對(duì)棉花秸稈顆粒進(jìn)行包裹，并能夠達(dá)到不脫皮、黏結(jié)牢固的要求。采用分層包裹比混合包裹效果好，包裹材料更薄，但包裹程序相對(duì)復(fù)雜，不易進(jìn)行量化包裹處理?；旌习牧喜捎煤线m的配比就可以有效地進(jìn)行包裹。

（2）由電鏡分析結(jié)果可知：采用丙烯酸酯防水涂料吸附水泥的方式對(duì)棉花秸稈顆粒表面進(jìn)行改性，可以提高棉花秸稈與表面裹灰層的黏結(jié)能力，確保裹灰層與棉花秸稈顆粒的可靠黏結(jié)。

（3）表面改性后的棉花秸稈超輕粗骨料1h吸水率可以控制在10%～20%，并且水分主要是包裹材料吸收的，并未大量進(jìn)入棉花秸稈顆粒內(nèi)部，因此可確保秸稈顆粒不易腐爛。

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國家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410758020）；

新疆維吾爾自治區(qū)高等學(xué)?？蒲杏?jì)劃項(xiàng)目資助

（XJEDU2014S021）

中圖分類號(hào)：TU528.041

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）05-0057-04

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51268056）；

收稿日期：2015-10-13；

修訂日期：2015-12-12

作者簡介：王宣，男，1992年生，新疆烏魯木齊人。

Experimental research on the surface modification of lightweight aggregate from cotton stalk

WANG Xuan，ZHU Lin，JIN Qiang
（College of Water Conservancy and Civil Engineering of XinJiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Abstract：Lightweight aggregate was prepared by surface modification of aggregate from cotton stalk.The surface modification of aggregate from cotton stalk was achieved by means of two different ways of wrapped package and acrylic waterproof coating，efficiency of the package was defined with SEM，and the best package way was chosen.The surface modification effect was validated through water absorbing test.The results show that layered wrapped package has better effect than the mixed package，the wrapping layer is thinner；the way of absorbing cement with acrylate waterproof coating has the best effect.The 1 h water absorption of aggregate from cotton stalk rate after surface modification was 10%～20%.

Keywords：cotton stalk，coarse aggregate，surface modification，water absorption