玉米秸稈摻量對(duì)氯氧鎂水泥復(fù)合保溫材料性能的影響

王建恒，田英良，徐長(zhǎng)偉，戚紅，孫詩(shī)兵

（1.北京工業(yè)大學(xué)，北京　100124；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng)　110168）

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玉米秸稈摻量對(duì)氯氧鎂水泥復(fù)合保溫材料性能的影響

王建恒1，田英良1，徐長(zhǎng)偉2，戚紅2，孫詩(shī)兵1

（1.北京工業(yè)大學(xué)，北京100124；2.沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng)110168）

摘要：研究了玉米秸稈摻量對(duì)氯氧鎂水泥基建筑復(fù)合保溫材料（C-MOC）力學(xué)性能、耐水性能、密度及導(dǎo)熱系數(shù)的影響，通過(guò)XRD、SEM對(duì)C-MOC中氯氧鎂水泥微觀形貌和物相進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，當(dāng)玉米秸稈摻量為20%時(shí)，C-MOC的性能最佳，密度為912 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.236W/（m·K），吸水率為33.64%，軟化系數(shù)為0.61，28 d抗壓強(qiáng)度為9.16MPa，28 d抗折強(qiáng)度為5.72MPa。玉米秸稈滲出液改變了氯氧鎂水泥物相及形貌，由5·1·8相的針狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樘?、酯包裹氯氧鎂水泥的片狀結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：玉米秸稈；氯氧鎂水泥；建筑保溫材料；宏觀性能；微觀分析

0　引言

目前，我國(guó)農(nóng)業(yè)剩余物年產(chǎn)量達(dá)8億t，玉米秸稈是我國(guó)第二大農(nóng)作物秸稈，占到總量21.67%，主要分布于黃淮海地區(qū)［1］。隨著我國(guó)社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平提高，新能源在農(nóng)村得到了廣泛普及和應(yīng)用，秸稈散失了薪火材料的功能，同時(shí)用作飼料及肥料的用量也在逐年減少，而工業(yè)加工利用率也不高，僅有少量粉碎還田，大量玉米秸稈只能被廢棄田間或焚燒［2］。

玉米秸稈具有纖維多、輕質(zhì)、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)，人們開(kāi)始關(guān)注其在建筑保溫材料方面的應(yīng)用研究。但是玉米秸稈中含有糖分、酯類化合物（成分見(jiàn)表1），這類有機(jī)化合物會(huì)對(duì)普通水泥產(chǎn)生緩凝作用，降低其強(qiáng)度［3］。氯氧鎂水泥作為一種無(wú)機(jī)膠凝材料，具有許多優(yōu)異的性能，如快硬、輕質(zhì)、高強(qiáng)，特別是與秸稈、木屑等木制品之間具有較好的粘結(jié)性能，并且在長(zhǎng)期使用下不會(huì)像硅酸鹽水泥那樣導(dǎo)致秸稈纖維降解［4］。

表1　玉米秸稈的化學(xué)成分　%

本文采用經(jīng)過(guò)預(yù)處理加工的玉米秸稈與氯氧鎂水泥進(jìn)行復(fù)合，制備具有輕質(zhì)保溫特性的玉米秸稈氯氧鎂水泥復(fù)合材料，進(jìn)行了宏觀性能（如密度、導(dǎo)熱系數(shù)、力學(xué)性能及耐水性能）的測(cè)試。并通過(guò)XRD、SEM對(duì)C-MOC中氯氧鎂水泥進(jìn)行物相與微觀形貌的微觀特性進(jìn)行了分析。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1原材料

實(shí)驗(yàn)所用玉米秸稈分別取自北京郊區(qū)和沈陽(yáng)郊區(qū)，將玉米秸稈在陽(yáng)光下暴曬晾干，控制含水率小于10%。通過(guò)580型多功能秸稈粉碎機(jī)進(jìn)行破碎，然后利用電動(dòng)篩進(jìn)行篩分，選取粒徑在1.25～4.75mm的粉碎玉米秸稈。

實(shí)驗(yàn)用輕燒氧化鎂來(lái)自北京利福升化工有限公司，經(jīng)加水水化法測(cè)得其活性氧化鎂含量為55%，化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2　輕燒氧化鎂的化學(xué)成分　%

本實(shí)驗(yàn)使用的氯化鎂來(lái)自江陰海融環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，MgCl2含量大于99%。

1.2實(shí)驗(yàn)配比與實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)中MgCl2與水按1∶10的摩爾比混合成MgCl2水溶液，n（輕燒MgO）∶n（MgCl2）=6∶1，考慮到不同摻量的秸稈吸水量不同，本實(shí)驗(yàn)對(duì)玉米秸稈采用預(yù)濕處理，使其質(zhì)量含水率為250%，保證攪拌過(guò)程的流動(dòng)性、操作性。首先將濕玉米秸稈與輕燒MgO混合，攪拌均勻，再加入MgCl2水溶液和水繼續(xù)攪拌均勻，注模成型，養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，進(jìn)行宏觀和微觀性能的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)具體配合比見(jiàn)表3。

表3　玉米秸稈摻量實(shí)驗(yàn)配合比　%

1.3檢測(cè)方法

表觀密度和抗壓、抗折強(qiáng)度參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》進(jìn)行測(cè)試；吸水率參照GB/T 15231—2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能實(shí)驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試；軟化系數(shù)參照J(rèn)G/T1169—2005《建筑隔墻用輕質(zhì)條板》進(jìn)行測(cè)試；采用雙平板法（穩(wěn)態(tài)法）測(cè)試材料的導(dǎo)熱系數(shù)，試樣尺寸為300mm×300mm×25mm。

2　結(jié)果與討論

2.1玉米秸稈摻量對(duì)C-MOC物理性能的影響

（見(jiàn)圖1）

從圖1可以看出，隨著玉米秸稈摻量的增大，C-MOC的密度、導(dǎo)熱系數(shù)、軟化系數(shù)降低，吸水率隨之增大。這主要是由玉米秸稈具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)低、吸水率大的性質(zhì)所決定的。當(dāng)玉米秸稈的摻量為10%時(shí)，密度較未摻玉米秸稈的降低了42%；當(dāng)摻量大于10%后，密度的降低呈現(xiàn)線形下降的趨勢(shì)，遞減速率為每增加10%密度平均降低10%。這是由于秸稈的加入破壞了氯氧鎂水泥的致密結(jié)構(gòu)，在秸稈與氯氧鎂水泥的界面處存在孔隙，造成密度下降較大。

玉米秸稈摻量為10%時(shí)，C-MOC的導(dǎo)熱系數(shù)較未摻玉米秸稈的降低了11%，吸水率增大了13%，軟化系數(shù)降低了7%；摻量大于10%后，隨著玉米秸稈摻量的增大，導(dǎo)熱系數(shù)降低趨勢(shì)減緩，吸水率的增長(zhǎng)趨勢(shì)與軟化系數(shù)的降低趨勢(shì)加劇。玉米秸稈摻量每增加10%，導(dǎo)熱系數(shù)的降低速率為20%，軟化系數(shù)的降低速率為24%，吸水率的增長(zhǎng)速率為30%。造成這種現(xiàn)象的原因是玉米秸稈摻量小于10%時(shí)，玉米秸稈被氯氧鎂水泥包裹，秸稈與秸稈之間沒(méi)有產(chǎn)生交連，所以C-MOC的性質(zhì)更加接近于氯氧鎂水泥的性質(zhì)。隨著秸稈摻量的增大，秸稈與秸稈之間逐漸接觸，氯氧鎂水泥之間的連通越來(lái)越少，從而使導(dǎo)熱系數(shù)呈現(xiàn)隨著玉米秸稈加入而降低的趨勢(shì)；當(dāng)CMOC浸泡在水中，隨著秸稈摻量的增多，導(dǎo)致氯氧鎂水泥與水的接觸面積增大，從而使吸水率呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，軟化系數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。綜合考慮，玉米秸稈摻量以20%為宜，此時(shí)C-MOC的密度為912 kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.236W/（m·K），吸水率為33.64%，軟化系數(shù)為0.61。

圖1　玉米秸稈摻量對(duì)C-MOC物理性能的影響

2.2玉米秸稈摻量對(duì)C-MOC力學(xué)性能的影響

（見(jiàn)圖2）

從圖2可以看出，隨著玉米秸稈摻量的增加，不同齡期的C-MOC強(qiáng)度均降低。3d齡期，當(dāng)玉米秸稈摻量＞20%時(shí)，由于強(qiáng)度太低，無(wú)法檢測(cè)。這主要是由于玉米秸稈帶入的水及糖類滲出物對(duì)水泥起到緩凝的作用［5］。玉米秸稈摻量為0～10%時(shí)，C-MOC強(qiáng)度的下降比例遠(yuǎn)大于玉米秸稈摻量大于10%后強(qiáng)度的遞減比例。由圖1分析得出，玉米秸稈摻量為10%時(shí)，CMOC的結(jié)構(gòu)形式還是以氯氧鎂水泥為主，從而說(shuō)明造成強(qiáng)度下降的主要原因除了秸稈本身強(qiáng)度很低的性質(zhì)決定，還有就是玉米秸稈與氯氧鎂水泥間存在界面所造成。玉米秸稈外表皮存在一層角質(zhì)層［6］，不與水泥結(jié)合，故界面的粘結(jié)程度不高。當(dāng)玉米秸稈摻量為30%～40%時(shí)，C-MOC的強(qiáng)度下降比例不大。這主要是因?yàn)槁妊蹑V水泥已無(wú)法包裹住玉米秸稈，在CMOC中很難起到力學(xué)支撐的作用。根據(jù)強(qiáng)度考慮，玉米秸稈的摻量以20%為宜，此時(shí)C-MOC的28 d抗壓強(qiáng)度為9.16 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為5.72MPa。

2.3微觀分析

不同玉米秸稈摻量時(shí)C-MOC中氯氧鎂水泥的XRD圖譜見(jiàn)圖3。

圖2　玉米秸稈摻量對(duì)C-MOC力學(xué)性能的影響

圖3　不同玉米秸稈摻量時(shí)C-MOC中氯氧鎂水泥XRD圖譜

由圖3可見(jiàn)，氯氧鎂水泥主要的物相有5·1·8相、Mg（OH）2、3MgO·4SiO2·H2O、MgO、MgCO3和SiO2。其中5·1·8相、3MgO· 4SiO2·H2O、Mg（OH）2為氯氧鎂水泥的水化產(chǎn)物，SiO2主要來(lái)自原材料，MgCO3的來(lái)源大概分為2部分，MgO與空氣中CO2反應(yīng)生成和原料輕燒氧化鎂中有少量未充分焙燒的MgCO3［7-8］。未摻入玉米秸稈時(shí)，MgO來(lái)源于未反應(yīng)的活性氧化鎂和非活性氧化鎂；當(dāng)玉米秸稈摻量為40%時(shí)，玉米秸稈帶入的水與MgO發(fā)生反應(yīng)生成Mg（OH）2，進(jìn)一步生成5·1·8相。

圖4為不同玉米秸稈摻量時(shí)C-MOC中氯氧鎂水泥的SEM照片。

圖4　不同玉米秸稈摻量時(shí)C-MOC中氯氧鎂水泥的SEM照片

由圖4可見(jiàn)，玉米秸稈摻量為0和10%時(shí)，微觀形貌主要為膠凝狀、板塊狀、針狀結(jié)構(gòu)，這些板塊狀、針狀結(jié)構(gòu)主要為氯氧鎂水泥中的5·1·8相。5·1·8相針狀晶體從膠凝狀形貌中垂直生長(zhǎng)出來(lái)，呈現(xiàn)發(fā)散狀結(jié)構(gòu)，與其它形貌的晶體交錯(cuò)生長(zhǎng)。各形貌晶體相互穿插、重疊、填充，使氯氧鎂水泥形成致密的結(jié)構(gòu)體［9］。從而保證了氯氧鎂水泥具有高強(qiáng)度、低吸水率的特點(diǎn)。玉米秸稈摻量為0和10%時(shí)，其微觀形貌基本相似，說(shuō)明當(dāng)玉米秸稈摻量為10%時(shí)，玉米秸稈基本未對(duì)氯氧鎂水泥的微觀形貌產(chǎn)生影響。玉米秸稈摻量為20%時(shí)，發(fā)現(xiàn)極少量垂直于膠凝狀形貌生長(zhǎng)的5·1·8相針狀晶體。5·1·8相針狀晶體在膠凝狀形貌的表面平行生長(zhǎng)，與周圍的其他膠凝片狀結(jié)構(gòu)穿插、重疊的程度降低。當(dāng)玉米秸稈摻量為30%和40%時(shí)，其微觀形貌為膠凝狀、板片狀形貌的重疊，膠體形貌表面光滑，幾乎觀察不到垂直膠體狀表面生長(zhǎng)的發(fā)散狀5·1·8相針狀晶體。由圖3的XRD圖譜分析得出，玉米秸稈摻量為40%時(shí)，氯氧鎂水泥中存在5·1·8相，然而形貌中并未發(fā)現(xiàn)。這是因?yàn)椋衩捉斩捴邪肜w維素、木質(zhì)素等成分在氯氧鎂水泥的堿性環(huán)境下水解生成單糖類物質(zhì)，轉(zhuǎn)變?yōu)樘撬?，?duì)氯氧鎂水泥進(jìn)行包裹。從而降低了各物相之間的連接度，造成氯氧鎂水泥強(qiáng)度的下降。

3　結(jié)論

（1）利用玉米秸稈與氯氧鎂水泥制備玉米秸稈鎂水泥基復(fù)合保溫材料（C-MOC），隨著玉米秸稈摻量的增加，其抗折、抗壓強(qiáng)度降低、耐水性變差，而導(dǎo)熱系數(shù)及密度也隨之減小。綜合考慮，玉米秸稈摻量以20%為宜，此時(shí)C-MOC的密度為912kg/m3，導(dǎo)熱系數(shù)為0.236W/（m·K），吸水率為33.64%，軟化系數(shù)為0.61，28d抗壓、抗折強(qiáng)度分別為9.16MPa、5.72MPa。

（2）通過(guò)對(duì)C-MOC中氯氧鎂水泥的微觀分析得出，玉米秸稈內(nèi)含的水分及滲出液改變了氯氧鎂水泥物相及微觀形貌，玉米秸稈中半纖維素、木質(zhì)素等成分在氯氧鎂水泥的堿性環(huán)境下水解生成單糖類物質(zhì)，轉(zhuǎn)變?yōu)樘撬?，?duì)氯氧鎂水泥進(jìn)行包裹。從而降低了各物相之間的連接度，造成氯氧鎂水泥強(qiáng)度的下降。

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中圖分類號(hào)：TU55+1.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-702X（2016）05-0087-04

基金項(xiàng)目：“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014BAL03B01-04）

收稿日期：2015-10-20；

修訂日期：2015-12-04

作者簡(jiǎn)介：王建恒，男，1989年生，河北衡水人，碩士研究生。

Effect of corn straw content on the properties of magnesium cement composite building materials

WANG Jianheng1，TIAN Yingliang1，XU Changwei2，QIHong2，SUN Shibing1
（1.Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

Abstract：In this paper，the effect of corn straw content on the mechanical properties，water resistance，density and thermal con －ductivity of building composite（C-MOC）with light insulation properties of magnesium cement based corn straw were studied，and microscopic analysis of the phases and microstructure of C-MOC were analyzed by SEM and XRD.The results show that：According to the performance index，the optimum content of corn stalk is 20%.The density is 912 kg/m3，the coefficient of thermal conductivity is 0.236W（/m·K），the absorption rate is 33.64%，the softening coefficient is 0.61，the 28 d compressive strength is 9.16MPa，and 28 d flexural strength is 5.72MPa.The phase and shape of the magnesium cement were changed from needle shape to gel-like shape.The reason is that the sugar in exudate of corn straw coats 5·1·8 phase.

Keywords：corn straw，magnesium cement，building composite，macroscopic performance，microscopic analysis