改性小麥秸稈/水泥復合材料的強度

王曉燕，胡晨光，封孝信

(1．華北理工大學輕工學院，河北 唐山 063000； 2.河北工業(yè)大學材料科學與工程學院，天津 300130；3．華北理工大學材料學院，河北 唐山 063009)

改性小麥秸稈/水泥復合材料的強度

王曉燕1, 2，胡晨光3，封孝信3

(1．華北理工大學輕工學院，河北 唐山 063000； 2.河北工業(yè)大學材料科學與工程學院，天津 300130；3．華北理工大學材料學院，河北 唐山 063009)

為了加強小麥秸稈/水泥復合材料的性能，采用NaOH溶液對小麥秸稈進行改性，研究NaOH溶液濃度、改性時間對水泥砂漿強度的影響。結果表明，質(zhì)量分數(shù)為4%的NaOH溶液改性處理24h時，秸稈質(zhì)量損失率較大，可以減緩其對水泥的緩凝作用。此改性處理秸稈與水泥拌合的膠砂試樣3d、28d抗折強度和抗壓強度都大幅提高，與未改性秸稈膠砂強度相比，3d的抗壓、抗折強度分別提高了3.12倍和4.16倍，28d的抗壓、抗折強度分別提高2.21倍和3.58倍。電鏡分析表明改性后的小麥秸稈與水泥膠體結合情況較好。

小麥秸稈； 質(zhì)量損失率； 強度

1 引 言

目前，節(jié)能環(huán)保型能源與材料的研發(fā)與利用已成為當代經(jīng)濟和社會發(fā)展的熱點課題。我國是農(nóng)業(yè)大國，每年有大量的農(nóng)作物秸稈資源剩余，其中大部分秸稈資源都沒有被利用起來，只是采取就地焚燒的方法處理，但是焚燒導致嚴重的環(huán)境污染，而且也造成了秸稈資源的浪費[1]。農(nóng)作物秸稈孔隙率達到83.5%，是優(yōu)良的保溫絕熱材料[2]。建材工業(yè)屬于能耗大、資源浪費大的產(chǎn)業(yè)，尋找可替代原料對節(jié)約我國建筑材料制備過程的原料具有重要的意義[3]。如果利用秸稈來制造建筑房屋的墻體材料，可以降低對土地資源的大量消耗，而且制造的材料具有保溫效果，可以降低大量的能源消耗[4]。利用秸稈制備的墻體保溫材料較之有機保溫材料還具有不易燃、安全無毒等優(yōu)勢。不足之處是秸稈墻保溫材料普遍存在強度低、整體性差等情況[5]。朱祥發(fā)現(xiàn)摻加秸稈導致水泥力學強度顯著降低，其原因之一是由于秸稈浸出液有顯著抑制水泥水化硬化的作用[6]。陳國新等驗證秸稈摻量是影響水泥基砌塊材料抗壓強度的最主要因素[7]。李家和證實氫氧化鈉溶液處理的稻草纖維有效地提高稻草纖維與水泥石的粘結[8]。因此，本實驗對小麥秸稈進行改性處理，研究其對復合材料強度的影響。

2 主要原材料

小麥秸稈：小麥秸稈去掉根和穂，用清水洗干凈，置于70～75℃的干燥箱中烘干，碎成5～10mm置于干燥環(huán)境備用。

水泥：冀東水泥廠普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)，其化學成分如表1所示。

表1 水泥的化學組成 Table 1 Chemical composition of cement

砂：尾礦砂，用4.75mm的方孔篩過篩。

氫氧化鈉：氫氧化鈉含量≥96.0%，天津市光復科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)。

3 實驗內(nèi)容

參照有關水泥基植物纖維材料的生產(chǎn)工藝以及本試驗的實際情況，采用振搗成型的生產(chǎn)工藝：配料、攪拌、成型、靜置、脫模、養(yǎng)護和試樣檢測。m(水泥)∶m(砂)∶m(水)=450∶1350∶225，小麥秸稈摻量為水泥質(zhì)量的3%，即13.5g。將稻草纖維放入水中拌合30s，再分別加入水泥、砂拌合，澆注成型，標準條件養(yǎng)護至規(guī)定的齡期。強度測定參照GB/T 17671-1999《水泥膠砂強度檢驗方法》。

對改性處理前后的秸稈進行掃描電子顯微鏡測試，觀察小麥秸稈改性處理后表面的變化情況。對養(yǎng)護齡期為28d的膠砂試樣進行電鏡掃描，觀察秸稈纖維與水泥基材料結合情況。

4 實驗結果與討論

4.1 NaOH溶液處理對小麥秸稈質(zhì)量損失率的影響

小麥秸稈在濃度為0、1%、2%、3%、4%、5%的NaOH溶液分別浸泡4h、8h、12h、24h、36h、48h的質(zhì)量損失率如表2所示。

從圖1中可以看出改性處理的時間與小麥秸桿質(zhì)量損失率的關系。當NaOH溶液的質(zhì)量分數(shù)一定時，隨小麥秸稈在NaOH溶液中浸泡時間的延長，每一組溶液中的小麥秸稈的質(zhì)量損失率逐漸增加。浸泡時間0～12h時，質(zhì)量損失率曲線比較陡峭，斜率大，表明秸稈質(zhì)量損失速度快。浸泡12～24h時，曲線斜率減小，即秸稈質(zhì)量損失速度逐漸減小。浸泡時間大于24h后，秸稈質(zhì)量損失率變化逐漸趨于穩(wěn)定。從NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為4%的曲線中可以發(fā)現(xiàn)，浸泡時間為24h時，小麥秸稈質(zhì)量損失率為36.37%，當浸泡時間為48h時，小麥秸稈質(zhì)量損失率為38.47%?？梢娊?4小時時已達到浸泡48小時時小麥秸稈質(zhì)量損失率的95%。由此說明，小麥秸稈在堿溶液中的最佳浸泡時間為24h。

表2 不同改性處理對小麥秸稈質(zhì)量損失率的影響(%)

圖1 小麥秸稈質(zhì)量損失率隨改性處理的變化Fig.1 Change of the mass loss rate of wheat straw with the treatment

由圖1也可看出NaOH溶解濃度與小麥秸桿質(zhì)量損失率的關系。小麥秸稈在NaOH溶液浸泡時間相同時，秸稈質(zhì)量損失率隨NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)的增加越來越大。但秸稈質(zhì)量損率曲線變化幅度卻隨溶液質(zhì)量分數(shù)的增大而呈現(xiàn)出不同趨勢。溶液質(zhì)量分數(shù)較小時，秸稈質(zhì)量損失率隨溶液質(zhì)量分數(shù)變化相對較大。當溶液質(zhì)量分數(shù)超過4%時，秸稈質(zhì)量損率曲線變化幅度明顯減小。因此，確定NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為4%作為浸泡溶液濃度。

在水泥中加入秸稈，水泥水化導致堿性環(huán)境產(chǎn)生，加入的秸稈會被侵蝕而產(chǎn)生單糖、低聚糖和淀粉等物質(zhì)，這些溶出物逐漸轉化為糖酸，然后與水泥水化產(chǎn)物鈣離子發(fā)生反應，在水泥顆粒的周圍形成糖酸鈣外殼，阻礙水泥進一步水化，對水泥產(chǎn)生緩凝作用[9]。由于秸稈的質(zhì)量損失率表征秸稈纖維萃取物質(zhì)的析出率，即秸稈質(zhì)量損失率越高，秸稈纖維對水泥的緩凝、阻凝作用越弱[10]。同時，由于堿液的侵蝕作用，秸稈表面的蠟狀保護層被破壞，露出粗糙的、具有一定極性的內(nèi)表面層，這種內(nèi)表面層活性位點多，可以提高秸稈表面的反應活性，改善秸稈與水泥的相容性[11]。

4.2 改性小麥秸稈對水泥基材料強度的影響

小麥秸稈水泥膠砂試樣的抗折強度、抗壓強度測定結果及折壓比如表3所示。

表3 經(jīng)NaOH改性處理秸稈對水泥膠砂強度的影響

根據(jù)表3可知，與不摻加秸稈的水泥膠砂實驗對比，摻加秸稈的水泥試樣強度都明顯下降了。這是由于摻加的秸稈在復合材料中占一部分體積，使一部分水泥被取代，而水泥是提供強度的主要有效成分。而且由于秸稈的加入，復合材料致密性下降，孔隙增加，強度降低。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，隨著NaOH浸泡溶液質(zhì)量分數(shù)增加，處理后的秸稈的水泥膠砂試樣3d和28d的抗壓強度和抗折強度都增大，并且都比未進行改性處理秸稈水泥膠砂試樣的抗壓強度和抗折強度大。在經(jīng)質(zhì)量分數(shù)為4%的NaOH改性處理之后的秸稈水泥膠砂試樣3d的抗壓強度16.42MPa、抗折強度3.65MPa，而未處理秸稈水泥膠砂試樣的3d的抗壓5.5MPa、抗折強度僅為0.95MPa，強度分別提高3.12倍和4.16倍。經(jīng)過質(zhì)量分數(shù)為4%NaOH改性處理的秸稈膠砂試樣28d的抗壓強度和抗折強度也有很大的提高，分別為2.21倍和3.58倍。很明顯，經(jīng)過改性處理后的秸稈與水泥膠合形成的復合材料的力學性能明顯優(yōu)于未經(jīng)改性處理的秸稈。隨著NaOH液質(zhì)量分數(shù)增加，秸稈的質(zhì)量損失增加，糖分的析出量增多，秸稈再浸入水泥膠砂中析出的糖分少，浸出物對水泥膠砂的緩凝和阻凝作用減弱。

圖2 NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)對水泥膠砂強度的影響Fig.2 Effect of NaOH solution concentration on strength of cement mortar

圖3 NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)對折壓比的影響Fig.3 Effect of NaOH solution concentration on the flexural and compression ratio

由圖3可知，隨著NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)增加，水泥膠砂試樣的3d和28d的折壓比都增大，且都比未處理秸稈的水泥膠砂試樣的折壓比大，當NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)超過4%以后，折壓比基本不再增加。NaOH溶液質(zhì)量分數(shù)為4%時，與未處理秸稈膠砂試樣的相比，3d的折壓比提高1.29倍，28d的折壓比提高1.47倍。由此說明，堿處理秸稈使水泥膠砂的脆性降低，柔韌性提高。

4.3 掃描電鏡分析

4.3.1 改性處理對小麥秸稈形貌的影響

(1)小麥秸稈的宏觀形貌

小麥秸稈用質(zhì)量分數(shù)為4%的NaOH溶液浸泡24h，清洗后烘干，觀察其形貌，如圖4所示。可以發(fā)現(xiàn)，與堿處理后的秸稈相比較，未處理的小麥秸稈的表面光滑、有光澤，堿處理后的小麥秸稈表面粗糙、無光澤，秸稈變軟纖維化，整體外觀形貌產(chǎn)生了很大的變化。

圖4 小麥秸稈的宏觀形貌 (a) 未處理的秸稈; (b) 堿處理后的秸稈Fig.4 Macro morphology of wheat straw (a) untreated straw; (b) treated straw

(2)小麥秸稈的微觀形貌

用掃描電鏡觀察堿處理前后小麥秸稈的形貌見圖5。由圖可見，未處理的小麥秸稈表面平滑，沒有孔洞，蠟質(zhì)層包裹整個秸稈表面。經(jīng)過NaOH溶液浸泡處理后，秸稈表面變得粗糙、不平整，秸稈表面的蠟質(zhì)層被破壞，露出疏松的纖維孔隙結構。因此，利用NaOH溶液浸泡小麥秸稈，能除去小麥秸稈稈表面的蠟質(zhì)層，提高秸稈與水泥漿體結合界面的機械咬合力。

圖5 小麥秸稈掃描電鏡 (a) 未處理秸稈； (b) 堿處理后秸稈Fig.5 SEM image of wheat straw (a) untreated straw; (b) treated straw

圖6 水泥膠砂試樣的掃描電鏡圖 (a) 未改性的秸稈與漿體; (b) 改性處理后的秸稈與漿體Fig.6 SEM image of cement mortar specimen (a) untreated straw and Mortar paste; (b) treated straw and Mortar paste

4.3.2 水泥膠砂試樣的掃描電鏡分析 對齡期28d的水泥膠砂試樣進行掃描電鏡的觀察，對比堿處理前后膠砂試樣中秸稈與水泥基體的結合情況，如圖6所示。

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，未經(jīng)過NaOH改性處理的秸稈與水泥漿體粘結不牢固，存在較大的孔隙，結構松散，機械嚙合力弱，影響水泥膠砂試樣的強度。經(jīng)過NaOH處理的秸稈，由于堿液的侵蝕作用，分解秸稈表面的蠟狀物質(zhì)和其他非極性物質(zhì)，使秸稈表皮層剝落，秸稈表面變得粗糙，與水泥漿體的結合界面機械咬合力好，與水泥的結合相對更容易，粘結力增強，秸稈與水泥膠體的縫隙較小。此結果也與之前的膠砂強度試驗吻合。

4 結 論

1.NaOH溶液對小麥秸稈的改性處理中，質(zhì)量分數(shù)為4%，浸泡時間為24h，小麥秸稈質(zhì)量損失率為36.37%，為最佳改性效果。

2.經(jīng)質(zhì)量分數(shù)為4%的NaOH溶液改性處理秸稈的水泥膠砂試樣的3d、28d抗折強度和抗壓強度均大幅提高，與未改性秸稈膠砂強度相比，3d的抗壓、抗折分別強度提高了3.12倍和4.16倍，28d的抗壓、抗折強度分別提高了2.21倍和3.58倍。

3.形貌觀察表明，經(jīng)過改性處理的秸稈與水泥膠體界面處結合相對緊密，粘結力好，力學性能好。

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Strength of Modified Wheat Straw/Cement Composites

WANG Xiaoyan1, 2， HU Chenguang3， FENG Xiaoxin3

(1.Qinggong College, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China; 2.School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 3.School of Materials Science and Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063009, China)

In order to strengthen properties of wheat Straw/Cement composite, the wheat straw was immersed in a NaOH solution and how concentration and modification time influence the strength of cement mortar was studied. The results show that the quality loss rate is relatively large when the mass fraction of NaOH solution is 4% and the modification time is 24h. That can slow down the effect of the extract on the cement. The modified straw and cement mixing mortar specimen strength is significantly improved. Compared with unmodified straw mortar, the 3d compressive strength and flexural strength are increased by 3.12 times and 4.16 times; the 28d compressive strength and flexural strength are increased by 2.21 times and 3.58 times. SEM results indicat that the combination of modified straw and cement paste is relatively close.

wheat straw； quality loss rate； strength

1673-2812(2017)01-0139-05

2015-08-21；

2016-02-25

王曉燕(1983-)，女，講師，碩士，E-mail:562128662@qq.com。

TU377.9

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.028