不同pH值環(huán)境下麥秸稈纖維腐蝕規(guī)律研究

孫浩+徐桂中+吳發(fā)紅+王南江+朱杰

摘要：隨著人們環(huán)保意識的提高，廢棄秸稈逐漸被人們所重視并加以利用。在土木工程界，秸稈常被用作加筋材料加固軟土地基，由于土體復雜的環(huán)境會影響秸稈的力學性能，所以需要考慮秸稈的腐蝕問題。通過將麥秸稈置于不同pH值的HCl溶液和NaOH溶液中浸泡不同時間后，測定其質量變化和抗拉強度的大小，來研究麥秸稈在不同pH值環(huán)境下的腐蝕規(guī)律。結果表明，不同pH值酸堿溶液都會對麥秸稈造成腐蝕，使其力學性能下降，但腐蝕規(guī)律卻有差異。經pH=14的NaOH溶液腐蝕后的麥秸稈整體發(fā)生萎縮，完全喪失力學性能；HCl溶液腐蝕后的麥秸稈抗拉強度要遠小于NaOH溶液腐蝕后的麥秸稈；同一pH值環(huán)境下麥秸稈抗拉性能隨著腐蝕時間的增加逐漸下降。

關鍵詞：麥秸稈；抗拉強度；質量損失；酸堿腐蝕

中圖分類號： TU502文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2017）05-0252-04

我國是農業(yè)大國，農作物秸稈資源豐富，每年產生各類秸稈等農業(yè)廢棄物約7.2億t，是一種數量巨大的可再生資源[1]。大量秸稈被焚燒或廢棄于田間，不僅造成環(huán)境污染，還浪費了寶貴的可再生資源[2-3]。因此，研究秸稈綜合利用技術，將豐富的農業(yè)廢棄物資源變廢為寶，是促進農業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要舉措[4]。

[JP2]在土木工程界，許多學者嘗試將秸稈纖維運用到土木工程建設中，并獲得了初步成效[5]。范軍等將小麥秸稈制作成壓縮塊，放入纖維混凝土空心砌塊中制成秸稈混凝土草磚，草磚在滿足強度的要求下，[JP3]還具備更好的保溫性能[6]。秸稈纖維復合材料由于其力學性能好，且是環(huán)境友好型材料，被大量應用于裝飾裝潢材料中[7-8]。柴壽喜等嘗試將秸稈纖維作為加筋材料加入到固化的鹽漬土中，來改善鹽漬土的力學特性。試驗結果表明，麥秸稈加筋對土體的橫向變形有較強的約束作用，改善了土體穩(wěn)定性，提高了土體抗壓強度和抵抗變形的能力[9-11]。[JP]

需要指出，土木工程環(huán)境比較復雜，或是酸性環(huán)境，或是堿性環(huán)境，在這些復雜環(huán)境下，秸稈會發(fā)生腐蝕而影響其力學性能，所以必須要考慮秸稈的腐蝕問題。有研究顯示，在堿性環(huán)境下，秸稈易腐爛，從而導致加筋土無側限抗壓強度隨著固化過程的進行而降低[12]。Hsu等用稀硫酸處理水稻秸稈，在一定的溫度條件下溶液中的含糖量達到83%[13]。Cheng等的研究表明，用堿處理使溫度達到100 ℃時，秸稈中60%～70%的木質素被溶解[14]。曹旭輝等采用濃度為1%的NaOH溶液處理不同粒徑的稻草纖維時，經處理后的質量損失率在40%左右[15]。由上述試驗可知，酸堿性環(huán)境對秸稈腐蝕會導致秸稈纖維遭到嚴重的破壞，喪失力學性能。因此，了解秸稈在酸堿環(huán)境下的腐蝕規(guī)律是合理運用秸稈纖維的前提。

本試驗將麥秸稈置于不同pH值的HCl溶液和NaOH溶液中，浸泡不同時間后取出，分別對其質量和抗拉強度進行測試，分析pH值及浸泡時間對麥秸稈力學性能的影響，研究秸稈在酸性和堿性環(huán)境下的腐蝕規(guī)律。從而為秸稈在土木工程中的綜合利用提供有效的指導。

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗所用麥秸稈收集于江蘇省鹽城市農村，人工收割，經過自然風干后存放于干燥陰涼之處，選取完整、沒有蟲害、稈徑適中的麥秸稈作為試樣。用38% HCl試劑配制pH值=1、3、5的HCl溶液，NaOH分析純配制pH值=10、12、14的NaOH溶液。試驗用水為實驗室自制蒸餾水，HCl溶液和NaOH溶液配制完成后，用pH測試筆測量溶液精準pH值，如果誤差較大，則需重新配制。麥秸稈的烘干采用DHG9123A型電熱恒溫鼓風干燥箱，抗拉強度的測定使用WDW-10E型電子萬能試驗機。

1.2試驗設計

選取風干后粗細均勻的麥秸稈若干，截取最長一節(jié)秸稈，將其剪成15 cm的小段，每5根為1組，測得其質量后，用細線捆好（圖1）。此后，將配好的HCl溶液和NaOH溶液分別倒入1 000 mL塑料量筒中，每個量筒中放入1組秸稈，確保秸稈整個沒入到溶液中。最后，用保鮮膜將量筒口密封好，以防止溶液揮發(fā)（圖2）。

將秸稈在浸泡15、30、45、60、90 d后取出，放入70 ℃的干燥箱中烘干至恒質量，觀察秸稈外表的變化，用電子天平測定烘干后秸稈的質量，計算秸稈的質量損失率，計算公式如下：

[JZ]秸稈質量損失率=[SX（]秸稈原質量-烘干后秸稈質量秸稈原質量[SX）]×100%。

采用WDW-10E型電子萬能試驗機對秸稈的極限抗拉強度進行測試。由于秸稈太細，萬能試驗機的夾具不能很好地夾住秸稈，所以要對秸稈的兩端進行處理。取3 cm×3 cm大小的氯乙烯塑料，將秸稈的一端夾在2片塑料中，抹上AB膠（圖3）。48 h后，待AB膠到達最大強度，將制備好的秸稈樣放入到萬能試驗機中進行抗拉強度測試。

試樣受拉過程如圖4所示，秸稈試樣長150 mm，標距，即2個夾具之間的距離為120 mm，加載速度為5 mm/min。試驗時，要注意秸稈不能發(fā)生彎曲或折斷，同時試驗機拉力方向要沿著秸稈縱向長度方向。

2.1烘干后秸稈樣

不同pH值堿性環(huán)境腐蝕后秸稈樣如圖5所示，圖5-a、圖5-b、圖5-c分別對應pH值=10、12、14時的NaOH溶液浸泡、烘干后的秸稈樣。從圖5可知，pH值=14的NaOH溶液浸泡后的秸稈外觀變化較為明顯，秸稈整體發(fā)生了萎縮，相互之間纏繞在一起，顏色比天然狀態(tài)下的秸稈要變黃許多，稍一用力，秸稈便可被拉斷，根本不具備抗拉強度。說明強堿環(huán)境[CM（25]下秸稈內部結構遭到了破壞，喪失力學性能。pH值=10、[CM）][FL）]

12的NaOH溶液腐蝕后秸稈與天然狀態(tài)秸稈外觀上并沒有比較明顯的變化，但兩者腐蝕后秸稈有明顯質量損失，說明秸稈同樣受到了這2種堿性溶液的腐蝕，但是受腐蝕程度遠沒有強堿性溶液中的秸稈嚴重。

圖6為酸性環(huán)境腐蝕后秸稈樣，圖6-a、圖6-b、圖6-c分別對應pH值=1、3、5的HCl溶液腐蝕后的秸稈樣，圖6-d為HCl溶液腐蝕后的秸稈與天然狀態(tài)下秸稈進行的對比。從左到右依次為pH值=1、3、5的HCl溶液腐蝕后的秸稈以及天然狀態(tài)下的秸稈。由圖6可知，相比較天然狀態(tài)下的秸稈，酸性溶液腐蝕后的秸稈要明顯變細許多，顏色也要比天然狀態(tài)下秸稈深許多，手感較為柔軟，能夠輕易彎折。其中，經pH值=1的HCl溶液腐蝕后的秸稈整體呈青黑色，稈徑纖細；其他2種pH值HCl溶液浸泡后的秸稈仍舊是黃色，秸稈表面出現了黑色霉斑。同堿性溶液一樣，不同pH值酸性溶液也會對秸稈產生不同程度的腐蝕，即溶液中酸的濃度會影響秸稈的腐蝕程度。

的破壞[16]。本次試驗中NaOH溶液變成了黃色極有可能是麥秸稈中木質素和半纖維素受到腐蝕分解，溶解到NaOH溶液中，致使溶液變成了黃色。浸泡過秸稈的HCl溶液依舊呈無色，溶液比較渾濁，量筒內壁上有幾處比較明顯的霉斑。綜合對比可以得出，酸堿性溶液都會對秸稈造成腐蝕，但腐蝕機理卻有根本性的不同。

2.2秸稈質量損失規(guī)律

圖8、圖9分別為秸稈在不同pH值的NaOH溶液和HCl溶液中腐蝕時間與腐蝕質量損失百分比關系圖。分析圖8、圖9可知，0～15 d這段曲線比較陡峭，15～90 d的曲線相對比較平緩。這表明，秸稈在堿性環(huán)境和酸性環(huán)境下15 d內腐蝕速率較快，質量損失比較嚴重。浸泡入pH值=10、12、14的NaOH溶液15 d后，秸稈質量損失分別為29.63%、3254%、28.06%；pH值=1、3、5的HCl溶液浸泡的秸稈質量損失分別為27.78%、28.00%、29.63%。15～90 d這段時間內，秸稈的質量損失仍有少量增長，表明NaOH溶液和HCl溶液仍在腐蝕秸稈，但腐蝕速率明顯降低，這說明NaOH溶液和HCl溶液對秸稈的腐蝕主要集中在浸泡后15 d內。腐蝕90 d后，不同pH值的NaOH溶液中秸稈質量損失分別為3229%、43.09%和38.49%；不同pH值HCl溶液腐蝕后秸稈質量損失為 32.69%、33.33%和33.93%。

2.3秸稈抗拉強度特性

圖10、圖11為秸稈在pH值=10和pH值=12的NaOH溶液中浸泡不同天數后的拉力與拉伸位移關系圖，pH值=14的NaOH溶液腐蝕后的秸稈結構遭受嚴重破壞，不具備抗拉性能。從2幅圖中可以看出，秸稈拉力先隨著其位移增加整體上呈線性增大趨勢，當拉力增大到一定數值后，秸稈會被拉

斷，此時拉力從峰值降下來，此時的峰值就是秸稈的極限拉力，隨后拉力再隨著拉伸位移的增加而慢慢減小，最終降為0。需要指出，由于拉伸過程中聚乙烯塑料中的秸稈會發(fā)生移動，所以秸稈的拉伸位移并不是秸稈的形變。

為秸稈在不同pH值的NaOH溶液中腐蝕時間與秸稈極限拉力關系圖。從圖12可以看出，隨著浸泡時間的增加，秸稈的抗拉性能總體上呈現出降低趨勢。經pH值=10的NaOH溶液浸泡15 d后的極限拉力為629 N； 90 d后極限

拉力降低為351 N。經過pH值=12的NaOH溶液浸泡15 d后的秸稈極限拉力為551 N；腐蝕90 d后極限拉力變?yōu)?422 N。腐蝕時間對于秸稈的抗拉性能有比較顯著的影響，隨著時間的增加，pH值=10、pH值=12的處理腐蝕90 d后秸稈抗拉強度分別要比腐蝕15 d的降低近44.2%、23.4%。雖然15～90 d 這段時間內，秸稈的質量損失變化不大，但秸稈抗拉性能卻顯著降低。這表明在15～90 d這段時間內，NaOH溶液對秸稈腐蝕作用仍在繼續(xù)，秸稈力學性能持續(xù)降低。所以秸稈在堿性環(huán)境下腐蝕時間越長，其力學性能就越差。[JP]

分別為浸泡60 d和浸泡90 d后秸稈拉力與拉伸位移關系圖。分析2幅圖可知，麥秸稈經HCl溶液腐蝕后應力應變關系大體趨勢與堿性環(huán)境下一致，不同pH值HCl溶液腐蝕60 d后，秸稈極限拉力分別為302、335、344 N，要遠遠小于堿性環(huán)境腐蝕后秸稈的極限拉力。同樣，酸性環(huán)境浸泡90 d后，秸稈的極限拉力分別降為了214、158、125 N，同樣要遠遠小于相同天數NaOH溶液腐蝕后麥秸稈的極限拉力。

綜合分析來看，同一環(huán)境下，腐蝕時間越長，秸稈抗拉性

能越差，說明隨著腐蝕時間增加，雖然秸稈外觀和質量損失沒有明顯變化， 但秸稈仍然受到酸堿環(huán)境的腐蝕。其次，NaOH溶液和HCl溶液濃度越高，秸稈受到的腐蝕也越嚴重，抗拉性能也越低，說明酸堿濃度也是影響秸稈腐蝕的一個重要因素。相同時間下，秸稈受HCl溶液腐蝕后抗拉強度要遠遠小于受NaOH溶液腐蝕。這很有可能跟酸堿性環(huán)境對秸稈腐蝕機理不同有關。

麥秸稈主要是由木質素、纖維素、半纖維素、蠟質和灰分組成[17]。木質素是構成麥秸稈細胞壁的一種重要物質，通過形成交織網來硬化細胞壁，強化植物組織。纖維素是植物細胞壁的主要組成成分，賦予稻麥秸稈縱向抗拉強度，起著骨架作用，纖維素含量越高，其縱向抗拉強度越好。堿性環(huán)境對半纖維素和木質素影響較大，宋籽霖等的研究顯示，氫氧化鈉預處理能夠顯著降低玉米秸稈的木質纖維素含量，與未預處理的秸稈相比，經氫氧化鈉處理后的秸稈半纖維素含量降低了14.2%～52.4%，木質素含量降低了9.3%～29.3%[18]。而酸性環(huán)境能夠降解麥秸稈中纖維素，降低纖維素成分的含量，破壞麥秸稈結構[19]。這可能是麥秸稈受HCl溶液腐蝕后，手感較為柔軟，抗拉強度降低，截面尺寸明顯變小的原因。

3結論

本試驗從秸稈的外觀變化、質量損失以及抗拉性能3個角度分析了酸堿環(huán)境對麥秸稈的腐蝕規(guī)律，得到如下結論：

（1）酸堿環(huán)境都會對秸稈造成嚴重的腐蝕，但兩者腐蝕機理卻各不相同，秸稈的質量損失為30%～40%。

（2）在強堿環(huán)境下，秸稈內部結構會遭到嚴重破壞，其直觀表現為秸稈重度萎縮，失去抗拉性能，喪失力學特性。

（3）隨著酸堿對秸稈腐蝕時間的增加，秸稈的抗拉強度逐漸降低。

（4）酸性環(huán)境下，秸稈中起支撐作用的骨架物質——纖維素含量會明顯減少，所以酸性腐蝕后的秸稈抗拉強度要遠遠小于堿性復試后的秸稈的抗拉強度。

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