秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料正交試驗研究

宋永帥，李莉，張華剛，楊嬌嬌

（1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 空間結(jié)構(gòu)研究中心，貴州 貴陽 550025）

0 引言

我國每年產(chǎn)生約7億t農(nóng)作物秸稈，大多數(shù)由農(nóng)民自行焚燒處理，利用率低且會對環(huán)境產(chǎn)生污染[1]，因此，如何科學(xué)、高效利用農(nóng)作物秸稈已成為當下研究熱點。近年來，有利用氯氧鎂水泥（MOC）與秸稈制作新型建筑材料的研究。氯氧鎂水泥是一種氣硬性膠凝材料，具有輕質(zhì)、高強、快硬、對秸稈等植物纖維有良好的粘結(jié)力和低腐蝕性的特點[2]，另外，我國鎂礦豐富、易開采、品位高，加上制鹽工業(yè)產(chǎn)生的副產(chǎn)品氯化鎂為制作氯氧鎂水泥提供了豐足的材料來源[3]，將秸稈作為氯氧鎂水泥的填充材料制成輕質(zhì)、保溫、隔熱的綠色節(jié)能建筑材料成為有效解決農(nóng)作物秸稈污染的方法之一，但其制品強度低、脆性大[4]，限制了其推廣應(yīng)用。為了提高秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能，目前研究主要集中于通過改變秸稈摻量、秸稈長度、外加劑、預(yù)處理等方式[5-6]。曹旭輝等[7]研究不同粒徑的稻草纖維對氯氧鎂水泥強度的影響，發(fā)現(xiàn)隨著纖維尺寸的增大，材料的強度降低越大。蘇華雷等[8]利用檸檬酸對氯氧鎂水泥進行改性，檸檬酸摻量為1%時對氯氧鎂水泥抗壓強度的提高。目前缺乏利用高強纖維來改善秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料力學(xué)性能的研究，玄武巖纖維作為一種新興的無機纖維材料，具有性價比高、抗拉強度高、耐腐蝕等特點，研究證明，將玄武巖纖維添加在建筑材料中對制品的力學(xué)性能有增強作用[9-10]，但玄武巖纖維在氯氧鎂水泥及其制品中的研究較少，因此本文采用玄武巖纖維來提高秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的強度。

本研究利用正交試驗的方法，將檸檬酸、玄武巖纖維、減水劑和秸稈尺寸作為影響因素，討論各因素對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料抗折強度和抗壓強度的影響，以期為該材料能應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)找到合適的配合比，然后在正交試驗結(jié)果基礎(chǔ)上進行單因素試驗，研究玄武巖纖維摻量和長度對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料抗折和抗壓強度的影響，并結(jié)合掃描電鏡（SEM）微觀測試結(jié)果分析其作用機理，以期為秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的研究提供參考。

1 試驗

1.1 原材料

輕燒氧化鎂粉（MgO）、氯化鎂（MgCl2）：常州宏豐化工有限公司，均為工業(yè)級，通過水合法測得輕燒氧化鎂活性含量為59.98%；氯化鎂含量為46%。秸稈纖維：水稻秸稈，經(jīng)切碎處理后再使用孔徑為2.36、4.75、9.5 mm的方孔標準篩篩分成需要的粒徑，將其自然風(fēng)干確保含水率≤10%。聚羧酸減水劑：上海臣啟化工科技有限公司；檸檬酸：工業(yè)級，含量≥99%；玄武巖纖維：長沙檸祥建材有限公司，長度6、12 mm，密度2.65 g/cm3，直徑15μm，抗拉強度4100 MPa，彈性模量100 GPa。

1.2 正交試驗設(shè)計

設(shè)計4因素4水平L16（45）正交試驗，根據(jù)課題組前期研究成果確定氯氧鎂水泥三組分的摩爾比為n（MgO）∶n（MgCl2）∶n（H2O）=9∶1∶17，秸稈摻量為活性氧化鎂質(zhì)量的20%（本文外摻材料摻量均按占活性氧化鎂質(zhì)量計）[11]，因素水平如表1所示。

表1 正交試驗因素水平

1.3 試驗方法

稱取各組試驗所需的原材料，將氯化鎂和水置于燒杯中混合，用玻璃棒攪拌至無明顯顆粒后靜置30 min待氯化鎂完全溶解，隨后將剩余原材料置于攪拌鍋中干拌，慢攪90 s，待其攪拌均勻后，加入溶解完全的氯化鎂液攪拌均勻，然后立即倒入40 mm×40 mm×160 mm三聯(lián)試模中振搗成型，由于制作時制品較干不易密實，因此在澆筑時將其壓實，之后放入養(yǎng)護箱中保持相對濕度為65%～70%、溫度（20±1）℃，養(yǎng)護28 d。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正交試驗結(jié)果及分析

試件養(yǎng)護28 d后取出，按照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》測試秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的抗折和抗壓強度，結(jié)果見表2，極差分析見表3。

表2 正交試驗設(shè)計及強度測試結(jié)果

表3 抗折及抗壓強度極差分析

由表3可知：

（1）各因素對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料抗折強度的影響順序為：秸稈尺寸＞玄武巖纖維摻量＞聚羧酸減水劑摻量＞檸檬酸摻量。秸稈尺寸的影響最大，隨著秸稈尺寸的增大，抗折強度隨之提高，在秸稈尺寸為4.75～9.5 mm時達到最高。復(fù)合材料的抗折強度隨著玄武巖纖維摻量的增加而提高，纖維摻量較低時，對抗折強度的影響不大，摻量為2.5 kg/m3時效果最好。聚羧酸減水劑的摻入能夠小幅增強抗折強度，摻量為0.2%時效果最好，摻量超過0.2%后，增強效果減弱。摻加檸檬酸對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的抗折強度影響不大，且摻入檸檬酸會降低抗折強度，僅當摻量為1%時稍有增強效果。

（2）各因素對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料抗壓強度的影響順序為：秸稈尺寸＞玄武巖纖維摻量＞檸檬酸摻量＞聚羧酸減水劑摻量。隨著秸稈尺寸的增大，復(fù)合材料的抗壓強度降低，當秸稈尺寸小于2.36 mm時取得最大值。復(fù)合材料的抗壓強度隨玄武巖纖維摻量的增加總體表現(xiàn)為提高趨勢，當摻量為2.5 kg/m3時對復(fù)合材料抗壓強度的增強效果最好。檸檬酸和聚羧酸減水劑的摻加對復(fù)合材料的抗壓強度均有小幅提高作用，檸檬酸摻量為1.0%時對復(fù)合材料抗壓強度的增強效果最好，聚羧酸減水劑摻量為0.2%時對復(fù)合材料抗壓強度的增強效果最佳。根據(jù)正交試驗結(jié)果綜合考慮各因素對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料抗折、抗壓強度的影響，確定最優(yōu)方案為：秸稈尺寸＜2.36 mm、玄武巖纖維摻量2.5 kg/m3、檸檬酸摻量1.0%、聚羧酸減水劑摻量0.2%。

2.2 玄武巖纖維對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料強度的影響

正交試驗的結(jié)果表明，摻加玄武巖纖維能夠增強秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的抗壓強度、抗折強度，且摻量越大效果越好，因此在上述正交試驗得到的最優(yōu)配合比基礎(chǔ)上繼續(xù)對玄武巖纖維的摻量、長度及改性作用進行深入研究。玄武巖纖維長度分別為6 mm、12 mm及6、12 mm按1∶1質(zhì)量比復(fù)合[記為（6+12）mm]3種尺寸，摻量分別為0（對照組）、1、2、3、4、5 kg/m3，研究玄武巖纖維長度和摻量對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料抗壓和抗折強度的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 玄武巖纖維長度和摻量對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料強度的影響

由圖1（a）可知，纖維長度為（6+12）mm和12 mm時，復(fù)合材料的抗折強度隨著玄武巖纖維摻量的增加先提高后降低，分別在摻量為4、3 kg/m3時達到最高；纖維長度為6 mm時，復(fù)合材料的抗折強度隨著摻量的增加而提高。當摻量相同時，復(fù)合材料的抗折強度隨著玄武巖纖維長度的增加先提高后降低。玄武巖纖維長度為6 mm、摻量為5 kg/m3時，復(fù)合材料的抗折強度達到最大，為12.62 MPa，較對照組提高了15.13%。

由圖1（b）可知，纖維長度為（6+12）mm和12 mm時，復(fù)合材料的抗壓強度隨著玄武巖纖維摻量的增加先提高后降低，分別在摻量為4、3kg/m3時達到最高，當纖維長度為12 mm、摻量為5 kg/m3時，復(fù)合材料的抗壓強度與對照組相近。纖維長度為6 mm時，抗壓強度隨著摻量的增加而提高，且摻量越大，增強效果與另外2組的對照越明顯，當摻量為5 kg/m3時，復(fù)合材料的抗壓強度達到最大值50.12 MPa，與對照組相比提高了7.09%。綜上可知，玄武巖纖維對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的抗折強度、抗壓強度均有提高效果，且對抗折強度的增強作用更好，考慮到材料的制作成本，不再繼續(xù)增加玄武巖纖維的摻量，最終確定玄武巖纖維長度為6 mm、摻量為5 kg/m3。

2.3 玄武巖纖維對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的改性機理

秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料SEM照片見圖2。

圖2 秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料SEM照片

由圖2（a）可以看出，對照組秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料水化膠凝產(chǎn)物呈現(xiàn)團狀，內(nèi)部存在微孔洞、裂紋，整體性較差，秸稈表面與水化膠凝產(chǎn)物的粘結(jié)效果不佳，使得基體強度低。由圖2（b）可知，玄武巖纖維有拉斷和拔出2種破壞形式，能明顯看到纖維拉斷截面和拔出后留下的凹槽，纖維與水化膠凝產(chǎn)物有良好的粘結(jié)，能夠成為一個整體共同受力。由圖2（c）、（d）可以看出，部分纖維貫穿裂縫，能夠抑制裂縫的發(fā)展，纖維表面粘結(jié)破壞和應(yīng)變達到最大導(dǎo)致受拉破壞時，能夠消耗能量，從而提高材料的宏觀強度[12]。當纖維長度短、摻量少時，纖維過于分散，使得無法共同發(fā)揮作用而導(dǎo)致增強效果不佳；纖維長度太長、摻量較大時，易抱團而使得分散性差，造成基體內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布不均，且纖維抱團處成為基體較大的缺陷，從而使得增強效果降低，甚至使力學(xué)強度低于纖維摻量較低的試驗組。由于纖維分散性的原因，才會出現(xiàn)上述單因素試驗中當摻加的纖維中有長度為12 mm的情況時，秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的強度會隨著摻量的增加而先提高后降低，而在纖維長度為6 mm、摻量不大于5 kg/m3時，材料的強度隨著纖維摻量的增加而逐漸提高。因此建議使用長度6 mm玄武巖纖維來提高秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的強度，如果使用長度為12mm的玄武巖纖維，則摻量需控制在3kg/m3以內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）正交試驗結(jié)果表明，秸稈尺寸對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料抗折及抗壓強度的影響最大，且隨著秸稈尺寸增大，抗折強度提高，秸稈顆粒越細，抗壓強度越高；玄武巖纖維摻量的影響次之，摻加玄武巖纖維能夠提高材料的抗折和抗壓強度；減水劑和檸檬酸摻量對復(fù)合材料抗折和抗壓強度的影響相對較小。

（2）摻入玄武巖纖維能提高秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的強度，玄武巖纖維長度為12mm時，秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的抗折和抗壓強度隨著纖維摻量的增加先提高后降低，建議此時摻量不大于3 kg/m3；纖維長度為6 mm、摻量不大于5 kg/m3時，隨著纖維摻量的增加，材料的抗折和抗壓強度逐漸提高。

（3）玄武巖纖維摻量不大于3 kg/m3時，纖維長度對秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的抗折強度和抗壓強度的影響無明顯區(qū)別。

（4）綜合考慮各項因素，確定秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的最優(yōu)配合比為：秸稈尺寸＜2.36 mm，玄武巖纖維長度為6 mm、摻量5 kg/m3，檸檬酸摻量1.0%，聚羧酸減水劑摻量0.2%。