秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料耐水性試驗(yàn)研究

□文/胡 博 王建恒

隨著新農(nóng)村的建設(shè)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)日益趨向農(nóng)場(chǎng)化的集體大規(guī)模種植生產(chǎn)，個(gè)體農(nóng)戶對(duì)秸稈資源的消納逐漸減少，從而造成大量秸稈資源浪費(fèi)，秸稈資源的有效利用成為日益突出的問題。制備適用于農(nóng)村建筑的材料作為秸稈綜合利用的有效途徑之一，得到大量關(guān)注與研究[1]。秸稈資源與無機(jī)膠凝材料進(jìn)行復(fù)合得到的秸稈復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、制備方式簡(jiǎn)便、造價(jià)低廉等特點(diǎn)[2]。受自身特點(diǎn)的影響，秸稈與無機(jī)膠凝材料制備的復(fù)合材料強(qiáng)度不高，基本無法用于結(jié)構(gòu)支撐材料，但因質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)低，可作為各種墻體的填充材料[3]。另外，秸稈復(fù)合材料的耐水性普遍較差，吸水后易出現(xiàn)強(qiáng)度降低、發(fā)霉變形等問題。相比石膏、普通硅酸鹽水泥等無機(jī)膠凝材料，氯氧鎂水泥更加適合與秸稈進(jìn)行復(fù)合[4]。氯氧鎂水泥水化凝結(jié)迅速，可抵消秸稈所含糖、脂等有機(jī)物造成的緩凝現(xiàn)象[5]，此外氯氧鎂水泥硬化后強(qiáng)度高、耐磨性好；但耐水性差，遇水侵蝕容易出現(xiàn)泛霜、翹曲的現(xiàn)象[6]。

本文通過磷酸二氫鉀、檸檬酸、減水劑配制的復(fù)合磷酸鹽溶液，丙烯酸乳液以及超細(xì)二氧化硅來改善秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的耐水性；研究復(fù)合磷酸鹽溶液濃度、丙烯酸乳液摻加量、超細(xì)二氧化硅摻加量對(duì)秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材耐水性的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

1）玉米秸稈：取自天津市郊區(qū)，干燥條件下存放；去除雜物及受潮霉變的秸稈，破碎機(jī)進(jìn)行破碎，然后進(jìn)行篩分，保留長(zhǎng)度2 cm左右的玉米秸稈。

2）輕燒氧化鎂：選自河北卡特合金材料有限公司，活性氧化鎂含量為55%，燒失量為19%。

3）氯化鎂：選自江陰海融環(huán)?？萍及l(fā)展有限公司，含量＞99%。

4）丙烯酸乳液：固含量30%，選自天津國(guó)隆化工有限公司。

5）磷酸二氫鉀：含量≥99%，工業(yè)級(jí)，選自鄭州金山化工有限公司。

6）檸檬酸：含量99%，工業(yè)級(jí)，選自山東乾高環(huán)?？萍加邢薰?。

7）減水劑：聚羧酸減水劑，取自天津某攪拌站。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 過程

將磷酸二氫鉀2份（質(zhì)量份，下同）、檸檬酸0.5份、減水劑1份與水混合制備復(fù)合磷酸鹽溶液。玉米秸稈置于攪拌桶內(nèi)，將制備好的復(fù)合磷酸鹽溶液灑入秸稈表面，混合均勻；輕燒氧化鎂與超細(xì)二氧化硅進(jìn)行充分混合，倒入攪拌桶繼續(xù)混合攪拌；最后加入丙烯酸乳液與氯化鎂。玉米秸稈7 份，水7 份，氧化鎂14 份，保持秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料中氧化鎂∶氯化鎂∶水的摩爾比為7∶1∶10。攪拌均勻后，注入40 mm×40 mm×160 mm 的模具中成型，24 h 脫膜。在室溫、濕度60%條件下養(yǎng)護(hù)。

1.2.2 性能測(cè)試

秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的耐水性能采用吸水率、軟化系數(shù)進(jìn)行表征。吸水率的測(cè)定參照GB/T 15231—2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能實(shí)驗(yàn)方法》，軟化系數(shù)測(cè)定按照J(rèn)G/T 1169—2005《建筑隔墻用輕質(zhì)條板》。

2 結(jié)果與討論

2.1 丙烯酸乳液對(duì)耐水性能影響

其他條件保持不變，丙烯酸乳液與輕燒氧化鎂的摻量比為0、10%、20%、30%、40%、50%。結(jié)果見圖1。

圖1 丙烯酸乳液摻加量

從圖1可以看出：秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的吸水率隨著丙烯酸乳液加入量增加呈減小的趨勢(shì)。當(dāng)丙烯酸乳液摻量比為0.5 時(shí)，秸稈復(fù)合材料的吸水率為59.52%，相比空白試樣降低了31.4%；軟化系數(shù)隨著丙烯酸乳液摻入量增加而增大。當(dāng)丙烯酸乳液摻量比為0.4 時(shí)，軟化系數(shù)為0.45，摻量比＞0.4 后，隨著丙烯酸乳液摻量增加，秸稈復(fù)合材料的軟化系數(shù)不再變化。

這是因?yàn)?，丙烯酸乳液是水乳型高分子聚合物，在空氣中有快速成膜的特性且?duì)氯氧鎂水泥的水合反應(yīng)物無不良的影響。玉米秸稈周圍附著的丙烯酸乳液層將玉米秸稈的孔隙封閉起來，可阻隔水分的進(jìn)入，從而降低了吸水率；此外，部分丙烯酸乳液成膜后交錯(cuò)穿插在氯氧鎂水泥水化相間，對(duì)結(jié)構(gòu)相起到保護(hù)作用；同時(shí)也對(duì)水化結(jié)晶相結(jié)構(gòu)的孔洞起到填充作用，減少水進(jìn)入的通道[7～8]，從而提高秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料浸水強(qiáng)度并改善軟化系數(shù)。見圖2。

圖2 丙烯酸乳液包裹氯氧鎂水泥微觀形貌

2.2 磷酸鹽復(fù)合溶液對(duì)耐水性影響

丙烯酸乳液加入量為40%，其他條件保持不變，改變復(fù)合磷酸鹽溶液的濃度，分別為2%、4%、6%、8%、10%。結(jié)果見圖3。

圖3 復(fù)合磷酸鹽濃度對(duì)耐水性影響

從圖3 可以看出：隨著復(fù)合磷酸鹽溶液濃度的增大，秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料吸水率整體上有下降的趨勢(shì)，但下降程度有限，由60.3%降低到55.3%；軟化系數(shù)呈增大趨勢(shì)，由0.45增大到0.62，提高了37%。

這是因?yàn)椋阂环矫媪姿岫溻?、檸檬酸等物質(zhì)對(duì)玉米秸稈中的糖類、脂類等有機(jī)物有一定降解作用，減少氯氧鎂水泥在浸水過程中受到糖類、脂類的侵蝕，從而可提高氯氧鎂水泥在浸水中的強(qiáng)度；另一方面，磷酸二氫鉀、檸檬酸、減水劑均可不同程度阻礙氯氧鎂水泥中起到強(qiáng)度作用的5 相、3 相結(jié)晶體向氫氧化鎂的轉(zhuǎn)化，從而可提高氯氧鎂水泥浸水后的力學(xué)強(qiáng)度，提高軟化系數(shù)[9～10]。

2.3 超細(xì)二氧化硅對(duì)耐水性影響

丙烯酸乳液加入量為40%，復(fù)合磷酸鹽溶液的濃度為10%，其他條件保持不變，加入超細(xì)二氧化硅，超細(xì)二氧化硅與輕燒氧化鎂摻量比（質(zhì)量）為2%、4%、6%、8%、10%。結(jié)果見圖4。

圖4 超細(xì)二氧化硅對(duì)耐水性影響

從圖4可以看出：隨著超細(xì)二氧化硅摻量的增大，秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料吸水率降低，軟化系數(shù)增大。當(dāng)超細(xì)二氧化硅摻量為10%時(shí)，吸水率降低24.5%，為41.7%；軟化系數(shù)提高15%，為0.71。

這是因?yàn)椋撼?xì)二氧化硅具有增稠作用和保水性。在氯氧鎂水泥水化過程中，超細(xì)二氧化硅可迅速吸水，防止秸稈中的水分不斷析出影響氯氧鎂水泥水化，促進(jìn)起主要強(qiáng)度作用的5相、3相結(jié)晶相的生成；另一方面，超細(xì)二氧化硅可作為填充物，填充在氯氧鎂水泥水化結(jié)晶相的孔隙中，起到阻礙水侵蝕的作用，從而提高秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的耐水性。

3 結(jié)論

1）隨著丙烯酸乳液摻加量增大，復(fù)合磷酸鹽溶液濃度的提高，超細(xì)二氧化硅摻量的增大，秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料的耐水性得到提高。

2）當(dāng)丙烯酸乳液摻量40%，復(fù)合磷酸鹽溶液濃度為10%，超細(xì)二氧化硅摻量為10%，秸稈復(fù)合材料的吸水率為41.7%，軟化系數(shù)為0.71。

3）經(jīng)過丙烯酸乳液、復(fù)合磷酸鹽溶液、超細(xì)二氧化硅處理后的秸稈-氯氧鎂水泥復(fù)合材料相比未處理的空白樣品，吸水率降低了51.9%，軟化系數(shù)提高了145%。