不同表面處理麥秸稈對水泥基材料力學性能的影響

王繼博，劉瑋雯，羅作球，孟剛，任慧超，馮濤濤

（1. 中建西部建設北方有限公司，陜西 西安 710086；2. 武漢市洪山高級中學，湖北 武漢 430075）

不同表面處理麥秸稈對水泥基材料力學性能的影響

王繼博1，劉瑋雯2，羅作球1，孟剛1，任慧超1，馮濤濤1

（1. 中建西部建設北方有限公司，陜西 西安 710086；2. 武漢市洪山高級中學，湖北 武漢 430075）

本文分別采用堿液蒸煮、硅烷偶聯劑接枝、聚合物包裹三種方法對麥秸稈進行表面處理，并將其應用于水泥基材料中，探究在不同表面處理方式下麥秸稈對水泥基材料力學性能的影響。研究表明：采用堿液蒸煮法制備麥秸稈纖維時 NaOH 最佳濃度為 15%，蒸煮時間控制在 40min；硅烷偶聯劑與聚乙烯醇濃度均為 1% 分別是接枝處理與包裹處理麥秸稈纖維的最佳濃度；經對比分析，在堿液蒸煮基礎上，選用聚合物包裹處理麥秸稈纖維對其水泥基材料力學性能改善具有更好的效果。

麥秸稈纖維；堿液蒸煮；硅烷偶聯劑；聚乙烯醇；水泥基材料

0 引言

作為一個農業大國，我國麥秸稈資源產量豐富，但目前針對麥秸稈采取的處理措施大多為就地堆放或焚燒，導致大量土地被占用，同時焚燒產生的 CO2和灰塵對生態環境造成嚴重破壞[1-2]。麥秸稈纖維因其結構致密，具有良好的韌性和抗拉強度，將其摻入水泥基材料中可控制內部裂紋生長，進而增強水泥基材料的抗裂與抗拉性能，這對麥秸稈資源的變廢為寶、可持續利用具有重要意義[3-5]。

纖維素、半纖維素和木素是麥秸稈中的天然高分子物質，其中纖維素含量最高，但麥秸稈表面有一層蠟狀物質限制了麥秸稈纖維的作用，為充分提取麥秸稈纖維，通常采取堿液蒸煮法對其進行表面處理[6-7]。在此基礎上，分別采用硅烷偶聯劑與聚乙烯醇對麥秸稈纖維進行表面改性，利用硅烷偶聯劑“接枝”和聚合物“包裹”作用均可提高麥秸稈纖維與復合材料基體的結合強度，最終改善復合材料的力學性能[8-10]。在現有研究中，目前缺乏在不同表面處理方式下麥秸稈對水泥基材料力學性能影響的對比分析，導致麥秸稈的優化處理工藝尚未明確，制約了麥秸稈在水泥基材料中的應用。

本文采用堿液蒸煮法對麥秸稈進行纖維提取，分別對麥秸稈纖維進行硅烷偶聯劑接枝和聚合物包裹處理，并將其應用于水泥基材料中，通過基礎試驗研究麥秸稈在不同表面處理方式下對水泥基材料力學性能的影響，為麥秸稈今后在水泥基材料中的優化應用工藝提供依據。

1 試驗

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R 水泥，陜西冀東水泥有限公司生產。

砂：標準砂，廈門艾思鷗標準砂有限公司生產。

水：采用普通自來水。

麥秸稈：陜西省戶縣生產，最大直徑為 6.87mm。氫氧化鈉（NaOH）：分析純，天津市北聯精細化學品開發有限公司生產。

硅烷偶聯劑：KH550，東莞市康錦塑膠化工廠生產。

聚乙烯醇（PVA）：天津市光復精細化工研究所生產。

無水乙醇：分析純，天津市天力化學試劑有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 堿液蒸煮提取纖維

取一定量麥秸稈分別浸泡入 5%、10% 和 15% 的NaOH 溶液中，蒸煮時間分別控制為 10min、20min、30min 與 40min，蒸煮溫度為 100℃，經高速攪拌器混合攪拌 30min，將處理后的混合物在 80℃高溫下烘干6h，最終制得麥秸稈纖維。

1.2.2 硅烷偶聯劑接枝

對硅烷偶聯劑進行無水乙醇稀釋處理，按 0.5%、1.0%、1.5% 和 2.0% 摻量將硅烷偶聯劑與經堿液蒸煮處理后的麥秸稈纖維用高速攪拌器混合攪拌 30min，取出混合物后在 80℃ 高溫下烘干 6h。

1.2.3 聚合物包裹

將聚乙烯醇溶入 100℃ 水中，制得濃度分別為1%、2% 和 3% 的聚乙烯醇溶液，將經堿液蒸煮處理后的麥秸稈纖維分別加入不同濃度的聚乙烯醇溶液中，并用高速攪拌器混合攪拌 30min，取出混合物后在 80℃高溫下烘干 6h。

1.2.4 水泥膠砂強度試驗

按照 GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》將不同蒸煮時間、不同濃度 NaOH 蒸煮、不同濃度硅烷偶聯劑接枝和不同濃度聚乙烯醇包裹改性的麥秸稈纖維固定摻量 0.1%（秸灰比）摻入水泥膠砂中，并設置不添加麥秸稈纖維的空白對照組 JZ，分別測定其抗折強度與抗壓強度，其配合比如表 1 所示。

表 1 水泥膠砂試驗配合比參數

2 結果與分析

2.1 堿液蒸煮時間對水泥基材料力學性能影響

采用堿液蒸煮法處理麥秸稈，固定 NaOH 溶液濃度為 5%，將處理后得到的麥秸稈纖維摻入水泥基材料中，堿液蒸煮時間對水泥基材料力學性能的影響如表 2所示。

表 2 堿液蒸煮時間對水泥基材料力學性能影響

由圖 1 可以看出，隨著堿液蒸煮時間的增加，水泥基材料抗折強度出現上升趨勢。這是因為延長蒸煮時間，有利于麥秸稈中非纖維素在堿液中的有效分解，使得純度較高麥秸稈纖維在水泥基材料中能充分發揮增韌作用。另一方面蒸煮時間對水泥基材料 28d 抗壓強度影響幅度不大，綜合考慮最終選擇 40min 為適宜的堿液蒸煮時間。

圖 1 堿液蒸煮時間對水泥基材料力學性能影響

2.2 NaOH 濃度對水泥基材料力學性能影響

堿液蒸煮麥秸稈時間固定為 40min，研究 NaOH 濃度對水泥基材料力學性能的影響，試驗結果如表 3 所示。

表 3 NaOH 濃度對水泥基材料力學性能影響

由圖 2 可知，水泥基材料抗折強度隨 NaOH 濃度的增加呈現出先增加后下降的趨勢，其抗壓強度值整體上均略高于基準組。這是由于較高濃度的 NaOH 溶液能較為有效的將麥秸稈表面蠟狀物質溶出，并進一步高效分解麥秸稈中含有的半纖維素組分，從而制得純度更高的麥秸稈纖維，有利于纖維增強作用的充分發揮，最終改善其水泥基材料的力學性能。但當 NaOH 濃度高于15% 時，堿液蒸煮對麥秸稈的表面處理作用達到一定程度的飽和，導致其水泥基材料的力學性能略微下降，綜上所述堿液 NaOH 的最佳濃度選定為 15%。

圖 2 NaOH 濃度對水泥基材料力學性能影響

2.3 硅烷偶聯劑濃度對水泥基材料力學性能影響

選取 NaOH 濃度為 15%，蒸煮時間為 40min 對麥秸稈進行堿液蒸煮制得麥秸稈纖維，對麥秸稈纖維進行硅烷偶聯劑接枝處理，研究不同硅烷偶聯劑濃度對水泥基材料力學性能的影響，結果如表 4 所示。

表 4 硅烷偶聯劑濃度對水泥基材料力學性能影響

如圖 3 所示，隨著硅烷偶聯劑濃度的增加，其水泥基材料 7d 與 28d 抗折強度均先增大后減小，而 7d 與28d 抗壓強度對比空白試驗組浮動不明顯。濃度在 1%之前，其水泥基材料力學性能隨濃度的升高而增強，這是因為硅烷偶聯劑極性基團（X）水解形成硅醇與麥秸稈纖維表面主要的化學基團發生反應形成 A-O-Si 鍵（A為麥秸稈纖維基體）或氫鍵，而非水解基團與水泥基材料基體相結合，在復合界面之間形成 A-O-Si-RY（R 為水泥基材料基體，Y 為非水解基團）作用鍵，此時硅烷偶聯劑接枝在麥秸稈纖維表面，隨著濃度的上升，麥秸稈纖維表面的粗糙度增加，與水泥基材料之間的粘結強度增強，并在結合處會形成傳輸應力界面層，最終提高了水泥基材料的力學強度。但當濃度超過 1% 時，硅烷偶聯劑對麥秸稈纖維的表面增強作用減弱，此時水泥基材料的力學性能出現小幅度下降，這表明硅烷偶聯劑的接枝作用在濃度為 1% 時達到最大臨界值，此時對麥秸稈纖維的表面增強作用效果最佳。

硅烷偶聯劑接枝改性麥秸稈纖維反應分為水解和聚合兩個過程，反應機理分別如圖 4 所示。

2.4 聚乙烯醇濃度對水泥基材料力學性能影響

采用堿液蒸煮法制備麥秸稈纖維，NaOH 濃度選取為 15%，蒸煮時間控制為 40min，選取聚乙烯醇溶液對麥秸稈纖維進行聚合物包裹處理，將其應用于水泥基材料中，聚乙烯醇濃度對水泥基材料力學性能影響結果如表 5 所示。

圖 3 硅烷偶聯劑濃度對水泥基材料力學性能影響

圖 4 硅烷偶聯劑接枝改性麥秸稈纖維反應機理方程式

表 5 聚乙烯醇濃度對水泥基材料力學性能影響

由圖 5 可知，經包裹處理的麥秸稈纖維水泥基材料，其抗折強度值隨聚乙烯醇濃度的增加呈現出下降趨勢，抗壓強度值則出現小范圍浮動，但整體上其抗折強度與 28d 抗壓強度均高于空白對照組。這是因為經溶解后聚乙烯醇中的羥基與麥秸稈纖維表面的極性基團產生吸附力從而包裹在纖維表面，表面處的聚乙烯醇滲透到水泥基材料基體中，隨水分蒸發將纖維與水泥基材料交織在一起，進一步增強麥秸稈纖維與水泥基材料的界面粘合力，最終提升水泥基材料的力學性能，特別是改善其抗折強度，該作用機理模型如圖 6 所示。但經過高濃度下聚乙烯醇的包裹處理后，麥秸稈纖維會發生相互粘黏，導致其在制備水泥基材料過程中不能均勻分散與受力，導致水泥基材料的力學性能隨聚乙烯醇濃度的升高而發展受限，故聚乙烯醇濃度為 1% 時對麥秸稈纖維的包裹作用最好，此時其水泥基材料的力學性能顯著。

圖 5 聚乙烯醇濃度對水泥基材料力學性能影響

圖 6 麥秸稈纖維與水泥基材料基體界面處聚乙烯醇的作用模型

2.5 不同處理方式的對比分析

相比于不添加麥秸稈的空白對照組，將經過堿液蒸煮處理得到的麥秸稈纖維加入水泥基材料中，可在一定程度上提高水泥基材料力學性能，NaOH 濃度 15%、蒸煮時間 40min 是堿液蒸煮的最佳處理方式，此時水泥基材料 28d 抗折強度為 9MPa，抗壓強度為 51.8MPa。

在制得麥秸稈纖維基礎上，采用濃度為 1% 的硅烷偶聯劑對麥秸稈纖維進行接枝處理時效果最好，可將水泥基材料 28d 抗折強度提高至 9.9MPa，此時抗壓強度為 50.8MPa。選取濃度為 1% 的聚乙烯醇溶液對麥秸稈纖維包裹處理作用最佳，可將水泥基材料 28d 抗折強度與抗壓強度分別提升至 10.3MPa 和 52.6 MPa。

綜合水泥基材料整體力學性能對比分析，在堿液蒸煮基礎上，分別在最佳工藝下采用聚合物包裹處理麥秸稈纖維相比于硅烷偶聯劑接枝和單純的堿液蒸煮處理具有更好的改性效果。

3 結論

（1）采用堿液蒸煮法制備麥秸稈纖維時 NaOH 最佳濃度為 15%、最佳蒸煮時間為 40min，對比空白對照組，該工藝條件下可將水泥基材料 28d 抗折強度提高至9MPa，抗壓強度提高至 51.8MPa。

（2）硅烷偶聯劑接枝處理麥秸稈纖維的最佳工藝為將硅烷偶聯劑濃度控制在 1%，可將水泥基材料 28d抗折強度提高至 9.9MPa，此時抗壓強度為 50.8MPa。

（3）聚合物包裹麥秸稈纖維的最佳處理方式是控制聚乙烯醇濃度在 1%，該工藝可分別將水泥基材料28d 抗折強度與抗壓強度提高至 10.3MPa 和 52.6MPa。

（4）在堿液蒸煮處理基礎上，采取最佳工藝下聚合物包裹處理麥秸稈纖維相比于硅烷偶聯劑接枝和單純的堿液蒸煮對其水泥基材料力學性能具有更好的改性作用。

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Effects of wheat straw treated with different surface treatments on mechanical properties of cement-based materials

Wang Jibo1, Liu Weiwen2, Luo Zuoqiu1, Meng Gang1, Ren Huichao1, Feng Taotao1
(1. China West Construction North CO., Ltd., Xi'an 710086; 2. Wuhan Hongshan High School, Wuhan 430075)

Using alkali liquorcooking, silane coupling agentgrafting, polymer enwrapping three methods to treat wheat straw surface, and it is applied in cement-based materials, explore wheat straw in different surface treatment methods influences on the mechanical properties of cement-based materials. The study shows that the best NaOH concentration of alkali liquorcooks wheat straw fiber is 15%, the cooking time controlled in 40min; When silane coupling agent and polyvinyl alcohol concentration is 1% respectively, reach best concentration of grafting and enwrapping wheat straw fiber;by comparative analysis, the treatment of wheat straw fiber with polymer enwrapping on the basis of alkali liquor cooking has better effect on improving the mechanical properties of cement-based materials.

wheat straw fiber; liquorcooking; silane coupling agent; polyvinyl alcohol; cement-based materials

王繼博（1991—），男，陜西寶雞人，助理工程師，碩士，主要從事高性能水泥混凝土研究以及固廢綜合利用。

［通訊地址］陜西省西安市未央區六村堡物流中心一干路 3 號中建西部建設北方有限公司研發中心（710086）