預(yù)處理及穩(wěn)定劑對(duì)玉米秸稈氯氧鎂水泥復(fù)合材料性能影響

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，而玉米秸稈的綜合利用手段還不夠成熟，部分地區(qū)仍然將其丟棄田間或焚燒，既浪費(fèi)資源，又污染環(huán)境，甚至成了霧霾天氣的“元兇”之一[1]。氯氧鎂水泥具有質(zhì)輕、快硬、高強(qiáng)，對(duì)木質(zhì)材料、植物纖維等生物纖維有很好的膠結(jié)性、低腐蝕性的特點(diǎn)[2～3]。采用氯氧鎂水泥作為玉米秸稈復(fù)合的無(wú)機(jī)膠凝材料制備的玉米秸稈氯氧鎂水泥復(fù)合材料（C-MOC）具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)低等特點(diǎn)[4]。

玉米秸稈雖具有質(zhì)量輕、導(dǎo)熱系數(shù)低的特點(diǎn)，但其外表皮存在由充滿SiO2的硅細(xì)胞和栓質(zhì)化的栓質(zhì)細(xì)胞組成的蠟質(zhì)層，氯氧鎂水泥漿體很難在玉米秸稈外表面潤(rùn)濕、擴(kuò)散和滲透，從而影響制品強(qiáng)度[5]。此外玉米秸稈瓤結(jié)構(gòu)蓬松柔軟、多孔，具有較強(qiáng)的吸水性，其所含水分會(huì)影響氯氧鎂水泥的水化，改變氯氧鎂水泥的水灰比，影響制品性能。本文通過(guò)對(duì)玉米秸稈進(jìn)行預(yù)處理來(lái)改善玉米秸稈外表皮與氯氧鎂水泥的粘結(jié)強(qiáng)度并將硅灰作為穩(wěn)定劑來(lái)穩(wěn)定氯氧鎂水泥的晶型結(jié)構(gòu)，改善C-MOC的性能。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

玉米秸稈取自天津和北京郊區(qū)，將收集的玉米秸稈在陽(yáng)光下暴曬晾干，控制含水率＜10%。通過(guò)580型多功能秸稈粉碎機(jī)進(jìn)行破碎，而后利用電動(dòng)篩進(jìn)行篩分，選取1.25～4.75 mm之間的粉碎玉米秸稈。

輕燒氧化鎂來(lái)自北京利福升化工有限公司，經(jīng)加水水化法測(cè)得其活性氧化鎂含量為55%。氯化鎂選自江陰海融環(huán)保科技發(fā)展有限公司，MgCl2含量＞99%。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 玉米秸稈預(yù)處理

為突出玉米秸稈改性處理對(duì)C-MOC性能的影響，氯氧鎂水泥水灰比為0.47，MgO/MgCl2物質(zhì)的量比為6，玉米秸稈摻量為40%。對(duì)玉米秸稈改性處理試驗(yàn)配比見(jiàn)表1。

表1 玉米秸稈改性試驗(yàn)配比 kg

1）浸水處理。室溫下，將玉米秸稈浸于水中12 h，除去濾液，后用自來(lái)水沖洗2遍，50℃干燥4 h至含水率10%左右，然后與氯氧鎂水泥混合成型。

2）堿液處理。將玉米秸稈浸入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的NaOH溶液中浸泡處理4 h，除去濾液，用自來(lái)水沖洗，直至用pH試紙檢測(cè)濾液為中性。50℃干燥4 h至含水率10%左右，然后與氯氧鎂水泥混合成型。

3）水玻璃裹覆處理。將玉米秸稈置于攪拌機(jī)中，邊攪拌邊噴灑水玻璃溶液，水玻璃溶液加入完畢后繼續(xù)攪拌，直至水玻璃均勻的分散在玉米秸稈表面；然后加入MgO粉末，攪拌均勻，而后加入氯化鎂水溶液和水，攪拌2 min，注漿成型。

4）EVA乳液裹覆處理。將玉米秸稈置于攪拌機(jī)，邊攪拌邊噴灑EVA乳液，EVA乳液加入完畢后繼續(xù)攪拌，直至EVA乳液均勻的分散在玉米秸稈表面；然后加入MgO粉末，攪拌均勻，而后加入氯化鎂水溶液和水，攪拌2 min，注漿成型。

1.2.2 穩(wěn)定劑試驗(yàn)

采用硅灰等質(zhì)量替代輕燒氧化鎂研究其對(duì)氯氧鎂水泥性能的影響，試驗(yàn)中MgO/MgCl2物質(zhì)的量比為6；玉米秸稈的摻量為40%；乳液相對(duì)玉米秸稈的摻入量為80%；硅灰摻量為0、4%、8%、12%、16%、20%，硅灰摻量指摻加硅灰質(zhì)量占輕燒氧化鎂與摻加硅灰質(zhì)量總和的比例，試驗(yàn)配合比見(jiàn)表2。

表2 硅灰摻量試驗(yàn)配比g

1.3 檢測(cè)方法

表觀密度測(cè)定參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》檢測(cè)。力學(xué)性能參照GB/T 17671—1999，分別養(yǎng)護(hù)3、7、28 d齡期，測(cè)試其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。吸水率按照GB/T 15231—2008《玻璃纖維增強(qiáng)水泥性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定方法檢測(cè)。軟化系數(shù)是表征耐水性的參數(shù)，參照J(rèn)G/T 1169—2005《建筑隔墻用輕質(zhì)條板》中軟化系數(shù)測(cè)定方法檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 玉米秸稈改性處理對(duì)C-MOC強(qiáng)度的影響

玉米秸稈未經(jīng)處理C-MOC的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度為1.34、1.19 MPa；浸水處理后C-MOC的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度為1.64、1.44 MPa，相對(duì)未處理的C-MOC分別提高了22%、13%；經(jīng)堿液處理后C-MOC的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度為2.40、1.60 MPa，相對(duì)未處理的C-MOC分別提高了79%、34%；經(jīng)水玻璃包裹處理后C-MOC的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度為0.62、0.68 MPa，相對(duì)未處理的C-MOC分別降低了53%、42%；經(jīng)EVA乳液包裹處理后C-MOC的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度為4.69、3.65 MPa，相對(duì)未處理的C-MOC分別提高了250%、207%。見(jiàn)圖1。

圖1 玉米秸稈改性處理對(duì)C-MOC強(qiáng)度的影響

對(duì)C-MOC強(qiáng)度提高程度的順序?yàn)镋VA乳液處理＞堿液處理＞浸水處理＞未處理＞水玻璃處理。

觀察玉米秸稈預(yù)處理外表皮的微觀形貌，見(jiàn)圖2。

圖2 玉米秸稈預(yù)處理外表皮微觀形貌

浸水處理的玉米秸稈外表皮的淺溝相比未處理的玉米秸稈更加明顯并可看到少量的凸凹結(jié)構(gòu)，說(shuō)明玉米秸稈外表皮經(jīng)過(guò)冷水處理后部分組織被溶解或者脫落；這是因?yàn)樗芙饬擞衩捉斩捴械牟糠掷w維素和半纖維素等物質(zhì)，從而使玉米秸稈暴露出外表皮內(nèi)層的結(jié)構(gòu)，外表皮變得凹凸不平，增加了氯氧鎂水泥的“嵌入”作用，進(jìn)而可以提高與氯氧鎂水泥的結(jié)合度，改善C-MOC的力學(xué)性能。

玉米秸稈經(jīng)堿液處理后光滑的外表面遭到破壞，部分表面物質(zhì)脫落，變得更為粗糙，出現(xiàn)無(wú)數(shù)孔洞和溝槽，使得“膠釘”作用形成，提高與氯氧鎂水泥的結(jié)合度。

將玉米秸稈包裹一層水玻璃后，C-MOC的性能非但沒(méi)有得到改善，強(qiáng)度反而降低了。這是由于在此試驗(yàn)的制備的過(guò)程中，秸稈表面包裹水玻璃溶液后，為防止玉米秸稈結(jié)塊，未等到水玻璃完全成膜，僅僅在少部分水玻璃成膜的情況下，就與MgO粉末進(jìn)行了混合攪拌，加氯化鎂水溶液后成型。水玻璃無(wú)法與空氣中的CO2作用，失去了形成硅酸的條件；即使露在C-MOC表層的水玻璃存在成膜的條件，但是玉米秸稈中吸收的水分也溶解了水玻璃中的堿金屬離子，使成膜固化過(guò)程無(wú)法持續(xù)進(jìn)行。

玉米秸稈經(jīng)過(guò)EVA乳液改性后制備的C-MOC力學(xué)性能最佳。EVA乳液在玉米秸稈的外表面形成了一層薄膜，與玉米秸稈緊密粘接在一起且秸稈與秸稈之間還可通過(guò)EVA乳液粘結(jié)在一起，從而提高了CMOC的緊密度；又由于EVA乳液與氯氧鎂水泥漿體有較好的相容性，與各相晶體發(fā)生了緊密的膠結(jié)，大大提高了晶體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，從而有效改善C-MOC的強(qiáng)度[6]。

2.2 硅灰摻量對(duì)C-MOC性能的影響

2.2.1 對(duì)密度的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著硅灰摻量的增大，C-MOC的密度在816 kg/m3左右浮動(dòng)，變化率＜1%，見(jiàn)圖3。說(shuō)明硅灰未對(duì)C-MOC密度產(chǎn)生影響。

圖3 硅灰摻量對(duì)C-MOC密度的影響

2.2.2 對(duì)強(qiáng)度的影響

隨著硅灰摻量的增大，C-MOC的28 d抗壓強(qiáng)度先增大后降低；當(dāng)硅灰摻量為12%時(shí)，C-MOC的28 d的抗壓強(qiáng)度最大，為6.71 MPa，相比未摻硅灰的空白試樣提高了11.65%。隨著硅灰摻量的增大，C-MOC的28 d抗折強(qiáng)度也呈現(xiàn)先增大，后減小的趨勢(shì)；當(dāng)摻量為12%，C-MOC的28 d抗折強(qiáng)度為5.98 MPa，相比未摻硅灰的空白試樣提高了8.53%。C-MOC7、3 d的抗折、抗壓強(qiáng)度均隨著硅灰摻量的增加，變化不大，說(shuō)明硅灰對(duì)C-MOC的早期凝結(jié)基本未造成影響。見(jiàn)圖4。

圖4 硅灰摻量對(duì)C-MOC力學(xué)性能的影響

2.2.3 對(duì)耐水性的影響

隨著硅灰摻量的增大，C-MOC的吸水率呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；當(dāng)硅灰摻量為12%，C-MOC的吸水率為33.89%，相比未摻硅灰的空白試樣降低了6.6%。隨著硅灰摻量的增大，C-MOC的軟化系數(shù)呈先增大后減小的趨勢(shì)；當(dāng)硅摻量為12%，C-MOC的軟化系數(shù)為6.3，相比為摻粉煤灰的空白試樣增大了34%。見(jiàn)圖5。

硅灰中的球狀結(jié)構(gòu)與氯氧鎂水泥、EVA乳液很好結(jié)合在一起，改變了氯氧鎂水泥中5·1·8相針狀結(jié)構(gòu)相互穿插的結(jié)構(gòu)形貌。這主要是因?yàn)楣杌抑泻谢钚許iO2，在氯氧鎂水泥漿體中5·1·8相和3·1·8相包裹在硅灰小顆粒的表面，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，這些小顆粒凝聚發(fā)生一系列的水化反應(yīng)，形成類似滑石粉人造石的結(jié)構(gòu)3MgO·4SiO2·8H2O，使得硅灰不僅起填充作用，而且有助于穩(wěn)定氯氧鎂水泥中的晶相結(jié)構(gòu)[7～8]。見(jiàn)圖6。

圖5 硅灰摻量對(duì)C-MOC耐水性影響

圖6 硅灰改性C-MOC的微觀形貌

3 結(jié)論

1）分別采用浸水處理、堿液處理、水玻璃包裹處理及EVA乳液包裹處理對(duì)玉米秸稈進(jìn)行改性，其對(duì)CMOC的改性結(jié)果為：EVA乳液處理＞堿液處理＞浸水處理＞未處理＞水玻璃處理。

2）隨著硅灰摻量的增大，密度基本未變，吸水率減低；抗折、抗壓強(qiáng)度及軟化系數(shù)前增大后減小，當(dāng)摻量為12%出現(xiàn)最大值。當(dāng)硅灰摻量為12%，C-MOC的密度為816 kg/m3，28 d抗壓強(qiáng)度為6.71 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為5.98 MPa，吸水率為33.89%，軟化系數(shù)為6.3。