秸稈-氯氧鎂水泥復合材料耐水性試驗研究

□文/胡 博 王建恒

隨著新農村的建設，農業生產日益趨向農場化的集體大規模種植生產，個體農戶對秸稈資源的消納逐漸減少，從而造成大量秸稈資源浪費，秸稈資源的有效利用成為日益突出的問題。制備適用于農村建筑的材料作為秸稈綜合利用的有效途徑之一，得到大量關注與研究[1]。秸稈資源與無機膠凝材料進行復合得到的秸稈復合材料具有質量輕、制備方式簡便、造價低廉等特點[2]。受自身特點的影響，秸稈與無機膠凝材料制備的復合材料強度不高，基本無法用于結構支撐材料，但因質量輕、導熱系數低，可作為各種墻體的填充材料[3]。另外，秸稈復合材料的耐水性普遍較差，吸水后易出現強度降低、發霉變形等問題。相比石膏、普通硅酸鹽水泥等無機膠凝材料，氯氧鎂水泥更加適合與秸稈進行復合[4]。氯氧鎂水泥水化凝結迅速，可抵消秸稈所含糖、脂等有機物造成的緩凝現象[5]，此外氯氧鎂水泥硬化后強度高、耐磨性好；但耐水性差，遇水侵蝕容易出現泛霜、翹曲的現象[6]。

本文通過磷酸二氫鉀、檸檬酸、減水劑配制的復合磷酸鹽溶液，丙烯酸乳液以及超細二氧化硅來改善秸稈-氯氧鎂水泥復合材料的耐水性；研究復合磷酸鹽溶液濃度、丙烯酸乳液摻加量、超細二氧化硅摻加量對秸稈-氯氧鎂水泥復合材耐水性的影響。

1 試驗

1.1 原材料

1）玉米秸稈：取自天津市郊區，干燥條件下存放；去除雜物及受潮霉變的秸稈，破碎機進行破碎，然后進行篩分，保留長度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：選自江陰海融環保科技發展有限公司，含量＞99%。

4）丙烯酸乳液：固含量30%，選自天津國隆化工有限公司。

5）磷酸二氫鉀：含量≥99%，工業級，選自鄭州金山化工有限公司。

6）檸檬酸：含量99%，工業級，選自山東乾高環保科技有限公司。

7）減水劑：聚羧酸減水劑，取自天津某攪拌站。

1.2 試驗方法

1.2.1 過程

將磷酸二氫鉀2份（質量份，下同）、檸檬酸0.5份、減水劑1份與水混合制備復合磷酸鹽溶液。玉米秸稈置于攪拌桶內，將制備好的復合磷酸鹽溶液灑入秸稈表面，混合均勻；輕燒氧化鎂與超細二氧化硅進行充分混合，倒入攪拌桶繼續混合攪拌；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%條件下養護。

1.2.2 性能測試

秸稈-氯氧鎂水泥復合材料的耐水性能采用吸水率、軟化系數進行表征。吸水率的測定參照GB/T 15231—2008《玻璃纖維增強水泥性能實驗方法》，軟化系數測定按照JG/T 1169—2005《建筑隔墻用輕質條板》。

2 結果與討論

2.1 丙烯酸乳液對耐水性能影響

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。當丙烯酸乳液摻量比為0.5 時，秸稈復合材料的吸水率為59.52%，相比空白試樣降低了31.4%；軟化系數隨著丙烯酸乳液摻入量增加而增大。當丙烯酸乳液摻量比為0.4 時，軟化系數為0.45，摻量比＞0.4 后，隨著丙烯酸乳液摻量增加，秸稈復合材料的軟化系數不再變化。

這是因為，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對氯氧鎂水泥的水合反應物無不良的影響。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，可阻隔水分的進入，從而降低了吸水率；此外，部分丙烯酸乳液成膜后交錯穿插在氯氧鎂水泥水化相間，對結構相起到保護作用；同時也對水化結晶相結構的孔洞起到填充作用，減少水進入的通道[7～8]，從而提高秸稈-氯氧鎂水泥復合材料浸水強度并改善軟化系數。見圖2。

圖2 丙烯酸乳液包裹氯氧鎂水泥微觀形貌

2.2 磷酸鹽復合溶液對耐水性影響

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

圖3 復合磷酸鹽濃度對耐水性影響

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

這是因為：一方面磷酸二氫鉀、檸檬酸等物質對玉米秸稈中的糖類、脂類等有機物有一定降解作用，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度作用的5 相、3 相結晶體向氫氧化鎂的轉化，從而可提高氯氧鎂水泥浸水后的力學強度，提高軟化系數[9～10]。

2.3 超細二氧化硅對耐水性影響

丙烯酸乳液加入量為40%，復合磷酸鹽溶液的濃度為10%，其他條件保持不變，加入超細二氧化硅，超細二氧化硅與輕燒氧化鎂摻量比（質量）為2%、4%、6%、8%、10%。結果見圖4。

圖4 超細二氧化硅對耐水性影響

從圖4可以看出：隨著超細二氧化硅摻量的增大，秸稈-氯氧鎂水泥復合材料吸水率降低，軟化系數增大。當超細二氧化硅摻量為10%時，吸水率降低24.5%，為41.7%；軟化系數提高15%，為0.71。

這是因為：超細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，促進起主要強度作用的5相、3相結晶相的生成；另一方面，超細二氧化硅可作為填充物，填充在氯氧鎂水泥水化結晶相的孔隙中，起到阻礙水侵蝕的作用，從而提高秸稈-氯氧鎂水泥復合材料的耐水性。

3 結論

1）隨著丙烯酸乳液摻加量增大，復合磷酸鹽溶液濃度的提高，超細二氧化硅摻量的增大，秸稈-氯氧鎂水泥復合材料的耐水性得到提高。

2）當丙烯酸乳液摻量40%，復合磷酸鹽溶液濃度為10%，超細二氧化硅摻量為10%，秸稈復合材料的吸水率為41.7%，軟化系數為0.71。

3）經過丙烯酸乳液、復合磷酸鹽溶液、超細二氧化硅處理后的秸稈-氯氧鎂水泥復合材料相比未處理的空白樣品，吸水率降低了51.9%，軟化系數提高了145%。