廢棄再生木纖維對輕質(zhì)保溫砂漿力學(xué)性能和保溫性能的影響

摘 要：利用廢棄木材生產(chǎn)再生木纖維制備綠色建材產(chǎn)品，既可節(jié)約資源，又可實現(xiàn)廢棄木材的再生資源化利用。本文通過研究再生木纖維對輕質(zhì)保溫砂漿力學(xué)性能和保溫性能的影響規(guī)律，確定再生木纖維與水泥的最佳比例（灰木比）。研究表明，隨著灰木比的增加，再生木纖維含量減少，輕質(zhì)保溫砂漿的抗壓、抗折強(qiáng)度不斷增加，保溫性能卻呈現(xiàn)下降的趨勢。相比于未預(yù)濕再生木纖維組砂漿，當(dāng)灰木比為3.0時，預(yù)濕組再生木纖維砂漿的28d抗壓強(qiáng)度由24.7MPa增加至28.4MPa，28d抗折強(qiáng)度由9.6MPa增加至10.3MPa，但其保溫性能明顯降低，導(dǎo)熱系數(shù)由0.248W/m·K增加至0.263W/m·K，但均可滿足實際工程需求。

關(guān)鍵詞：再生木纖維；保溫砂漿；力學(xué)性能；導(dǎo)熱系數(shù)；固廢文章編號：2095-4085（2024）10-0245-03

0 引言

廢棄木材經(jīng)破碎篩分處理后可以得到不同級配、粒徑尺寸的再生木纖維。在綠色建筑和節(jié)能減排的大背景下，利用廢棄木材制備再生木纖維，生產(chǎn)各種人造板、墻體材料等綠色建材產(chǎn)品，已逐漸成為廢棄木材資源化利用研究的發(fā)展趨勢^［1-2］。利用廢棄再生木纖維制備水泥基材料，不僅能夠提高其宏觀性能，還能緩解優(yōu)質(zhì)木材資源匱乏問題，顯著降低施工生產(chǎn)成本和環(huán)境污染，經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益顯著。

國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對木纖維水泥基材料進(jìn)行了相關(guān)研究工作。張林^［3］等人在不同密度等級的加氣混凝土摻入木纖維，其抗彎和抗拉強(qiáng)度得到了顯著的增強(qiáng)。祝毫華^［4］等人研究表明增加楊木纖維尺寸和體積分?jǐn)?shù)均會降低砂漿的抗折強(qiáng)度，而增加楊木纖維的體積分?jǐn)?shù)將提高砂漿的抗壓強(qiáng)度，添加3.0%的木纖維可以使砂漿72h自收縮降低45.6%。同時，適當(dāng)添加木纖維還可以促進(jìn)水泥漿體的早期凝結(jié)，從而縮短水泥的初凝時間^［5］。木纖維本身的纖維素成分具有交錯相連的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠有效抑制水泥基材料的收縮開裂問題^［6-7］，有助于水泥基材料在承受拉壓應(yīng)力時表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性和耐久性。再生木纖維具有輕質(zhì)、吸聲、隔熱等特性，可以降低混凝土的自重，減小聲波反射，提供隔熱效果，這些特性可以在輕質(zhì)保溫砂漿墻體材料中得到充分利用，具有環(huán)保和可持續(xù)性的優(yōu)勢。因此，本文利用廢棄木材再生纖維制備輕質(zhì)保溫砂漿，系統(tǒng)研究再生木纖維對輕質(zhì)保溫砂漿的力學(xué)性能和保溫性能的影響規(guī)律，為再生木纖維在保溫砂漿中的工程推廣與應(yīng)用提供理論依據(jù)和科學(xué)參考。

1 實驗

1.1 原材料

水泥：木纖維的摻入會影響普通硅酸鹽水泥水化反應(yīng)，進(jìn)而導(dǎo)致其流動性降低，凝結(jié)硬化慢等缺陷。因此，本文采用42.5級快硬硫鋁酸鹽水泥，初凝時間和終凝時間分別為28min和43min，比表面積為403/（m²·kg^-1）。

再生木纖維：利用再生木纖維撕碎機(jī)對廢棄樺木板材破碎、篩分處理得到再生樺木纖維（見圖1），密度為1.16kg/m³，吸水率為95.9%，含水率為4.32%。

細(xì)骨料：選用Ⅱ級天然河砂，表觀密度為2.58kg/m³，細(xì)度模數(shù)為2.4，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用砂》（GB/T 14684-2011）中的性能要求。

外加劑：高效聚羧酸減水劑，摻量為膠凝材料用量的2.0%～2.2%，減水率為25%。

纖維素醚：纖維素醚（羥丙基甲基纖維素，HPMC）的規(guī)范主要根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)Q_0306SHD004-2019《羥丙基甲基纖維素》進(jìn)行規(guī)定。摻量為膠凝材料的0.4%（見圖2）。

1.2 實驗方案設(shè)計

本文以快硬硫鋁酸鹽水泥為膠凝材料，以天然河砂作為細(xì)骨料，制備再生木纖維保溫砂漿，試驗分為預(yù)濕實驗組與未預(yù)濕實驗組進(jìn)行對比。保溫砂漿的水灰比定為0.3，水泥與木纖維的比例（灰木比）分別設(shè)計為0.8、1.0、1.5、2.0和3.0，纖維素醚摻量為水泥膠凝材料的4‰，聚羧酸減水劑摻量為膠凝材料的2.0%，其詳細(xì)配合比如表1所示。

1.3 測試方法

按照水灰比0.3稱取拌合水和快硬硫鋁酸鹽水泥，再根據(jù)不同的灰木比分別稱取相應(yīng)的木纖維。使用JJ-5型砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌，在攪拌鍋中依次加入水泥、木纖維和纖維素醚，加水前先將混合材料用攪拌機(jī)干拌3～5min使木纖維分布更加均勻。攪拌好的木纖維水泥基材料先測試流動度，測試完流動度后將木纖維水泥基材料裝入試模。

本試驗中采用的尺寸為160mm×40mm×40mm，試塊制備完成后放置在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。試塊應(yīng)在20℃±2℃的溫度下，相對濕度大于95%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)。達(dá)到規(guī)定齡期之后，分別測定試件的3d、7d、14d和28d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。同時，將拌合物制成300mm×300mm×35 mm的保溫砂漿試塊，28d后烘至絕干，將試塊置于導(dǎo)熱系數(shù)測定儀中測定導(dǎo)熱系數(shù)。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 抗壓強(qiáng)度

圖3（a）和（b）分別為水灰比為0.3時未預(yù)濕組和預(yù)濕組木纖維保溫砂漿的灰木比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線。由圖3（a）可知，在養(yǎng)護(hù)齡期一定時，未預(yù)濕組保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度性能隨灰木比的增加而增大。這主要是因為隨著灰木比的增加，用于包裹木纖維的水泥漿體含量增加，減弱了木纖維表面的粗糙程度和摩擦力，增加了砂漿的工作性，提高了其密實程度。相比之下，由圖3（b）可知，經(jīng)過對再生木纖維預(yù)濕處理，木纖維保溫砂漿的抗壓強(qiáng)度要顯著強(qiáng)于未預(yù)濕組砂漿的強(qiáng)度。預(yù)濕處理是指在木纖維水泥基材料試件制備前將木纖維與水1∶1拌合進(jìn)行濕潤處理的工藝。由于未預(yù)濕組的木纖維會優(yōu)先吸收拌合水，使得水泥水化用水量降低，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度減小。通過預(yù)濕處理，水泥水化反應(yīng)充分進(jìn)行，還能使木纖維砂漿在硬化過程中保持一定的濕度，有利于試塊的養(yǎng)護(hù)和后期強(qiáng)度發(fā)展。當(dāng)灰木比為3.0時，其7d抗壓強(qiáng)度由24.2MPa增加至26.3MPa；28d強(qiáng)度由24.7MPa增加至28.4MPa。

2.2 抗折強(qiáng)度

圖4（a）和（b）分別為水灰比為0.3時未預(yù)濕組和預(yù)濕組木纖維保溫砂漿的灰木比與抗折強(qiáng)度的關(guān)系曲線。由圖可知，在養(yǎng)護(hù)齡期一定時，未預(yù)濕組和預(yù)濕組的保溫砂漿的抗折強(qiáng)度性能均隨灰木比的增加而增大。這主要是因為隨著灰木比的增加，用于包裹木纖維的水泥漿體含量增加，使得漿體內(nèi)部的木纖維能夠充分發(fā)揮其增韌效果。由圖4（b）可知，經(jīng)過對再生木纖維預(yù)濕處理，可以看到預(yù)濕組木纖維保溫砂漿在抗折強(qiáng)度方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，當(dāng)灰木比為3.0時，相較于未預(yù)濕組，其7d抗折強(qiáng)度由9.1MPa增加至9.8MPa；28d抗折強(qiáng)度由9.6MPa增加至10.3MPa。

2.3 保溫性能

圖5為水灰比為0.3時未預(yù)濕組和預(yù)濕組木纖維保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)對比圖。由圖可知，隨著灰木比的增加，兩個組別的保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)均不斷增加，保溫性能降低。換句話說，隨著再生木纖維含量的降低，砂漿的干密度逐漸增加，同時保溫砂漿的強(qiáng)度增加但是其保溫性能減弱。同時，在灰木比和養(yǎng)護(hù)齡期一定時，預(yù)濕組木纖維保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)要明顯高于未預(yù)濕組保溫砂漿，當(dāng)灰木比為1.0時，預(yù)濕組砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)由0.213W/m·K增加至0.229W/m·K；當(dāng)灰木比為3.0時，預(yù)濕組砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)由0.248W/m·K增加至0.263W/m·K，這主要與預(yù)濕組保溫砂漿中木纖維所含飽和水量有關(guān)。由此可知，灰木比為3.0時，其力學(xué)性能和保溫性能均能滿足實際工程需求。

3 結(jié)論

（1）未預(yù)濕組和預(yù)濕組保溫砂漿的力學(xué)性能均隨灰木比的增加而增大。當(dāng)灰木比為3.0時，其28d抗壓強(qiáng)度由24.7MPa增加至28.4MPa，抗折強(qiáng)度由9.6MPa增加至10.3MPa。這說明再生木纖維的摻入能夠提高保溫砂漿的力學(xué)性能，增加保溫砂漿的韌性和抗裂性能。

（2）灰木比增加會降低砂漿的保溫性能。當(dāng)灰木比為1.0時，預(yù)濕組砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)由0.213W/m·K增加至0.229W/m·K；當(dāng)灰木比為3.0時，預(yù)濕組砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)由0.248W/m·K增加至0.263W/m·K，這主要與預(yù)濕組保溫砂漿中木纖維所含飽和水量有關(guān)。

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