秸秆纤维水泥基复合材料性能的研究

收稿日期:2004-11-031 作者简介:肖力光(1962～),男,吉林省长春市人,教授,在读博士研究生.　3基金项目:吉林省科技发展重大攻关项目(吉科合字20020410-1);国家建设部2004年科学技术计划项目-科研攻关项目(04-2-117)　※吉林建筑工程学院土木工程系无机非金属材料专业2004届毕业生.文章编号:100921288(2005)0120001206秸秆纤维水泥基复合材料性能的研究3肖力光1　李会生※　张奇志2(1:吉林建筑工程学院土木工程系　长春　130021;　2:吉林省建设厅　长春　130061)摘要:对秸秆纤维水泥复合材料的基体相、界面相、复合效果、秸秆纤维水泥基复合材料性能,以及界面剂对其性能的影响等方面进行了研究,结果表明,在界面剂的作用下,秸秆植物纤维和水泥之间取得了良好的界面效果.关键词:秸秆植物纤维;界面剂;水泥基复合材料;性能中图分类号:TU 5 文献标识码:A 我国是一个农业大国,农副产品十分丰富,品种多,数量大.据有关部门统计,我国农作物秸秆总产量超过7亿t ,其中稻草类213亿t 、小麦秸秆112亿t 、玉米秸秆212亿t 、其他农作物秸秆2亿t.但是,在我国,秸秆的利用率却很低,仅占5%左右.农作物收获后,为保证土地的再次耕种,大量的农作物秸秆被烧掉,既浪费了大量的自然资源,又对环境造成了污染,使空气中的二氧化碳、氮气严重超标.随着人们对环保意识的增强,对农作物秸秆的处理问题也逐步引起人们的重视,更重要的是可再生天然资源的开发,可大量补充人类面临的不可再生资源的短缺,对人类的可持续发展有着重要意义.利用农作物秸秆与水泥复合制作新型节能墙体材料,既利用了农作物废料,又达到了节约能源的目的,同时,符合国家《新型墙体材料专项基金征收和使用管理办法》中“原材料掺有不少于30%农作物秸秆、垃圾、工业废料、淤泥的墙体材料”的规定,减免征收税.就原材料而言,我国每年生产农作物秸秆几亿吨,如果取其总量的百分之几用于制造建筑房屋的墙体材料,就可代替数10亿立方米的红砖,不仅节省大量的土地资源,而且,可节约大量的能源消耗,符合国家环保、节能、综合利用的产业政策,有较好地市场需求,同时,具有显著的社会效益和经济效益.因此,对秸秆纤维水泥复合材料及其性能进行研究,意义重大.1　主要原材料及性能111　植物纤维增强相 植物纤维水泥复合材料增强相是一年生植物经破碎后的自然形态植物纤维.研究发现,植物纤维的本身的强度大都较低,其拉伸强度均为玻璃纤维和碳纤维拉伸强度的1/30～1/90,而且,植物纤维中含有大量对水泥基体有缓凝和阻凝作用的抽出物,如果胶树脂、油脂、酸性物质等,这些抽出物对界面结合十分不利[1],而且不同种类纤维的化学组分和纤维形态有很大差别,这样亦造成其水泥复合材料力学性能的差异很大.4种植物纤维水泥复合材料中,麻秆/水泥复合材料性能较好,棉杆/水泥复合材料性能较差.从植物纤维的化学组分考虑,4种植物纤维中,麻秆的各种抽出物是最低的.它对界面结合的影响是最小的,因而性能较好,强度较高.从植物纤维的几何形态考虑,麻秆粉碎后呈自然状态,玉米秆和麦草秆在破碎后,其细料成窄而薄的纤维状态,长径比大的纤维含量大[2],在加入一定的助剂时,与水泥基体混合均匀、充分,结合状态好,且强度高.棉秆碎料颗粒粗大,呈枣核状,形态差,长径比平均水平低,成型过程与基体结合不充分,影响性能.几种秸秆成分见表1.实验采用的植物纤维是经破碎的玉米秸秆,其主要成份是SiO 2、木质素纤维素等.从微观结构来看,玉第22卷　第1期2005年3月吉　林　建　筑　工　程　学　院　学　报Journal of Jilin Architectural and Civil Engineering InstituteVol.22　No.1Mar 120052吉　林　建　筑　工　程　学　院　学　报第22卷米秸秆是以网状高纯度SiO2为骨架,再包裹一层致密的纤维素.因此,玉米秸秆孔隙度大、重量轻、保温性能好、耐腐蚀能力强.它不仅具有非常好的韧性,而且,还具有一定的强度.玉米秸秆颗粒均匀,粒度适中,玉米秸秆湿润后体积不膨胀,易于压实,这有利于拌和均匀和提高混合料的密实度.而采用的水泥和表面改性剂均为弱碱性物质,因此,玉米秸秆与水泥及表面改性(聚合物乳液)拌和,其混合料的化学性能较稳定.植物纤维玉米秸秆,既可起增强作用,又可减轻复合材料的质量,使其具有隔音、隔热性能.玉米秸秆生命期较短,枯死后切断破碎形成窄而薄的纤维碎料状态,干燥后粉碎1mm～15mm.表1　几种一年生植物成分成分灰分(%)冷水抽出物(%)热水抽出物(%)1%NaOH抽出物(%)纤维素(%)木素(%)聚物糖(%)大麦秆 2185 6145 10150 30176 69151 4103 4191麦草秆610451362311544156401402213425158玉米秆4166101652014045162371601813824158112　基体相 水泥在植物纤维水泥复合材料中既是基体,又起粘结剂的作用.水泥是典型的脆性材料,作为一种传统的建筑材料沿用已久.其脆性可以通过加筋或加入有机材料加以克服[3-5],特别是用植物纤维是一种有益的尝试.水泥的特点是必须在碱性介质(p H>12)中才能凝固.水泥中加入糖类、甘油、羧基甲基纤维素、单宁和葡萄糖酸及盐类等,将使水泥凝固延缓,如加入水泥重量1%的泥糖,水泥几乎完全停止凝固.同时,水泥拌水后由于水泥水化使水泥浆呈碱性,因此,水泥中加入植物纤维和加入矿物纤维不同,植物纤维在水泥浆碱性溶液中浸泡,会有许多淬取物沉淀,对水泥有缓凝或阻凝作用[6],例如,大多数木材使水泥不能凝固,这也是造成木质水泥刨花板不能推广的原因.几乎所有农作物秸秆都对水泥有阻凝或缓凝使用,因此,需加入一定的添加剂才能解决增强纤维和水泥基体的结合问题.试验采用矿渣硅酸盐水泥,其化学成分见表2.表2　矿渣硅酸盐水泥化学成分SiO2(%)CaO(%)Al2O3(%)Fe2O3(%)MgO(%)SO3(%)烧失量(%) 221605815461482158211031212128 粉煤灰:粉煤灰通过其形态效应、火山灰效应和微集料效应,可以提高混凝土的保水性、塑性及强度,同时,又可节约水泥和石灰,降低成本.采用长春一汽集团热电厂、长春热电一厂、长春热电二厂的粉煤灰化学组成见表3.表3　长春主要发电厂粉煤灰化学组成厂家Loss(%)SiO2(%)Al2O3+TiO2(%)Fe2O3(%)CaO2(%)MgO2(%)一汽热电厂 71785919320116412401921145电热一厂131225412420194319411511127电热二厂21866215222189410001671115 石灰:细度01126mm,筛余18%.加入石灰可增加强度,改善和易性和抗碳化性能,并很好的激发粉煤灰的活性.外加剂:采用了粉煤灰激发剂、高效减水剂、植物纤维表面改性剂、聚合物乳液、抗水剂等.113　界面相 混凝土的凝结硬化时间,通常与水泥的矿物组成、水泥凝胶体系的凝胶结构有关.而植物纤维浸出液中含有糖类、木质素等表面活性物质,它们的介入,使凝胶体系中颗粒表面的性质有所改变,一些离子被交换,使吸附的双电层电位增加,颗粒之间的表面张力增加,从而,使水泥凝胶体系的稳定性增加,宏观上表现为水泥混凝土的缓凝.水泥的水化速度,对水泥石的形成过程是非常重要的,由水泥水化硬化机理研究可知,水泥的水化可以分为3个阶段:水化反应初期,由于植物纤维浸出物的加入,对水泥颗粒起到了良好的分散作用,使水与水泥有效的接触面积增大,有加速水化反应的趋势.此时反应以液相为主,溶解悬浮于水泥颗粒的表面,水化产物开始形成,溶液很快达到饱和.在水化反应的中期,随着水化产物的增加,溶液由饱和到过饱和,凝胶质点逐渐凝聚到析出晶体,晶体和凝胶将沉积于水泥颗粒周围,形成水化物凝胶层.植物纤维浸出物中所含有的糖类、木质素等,可在水泥颗粒表面形成吸附层,对水泥有一定的束缚作用,从而影响上述水化过程的进行,使水化速度降低.水泥水化反应的后期,水化速度由产物层的扩散速度控制,水化速度逐渐减慢.基于植物纤维和水泥界面的特殊性,使用表面改性剂处理秸秆表面,其作用是:①表面改性剂能形成某种物质以“堵塞”植物细胞腔和微毛细孔或秸杆表面,阻止萃取物渗出,降低抑制指数.②使萃取物反应不灵敏.③可有效中和某些萃取物,这样,水泥固化过程顺利进行,植物纤维与水泥形成良好界面.表面改性剂化学稳定,在使用过程中,无有害物质和有害气体生成,它在非木材植物纤维水泥硬化过程中的作用是抑制纤维原料萃取物对水泥缓凝的影响.抑制指数较高的秸秆,在冷水和碱性溶液中浸泡,将许多淬取物渗出,残留在细胞腔和微毛细孔中,阻止了水泥凝固,造成植物纤维和水泥界面结合不牢.试验中,在植物纤维中加入适量的表面改性剂,可有效地中和某些萃物,使萃取物反应不灵敏,表面改性剂自身生成的粘稠状物质“堵塞”了植物细胞腔或微毛细孔,阻止了萃取物渗出,降低了抑制指数,防止了萃取物对抗压强度的不良影响,同时,凝聚已溶解的糖类和淀粉,实现防水、防毒、防鼠、防火、加速水泥初凝等综合效果.2　试验过程 由于玉米秸秆在碱性环境中会有萃取物析出,延缓混凝土的凝结,造成强度下降,所以,对玉米秸秆进行预处理.将玉米秸秆粉碎成1mm ～15mm 的纤维碎料,去土待用.将植物纤维与表面处理剂预混均匀,搅拌约2min ,即,将表面处理剂在喷雾状态下与植物纤维混合搅拌均匀,干燥至含水率10%左右.然后加入上述预混好的其它材料,继续搅拌4min ～6min ,使其均匀.在此搅拌过程中,不允许有纤维结团现象,否则物料分布不均,产生应力集中.进行秸秆、粉煤灰、表面改性剂等掺量变化对复合材料性能影响的试验.进行正交设计,找出最佳配合比.试件在标准条件下养护.3　结果与讨论311 水泥,填充料,外加剂等不变,秸秆的掺量分别为水泥含量的0%,5%,10%,15%,20%.表4　不同秸秆掺量的抗折强度、抗压强度掺量(%)3d 强度(MPa )抗折抗压14d 强度(MPa )抗折抗压28d 强度(MPa )抗折抗压0　3130　7182　7115　211500　8162　2514050180118021364119031356178100160014611851155021852102150146013011550172111411133200110011001500120011300185表5　不同秸秆掺量的折压比掺量(%)3d 折压比14d 折压比28d 折压比0014201340134050144015601490101130111911331151153113111430203150215011740表6　不同秸秆掺量的试块与绝干容重的关系掺量(%)绝干容重(kg/m 3)01736 51533 101180 15896 20840 植物纤维水泥复合材料在标准养护过程中,由于热养护温度升高,水泥矿物溶解速度加快,C 3S 的诱导期缩短,C 2S 水化硬化速度加快,凝结硬化过程也相应加快,在水泥颗粒周围与植物积聚成膜纤维,促进了水泥和植物纤维的结合,从而增强了早期强度.测其3d ,14d ,28d 抗折强度、抗压强度、折压比、吸水率等.实验结果见表4～表6,图1.表4～表6及图1说明,随着秸秆掺量的增加,复合材料的强度逐步下降,折压比逐步增大,柔韧性大大提高,复合材料的容重逐渐减小.312　表面改性剂对复合材料性能的影响 秸秆量10%不变,表面改性剂掺量为秸秆量的5%,10%,15%,20%,分析其变化规律.实验结果见表7～表8和图2.表7～表8和图2表明,随着表面改性剂掺量的提高,秸秆表面被包裹的更加严密,秸秆萃取物的析出减少,强度增大,吸水率大大降低,达到了表面改性剂界面处理的目的.313　粉煤灰掺量对复合材料性能的影响3　第1期肖力光,李会生,张奇志:秸秆纤维水泥基复合材料性能的研究图1　秸秆掺量对混凝土抗压强度影响曲线图2　表面改性剂掺量对混凝土强度影响曲线表7　不同掺量的表面改性剂抗折强度、抗压强度掺量(%)3d 强度(MPa )抗折抗压14d 强度(MPa )抗折抗压28d 强度(MPa )抗折抗压0　0130　01200　0167　0154　0170　016250135012700191017511301109100155013061135110511852102150168015301154117721033133200181118001170218421804125表8　不同掺量的表面改性剂的试块的绝干容重和含水饱和容重及吸水率掺量(%)绝干容重(g/cm 3)含水饱和容重(g/cm 3)吸水率(%)011161463 315111014132710118014101915117313901820151015563 粉煤灰的掺量为水泥量的10%,30%,50%,70%,分析其变化规律.实验结果见表9和图3. 表9和图3实验结果表明,当粉煤灰掺量达到水泥量50%时强度最大,后期强度增长很大.314　正交试验设计 先确定出秸秆和表面改性剂和粉煤灰的各个影响因素的水平数,再运用正交设计选出最佳方案.(1)水平和因数的选择因数和水平的选择:确定为三因素、三水平.所选因素为:秸秆(%)、表面改性剂(%)、粉煤灰(%).水平为秸秆:水泥量的15%,1715%,20%;表面改性剂:1%,2%,3%;粉煤灰的掺量:50%,55%,60%.水泥选用快硬硫铝酸盐水泥.(2)正交设计表头的选择选L 9(34)的正交表①表头设计为列号1234因素粉煤灰(%)秸秆(%)表面改性(%)(D ) ②因素水平表列号1234因素粉煤灰(%)A秸秆(%)B 表面改性剂(%)CD 15015101D125517152D236020103D3表9　不同掺量粉煤灰试件的抗折强度、抗压强度掺量(%)3d 强度(MPa )抗折抗压14d 强度(MPa )抗折抗压28d 强度(MPa )抗折抗压0　0170　0183　2100　3108　21230　4136501460152113511852185021901001400138110111401137521001501981175313061302160071042001580176210531352168041564吉　林　建　筑　工　程　学　院　学　报第22卷图3　粉煤灰掺量对混凝土强度影响曲线实验表格2(抗折强度210MPa )列号1234抗压强度(MPa )实验号粉煤灰%(A )秸秆%(B )表面改性剂%(C )D X j 1A 1B 1C 1D 12172A 1B 2C 2D 22133A 1B 3C 3D 32104A 2B 1C 2D 32135A 2B 2C 3D 12126A 2B 3C 1D 22107A 3B 1C 3D 22108A 3B 2C 1D 12119A 3B 3C 2D 3119K 1 710 710 618　618∑X j =1915K 2615616615613∑X j =1915K 3610519612614∑X j =1915K 12133213321272127∑X j =1915K 22117212021172110∑X j =1915K 32100119721072113∑X j =1915W013301360120117∑X j =1915 (3)正交设计过程及抗压极差分析正交设计过程及抗压极差分析详见实验表格1.实验表格1(抗压强度510MPa )列号1234抗压强度(MPa )实验号粉煤灰%(A )秸秆%(B )表面改性剂%(C )D X j1A 1B 1C 1D 14192A 1B 2C 2D 25113A 1B 3C 3D 34194A 2B 1C 2D 33165A 2B 2C 3D 15106A 2B 3C 1D 25177A 3B 1C 3D 24188A 3B 2C 1D 15159A 3B 3C 2D 3418K 1 14190　13130 161101417∑X j =4413K 21413015160131501516∑X j =4413K 31511015140141701410∑X j =4413K 1419741475137419∑X j =4413K 2414751204150512∑X j =4413K 3510351134190417∑X j =4413W012601770187015∑X j=4413 从极差分析7d 抗压强度可以看出,影响强度的因素依次为:表面改性剂→秸秆→粉煤灰.即表面改性剂为影响强度的主要因素.由于强度等级要求为5MPa ,所以,A 2B 3C 1和A 3B 2C 1为试验7d 抗压强度的最佳配方.配方A 2B 3C 1与A 3B 2C 1对比,A 3B 2C 1胶凝材料少,成本低.最佳配方为A 3B 2C 1.(4)正交设计过程及抗折极差分析正交设计过程及抗折极差分析详见实验表格2. 从极差分析7d 抗折强度可以看出,影响强度的因素依次为:秸秆→粉煤灰→表面改性剂,即秸秆为影响强度的主要因素.由于强度等级要求为2MPa ,所以,A 1B 1C 1和A 1B 2C 2为试验7d 抗压强度的最佳配方.配方A 1B 1C 1与A 1B 2C 2对比,A 1B 2C 2秸秆多,成本低.最佳配方为A 1B 2C 2.4　结论 以上研究表明,在水泥基复合材料中加入秸秆植物纤维,抗压强度、抗折强度会有不同程度地下降,但折压比大大提高,对增强作用的本质来说,可以大大提高水泥基复合材料的韧性、抗冲击强度和抗裂性.秸秆不但起到了保温作用,而且还起到了纤维增强作用.利用秸秆等农业废弃物制造新型水泥基复合材料,具有轻质、高强、保温性能好、吸水率低、抗冻融性5　第1期肖力光,李会生,张奇志:秸秆纤维水泥基复合材料性能的研究6吉　林　建　筑　工　程　学　院　学　报第22卷能高、防火等优点.利用农业废弃物秸秆资源,能减少焚烧污染,保护环境,保护耕地,同时,将产生巨大的经济效益和社会效益.参　考　文　献 [1]　邹惟前,刘方龙1植物纤维复合材料力学性能的试验与分析〔J〕1复合材料学报,1988,5(1):74-801 [2]　邬义明1植物纤维化学〔M〕1北京:中国轻工业出版社,19911 [3]　肖力光1新型GRC储粮板仓的研制〔J〕1吉林建筑工程学院学报,2003(4):1-51 [4]　Amash A,Zugen maier P.Mophology and properties of isotropic and oriented samples of cellulose fibre2polypropy2lene compositetes.Poly2 mer,2000,41(4):1589-1596. [5]　K ein Wang,Surendrap.Shah and pariya phuaksuk,plastic Shrink-ageCracking in Concrete Material,Inflence of Fly Ash and Fibers,ACI Materials Journal,V98,No6.2001. [6]　Holmer Savastano J r.,Vahan Agopyan,Plant fibre reinforced cement components for roofing.Construction and Building Materials,13 (1999):433-438.The Study on Performance of the Stra w Plant Fiber Cement CompositeXIAO Li2guang1,L I Hui2sheng※,ZHAN G Qi2zhi2(1:Depart ment of Civil Engineering,Jilin A rchitectural and Civil Engineering Institute,Changchun　130021;2:The Const ruction A dminist ration of Jilin People Government,Changchun　130061)Abstract:The matrix phase,interface phase,compound result,and the performance of the straw plant fiber ce2 ment composite material was studied,the result shows,under the use of interfacial agent,the good interfacial ef2 fect was made between straw plant fiber and cement.K eyw ords:straw plant fiber;interface reagent;cement base composite material;performance声 明 为适应我国信息化建设的需要,扩大作者学术交流渠道,本刊已加入《中国学术期刊(光盘版)》、《中国期刊网》全文数据库和“万方数据-数字化期刊群”,其作者著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。