秸秆环保节能材料性能的研究

杨成江 陈雪

摘要：对秸秆水泥基复合材料的性能进行了研究，利用秸秆制成的轻体保温砌块具有轻质、高强、保温性能好、吸水率低、抗冻融性能高、防火、防水、防虫鼠害及环保节能等特点，成本低廉，实现了北方寒冷地区单一墙体材料节能50%（240 mm厚）的目标。

关键词：秸秆；水泥基复合材料；环保节能；秸秆轻体保温砌块

绿色化是新型建材的发展趋势，绿色建材是指具有环保、节能、健康、安全、可靠、可再生等属性的建材，其核心内容是采用清洁的技术，从原料选用，产品制造，使用过程或再循环，以及废弃物处理等环节中进行污染控制设计，选用无毒和低毒的原材料，生产过程中尽可能减少污染的产生，副产物尽可能的做到回收利用，产品在使用过程中，不应对环境和人类健康产生污染和威胁。

1 实验部分

1.1秸秆纤维

实验采用的秸秆纤维是经破碎的玉米秸秆，其主要成份是SiO2、木质素纤维素等。玉米秸秆颗粒均匀，粒度适中，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剂拌和，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。

玉米秸秆在破碎后，形成窄而薄的纤维状态，长径比大的纤维含量大，加入一定的助剂时与水泥基体混合均匀、充分，且结合状态好、强度高。秸秆成分见表1。

1.2 水泥

以波特兰水泥（硅酸盐水泥）为基体的植物纤维水泥材料存在耐久性问题，在碱环境中，植物纤维的耐久性下降。Gram[1]认为，水泥基材孔隙中的高碱性液相对剑麻纤维有侵蚀作用，Velpari等将黄麻纤维浸泡在pH=13的波特兰水泥料浆的滤液中30 d，发现纤维的抗拉强度由50 MPa降至12 MPa。很多研究者认为，这可能与Ca（OH）2在纤维孔隙内结晶有关。波特兰水泥料的pH值一般都超过13，避免植物纤维破坏的方法之一是，把水泥的碱性降到pH（12～12·5）。由于硅酸盐水泥的碱性很高，所以不宜选用硅酸盐水泥。实验采用低碱性的氯氧镁水泥。

氯氧镁水泥也称Sorel水泥或镁质水泥，是一种气硬性胶凝材料。它有许多性能优于波特兰水泥，如不需要湿养护，防火性能好，导热系数小，耐磨性好，早期强度高、耐油、抗普通盐和硫化物侵蚀性能也相当好。镁水泥的水化产物主要是：5 Mg（OH）2·MgCl2·8H2O（简称5·1·8相或相5）和3 Mg（OH）2·MgCl2·8 H2O（简称3·1·8相或相3），是由活性的MgO和MgCl2水溶液发生水化反应形成的。因此，提高镁水泥的耐水性主要是提高5·1·8相和3·1·8相的稳定性。

（1）氧化镁。实验用的是轻烧镁粉，是用菱镁矿石（MgCO3）经750℃～850℃煅烧后再磨细而成，是一种浅黄色的粉末。其物理性能如下：密度3·2 g/cm3，细度120目/cm2筛余量1·5%。化学成分如下：MgO为81·4%；CaO为1·2%；烧失量为8%。

（2）卤粉（块、片或粒状）。卤粉应易溶于水，不溶解的沉淀物<0·5%，MgCl2≥45%，SO42-<2%，NaCl<2%。

1.3 磷酸

采用天津市化学试剂三厂生产的磷酸，其化学成分如下：H3PO4含量不少于85%；灼烧残渣0·2%。

1.4 粉煤灰

粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后剩下的灰分，是工业废料，含有相当高的无定性硅质材料。粉煤灰是由各种颗粒机械混合而成的群体，其中多为球形玻璃体，比表面积较大，其矿物组成主要是玻璃相、莫来石相、石英、赤铁矿、磁铁矿及少量未燃烧碳粒。主要化学成分如下：Loss：7.78%；SiO2：59.93%；Al2O3：20.16%；Fe2O3：4.24%；CaO：0.92%；MgO：1.45%。采用干燥磨细粉煤灰。

1.5 硅藻土

采用吉林长白硅藻土。我国是世界上硅藻土矿大国之一，有丰富的硅藻土资源，全国保有储量6 636万t，远景储量5亿t，可开采一千年以上。

吉林长白硅藻土化学成分如下：SiO2：79.80%；Al2O3：4.09%；MgO：0.16%；CaO：0.3%；TiO2：0.2%；烧失量：9.70%。实验采用经过600℃煅烧的硅藻土，由于有机质被烧掉，使硅藻土相对富集，孔隙度增大，比表面积提高，活性显著改善。

1.6 超细矿渣

通化钢铁集团超细粉磨厂生产，灰白色粉末状、高性能混凝土掺合料。矿渣粉比表面积：8 000 cm2/g。化学成分见表2。

1.7 其它外加剂

（1）脲醛树脂。乳白色液体。

（2）有机硅（JHG-621甲基硅酸钠）。外观：淡黄色液体；比重：1·20～1·26；游离碱（%）：10；甲基硅酸钠（%）：20；氯化鈉（%）：3。

（3）铁矾（FeSO4·7H2O）。含量<99·0%，

（4）标准砂：采用湖南平潭产的标准砂。

1.8 耐水性实验过程

（1）胶砂强度检验。根据GB 177-85《水泥胶砂强度检验方法》，进行胶砂强度试验（对于氯氧镁水泥浆体来说，其用液量为达到标准稠度时MgCl2溶液用量）。

（2）抗水性能试验。抗水性用软化系数表示。

（3）扫描电子显微镜。采用JEOL日本电子株式会社生产的JSM-5500 LV扫描电子显微镜。

2 结果与讨论

2.1 秸秆掺量对复合材料力学性能的影响

从图1～图3可以看出，随着秸秆掺量的增加，复合材料的28 d抗折强度在一定范围内有所提高。这是因为加入的秸秆能与胶凝材料很好的粘结，对材料基体起到增强的作用；但秸秆掺量超过一定的范围，由于体系内没有足够的胶凝材料来包裹它，这样抽出物大量析出，影响了界面的结合强度，所以，当秸秆掺量过大时，抗折强度也就会降低；28 d抗压强度就随着秸秆掺量的增加而降低。但从总整体上看，随着秸秆掺量的增加，复合材料的折压比逐渐增大，说明材料的脆性下降，韧性增加。

2.2 超细矿渣对复合材料力学性能的影响

图4～图6是秸秆掺量为10%、树脂掺量为2%，超细矿渣掺量对复合材料力学性能的影响.加入的活性SiO2，在氯氧镁浆体中能与MgO反应，生成水硬性的MgSiO2，而使镁水泥的结构稳定性和耐水性提高。

2.3 脲醛树脂对复合材料力学性能的影响

图7～图9是秸秆掺量为10%、矿渣掺量為10%，树脂掺量对复合材料力学性能的影响。由于脲醛树脂与秸秆的粘结强度较高，且与镁水泥的界面结合较致密，加入树脂后可以提高复合材料的强度；当树脂的掺量为2%，抗压强度和抗折强度达到最大值.随着树脂掺量的增加，抗折强度缓慢降低，抗压强度大幅度降低，折压比增高。这是由于树脂与氯氧镁水泥浆体浑然一体一起浸透粘接纤维，包裹和填充在纤维的表面和空隙中，提高了对纤维的握裹力。树脂胶乳分子内和分子间的活动性大，具有一定的柔韧性和弹性，当受到应力作用时，可以吸收一定的能量，减缓因应力引起的开裂破坏.树脂胶乳加入到氯氧镁水泥中后，构成了胶体、晶体、纤维交错连生的整体，起到了强化界面的作用。

2.4保温性能

通过导热系数测定仪测得材料的导热系数，精确到0.001.从图15可以看出，随着秸秆掺量的增加，复合材料的导热系数不断降低，即材料的保温性能随秸秆掺量的增加而提高.从秸秆的微观结构中可以看到，秸秆为多孔结构，当其被镁水泥的水化产物包裹后，这些孔隙就被封闭起来，这样的结构无异于其它保温材料的微观结构，所以，加入秸秆同样可以起到保温的作用。

3 利用秸秆生产轻体节能保温砌块的研究

秸秆轻体节能保温砌块，芯材以破碎玉米秸秆为主要原材料，以改性耐水镁水泥为胶凝材料，配以调凝剂、抗水剂、防水剂、防腐剂及各种改性外加剂、活性粉煤灰等，芯材两侧配以保护层。项目处于国际先进水平，取得了突破性的创新性研究成果，秸秆轻体保温砌块具有轻质、高强、保温性能好、吸水率低、抗冻融性能高、防火、防水、防渗、防虫鼠害等特点，成本低廉，实现了北方寒冷地区单一墙体材料节能50%（240 mm厚）的目标，现已申报国家发明专利。

4 结论

从上文可以得出结论，利用秸秆制成的轻体保温砌块具有轻质、高强、保温性能好、吸水率低、抗冻融性能高、防火、防水、防渗、防虫鼠害等特点，成本低廉，实现了北方寒冷地区单一墙体材料节能50%（240 mm厚）的目标。

参考文献：

[1] 张潇立，汤晨，詹小泉，张新华. 复合保温墙体隔热性能研究[J]. 科技创新导报. 2009（32）

[2] 毛广志. 建筑节能与可再生能源利用[J]. 科技信息. 2009（30）

[3] 刘琦华，侯新平. 外墙外保温体系及其保温隔热材料浅析[J]. 科技创新导报. 2009（27）