改性小麦秸秆/水泥复合材料的强度

王晓燕，胡晨光，封孝信

(1．华北理工大学轻工学院，河北 唐山 063000； 2.河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300130；3．华北理工大学材料学院，河北 唐山 063009)

改性小麦秸秆/水泥复合材料的强度

王晓燕1, 2，胡晨光3，封孝信3

(1．华北理工大学轻工学院，河北 唐山 063000； 2.河北工业大学材料科学与工程学院，天津 300130；3．华北理工大学材料学院，河北 唐山 063009)

为了加强小麦秸秆/水泥复合材料的性能，采用NaOH溶液对小麦秸秆进行改性，研究NaOH溶液浓度、改性时间对水泥砂浆强度的影响。结果表明，质量分数为4%的NaOH溶液改性处理24h时，秸秆质量损失率较大，可以减缓其对水泥的缓凝作用。此改性处理秸秆与水泥拌合的胶砂试样3d、28d抗折强度和抗压强度都大幅提高，与未改性秸秆胶砂强度相比，3d的抗压、抗折强度分别提高了3.12倍和4.16倍，28d的抗压、抗折强度分别提高2.21倍和3.58倍。电镜分析表明改性后的小麦秸秆与水泥胶体结合情况较好。

小麦秸秆； 质量损失率； 强度

1 引 言

目前，节能环保型能源与材料的研发与利用已成为当代经济和社会发展的热点课题。我国是农业大国，每年有大量的农作物秸秆资源剩余，其中大部分秸秆资源都没有被利用起来，只是采取就地焚烧的方法处理，但是焚烧导致严重的环境污染，而且也造成了秸秆资源的浪费[1]。农作物秸秆孔隙率达到83.5%，是优良的保温绝热材料[2]。建材工业属于能耗大、资源浪费大的产业，寻找可替代原料对节约我国建筑材料制备过程的原料具有重要的意义[3]。如果利用秸秆来制造建筑房屋的墙体材料，可以降低对土地资源的大量消耗，而且制造的材料具有保温效果，可以降低大量的能源消耗[4]。利用秸秆制备的墙体保温材料较之有机保温材料还具有不易燃、安全无毒等优势。不足之处是秸秆墙保温材料普遍存在强度低、整体性差等情况[5]。朱祥发现掺加秸秆导致水泥力学强度显著降低，其原因之一是由于秸秆浸出液有显著抑制水泥水化硬化的作用[6]。陈国新等验证秸秆掺量是影响水泥基砌块材料抗压强度的最主要因素[7]。李家和证实氢氧化钠溶液处理的稻草纤维有效地提高稻草纤维与水泥石的粘结[8]。因此，本实验对小麦秸秆进行改性处理，研究其对复合材料强度的影响。

2 主要原材料

小麦秸秆：小麦秸秆去掉根和穂，用清水洗干净，置于70～75℃的干燥箱中烘干，碎成5～10mm置于干燥环境备用。

水泥：冀东水泥厂普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)，其化学成分如表1所示。

表1 水泥的化学组成 Table 1 Chemical composition of cement

砂：尾矿砂，用4.75mm的方孔筛过筛。

氢氧化钠：氢氧化钠含量≥96.0%，天津市光复科技发展有限公司生产。

3 实验内容

参照有关水泥基植物纤维材料的生产工艺以及本试验的实际情况，采用振捣成型的生产工艺：配料、搅拌、成型、静置、脱模、养护和试样检测。m(水泥)∶m(砂)∶m(水)=450∶1350∶225，小麦秸秆掺量为水泥质量的3%，即13.5g。将稻草纤维放入水中拌合30s，再分别加入水泥、砂拌合，浇注成型，标准条件养护至规定的龄期。强度测定参照GB/T 17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》。

对改性处理前后的秸秆进行扫描电子显微镜测试，观察小麦秸秆改性处理后表面的变化情况。对养护龄期为28d的胶砂试样进行电镜扫描，观察秸秆纤维与水泥基材料结合情况。

4 实验结果与讨论

4.1 NaOH溶液处理对小麦秸秆质量损失率的影响

小麦秸秆在浓度为0、1%、2%、3%、4%、5%的NaOH溶液分别浸泡4h、8h、12h、24h、36h、48h的质量损失率如表2所示。

从图1中可以看出改性处理的时间与小麦秸杆质量损失率的关系。当NaOH溶液的质量分数一定时，随小麦秸秆在NaOH溶液中浸泡时间的延长，每一组溶液中的小麦秸秆的质量损失率逐渐增加。浸泡时间0～12h时，质量损失率曲线比较陡峭，斜率大，表明秸秆质量损失速度快。浸泡12～24h时，曲线斜率减小，即秸秆质量损失速度逐渐减小。浸泡时间大于24h后，秸秆质量损失率变化逐渐趋于稳定。从NaOH溶液质量分数为4%的曲线中可以发现，浸泡时间为24h时，小麦秸秆质量损失率为36.37%，当浸泡时间为48h时，小麦秸秆质量损失率为38.47%。可见浸泡24小时时已达到浸泡48小时时小麦秸秆质量损失率的95%。由此说明，小麦秸秆在碱溶液中的最佳浸泡时间为24h。

表2 不同改性处理对小麦秸秆质量损失率的影响(%)

图1 小麦秸秆质量损失率随改性处理的变化Fig.1 Change of the mass loss rate of wheat straw with the treatment

由图1也可看出NaOH溶解浓度与小麦秸杆质量损失率的关系。小麦秸秆在NaOH溶液浸泡时间相同时，秸秆质量损失率随NaOH溶液质量分数的增加越来越大。但秸秆质量损率曲线变化幅度却随溶液质量分数的增大而呈现出不同趋势。溶液质量分数较小时，秸秆质量损失率随溶液质量分数变化相对较大。当溶液质量分数超过4%时，秸秆质量损率曲线变化幅度明显减小。因此，确定NaOH溶液质量分数为4%作为浸泡溶液浓度。

在水泥中加入秸秆，水泥水化导致碱性环境产生，加入的秸秆会被侵蚀而产生单糖、低聚糖和淀粉等物质，这些溶出物逐渐转化为糖酸，然后与水泥水化产物钙离子发生反应，在水泥颗粒的周围形成糖酸钙外壳，阻碍水泥进一步水化，对水泥产生缓凝作用[9]。由于秸秆的质量损失率表征秸秆纤维萃取物质的析出率，即秸秆质量损失率越高，秸秆纤维对水泥的缓凝、阻凝作用越弱[10]。同时，由于碱液的侵蚀作用，秸秆表面的蜡状保护层被破坏，露出粗糙的、具有一定极性的内表面层，这种内表面层活性位点多，可以提高秸秆表面的反应活性，改善秸秆与水泥的相容性[11]。

4.2 改性小麦秸秆对水泥基材料强度的影响

小麦秸秆水泥胶砂试样的抗折强度、抗压强度测定结果及折压比如表3所示。

表3 经NaOH改性处理秸秆对水泥胶砂强度的影响

根据表3可知，与不掺加秸秆的水泥胶砂实验对比，掺加秸秆的水泥试样强度都明显下降了。这是由于掺加的秸秆在复合材料中占一部分体积，使一部分水泥被取代，而水泥是提供强度的主要有效成分。而且由于秸秆的加入，复合材料致密性下降，孔隙增加，强度降低。由图2可以发现，随着NaOH浸泡溶液质量分数增加，处理后的秸秆的水泥胶砂试样3d和28d的抗压强度和抗折强度都增大，并且都比未进行改性处理秸秆水泥胶砂试样的抗压强度和抗折强度大。在经质量分数为4%的NaOH改性处理之后的秸秆水泥胶砂试样3d的抗压强度16.42MPa、抗折强度3.65MPa，而未处理秸秆水泥胶砂试样的3d的抗压5.5MPa、抗折强度仅为0.95MPa，强度分别提高3.12倍和4.16倍。经过质量分数为4%NaOH改性处理的秸秆胶砂试样28d的抗压强度和抗折强度也有很大的提高，分别为2.21倍和3.58倍。很明显，经过改性处理后的秸秆与水泥胶合形成的复合材料的力学性能明显优于未经改性处理的秸秆。随着NaOH液质量分数增加，秸秆的质量损失增加，糖分的析出量增多，秸秆再浸入水泥胶砂中析出的糖分少，浸出物对水泥胶砂的缓凝和阻凝作用减弱。

图2 NaOH溶液质量分数对水泥胶砂强度的影响Fig.2 Effect of NaOH solution concentration on strength of cement mortar

图3 NaOH溶液质量分数对折压比的影响Fig.3 Effect of NaOH solution concentration on the flexural and compression ratio

由图3可知，随着NaOH溶液质量分数增加，水泥胶砂试样的3d和28d的折压比都增大，且都比未处理秸秆的水泥胶砂试样的折压比大，当NaOH溶液质量分数超过4%以后，折压比基本不再增加。NaOH溶液质量分数为4%时，与未处理秸秆胶砂试样的相比，3d的折压比提高1.29倍，28d的折压比提高1.47倍。由此说明，碱处理秸秆使水泥胶砂的脆性降低，柔韧性提高。

4.3 扫描电镜分析

4.3.1 改性处理对小麦秸秆形貌的影响

(1)小麦秸秆的宏观形貌

小麦秸秆用质量分数为4%的NaOH溶液浸泡24h，清洗后烘干，观察其形貌，如图4所示。可以发现，与碱处理后的秸秆相比较，未处理的小麦秸秆的表面光滑、有光泽，碱处理后的小麦秸秆表面粗糙、无光泽，秸秆变软纤维化，整体外观形貌产生了很大的变化。

图4 小麦秸秆的宏观形貌 (a) 未处理的秸秆; (b) 碱处理后的秸秆Fig.4 Macro morphology of wheat straw (a) untreated straw; (b) treated straw

(2)小麦秸秆的微观形貌

用扫描电镜观察碱处理前后小麦秸秆的形貌见图5。由图可见，未处理的小麦秸秆表面平滑，没有孔洞，蜡质层包裹整个秸秆表面。经过NaOH溶液浸泡处理后，秸秆表面变得粗糙、不平整，秸秆表面的蜡质层被破坏，露出疏松的纤维孔隙结构。因此，利用NaOH溶液浸泡小麦秸秆，能除去小麦秸秆秆表面的蜡质层，提高秸秆与水泥浆体结合界面的机械咬合力。

图5 小麦秸秆扫描电镜 (a) 未处理秸秆； (b) 碱处理后秸秆Fig.5 SEM image of wheat straw (a) untreated straw; (b) treated straw

图6 水泥胶砂试样的扫描电镜图 (a) 未改性的秸秆与浆体; (b) 改性处理后的秸秆与浆体Fig.6 SEM image of cement mortar specimen (a) untreated straw and Mortar paste; (b) treated straw and Mortar paste

4.3.2 水泥胶砂试样的扫描电镜分析 对龄期28d的水泥胶砂试样进行扫描电镜的观察，对比碱处理前后胶砂试样中秸秆与水泥基体的结合情况，如图6所示。

从图6可以发现，未经过NaOH改性处理的秸秆与水泥浆体粘结不牢固，存在较大的孔隙，结构松散，机械啮合力弱，影响水泥胶砂试样的强度。经过NaOH处理的秸秆，由于碱液的侵蚀作用，分解秸秆表面的蜡状物质和其他非极性物质，使秸秆表皮层剥落，秸秆表面变得粗糙，与水泥浆体的结合界面机械咬合力好，与水泥的结合相对更容易，粘结力增强，秸秆与水泥胶体的缝隙较小。此结果也与之前的胶砂强度试验吻合。

4 结 论

1.NaOH溶液对小麦秸秆的改性处理中，质量分数为4%，浸泡时间为24h，小麦秸秆质量损失率为36.37%，为最佳改性效果。

2.经质量分数为4%的NaOH溶液改性处理秸秆的水泥胶砂试样的3d、28d抗折强度和抗压强度均大幅提高，与未改性秸秆胶砂强度相比，3d的抗压、抗折分别强度提高了3.12倍和4.16倍，28d的抗压、抗折强度分别提高了2.21倍和3.58倍。

3.形貌观察表明，经过改性处理的秸秆与水泥胶体界面处结合相对紧密，粘结力好，力学性能好。

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Strength of Modified Wheat Straw/Cement Composites

WANG Xiaoyan1, 2， HU Chenguang3， FENG Xiaoxin3

(1.Qinggong College, North China University of Science and Technology, Tangshan 063000, China; 2.School of Materials Science and Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China; 3.School of Materials Science and Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan 063009, China)

In order to strengthen properties of wheat Straw/Cement composite, the wheat straw was immersed in a NaOH solution and how concentration and modification time influence the strength of cement mortar was studied. The results show that the quality loss rate is relatively large when the mass fraction of NaOH solution is 4% and the modification time is 24h. That can slow down the effect of the extract on the cement. The modified straw and cement mixing mortar specimen strength is significantly improved. Compared with unmodified straw mortar, the 3d compressive strength and flexural strength are increased by 3.12 times and 4.16 times; the 28d compressive strength and flexural strength are increased by 2.21 times and 3.58 times. SEM results indicat that the combination of modified straw and cement paste is relatively close.

wheat straw； quality loss rate； strength

1673-2812(2017)01-0139-05

2015-08-21；

2016-02-25

王晓燕(1983-)，女，讲师，硕士，E-mail:562128662@qq.com。

TU377.9

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.028