稻壳纤维改性磷酸镁水泥基复合材料试验研究

范诗建，常 铮，陈 兵

（上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240）

0 前言

作为中国的主要粮食作物，稻谷的年产量近2亿t[1].稻壳约占稻谷籽粒重量的20%，是一种丰富的可再生资源.近30年来，稻壳的研究使其在各个领域得到应用，如利用沉淀法或者碱反应法制备白炭黑和活性炭[2-3]，以及利用废弃稻壳为原料在煤气发生炉中燃烧产生的蒸汽，用于电机的发电[4].此外，利用稻壳制备稻壳混凝土和以稻壳灰为掺和料制备稻壳水泥基复合材料一直是提高稻壳附加价值的一种重要途径.Feraidon FAtaie[5]等研究发现，适量的稻壳灰的掺入可以提高水泥的力学性能，稻壳灰的最佳掺量一般为水泥质量的15%，另外，稻壳灰的烧灼温度以及烧灼的时间对稻壳水泥的性能也有影响.然而，这种方法的缺点是稻壳灰的燃烧增加了碳排放，不利于日益严峻的生态环境保护以及国家节能减排的政策.稻壳除了燃烧后的灰质具有一定的火山灰活性之外，还有其他的一些优异的性能，如轻质、较低的导热性能等，开发稻壳混合材作为保温建筑材料是一种较为有益的方向.

磷酸镁水泥是一种基于酸碱化学反应的胶凝材料，具有粘结时间短，早期强度高，粘结强度好等优点[6].磷酸镁水泥凝结硬化后呈中性偏弱碱性，有利于植物纤维长期的耐久性.本文以磷酸镁水泥为胶凝材料制备稻壳纤维混凝土，通过实验研究不同的改性剂以及粉煤灰的掺量对稻壳纤维水泥基复合材料的力学性能、密度和保温性能的影响.

1 原材料与实验方法

图1 实验用稻壳Fig.1 Samples of rice husk for study

1.1 原材料与试验配比

稻壳（图1）取至上海闵行大米加工厂，其性能参数见表1；磷酸镁水泥为实验室自制，主要由镁砂、磷酸二氢盐和调凝剂按照一定比例配制而成，可按照普通硅酸盐一样进行使用；乳白胶为美国lubrizol公司生产；硅烷偶联剂为上海圻明生物有限公司生产；乙烯-醋酸乙烯共聚物为易来泰（上海）有限公司生产；粉煤灰为二级粉煤灰，其成分表见表2.具体的实验配比见表3.

表1 稻壳的性能参数Tab.1 Properties of the rice husk

1.2 试验方法

先将磷酸镁水泥和水加入搅拌机中，制备成水泥浆体后加入稻壳，搅拌成均匀料浆后浇筑试模，试件的脱模时间为30～60m in.脱模后放置空气中养护.强度测试参照GB17671进行，试样尺寸为40mm×40mm ×160mm，分别测试1 d，14 d和28 d的抗折和抗压强度.导热系数测试选用边长为100mm的立方体试块，在空气中养护至28 d，放在40℃的烘箱中烘24 h后进行导热系数的测试.所用仪器为美国DECAGON公司生产的便携式热导仪KD2 Pro.

2 实验结果和讨论

2.1 强度实验

表3 稻壳磷酸镁水泥基复合材料实验配合比Table 3 M ix proportions of rice husk-MPC composites（kg/m3）

不同添加剂对稻壳混凝土的强度影响见图2.由图2可知，随着混凝土养护龄期的增长，混凝土强度也不断增长.4组实验中1 d的强度最大的为添加了10 g乙烯-醋酸乙烯共聚物的试样.而14 d的和28 d强度表明硅烷偶联剂对于稻壳混凝土的强度影响更为显著.相对于对照组，其14 d和28 d抗压强度分别提高了24%和29%.此外，从图2看出，加入乳白胶的在不同龄期的试样的强度均与对照组相近，这说明乳白胶对稻壳混凝土的强度影响并不显著.界面性能是复合材料力学性能的薄弱环节，而硅烷偶联剂同时具有亲无机材料的反应性基团和亲有机材料的反应基团[7].能将稻壳和磷酸镁水泥偶联起来，改善稻壳纤维和磷酸镁水泥间的界面性能，从而提高了稻壳水泥的力学性能.

由图3可知，复合材料的抗压与抗折强度均随着乙烯-醋酸乙烯共聚物添加量的增加而增大，当添加量为2%时共聚物的增强效用最为明显，其1 d、14 d和28 d的抗折强度分别提高了25.6%、34.7%和52.6%.而抗压强度则分别提高了21%、30.5%和27.6%.当添加量超过2%时，共聚物的增强效果在减弱.李学梅等人[8]用乙烯-醋酸乙烯共聚物乳胶液EVA对氯氧镁水泥进行改性，发现EVA作为添加剂加入水泥中能明显改善纤维增强氯氧镁水泥的界面粘结性能.其作用机理可以理解为共聚物与磷酸镁水泥浆体混合，包裹在纤维的表面使得纤维和水泥间的粘结增强，提高了水泥浆体对纤维的握裹力.共聚物可以填充在空隙中，从而提高稻壳水泥复合材料的密实性.

图2 添加剂对抗压强度的影响Fig.2 Effects of additives on the compressive strength

图3 乙烯-醋酸乙烯共聚物掺量对强度影响Fig.3 Effect of the dosage of EVA on the mechanical

图4为以一定比率的粉煤灰掺入对磷酸镁水泥基稻壳混凝土强度的影响，当粉煤灰的掺量逐渐增加时，稻壳混凝土试件的抗压与抗折强度均为先增加后下降.粉煤灰的最佳掺量为稻壳质量的0.2倍左右，其28 d抗压强度达到15.2 MPa，比未添加粉煤灰提高了25%.

基于先前对于磷酸镁水泥的研究[5]，发现添加适量的粉煤灰对于磷酸镁水泥起到增强的作用.此外，粉煤灰对于复合材料的和易性有较大影响，通过试验中观察发现，当粉煤灰添加量为0.2时，稻壳混凝土的流动性有较大提高.当混合物中粉煤灰的掺量继续增加时，在相同用水条件下，其流动性开始逐渐下降，甚至出现无法拌合的情况.粉煤灰的微粒是十分匀称的球体结构，所以除了在水泥中参与化学反应，在混合物中还起到了润滑和填充作用.然而，当掺量超过一定范围，水分子被粉体包裹，导致用水量骤增.

2.2 表观密度与导热系数

图4 稻壳与粉煤灰比率对强度的影响Fig.4 Effect of the RH/FA volume ratio on the strength

图5 添加剂对料密度与导热系数的影响Fig.5 Effects of additives on the density and thermal conductivity

从图5中看出，在相同质量掺量的情况下，掺入硅烷偶联剂的试件密度较大，而掺入乳白胶的试件密度较小.结合图2看出，正是因为硅烷偶联剂的添加，改善了稻壳和磷酸镁水泥间的界面粘结强度，且对稻壳混凝土起到了密实作用，从而提高混凝土的抗压强度.此外，图5中看出，在不加添加剂时，稻壳混凝土的导热系数约为0.225 W/(m K)左右，是水泥材料导热系数（0.9 W/(m K)）的1/4，更远低于普通混凝土的导热系数（1.5W/(m K)）[9]，这说明了稻壳水泥复合材料具有良好的保温性能.当加入硅烷偶联剂和聚合物时，除了其密度增加外，稻壳水泥复合材料的导热系数也增大.

粉煤灰对稻壳混凝土密度与导热系数的影响见图6.稻壳混凝土的密度随着粉煤灰的掺量增加而增大，稻壳对粉煤灰体积比由1∶0增加到1∶1.5时，密度增加了21.9%，导热系数增大了33.8%.这是由于微观上球状的粉煤灰颗粒具有很小摩阻力，所以在复合材料中具有很强的填充能力，粉煤灰填充到磷酸镁-稻壳复合材料中，使得结构变得更加密实.

图6 稻壳与粉煤灰体积比对密度与导热系数的影响Fig.6 Effects of RH/FA volume ratio on the density and thermal conductivity

3 结论

本文研究了不同添加剂对稻壳混凝土力学性能和热工性能的影响，对粉煤灰的作用进行了分析.实验结果得出，硅烷偶联剂和乙烯-醋酸乙烯共聚物的加入均可以提高磷酸镁水泥基稻壳纤维混凝土的力学性能，增加了复合材料的密实度，也增大了其导热系数.加入粉煤灰后，复合材料的密实度增加，导热系数也随之增加.稻壳磷酸镁水泥混凝土的导热系数为0.22W/(m K)左右，是一种较好的保温材料.

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