棉花秸秆超轻粗骨料表面改性的试验研究

王宣，朱琳，晋强

（新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐　830052）



棉花秸秆超轻粗骨料表面改性的试验研究

王宣，朱琳，晋强

（新疆农业大学 水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐830052）

摘要：通过对棉花秸秆颗粒表面改性的方式制备超轻粗骨料。采用2种不同的包裹方式和丙烯酸酯防水涂料对棉花秸秆颗粒表面进行改性，利用微观电镜分析包裹效果，确定最佳包裹方式，以吸水率试验来验证表面改性的效果。结果表明，分层包裹比混合包裹效果好，包裹层更薄；丙烯酸酯防水涂料吸附水泥的方式改性效果最好；表面改性后的棉花秸秆超轻粗骨料1 h吸水率可以控制在10%～20%。

关键词：棉花秸秆；粗骨料；表面改性；吸水率

棉花秸秆是一种产量大、可再生的农业废弃物。合理有效地开发利用棉花秸秆制作超轻粗骨料不仅可以节能利废，还可以享受众多优惠政策和免税待遇，而且在同等产品性能下，综合生产能耗少（不需要高温烧制）、生产成本低、经济效益好、社会效益显著［1］。本研究以棉花秸秆颗粒为主并添加界面改性剂，改善其界面性能，开发绿色保温可以替代普通陶粒的超轻粗骨料。由棉花秸秆制作的绿色有机超轻粗骨料，无需高温烧制，经简单养护就可成型，并且堆积密度比较小，可达200 kg/m3，保温性能较好。

植物有机材料作为轻骨料的研究目前比较少，究其原因主要在于目前常用的植物有机材料木质成分含量较低，不易成型，强度较低，且吸水率高。但棉花秸秆木质成分含量较高，力学性能较好［2］。经多次实验研究表明，表面未处理的棉花秸秆颗粒在拌和过程中具有较高的吸水率，会提高胶凝材料拌和用水量，影响强度，所以必须对其进行憎水性裹灰处理，降低吸水率。在后续处理过程中发现，棉花秸秆颗粒是一种具有一定弹性的颗粒，而现行的陶粒裹灰处理方式其裹灰材料是一种脆性的硬质材料。本研究主要就棉花秸秆的含水量、直径对棉花秸秆轴向压缩的弹性模量以及抗压强度的影响进行试验和分析，测试棉花秸秆超轻粗骨料的力学性能，为棉花秸秆超轻粗骨料的应用提供参考。

1　实　验

1.1原材料

棉秆取自新疆石河子市郊区，取样地面积约2亩，试样为2014年年末人工收割的生长良好的棉花秸秆。采用专用工具去除细枝、叶片和棉壳，外部擦拭干净。棉花秸秆最好上下通直、枝叶较细、没有明显缺陷、表皮损伤较小、无开裂。将上述试样隔空放置在室外自然风干，第2年春季采用专用工具对其加工制作，获取合适的棉花秸秆颗粒备用。每1批次的每组实验都是从50株棉秆中随机取8株。随后制作试样、编号，并测量记录试样直径、高度，试样直径为9～23mm，平均直径为15.5mm，精确至0.1mm。

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥，青松水泥股份有限公司。粉煤灰：Ⅱ级粉煤灰。

丙烯酸酯防水涂料：固体含量为50%，市售。

1.2实验方法

试样应满足下列条件：

（1）试样要求1＜H/D＜3，其中：H为秸秆颗粒的长度，mm；D为秸秆颗粒的直径，mm。

（2）试样必须平直，两端平齐，避免影响试验结果。

所选择的棉秆试样一般情况下至少包含7个不同的直径，试样直径范围为8～20mm，试样长度范围为10～20mm，并挂上标签进行标识。

试样含水率测试采用干燥法，参照GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》进行。将同组试样一并放入干燥箱内，在（60±2）℃下干燥12 h后，从中选定2～3个试样进行第1次试称，以后每隔2 h试称1次，至最后2次称量之差不超过0.05 g时，即认为试样达到全干。

2　棉花秸秆超轻粗骨料的表面改性研究

2.1棉花秸秆超轻粗骨料的表面包覆方法

棉花秸秆颗粒是一种具有一定弹性形变的颗粒，目前常用的裹灰处理采用脆性的硬质材料。采用这种脆性的硬质材料对棉花秸秆颗粒进行包覆处理后，二者表面的裹灰层特别容易脱落，不能共同发生相应的形变。为此必须采用新的裹灰处理方式对棉花秸秆颗粒表面进行改性，提高棉花秸秆与表面裹灰层的黏结能力，确保裹灰层与棉花秸秆颗粒的可靠黏结。本研究采用以下2种包裹方法［3］：

（1）分层包裹。先包裹1层丙烯酸酯防水涂料，厚度为0.2～0.5mm，再包裹1层水泥或者粉煤灰，厚度为0.1～0.5mm。具体方法为将棉花秸秆颗粒放入容器中，添加适量防水涂料进行搅拌，目测防水涂料完全包裹住棉花秸秆颗粒后，采用少量多次的方式添加水泥或者粉煤灰，并不断搅拌，目测防水涂料表面均沾有水泥或者粉煤灰时停止，取出混合包裹后的颗粒在20℃、相对湿度70%条件下养护3d，得到棉花秸秆超轻粗骨料。

（2）混合包裹。按照防水涂料50%～70%、水泥或者粉煤灰30%～50%的质量比在容器内混合，待混合均匀后将棉花秸秆颗粒放入容器中，再搅拌直至棉花秸秆颗粒被完全包裹后出料，取出混合包裹后的颗粒在20℃、相对湿度70%条件下养护3 d，得到棉花秸秆超轻粗骨料。

采用上述方法制作的棉花秸秆超轻粗骨料工艺简单，无需大型煅烧设备，经简单搅拌即可制备，由于本产品采用免烧工艺，因此与焙烧工艺相比，具有节能和低碳等环保效果，并且堆积密度小，吸水率低。利用该技术制备的棉花秸秆超轻粗骨料外形为长度10～20mm、直径8～15mm的圆柱形颗粒，堆积密度150～200kg/m3，筒压强度0.5～1.0MPa，1h吸水率10%～20%。

2.2棉花秸秆超轻粗骨料的表面改性微观结构分析

未改性的棉花秸秆颗粒见图1。

图1　未改性的棉花秸秆颗粒

丙烯酸酯防水涂料与水泥混合凝固后具有较大的变形性能，而这个变形性能使其能够与棉秆颗粒的变形协调一致。本次实验采用丙烯酸酯防水涂料对棉花秸秆颗粒进行包裹处理，通过扫描电镜分析丙烯酸酯防水涂料的包裹效果。包裹材料以及方式为：先将棉花秸秆颗粒放入容器内，然后将丙烯酸酯防水涂料适量掺入以完全包裹住棉花秸秆颗粒为标准，接着将42.5级普通硅酸盐水泥逐步撒入容器内，并同时进行搅拌，待颗粒表面完全黏附住水泥颗粒时停止。将上述包裹方式制作的颗粒自然养护至28 d时进行电镜分析。表面改性后的棉花秸秆颗粒照片见图2，丙烯酸酯防水涂料与水泥的界面SEM分析见图3（a），未采用丙烯酸酯防水涂料包裹的棉秆颗粒与水泥砂浆的界面SEM分析见图3（b）。

图2　表面改性后的棉花秸秆颗粒照片

图3　丙烯酸酯防水涂料、水泥、棉秆颗粒界面的SEM分析

由图3（a）可知，采用丙烯酸酯防水涂料与水泥包覆后，丙烯酸酯防水涂料凝固后具有成膜连续、粘附性强的特点，再加上表面吸附的水泥显示出包覆效果较好的特征。丙烯酸酯防水涂料浓的地方成膜连续，而表面吸附的水泥水化孔洞较多，在它们的界面交接处体现出聚合物水泥的特征，结构致密，包覆完整。由图3（b）可知，未采用丙烯酸酯防水涂料包裹的棉秆颗粒与水泥砂浆搅拌后，秸秆表皮分离。由此可知，外表裸露的棉花秸秆，会在混凝土拌合过程中释放出糖分，同时也会吸收混凝土中的水分，这就导致了水泥砂浆与棉杆颗粒的结合是不牢固的，有害的。而经过丙烯酸酯防水涂料包裹后的棉花秸秆颗粒表皮细胞被疏水性丙烯酸酯防水涂料所包裹，所以包裹后的棉花秸秆颗粒就不会在混凝土拌合过程中吸收水分。

3　棉花秸秆超轻粗骨料的吸水率实验

一般来说轻骨料都具有孔状结构，这使得其吸水率比普通骨料高很多。不同种类轻骨料由于孔隙率及孔结构差别，吸水率也往往相差较大。轻骨料的吸水率越高，预饱水程度就越低，对新拌混凝土拌合工作性能的影响就越大［4］。而对于棉花秸秆粗骨料来说，首先它是一种有机材料，在水的作用下会逐渐降解腐烂；其次，含水率的提高会降低它的力学性能［5］。因此，秸秆表面的包覆处理就显得至关重要，也就是说控制秸秆颗粒的吸水率是该超轻粗骨料的关键点。

3.1分层包裹的吸水率实验

棉花秸秆粗骨料制作过程：先将棉花秸秆颗粒放入容器内，接着将浓度为50%的丙烯酸酯防水涂料放入容器内，并不断搅拌秸秆颗粒，待颗粒表面被完全包裹时停止，静置5 min，使得秸秆颗粒表面能够完全吸附丙烯酸酯防水涂料，接着撒入水泥并不断搅拌，目测防水涂料表面均沾有水泥时停止，取出混合包裹后的颗粒，在20℃、相对湿度70%条件下养护3 d，制得棉花秸秆超轻粗骨料。

吸水率实验方法：根据粒径把试样分成7组，每组6个试样，分别称重，然后放入盛水的容器中。棉花秸秆颗粒密度较小，会漂浮在水面，应将其用不吸水的重物压入水中。浸水1 h后将试样取出，制成饱和面干状态，然后称量，计算吸水率，取6个试样的平均值作为该组试样的吸水率。

分层包裹实验棉花秸秆粗骨料的基本性能指标见表1，未改性和分层包裹改性时的棉花秸秆粗骨料的1 h吸水率分别见表2、表3。

表1　分层包裹实验棉花秸秆粗骨料的基本性能指标

表2　未改性时棉花秸秆粗骨料的1 h吸水率

表3　分层包裹改性时棉花秸秆粗骨料的1 h吸水率

由表2、表3可知，将棉花秸秆粗骨料采用分层包裹方式改性后吸水率大幅降低，采用丙烯酸酯防水涂料作为改性材料效果明显。在后续试验中将改性后的秸秆颗粒剔除表面的包裹材料再进行称量发现，秸秆颗粒内部吸收的水分很少，也就是说改性后秸秆颗粒在1 h内主要是表面吸附的材料在吸收水分。这间接地表明了改性后的秸秆颗粒吸水率变化和表面的包裹材料密切相关。包裹材料越厚吸水率就越高。对于未改性的秸秆颗粒，它的吸水率主要和髓心直径关系比较密切，髓心直径越大吸水率越高。

3.2混合包裹的吸水率实验

棉花秸秆粗骨料采用混合包裹进行改性，分别选择7种不同粒径的棉花秸秆，每种粒径选择6个颗粒，采用求平均的方式，进行吸水率实验。

棉花秸秆粗骨料制作过程：先将700 g丙烯酸酯防水涂料、300 g水泥在容器内混合，待混合均匀后将棉花秸秆颗粒放入容器中，再搅拌直至棉花秸秆颗粒被完全包裹后出料，取出混合包裹后的颗粒按照混凝土养护方法养护3d，制得棉花秸秆超轻粗骨料。

按照3.1节吸水率实验方法，混合包裹实验棉花秸秆粗骨料的基本性能指标见表4，混合包裹改性后棉花秸秆颗粒的1h吸水率见表5。

表4　混合包裹改性时棉花秸秆粗骨料的基本性能指标

表5　混合包裹改性时棉花秸秆粗骨料的1 h吸水率

由表5可知，棉花秸秆粗骨料采用混合包裹改性后吸水率大幅降低，混合包裹吸水率比分层包裹的稍大，但混合包裹的处理方法比较简单，并且包裹质量比较容易控制。因此，在后续应用于工程实践中时应优先采用混合包裹，只要控制混合包裹的配比，则包裹的效果就确定了。

包裹材料对于包裹效果影响很大，实验过程中可以发现，包裹材料越稀则包裹层厚度越薄，对应的吸水率就越低；包裹材料越厚则包裹层厚度就越大，对应的吸水率就越高。采用水泥或者粉煤灰对于包裹材料的包裹效果无明显差异，因此不再重复实验过程，但可以研究使用其它粉状类材料作为包裹材料的一部分，使其具备成本优势或者其它特殊功能。

4　结　论

（1）本文提供的2种包裹方法均能有效地对棉花秸秆颗粒进行包裹，并能够达到不脱皮、黏结牢固的要求。采用分层包裹比混合包裹效果好，包裹材料更薄，但包裹程序相对复杂，不易进行量化包裹处理。混合包裹材料采用合适的配比就可以有效地进行包裹。

（2）由电镜分析结果可知：采用丙烯酸酯防水涂料吸附水泥的方式对棉花秸秆颗粒表面进行改性，可以提高棉花秸秆与表面裹灰层的黏结能力，确保裹灰层与棉花秸秆颗粒的可靠黏结。

（3）表面改性后的棉花秸秆超轻粗骨料1h吸水率可以控制在10%～20%，并且水分主要是包裹材料吸收的，并未大量进入棉花秸秆颗粒内部，因此可确保秸秆颗粒不易腐烂。

参考文献：

［1］晋强，冯勇，何金春，等.石膏基EPS复合保温墙体材料的研制［J］.新型建筑材料，2013（1）：55-56.

［2］晋强，冯勇，何金春，等.硫铝酸盐水泥对石膏基棉花秸秆复合材料性能改善的试验研究［J］.新型建筑材料，2014（6）：53-56.

［3］晋强，罗立权，王宣，等.一种棉花秸秆超轻粗集料的制备方法：中国，201410620101.9［P］.2014-11-07.

［4］刘书贤，魏晓刚，王伟，等.再生粗骨料对再生混凝土性能的影响［J］.建筑结构，2014，44（14）：17-20.

［5］晋强，王宣，施少聪.新型棉花秸秆粗骨料的试制初探［J］.新型建筑材料，2015（11）：8-10.

国家级大学生创新创业训练计划项目（201410758020）；

新疆维吾尔自治区高等学校科研计划项目资助

（XJEDU2014S021）

中图分类号：TU528.041

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）05-0057-04

基金项目：国家自然科学基金项目（51268056）；

收稿日期：2015-10-13；

修订日期：2015-12-12

作者简介：王宣，男，1992年生，新疆乌鲁木齐人。

Experimental research on the surface modification of lightweight aggregate from cotton stalk

WANG Xuan，ZHU Lin，JIN Qiang
（College of Water Conservancy and Civil Engineering of XinJiang Agricultural University，Urumqi 830052，China）

Abstract：Lightweight aggregate was prepared by surface modification of aggregate from cotton stalk.The surface modification of aggregate from cotton stalk was achieved by means of two different ways of wrapped package and acrylic waterproof coating，efficiency of the package was defined with SEM，and the best package way was chosen.The surface modification effect was validated through water absorbing test.The results show that layered wrapped package has better effect than the mixed package，the wrapping layer is thinner；the way of absorbing cement with acrylate waterproof coating has the best effect.The 1 h water absorption of aggregate from cotton stalk rate after surface modification was 10%～20%.

Keywords：cotton stalk，coarse aggregate，surface modification，water absorption