玉米秸秆掺量对氯氧镁水泥复合保温材料性能的影响

王建恒，田英良，徐长伟，戚红，孙诗兵

（1.北京工业大学，北京　100124；2.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳　110168）



玉米秸秆掺量对氯氧镁水泥复合保温材料性能的影响

王建恒1，田英良1，徐长伟2，戚红2，孙诗兵1

（1.北京工业大学，北京100124；2.沈阳建筑大学，辽宁 沈阳110168）

摘要：研究了玉米秸秆掺量对氯氧镁水泥基建筑复合保温材料（C-MOC）力学性能、耐水性能、密度及导热系数的影响，通过XRD、SEM对C-MOC中氯氧镁水泥微观形貌和物相进行了分析。结果表明，当玉米秸秆掺量为20%时，C-MOC的性能最佳，密度为912 kg/m3，导热系数为0.236W/（m·K），吸水率为33.64%，软化系数为0.61，28 d抗压强度为9.16MPa，28 d抗折强度为5.72MPa。玉米秸秆渗出液改变了氯氧镁水泥物相及形貌，由5·1·8相的针状结构转变为糖、酯包裹氯氧镁水泥的片状结构。

关键词：玉米秸秆；氯氧镁水泥；建筑保温材料；宏观性能；微观分析

0　引言

目前，我国农业剩余物年产量达8亿t，玉米秸秆是我国第二大农作物秸秆，占到总量21.67%，主要分布于黄淮海地区［1］。随着我国社会发展和经济水平提高，新能源在农村得到了广泛普及和应用，秸秆散失了薪火材料的功能，同时用作饲料及肥料的用量也在逐年减少，而工业加工利用率也不高，仅有少量粉碎还田，大量玉米秸秆只能被废弃田间或焚烧［2］。

玉米秸秆具有纤维多、轻质、导热系数低等特点，人们开始关注其在建筑保温材料方面的应用研究。但是玉米秸秆中含有糖分、酯类化合物（成分见表1），这类有机化合物会对普通水泥产生缓凝作用，降低其强度［3］。氯氧镁水泥作为一种无机胶凝材料，具有许多优异的性能，如快硬、轻质、高强，特别是与秸秆、木屑等木制品之间具有较好的粘结性能，并且在长期使用下不会像硅酸盐水泥那样导致秸秆纤维降解［4］。

表1　玉米秸秆的化学成分　%

本文采用经过预处理加工的玉米秸秆与氯氧镁水泥进行复合，制备具有轻质保温特性的玉米秸秆氯氧镁水泥复合材料，进行了宏观性能（如密度、导热系数、力学性能及耐水性能）的测试。并通过XRD、SEM对C-MOC中氯氧镁水泥进行物相与微观形貌的微观特性进行了分析。

1　实验

1.1原材料

实验所用玉米秸秆分别取自北京郊区和沈阳郊区，将玉米秸秆在阳光下暴晒晾干，控制含水率小于10%。通过580型多功能秸秆粉碎机进行破碎，然后利用电动筛进行筛分，选取粒径在1.25～4.75mm的粉碎玉米秸秆。

实验用轻烧氧化镁来自北京利福升化工有限公司，经加水水化法测得其活性氧化镁含量为55%，化学成分见表2。

表2　轻烧氧化镁的化学成分　%

本实验使用的氯化镁来自江阴海融环保科技发展有限公司，MgCl2含量大于99%。

1.2实验配比与实验过程

实验中MgCl2与水按1∶10的摩尔比混合成MgCl2水溶液，n（轻烧MgO）∶n（MgCl2）=6∶1，考虑到不同掺量的秸秆吸水量不同，本实验对玉米秸秆采用预湿处理，使其质量含水率为250%，保证搅拌过程的流动性、操作性。首先将湿玉米秸秆与轻烧MgO混合，搅拌均匀，再加入MgCl2水溶液和水继续搅拌均匀，注模成型，养护至规定龄期，进行宏观和微观性能的测试。实验具体配合比见表3。

表3　玉米秸秆掺量实验配合比　%

1.3检测方法

表观密度和抗压、抗折强度参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO法）》进行测试；吸水率参照GB/T 15231—2008《玻璃纤维增强水泥性能实验方法》进行测试；软化系数参照JG/T1169—2005《建筑隔墙用轻质条板》进行测试；采用双平板法（稳态法）测试材料的导热系数，试样尺寸为300mm×300mm×25mm。

2　结果与讨论

2.1玉米秸秆掺量对C-MOC物理性能的影响

（见图1）

从图1可以看出，随着玉米秸秆掺量的增大，C-MOC的密度、导热系数、软化系数降低，吸水率随之增大。这主要是由玉米秸秆具有质量轻、导热系数低、吸水率大的性质所决定的。当玉米秸秆的掺量为10%时，密度较未掺玉米秸秆的降低了42%；当掺量大于10%后，密度的降低呈现线形下降的趋势，递减速率为每增加10%密度平均降低10%。这是由于秸秆的加入破坏了氯氧镁水泥的致密结构，在秸秆与氯氧镁水泥的界面处存在孔隙，造成密度下降较大。

玉米秸秆掺量为10%时，C-MOC的导热系数较未掺玉米秸秆的降低了11%，吸水率增大了13%，软化系数降低了7%；掺量大于10%后，随着玉米秸秆掺量的增大，导热系数降低趋势减缓，吸水率的增长趋势与软化系数的降低趋势加剧。玉米秸秆掺量每增加10%，导热系数的降低速率为20%，软化系数的降低速率为24%，吸水率的增长速率为30%。造成这种现象的原因是玉米秸秆掺量小于10%时，玉米秸秆被氯氧镁水泥包裹，秸秆与秸秆之间没有产生交连，所以C-MOC的性质更加接近于氯氧镁水泥的性质。随着秸秆掺量的增大，秸秆与秸秆之间逐渐接触，氯氧镁水泥之间的连通越来越少，从而使导热系数呈现随着玉米秸秆加入而降低的趋势；当CMOC浸泡在水中，随着秸秆掺量的增多，导致氯氧镁水泥与水的接触面积增大，从而使吸水率呈现增大的趋势，软化系数呈现减小的趋势。综合考虑，玉米秸秆掺量以20%为宜，此时C-MOC的密度为912 kg/m3，导热系数为0.236W/（m·K），吸水率为33.64%，软化系数为0.61。

图1　玉米秸秆掺量对C-MOC物理性能的影响

2.2玉米秸秆掺量对C-MOC力学性能的影响

（见图2）

从图2可以看出，随着玉米秸秆掺量的增加，不同龄期的C-MOC强度均降低。3d龄期，当玉米秸秆掺量＞20%时，由于强度太低，无法检测。这主要是由于玉米秸秆带入的水及糖类渗出物对水泥起到缓凝的作用［5］。玉米秸秆掺量为0～10%时，C-MOC强度的下降比例远大于玉米秸秆掺量大于10%后强度的递减比例。由图1分析得出，玉米秸秆掺量为10%时，CMOC的结构形式还是以氯氧镁水泥为主，从而说明造成强度下降的主要原因除了秸秆本身强度很低的性质决定，还有就是玉米秸秆与氯氧镁水泥间存在界面所造成。玉米秸秆外表皮存在一层角质层［6］，不与水泥结合，故界面的粘结程度不高。当玉米秸秆掺量为30%～40%时，C-MOC的强度下降比例不大。这主要是因为氯氧镁水泥已无法包裹住玉米秸秆，在CMOC中很难起到力学支撑的作用。根据强度考虑，玉米秸秆的掺量以20%为宜，此时C-MOC的28 d抗压强度为9.16 MPa，28 d抗折强度为5.72MPa。

2.3微观分析

不同玉米秸秆掺量时C-MOC中氯氧镁水泥的XRD图谱见图3。

图2　玉米秸秆掺量对C-MOC力学性能的影响

图3　不同玉米秸秆掺量时C-MOC中氯氧镁水泥XRD图谱

由图3可见，氯氧镁水泥主要的物相有5·1·8相、Mg（OH）2、3MgO·4SiO2·H2O、MgO、MgCO3和SiO2。其中5·1·8相、3MgO· 4SiO2·H2O、Mg（OH）2为氯氧镁水泥的水化产物，SiO2主要来自原材料，MgCO3的来源大概分为2部分，MgO与空气中CO2反应生成和原料轻烧氧化镁中有少量未充分焙烧的MgCO3［7-8］。未掺入玉米秸秆时，MgO来源于未反应的活性氧化镁和非活性氧化镁；当玉米秸秆掺量为40%时，玉米秸秆带入的水与MgO发生反应生成Mg（OH）2，进一步生成5·1·8相。

图4为不同玉米秸秆掺量时C-MOC中氯氧镁水泥的SEM照片。

图4　不同玉米秸秆掺量时C-MOC中氯氧镁水泥的SEM照片

由图4可见，玉米秸秆掺量为0和10%时，微观形貌主要为胶凝状、板块状、针状结构，这些板块状、针状结构主要为氯氧镁水泥中的5·1·8相。5·1·8相针状晶体从胶凝状形貌中垂直生长出来，呈现发散状结构，与其它形貌的晶体交错生长。各形貌晶体相互穿插、重叠、填充，使氯氧镁水泥形成致密的结构体［9］。从而保证了氯氧镁水泥具有高强度、低吸水率的特点。玉米秸秆掺量为0和10%时，其微观形貌基本相似，说明当玉米秸秆掺量为10%时，玉米秸秆基本未对氯氧镁水泥的微观形貌产生影响。玉米秸秆掺量为20%时，发现极少量垂直于胶凝状形貌生长的5·1·8相针状晶体。5·1·8相针状晶体在胶凝状形貌的表面平行生长，与周围的其他胶凝片状结构穿插、重叠的程度降低。当玉米秸秆掺量为30%和40%时，其微观形貌为胶凝状、板片状形貌的重叠，胶体形貌表面光滑，几乎观察不到垂直胶体状表面生长的发散状5·1·8相针状晶体。由图3的XRD图谱分析得出，玉米秸秆掺量为40%时，氯氧镁水泥中存在5·1·8相，然而形貌中并未发现。这是因为，玉米秸秆中半纤维素、木质素等成分在氯氧镁水泥的碱性环境下水解生成单糖类物质，转变为糖酸，对氯氧镁水泥进行包裹。从而降低了各物相之间的连接度，造成氯氧镁水泥强度的下降。

3　结论

（1）利用玉米秸秆与氯氧镁水泥制备玉米秸秆镁水泥基复合保温材料（C-MOC），随着玉米秸秆掺量的增加，其抗折、抗压强度降低、耐水性变差，而导热系数及密度也随之减小。综合考虑，玉米秸秆掺量以20%为宜，此时C-MOC的密度为912kg/m3，导热系数为0.236W/（m·K），吸水率为33.64%，软化系数为0.61，28d抗压、抗折强度分别为9.16MPa、5.72MPa。

（2）通过对C-MOC中氯氧镁水泥的微观分析得出，玉米秸秆内含的水分及渗出液改变了氯氧镁水泥物相及微观形貌，玉米秸秆中半纤维素、木质素等成分在氯氧镁水泥的碱性环境下水解生成单糖类物质，转变为糖酸，对氯氧镁水泥进行包裹。从而降低了各物相之间的连接度，造成氯氧镁水泥强度的下降。

参考文献：

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［3］吴其胜，黎水平，刘学军，等.农作物秸秆纤维增强脱硫石膏墙体材料的制备与研究［J］.新型建筑材料，2012（1）：32-35.

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［5］韩景泉.水泥基麦秸碎料复合材的研究［D］.哈尔滨：东北林业大学，2009.

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中图分类号：TU55+1.3

文献标识码：A

文章编号：1001-702X（2016）05-0087-04

基金项目：“十二五”国家科技支撑计划项目（2014BAL03B01-04）

收稿日期：2015-10-20；

修订日期：2015-12-04

作者简介：王建恒，男，1989年生，河北衡水人，硕士研究生。

Effect of corn straw content on the properties of magnesium cement composite building materials

WANG Jianheng1，TIAN Yingliang1，XU Changwei2，QIHong2，SUN Shibing1
（1.Beijing University of Technology，Beijing 100124，China；2.Shenyang Jianzhu University，Shenyang 110168，China）

Abstract：In this paper，the effect of corn straw content on the mechanical properties，water resistance，density and thermal con －ductivity of building composite（C-MOC）with light insulation properties of magnesium cement based corn straw were studied，and microscopic analysis of the phases and microstructure of C-MOC were analyzed by SEM and XRD.The results show that：According to the performance index，the optimum content of corn stalk is 20%.The density is 912 kg/m3，the coefficient of thermal conductivity is 0.236W（/m·K），the absorption rate is 33.64%，the softening coefficient is 0.61，the 28 d compressive strength is 9.16MPa，and 28 d flexural strength is 5.72MPa.The phase and shape of the magnesium cement were changed from needle shape to gel-like shape.The reason is that the sugar in exudate of corn straw coats 5·1·8 phase.

Keywords：corn straw，magnesium cement，building composite，macroscopic performance，microscopic analysis