木质素聚合物改性粉煤灰混凝土性能的试验研究

黄刚　刘远才

摘要：以高沸醇溶剂法制备木质素并经化学处理获得木质素磺酸钙作为减水剂改性粉煤灰混凝土，通过粉煤灰混凝土配合比的设计，以试验数据进行了研究与分析，试验证明通过自制的木质素聚合物对改性粉煤灰混凝土性能到达了一定效果。

关键词：高沸醇溶剂法；木质素磺酸钙；粉煤灰混凝土配合比；粉煤灰混凝土强度

前言

环境污染和资源危机等问题是当今世界面临的一个难题，如何将废弃物回收与可再生资源的利用，更是当代经济与社会发展的重大课题，天然高分子化合物的研究受到了众多研究者的重视。木质素作为一种天然高聚物，是一种非常丰富的可再生资源，在自然界中木质素主要存在于木材、稻草、麦秆等植物体中，每年全球植物能产生1500万吨左右的木质素，在传统的纸浆造纸工业，木质素被降解成木质素磺酸盐等随废水排出，目前仅我国年产就已经达到450万吨以上，而且随着造纸工业的发展还有进一步增长的趋势，这不仅造成了资源的极大浪费，而且还对环境造成了极大的污染，在国内程贤甦等人。使用高沸醇溶剂法将高沸点的有机溶剂、木片、稻草或稻壳等植物原料蒸煮可以成功地制得高沸醇木质素，此方法具有无污染，资源回收利用充分等优势，同时制备高沸醇木质素在国外有日本北海道大学佐野嘉拓教授课题组的研究，高沸醇溶剂法不仅解决了造纸废液对环境的污染，而且还为森林采伐剩余物回收，变废为宝提供了有效途径。目前对混凝土的改性研究主要通过改性剂在其拌制过程中的掺入，以改善混凝土的性能，而对粉煤灰混凝土的改性研究仍较活跃，众所周知，在混凝土中掺入一定量的粉煤灰，能节约水泥、降低水化热、提高抗腐蚀性，改善拌合物的粘聚性，提高混凝土的抗渗性，并能处理工业废渣，减少环境污染，但是对混凝土早期强度的增长速度会产生一定的影响，本文借鉴国内程贤甦等人的制备木质素方法，以木材为原料进行自制木质素，然后将木质素经过化学处理得到木质素磺酸钙化合物，并将其作为外加剂掺入粉煤灰混凝土中，通过试验，分析了木质素聚合物对粉煤灰混凝土的改性效果。

1.试验材料

木质素磺酸钙：以木材为原料，提取木质素，再经化学处理获得（自制）。

水泥：42.5级普通硅酸盐水泥。

砂：河砂（属中砂），过5m筛。

水：自来水。

石：5-20m的碎石。

粉煤灰：选用细度、烧失量、需水量比、SO3含量均满足规范用于水泥混凝土Ⅱ级粉煤灰。

2.试验方法与步骤

2.1以木材为原料，1，4-丁二醇为溶剂在180-220。C蒸煮条件下进行木质素的提取，木质素提取率约26.2%，将提取的木质素经磺化后得到木质素磺酸钙。

2.2试验配制强度等级为C30、坍落度控制为30-50mm的粉煤灰混凝土，以基准混凝土配合比为基础，为了考虑粉煤灰取代水泥含量，砂率对粉煤灰混凝土抗压强度的影响，砂率控制为31.6%，掺入的粉煤灰采用超量取代法取代水泥，取代量及粉煤灰超量系数分别参见表1和2，该表选自《粉煤灰混凝土应用技术规范》（GBJ146-90），即以粉煤灰取代水泥量为21.0%的粉煤灰混凝土配合比进行设计，其设计要求根据《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ55-2000）进行，配合比见表3。

2.3混凝土试件的制备及强度试验。

按照设计的配合比进行混凝土试件的制备，试件规格为150mm×150nm×150nm立方体，试件成型24h后脱模，将其放置于养护室中养护成型，分别进行养护7d、28d、60d后的抗压强度试验，每组抗压强度试验的试件均为3个，取其平均值，试验过程中持续加压，电脑给出了最大荷载力及荷载与位移的曲线图。通过试验观察试件的破坏形态多以鼓胀破坏为主，粉煤灰混凝土拌合物坍落度值及养护试件的抗压强度的平均值见表4。

3.试验结果分析

通过对各项指标的实验数据进行统计分析，考察各因素对混凝土的影响效果，由表3和表4可以看出：

（1）在保持粉煤灰混凝土用水量和水泥用量不变的情况下，B组掺加0.2%的外加剂其坍落度从A组的40mm增加到了100m，可见增大了混凝土的流动性；

（2）在保证粉煤灰混凝土工作性和水泥用量不变的情况下，C组减少了用水量，但经过抗压试验结果表明：混凝土强度有所提高；

（3）在保持混凝土工作性和强度不变的情况下，D组减少了一定的水泥，经过试件抗压试验结果表明：改组能达到同样的强度，在一定程度上节约了水泥；

（4）粉煤灰混凝土早期强度普遍偏低，28d至60d这之间的强度增幅比较明显，粉煤灰的活性反应主要在28d左右。

4.试验结论

4.1粉煤灰的运用，本试验统一取代水泥量约为21%，通过实验数据表明，粉煤灰对混凝土产生了极大贡献——粉煤灰效应，表现在处于潮湿的养护环境中，后期强度增幅较大，尤其是在28d之后。

4.2木质素聚合物作为外加剂用来改性混凝土，试验表明，通过自制的木质素聚合物加入粉煤灰混凝土中起到了改性的效果，主要起到了增大粉煤灰混凝土的流动性，提高了混凝土的强度，节约了水泥。

4.3木质素聚合物和粉煤灰同时作为外加剂加入混凝土中，既对混凝土的改性起到了一定的作用，又有效的回收了森林废弃物资源，工业废渣等。

4.4国内程贤甦等人研究了其他木质素聚合物的研究，比如木质素聚合物环氧树脂运用到水泥砂浆中的作用以及高沸醇木质素作为涂料、胶黏剂的应用等，可见其综合利用有非常广阔的空间，本文中木质素磺酸钙的提取由于技术有限，在木质素磺酸钙的纯度上有一定的降低，在以后的研究过程中需进一步优化提取工艺。