不同pH值环境下麦秸秆纤维腐蚀规律研究

孙浩+徐桂中+吴发红+王南江+朱杰

摘要：随着人们环保意识的提高，废弃秸秆逐渐被人们所重视并加以利用。在土木工程界，秸秆常被用作加筋材料加固软土地基，由于土体复杂的环境会影响秸秆的力学性能，所以需要考虑秸秆的腐蚀问题。通过将麦秸秆置于不同pH值的HCl溶液和NaOH溶液中浸泡不同时间后，测定其质量变化和抗拉强度的大小，来研究麦秸秆在不同pH值环境下的腐蚀规律。结果表明，不同pH值酸碱溶液都会对麦秸秆造成腐蚀，使其力学性能下降，但腐蚀规律却有差异。经pH=14的NaOH溶液腐蚀后的麦秸秆整体发生萎缩，完全丧失力学性能；HCl溶液腐蚀后的麦秸秆抗拉强度要远小于NaOH溶液腐蚀后的麦秸秆；同一pH值环境下麦秸秆抗拉性能随着腐蚀时间的增加逐渐下降。

关键词：麦秸秆；抗拉强度；质量损失；酸碱腐蚀

中图分类号： TU502文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2017）05-0252-04

我國是农业大国，农作物秸秆资源丰富，每年产生各类秸秆等农业废弃物约7.2亿t，是一种数量巨大的可再生资源[1]。大量秸秆被焚烧或废弃于田间，不仅造成环境污染，还浪费了宝贵的可再生资源[2-3]。因此，研究秸秆综合利用技术，将丰富的农业废弃物资源变废为宝，是促进农业可持续发展的重要举措[4]。

[JP2]在土木工程界，许多学者尝试将秸秆纤维运用到土木工程建设中，并获得了初步成效[5]。范军等将小麦秸秆制作成压缩块，放入纤维混凝土空心砌块中制成秸秆混凝土草砖，草砖在满足强度的要求下，[JP3]还具备更好的保温性能[6]。秸秆纤维复合材料由于其力学性能好，且是环境友好型材料，被大量应用于装饰装潢材料中[7-8]。柴寿喜等尝试将秸秆纤维作为加筋材料加入到固化的盐渍土中，来改善盐渍土的力学特性。试验结果表明，麦秸秆加筋对土体的横向变形有较强的约束作用，改善了土体稳定性，提高了土体抗压强度和抵抗变形的能力[9-11]。[JP]

需要指出，土木工程环境比较复杂，或是酸性环境，或是碱性环境，在这些复杂环境下，秸秆会发生腐蚀而影响其力学性能，所以必须要考虑秸秆的腐蚀问题。有研究显示，在碱性环境下，秸秆易腐烂，从而导致加筋土无侧限抗压强度随着固化过程的进行而降低[12]。Hsu等用稀硫酸处理水稻秸秆，在一定的温度条件下溶液中的含糖量达到83%[13]。Cheng等的研究表明，用碱处理使温度达到100 ℃时，秸秆中60%～70%的木质素被溶解[14]。曹旭辉等采用浓度为1%的NaOH溶液处理不同粒径的稻草纤维时，经处理后的质量损失率在40%左右[15]。由上述试验可知，酸碱性环境对秸秆腐蚀会导致秸秆纤维遭到严重的破坏，丧失力学性能。因此，了解秸秆在酸碱环境下的腐蚀规律是合理运用秸秆纤维的前提。

本试验将麦秸秆置于不同pH值的HCl溶液和NaOH溶液中，浸泡不同时间后取出，分别对其质量和抗拉强度进行测试，分析pH值及浸泡时间对麦秸秆力学性能的影响，研究秸秆在酸性和碱性环境下的腐蚀规律。从而为秸秆在土木工程中的综合利用提供有效的指导。

1材料与方法

1.1试验材料

试验所用麦秸秆收集于江苏省盐城市农村，人工收割，经过自然风干后存放于干燥阴凉之处，选取完整、没有虫害、秆径适中的麦秸秆作为试样。用38% HCl试剂配制pH值=1、3、5的HCl溶液，NaOH分析纯配制pH值=10、12、14的NaOH溶液。试验用水为实验室自制蒸馏水，HCl溶液和NaOH溶液配制完成后，用pH测试笔测量溶液精准pH值，如果误差较大，则需重新配制。麦秸秆的烘干采用DHG9123A型电热恒温鼓风干燥箱，抗拉强度的测定使用WDW-10E型电子万能试验机。

1.2试验设计

选取风干后粗细均匀的麦秸秆若干，截取最长一节秸秆，将其剪成15 cm的小段，每5根为1组，测得其质量后，用细线捆好（图1）。此后，将配好的HCl溶液和NaOH溶液分别倒入1 000 mL塑料量筒中，每个量筒中放入1组秸秆，确保秸秆整个没入到溶液中。最后，用保鲜膜将量筒口密封好，以防止溶液挥发（图2）。

将秸秆在浸泡15、30、45、60、90 d后取出，放入70 ℃的干燥箱中烘干至恒质量，观察秸秆外表的变化，用电子天平测定烘干后秸秆的质量，计算秸秆的质量损失率，计算公式如下：

[JZ]秸秆质量损失率=[SX（]秸秆原质量-烘干后秸秆质量秸秆原质量[SX）]×100%。

采用WDW-10E型电子万能试验机对秸秆的极限抗拉强度进行测试。由于秸秆太细，万能试验机的夹具不能很好地夹住秸秆，所以要对秸秆的两端进行处理。取3 cm×3 cm大小的氯乙烯塑料，将秸秆的一端夹在2片塑料中，抹上AB胶（图3）。48 h后，待AB胶到达最大强度，将制备好的秸秆样放入到万能试验机中进行抗拉强度测试。

试样受拉过程如图4所示，秸秆试样长150 mm，标距，即2个夹具之间的距离为120 mm，加载速度为5 mm/min。试验时，要注意秸秆不能发生弯曲或折断，同时试验机拉力方向要沿着秸秆纵向长度方向。

2.1烘干后秸秆样

不同pH值碱性环境腐蚀后秸秆样如图5所示，图5-a、图5-b、图5-c分别对应pH值=10、12、14时的NaOH溶液浸泡、烘干后的秸秆样。从图5可知，pH值=14的NaOH溶液浸泡后的秸秆外观变化较为明显，秸秆整体发生了萎缩，相互之间缠绕在一起，颜色比天然状态下的秸秆要变黄许多，稍一用力，秸秆便可被拉断，根本不具备抗拉强度。说明强碱环境[CM（25]下秸秆内部结构遭到了破坏，丧失力学性能。pH值=10、[CM）][FL）]

12的NaOH溶液腐蚀后秸秆与天然状态秸秆外观上并没有比较明显的变化，但两者腐蚀后秸秆有明显质量损失，说明秸秆同样受到了这2种碱性溶液的腐蚀，但是受腐蚀程度远没有强碱性溶液中的秸秆严重。

图6为酸性环境腐蚀后秸秆样，图6-a、图6-b、图6-c分别对应pH值=1、3、5的HCl溶液腐蚀后的秸秆样，图6-d为HCl溶液腐蚀后的秸秆与天然状态下秸秆进行的对比。从左到右依次为pH值=1、3、5的HCl溶液腐蚀后的秸秆以及天然状态下的秸秆。由图6可知，相比较天然状态下的秸秆，酸性溶液腐蚀后的秸秆要明显变细许多，颜色也要比天然状态下秸秆深许多，手感较为柔软，能够轻易弯折。其中，经pH值=1的HCl溶液腐蚀后的秸秆整体呈青黑色，秆径纤细；其他2种pH值HCl溶液浸泡后的秸秆仍旧是黄色，秸秆表面出现了黑色霉斑。同碱性溶液一样，不同pH值酸性溶液也会对秸秆产生不同程度的腐蚀，即溶液中酸的浓度会影响秸秆的腐蚀程度。

的破坏[16]。本次试验中NaOH溶液变成了黄色极有可能是麦秸秆中木质素和半纤维素受到腐蚀分解，溶解到NaOH溶液中，致使溶液变成了黄色。浸泡过秸秆的HCl溶液依舊呈无色，溶液比较浑浊，量筒内壁上有几处比较明显的霉斑。综合对比可以得出，酸碱性溶液都会对秸秆造成腐蚀，但腐蚀机理却有根本性的不同。

2.2秸秆质量损失规律

图8、图9分别为秸秆在不同pH值的NaOH溶液和HCl溶液中腐蚀时间与腐蚀质量损失百分比关系图。分析图8、图9可知，0～15 d这段曲线比较陡峭，15～90 d的曲线相对比较平缓。这表明，秸秆在碱性环境和酸性环境下15 d内腐蚀速率较快，质量损失比较严重。浸泡入pH值=10、12、14的NaOH溶液15 d后，秸秆质量损失分别为29.63%、3254%、28.06%；pH值=1、3、5的HCl溶液浸泡的秸秆质量损失分别为27.78%、28.00%、29.63%。15～90 d这段时间内，秸秆的质量损失仍有少量增长，表明NaOH溶液和HCl溶液仍在腐蚀秸秆，但腐蚀速率明显降低，这说明NaOH溶液和HCl溶液对秸秆的腐蚀主要集中在浸泡后15 d内。腐蚀90 d后，不同pH值的NaOH溶液中秸秆质量损失分别为3229%、43.09%和38.49%；不同pH值HCl溶液腐蚀后秸秆质量损失为 32.69%、33.33%和33.93%。

2.3秸秆抗拉强度特性

图10、图11为秸秆在pH值=10和pH值=12的NaOH溶液中浸泡不同天数后的拉力与拉伸位移关系图，pH值=14的NaOH溶液腐蚀后的秸秆结构遭受严重破坏，不具备抗拉性能。从2幅图中可以看出，秸秆拉力先随着其位移增加整体上呈线性增大趋势，当拉力增大到一定数值后，秸秆会被拉

断，此时拉力从峰值降下来，此时的峰值就是秸秆的极限拉力，随后拉力再随着拉伸位移的增加而慢慢减小，最终降为0。需要指出，由于拉伸过程中聚乙烯塑料中的秸秆会发生移动，所以秸秆的拉伸位移并不是秸秆的形变。

为秸秆在不同pH值的NaOH溶液中腐蚀时间与秸秆极限拉力关系图。从图12可以看出，随着浸泡时间的增加，秸秆的抗拉性能总体上呈现出降低趋势。经pH值=10的NaOH溶液浸泡15 d后的极限拉力为629 N； 90 d后极限

拉力降低为351 N。经过pH值=12的NaOH溶液浸泡15 d后的秸秆极限拉力为551 N；腐蚀90 d后极限拉力变为 422 N。腐蚀时间对于秸秆的抗拉性能有比较显著的影响，随着时间的增加，pH值=10、pH值=12的处理腐蚀90 d后秸秆抗拉强度分别要比腐蚀15 d的降低近44.2%、23.4%。虽然15～90 d 这段时间内，秸秆的质量损失变化不大，但秸秆抗拉性能却显著降低。这表明在15～90 d这段时间内，NaOH溶液对秸秆腐蚀作用仍在继续，秸秆力学性能持续降低。所以秸秆在碱性环境下腐蚀时间越长，其力学性能就越差。[JP]

分别为浸泡60 d和浸泡90 d后秸秆拉力与拉伸位移关系图。分析2幅图可知，麦秸秆经HCl溶液腐蚀后应力应变关系大体趋势与碱性环境下一致，不同pH值HCl溶液腐蚀60 d后，秸秆极限拉力分别为302、335、344 N，要远远小于碱性环境腐蚀后秸秆的极限拉力。同样，酸性环境浸泡90 d后，秸秆的极限拉力分别降为了214、158、125 N，同样要远远小于相同天数NaOH溶液腐蚀后麦秸秆的极限拉力。

综合分析来看，同一环境下，腐蚀时间越长，秸秆抗拉性

能越差，说明随着腐蚀时间增加，虽然秸秆外观和质量损失没有明显变化， 但秸秆仍然受到酸碱环境的腐蚀。其次，NaOH溶液和HCl溶液浓度越高，秸秆受到的腐蚀也越严重，抗拉性能也越低，说明酸碱浓度也是影响秸秆腐蚀的一个重要因素。相同时间下，秸秆受HCl溶液腐蚀后抗拉强度要远远小于受NaOH溶液腐蚀。这很有可能跟酸碱性环境对秸秆腐蚀机理不同有关。

麦秸秆主要是由木质素、纤维素、半纤维素、蜡质和灰分组成[17]。木质素是构成麦秸秆细胞壁的一种重要物质，通过形成交织网来硬化细胞壁，强化植物组织。纤维素是植物细胞壁的主要组成成分，赋予稻麦秸秆纵向抗拉强度，起着骨架作用，纤维素含量越高，其纵向抗拉强度越好。碱性环境对半纤维素和木质素影响较大，宋籽霖等的研究显示，氢氧化钠预处理能够显著降低玉米秸秆的木质纤维素含量，与未预处理的秸秆相比，经氢氧化钠处理后的秸秆半纤维素含量降低了14.2%～52.4%，木质素含量降低了9.3%～29.3%[18]。而酸性环境能够降解麦秸秆中纤维素，降低纤维素成分的含量，破坏麦秸秆结构[19]。这可能是麦秸秆受HCl溶液腐蚀后，手感较为柔软，抗拉强度降低，截面尺寸明显变小的原因。

3结论

本试验从秸秆的外观变化、质量损失以及抗拉性能3个角度分析了酸碱环境对麦秸秆的腐蚀规律，得到如下结论：

（1）酸碱环境都会对秸秆造成严重的腐蚀，但两者腐蚀机理却各不相同，秸秆的质量损失为30%～40%。

（2）在强碱环境下，秸秆内部结构会遭到严重破坏，其直观表现为秸秆重度萎缩，失去抗拉性能，丧失力学特性。

（3）随着酸碱对秸秆腐蚀时间的增加，秸秆的抗拉强度逐渐降低。

（4）酸性环境下，秸秆中起支撑作用的骨架物质——纤维素含量会明显减少，所以酸性腐蚀后的秸秆抗拉强度要远远小于碱性复试后的秸秆的抗拉强度。

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