秸秆-氯氧镁水泥复合材料耐水性试验研究

□文/胡 博 王建恒

随着新农村的建设，农业生产日益趋向农场化的集体大规模种植生产，个体农户对秸秆资源的消纳逐渐减少，从而造成大量秸秆资源浪费，秸秆资源的有效利用成为日益突出的问题。制备适用于农村建筑的材料作为秸秆综合利用的有效途径之一，得到大量关注与研究[1]。秸秆资源与无机胶凝材料进行复合得到的秸秆复合材料具有质量轻、制备方式简便、造价低廉等特点[2]。受自身特点的影响，秸秆与无机胶凝材料制备的复合材料强度不高，基本无法用于结构支撑材料，但因质量轻、导热系数低，可作为各种墙体的填充材料[3]。另外，秸秆复合材料的耐水性普遍较差，吸水后易出现强度降低、发霉变形等问题。相比石膏、普通硅酸盐水泥等无机胶凝材料，氯氧镁水泥更加适合与秸秆进行复合[4]。氯氧镁水泥水化凝结迅速，可抵消秸秆所含糖、脂等有机物造成的缓凝现象[5]，此外氯氧镁水泥硬化后强度高、耐磨性好；但耐水性差，遇水侵蚀容易出现泛霜、翘曲的现象[6]。

本文通过磷酸二氢钾、柠檬酸、减水剂配制的复合磷酸盐溶液，丙烯酸乳液以及超细二氧化硅来改善秸秆-氯氧镁水泥复合材料的耐水性；研究复合磷酸盐溶液浓度、丙烯酸乳液掺加量、超细二氧化硅掺加量对秸秆-氯氧镁水泥复合材耐水性的影响。

1 试验

1.1 原材料

1）玉米秸秆：取自天津市郊区，干燥条件下存放；去除杂物及受潮霉变的秸秆，破碎机进行破碎，然后进行筛分，保留长度2 cm左右的玉米秸秆。

2）轻烧氧化镁：选自河北卡特合金材料有限公司，活性氧化镁含量为55%，烧失量为19%。

3）氯化镁：选自江阴海融环保科技发展有限公司，含量＞99%。

4）丙烯酸乳液：固含量30%，选自天津国隆化工有限公司。

5）磷酸二氢钾：含量≥99%，工业级，选自郑州金山化工有限公司。

6）柠檬酸：含量99%，工业级，选自山东乾高环保科技有限公司。

7）减水剂：聚羧酸减水剂，取自天津某搅拌站。

1.2 试验方法

1.2.1 过程

将磷酸二氢钾2份（质量份，下同）、柠檬酸0.5份、减水剂1份与水混合制备复合磷酸盐溶液。玉米秸秆置于搅拌桶内，将制备好的复合磷酸盐溶液洒入秸秆表面，混合均匀；轻烧氧化镁与超细二氧化硅进行充分混合，倒入搅拌桶继续混合搅拌；最后加入丙烯酸乳液与氯化镁。玉米秸秆7 份，水7 份，氧化镁14 份，保持秸秆-氯氧镁水泥复合材料中氧化镁∶氯化镁∶水的摩尔比为7∶1∶10。搅拌均匀后，注入40 mm×40 mm×160 mm 的模具中成型，24 h 脱膜。在室温、湿度60%条件下养护。

1.2.2 性能测试

秸秆-氯氧镁水泥复合材料的耐水性能采用吸水率、软化系数进行表征。吸水率的测定参照GB/T 15231—2008《玻璃纤维增强水泥性能实验方法》，软化系数测定按照JG/T 1169—2005《建筑隔墙用轻质条板》。

2 结果与讨论

2.1 丙烯酸乳液对耐水性能影响

其他条件保持不变，丙烯酸乳液与轻烧氧化镁的掺量比为0、10%、20%、30%、40%、50%。结果见图1。

图1 丙烯酸乳液掺加量

从图1可以看出：秸秆-氯氧镁水泥复合材料的吸水率随着丙烯酸乳液加入量增加呈减小的趋势。当丙烯酸乳液掺量比为0.5 时，秸秆复合材料的吸水率为59.52%，相比空白试样降低了31.4%；软化系数随着丙烯酸乳液掺入量增加而增大。当丙烯酸乳液掺量比为0.4 时，软化系数为0.45，掺量比＞0.4 后，随着丙烯酸乳液掺量增加，秸秆复合材料的软化系数不再变化。

这是因为，丙烯酸乳液是水乳型高分子聚合物，在空气中有快速成膜的特性且对氯氧镁水泥的水合反应物无不良的影响。玉米秸秆周围附着的丙烯酸乳液层将玉米秸秆的孔隙封闭起来，可阻隔水分的进入，从而降低了吸水率；此外，部分丙烯酸乳液成膜后交错穿插在氯氧镁水泥水化相间，对结构相起到保护作用；同时也对水化结晶相结构的孔洞起到填充作用，减少水进入的通道[7～8]，从而提高秸秆-氯氧镁水泥复合材料浸水强度并改善软化系数。见图2。

图2 丙烯酸乳液包裹氯氧镁水泥微观形貌

2.2 磷酸盐复合溶液对耐水性影响

丙烯酸乳液加入量为40%，其他条件保持不变，改变复合磷酸盐溶液的浓度，分别为2%、4%、6%、8%、10%。结果见图3。

图3 复合磷酸盐浓度对耐水性影响

从图3 可以看出：随着复合磷酸盐溶液浓度的增大，秸秆-氯氧镁水泥复合材料吸水率整体上有下降的趋势，但下降程度有限，由60.3%降低到55.3%；软化系数呈增大趋势，由0.45增大到0.62，提高了37%。

这是因为：一方面磷酸二氢钾、柠檬酸等物质对玉米秸秆中的糖类、脂类等有机物有一定降解作用，减少氯氧镁水泥在浸水过程中受到糖类、脂类的侵蚀，从而可提高氯氧镁水泥在浸水中的强度；另一方面，磷酸二氢钾、柠檬酸、减水剂均可不同程度阻碍氯氧镁水泥中起到强度作用的5 相、3 相结晶体向氢氧化镁的转化，从而可提高氯氧镁水泥浸水后的力学强度，提高软化系数[9～10]。

2.3 超细二氧化硅对耐水性影响

丙烯酸乳液加入量为40%，复合磷酸盐溶液的浓度为10%，其他条件保持不变，加入超细二氧化硅，超细二氧化硅与轻烧氧化镁掺量比（质量）为2%、4%、6%、8%、10%。结果见图4。

图4 超细二氧化硅对耐水性影响

从图4可以看出：随着超细二氧化硅掺量的增大，秸秆-氯氧镁水泥复合材料吸水率降低，软化系数增大。当超细二氧化硅掺量为10%时，吸水率降低24.5%，为41.7%；软化系数提高15%，为0.71。

这是因为：超细二氧化硅具有增稠作用和保水性。在氯氧镁水泥水化过程中，超细二氧化硅可迅速吸水，防止秸秆中的水分不断析出影响氯氧镁水泥水化，促进起主要强度作用的5相、3相结晶相的生成；另一方面，超细二氧化硅可作为填充物，填充在氯氧镁水泥水化结晶相的孔隙中，起到阻碍水侵蚀的作用，从而提高秸秆-氯氧镁水泥复合材料的耐水性。

3 结论

1）随着丙烯酸乳液掺加量增大，复合磷酸盐溶液浓度的提高，超细二氧化硅掺量的增大，秸秆-氯氧镁水泥复合材料的耐水性得到提高。

2）当丙烯酸乳液掺量40%，复合磷酸盐溶液浓度为10%，超细二氧化硅掺量为10%，秸秆复合材料的吸水率为41.7%，软化系数为0.71。

3）经过丙烯酸乳液、复合磷酸盐溶液、超细二氧化硅处理后的秸秆-氯氧镁水泥复合材料相比未处理的空白样品，吸水率降低了51.9%，软化系数提高了145%。