水泥基麦秸碎料复合材的研究

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近年来随着人们对木材资源保护和农业剩余物高效利用的重视,利用麦秸替代木质刨花或传统纤维以制作水泥基复合材料,正逐渐成为相关领域的一个研究趋势。本研究以麦秸碎料和硅酸盐水泥为原料,利用冷压法工艺流程压制水泥基麦秸碎料复合材。凭借SEM和FTIR等分析手段,采用润湿性(θ-t曲线,扩散-渗透系数K)和水化特性(水化特征值Tmax和t,相适性系数CA)等评价体系,研究了5种预处理方式(碱液热浸,热水蒸煮,纤维素酶降解,木聚糖酶降解,非淀粉多糖酶降解)和3类助剂(CaCl2,Al2(SO43,Na2SiO3)对麦秸化学组分与生物结构、麦秸-水泥混合体系的相适性和两相界面胶接性能的影响规律,进而探寻麦秸碎料与水泥浆体的复合机理。然后对麦秸尺寸、水灰比、灰秸比、预处理方式和助剂种类等工艺参数进行优化实验,使复合材能够达到《JC411/T-2007水泥木屑板》国家建材行业标准的要求。通过上述研究得出以下结论:(1)5种预处理方式均可以不同程度地使麦秸化学组分发生变化,提高麦秸与水泥浆体的相适性,改善麦秸表面的润湿性,最终提高复合材的物理性能。其中,非淀粉多糖酶降解和碱液热浸两种预处理方式效果最为显著。(2)麦秸经过1%NaOH溶液热浸处理后变化如下:①由SEM图像分析可知:原本光滑的外表面遭到破坏,出现了大量的孔洞和沟槽。内表面破损严重,原有的组织结构已经部分脱落;②由FTIR图谱分析可知:在波数为3500~3300 cm-1的范围内,—OH峰值增强;在1710~1300 cm-1范围内,系列小峰吸收强度明显增加;在1300~1000 cm-1范围内,有机硅化物O—Si—O基团特征峰增强;③由θ-t曲线计算得出扩散-渗透系数K增加约11倍;④由混合体系水化的时间—温度曲线计算得出,525#水泥和425#水泥的Tmax分别提高了20.8℃和8.2℃,t分别缩短了14.5 h和18.5 h,CA分别增加了45.1%和48.4%;⑤复合材的MOR、24h MOR、MOE和IB分别提高到9.41 MPa、8.07 MPa、3879.8 MPa和0.41 MPa。以上现象说明:NaOH溶液将麦秸外表面的部分蜡质层水解成高级脂肪酸和高级脂肪醇;NaOH溶液使麦秸中的纤维素、半纤维素和部分木素发生碱性水解;NaOH溶液与麦秸中的SiO2发生了反应。(3)经非淀粉多糖酶处理后变化如下:①由SEM图像分析可知:麦秸外表面的气孔均有破裂的迹象,裂痕均呈现字母“Z”的形状;麦秸内表面出现大量的撕裂状孔洞,孔洞的大小和数量都比木聚糖酶和纤维素酶单独处理时明显增多;②FTIR图谱分析可知:在3500~3300 cm-1处,—OH峰以及1710~1300 cm(-1)处的一系列小峰均有大幅度增强,由峰值强度来看其降解效果要好于木聚糖酶和纤维素酶;③由θ-t曲线计算得出扩散-渗透系数K增加了约2倍;④由混合体系水化的时间—温度曲线计算得出,525#水泥和425#水泥的Tmax分别提高了22.1℃和13.6℃,t分别缩短了16 h和19.0 h,CA分别增加了53.7%和58.1%;⑤复合材的MOR、24h MOR、MOE和IB分别提高到10.13 MPa、7.79 MPa、4012.7 MPa和0.45 MPa。以上现象说明:非淀粉多糖酶对麦秸内表面降解作用更强,并且对麦秸外表面有一定化学作用;此种复合酶制剂兼有纤维素酶和木聚糖酶双重降解效果,纤维素酶主要作用于纤维素分子的β—1,4键,破坏纤维素的结构,使麦秸中的部分纤维素降解,并产生水溶性低聚糖和葡萄糖;木聚糖酶能够进入次生壁,将麦秸中的木聚糖β-1,3-D-木聚糖单元水解成水溶性木聚寡糖及单糖;纤维素酶削弱了纤维素的高结晶度对半纤维素酶降解的影响,促进了半纤维素酶的降解作用;另一方面,半纤维素酶可以在一定程度上解除木素与纤维素和半纤维素之间的连接,促进纤维素酶对纤维素的作用;因此纤维素酶和木聚糖酶可以相互促进,处理效果优于单一酶种。(4)以Tmax、t和CA 3个指标所构建的评价体系来衡量助剂对混合体系相适性的影响,可知3类助剂均能够不同程度地使混合体系的Tmax升高、t缩短、CA增大,即对麦秸和水泥相适性的改善起到一定作用。改善效果由强到弱依次为:CaCl2>Al2(SO43>Na2SiO3。CaCl2能够促进水泥浆体的水化反应,削弱麦秸中阻凝成分对水泥水化过程的影响,使得水泥浆体和麦秸的相适性显著提高。加入CaCl2后525#水泥和425#水泥的Tmax分别提高了26.9℃和19.4℃,t分别缩短了17 h和20.5 h,CA分别增加了52.7%和55.3%。(5)由方差分析可知,麦秸尺寸、水灰比和灰秸比等工艺参数对复合材各项物理性能的影响均为高度显著。实验所确定的制备水泥基麦秸碎料复合材的优化工艺条件为:麦秸尺寸0.6~2 mm(混合麦秸碎料)、水灰比0.45:1、灰秸比4:1、麦秸利用非淀粉多糖酶进行降解预处理、添加助剂为3%Na2SiO3和3%CaCl2(基于水泥质量),加压压力2.5 MPa、加压时间4 h、自然养生28 d,最终含水率在12%以内。以上述优化工艺条件制作的水泥基麦秸碎料复合材已达到JC411/T-2007标准的要求。
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