CN108484016B - 一种生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法及保温墙体材料 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法及保温墙体材料，该制备方法包括：1)取麦秸切断进行蒸汽爆破得爆破料；2)对爆破料进行水洗得水洗料；3)将水洗料浸入NaOH溶液中，后经过滤分离、水洗干燥得麦秸纤维；碱洗液进行磺化得混合减水剂；4)将麦秸纤维用硅烷偶联剂改性后，加入偏高岭土搅拌混合得纤维预混料；5)将纤维预混料与水泥、聚苯乙烯泡沫颗粒、混合减水剂搅拌混合制成料浆经浇筑成型、静置脱模和养护即得。所得保温墙体材料在保证良好力学性能和隔热保温性能的基础上，吸水率低、吸水软化系数高；经过50次冻融循环后，抗压强度损失率不超过10％，质量损失率不超过5％，具有良好的抗冻性能和耐久性。

Description

一种生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法及保温墙体 材料
技术领域
本发明属于水泥基保温墙体材料技术领域，具体涉及一种生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法及该制备方法制备所得的生物质增强水泥基保温墙体材料。
背景技术
水泥基材料是目前使用最广泛的建筑材料，为人类社会的进步和发展做出了极其突出的贡献。但是，由于水泥的先天缺陷，水泥基材料存在以下问题：抗拉强度低，远远低于其抗压强度；是典型的脆性材料，抵抗外界冲击的能力差；抗裂性能差，结构中存在大量温度裂缝和干缩裂缝，并随着使用时间的延长逐渐发展成大裂缝，从而严重影响结构的耐久性和安全性。
为解决上述问题，人们在水泥基材料中掺加纤维进行复合化，得到纤维增强水泥基材料。纤维在复合水泥基材料中的作用主要是提高其抗拉强度和变形能力、阻止裂缝的产生和发展。目前，石棉纤维、钢纤维、合成纤维、玻璃纤维等作为增强材料的技术已较为成熟，但是石棉有毒，纤维粉尘易对人体健康造成危害；钢纤维在裂缝中容易发生锈蚀，影响强度；合成纤维如聚丙烯纤维等需要额外加入抗氧化剂、抗紫外线的稳定剂及阻燃剂，成本高；玻璃纤维易受水泥中碱性腐蚀，且成本较高。因此，需要寻找新的低成本纤维来增强水泥基材料。
生物质秸秆是一种来源广泛、存储量大并且可再生的生物质自然资源，其本身具有大长径比、较高强度、较大比表面积和较高韧性，是一种具有多孔细胞结构的天然复合材料。秸秆纤维是一种低成本绿色纤维，其作为水泥基体的生物质增强材料，一方面能提高水泥基材料的抗弯强度和断裂韧性，降低材料密度，改善其结构和力学性能，抑制干缩裂缝，保证基体的连续性；另一方面，由于秸秆纤维所具有孔隙结构，使得复合材料具有良好的保温及吸声效果。因此，生物质秸秆复合水泥基材料越来越受到人们的重视。
但是，由于水泥水化过程中产生的氢氧化钙会溶于基体孔隙的多余水分中形成碱性溶液，溶液中氢氧化钙的存在及碱性环境会使纤维中的半纤维素和木质素降解，从而破坏纤维的结构、降低其强度和韧性，纤维结构破坏后形成空隙，氢氧化钙进入纤维内部在孔隙中沉积、结晶使得纤维矿化，从而失去柔性易断裂，最终导致复合材料的耐久性不佳，使得生物质秸秆增强水泥基材料的实际使用寿命远远低于建筑物的设计使用寿命。那么，采用生物质秸秆增强水泥基材料作为保温墙体材料使用时，就需要二次甚至更多次的维修和更换，不仅影响使用和保温效果，降低了工程质量；而且还增加了后续的维修和更换操作，提高了维修和维护成本，因此限制了其大规模推广使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，在保证基本力学性能的基础上，提高其耐久性和质量稳定性。
本发明的第二个目的是提供一种上述的制备方法制备所得的生物质增强水泥基保温墙体材料。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
一种生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，包括以下步骤：
1)取麦秸切断至长度为20-40mm，进行蒸汽爆破，卸压出料得爆破料；
2)按照固液质量比为1:(4-5)的比例将步骤1)所得爆破料浸入水中，浸泡时间为4-6h，后过滤并挤压进行固液分离，得一次水洗料和一次洗液；
3)将步骤2)所得一次水洗料浸入质量浓度为0.8％-1.2％的NaOH溶液中，在60-80℃保温1.5-2.5h，后经过滤分离得纤维料和碱洗液，将所得纤维料进行二次水洗并干燥，得麦秸纤维；在所得碱洗液中加入亚硫酸钠进行磺化得混合减水剂；
4)将步骤3)所得麦秸纤维进行硅烷偶联剂改性，再加入偏高岭土进行搅拌混合，硅烷偶联剂的用量为麦秸纤维质量的1.2％-1.5％，偏高岭土的用量为麦秸纤维质量的2.0-2.5倍，混合均匀后得纤维预混料；
5)将步骤4)所得纤维预混料与水泥、聚苯乙烯泡沫颗粒及步骤3)所得混合减水剂搅拌混合，所述纤维预混料的用量使得麦秸纤维的量为水泥质量的2.0％-2.5％，聚苯乙烯泡沫颗粒的用量为水泥质量的26％-30％，控制水胶比为0.48-0.52，所得料浆经浇筑成型、静置脱模和养护，即得。
步骤1)中，所用麦秸的含水量为35％-40％。
步骤1)中，所述蒸汽爆破的蒸汽温度为185-190℃，蒸汽压力为2.8-3.0MPa，保压时间为2.5-3.0min。
步骤2)中，所得一次洗液直接用作缓凝剂或用于生产缓凝剂。
步骤3)中，将水洗料浸入NaOH溶液的固液质量比为1:(4-5)。
步骤3)中，所述干燥的温度为65-70℃，干燥至麦秸纤维的含水量不超过15％。
步骤3)中，所述亚硫酸钠的用量使得碱洗液中固含量与亚硫酸钠的质量比为10:(2.5-4.0)。所述磺化的反应温度为90-95℃，时间为3-6h。
步骤4)中，所述硅烷偶联剂改性是指配制硅烷偶联剂溶液，将硅烷偶联剂溶液喷洒到麦秸纤维表面，搅拌使纤维表面充分润湿后干燥去除溶剂。配制硅烷偶联剂溶液所用的溶剂为乙醇水混合溶剂。硅烷偶联剂与乙醇、水的质量比为20:72:8。
所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷。
步骤5)中，所述混合减水剂的用量满足混合减水剂中固含量为水泥质量的0.4％-0.6％。
步骤5)中，先将水泥与聚苯乙烯泡沫颗粒混合后，再加入纤维预混料和混合减水剂混合，得到料浆。控制水胶比时先以混合减水剂中的水计，剩余水量添加清水补足。
一种上述的制备方法制备所得的生物质增强水泥基保温墙体材料。
本发明的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，以麦秸纤维为增强材料，麦秸中起力学结构作用的纤维素类物质含量高，达到60％以上，相对的，半纤维素和木质素含量低，具有相对优异的力学强度、抗拉性能和稳定性。本发明采用蒸汽爆破工艺对麦秸进行预处理，一方面，蒸汽将秸秆原料快速加热至设定温度，高压下水蒸汽扩散渗透进入秸秆纤维细胞壁内，在结束时由于压力骤然释放、温度快速降低，润湿的秸秆纤维发生爆破，达到纤维分离细化的目的；另一方面，经过蒸汽爆破处理，秸秆纤维中的半纤维素发生降解且木质素被活化，糖类物质及酸类物质增加，大分子糖类物质分解为小分子糖类，通过对爆破料的一次水洗，将水溶性降解糖类物质溶出并去除，避免该部分物质在后续工艺中影响水泥的水化凝固，麦秸纤维得到纯化，纤维素含量得到提高。
本发明的制备方法中，一次水洗所得水洗液中含有较多的生物质来源的水溶性降解糖类物质，可直接用作水泥基或石膏基材料的缓凝剂，或作为制备缓凝剂的原料，如将所得水洗液浓缩制备缓凝剂。
本发明的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，在制备麦秸纤维时，将去除水溶性降解糖类物质后的水洗料浸入一定浓度的NaOH溶液中，保温萃取出其中的活化木质素，后经过滤分离、二次水洗并干燥，得到纯化的麦秸纤维。所得麦秸纤维的纤维素含量进一步提高，其中大部分相对“薄弱”成分-半纤维素和木质素已经被去除，麦秸纤维中起主要力学功能的纤维素成分得以保留和纯化，一方面麦秸纤维更加细化，在保持纤维强度的基础上，纤维韧性得到提高，较小的掺加量即可达到提高韧性和抗裂的作用；另一方面，上述操作使得纤维表面粗糙化，提高了纤维表面的疏水性，同时表面粗糙的纤维与基体的结合面更大，粘结力更强。
本发明的制备方法通过一定浓度的NaOH溶液萃取出麦秸纤维中被活化的木质素，在碱洗液中加入亚硫酸钠进行磺化，得到含有木质素磺酸钠的混合减水剂，一方面回收利用萃取出的木质素，变废为宝，节约资源；另一方面为农作物秸秆的经济化利用提供新的思路，在制备生物质增强水泥基保温墙体材料的同时，能联产缓凝剂和减水剂，提高经济效益，降低成本。
本发明的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法中，麦秸纤维中容易受到水泥水化碱性环境破坏的大部分半纤维素和木质素已被去除，采用硅烷偶联剂对所得麦秸纤维进行表面改性，硅烷偶联剂对表面孔隙和缺陷进行封堵和修复，进一步提高麦秸纤维表面的疏水抗水性。表面改性后的麦秸纤维先与偏高岭土进行混合得到预混料，麦秸纤维的表面先包覆一层偏高岭土干料，再与水泥、聚苯乙烯泡沫颗粒、混合减水剂和清水搅拌混合，水泥水化过程产生的Ca(OH)2溶于水中形成碱性溶液，麦秸纤维表面包覆的偏高岭土能迅速吸附氢氧化钙并与氢氧化钙反应，生成钙矾石和硅酸钙等的凝胶相混合物并固化成类似地聚合物，形成连接麦秸纤维和水泥基体的保护层，将麦秸纤维包裹起来，防止碱性环境进入并侵蚀麦秸纤维。以偏高岭土为原料被碱激发的凝胶化时间短、固化速率快，形成的类似地聚合物强度高，与麦秸纤维及水泥基体的结合强度高，并且不影响大部分水泥基体水化及凝固所需要的碱性环境，不会大幅度降低水泥基体的力学性能，在保证复合水泥基保温墙体材料的基本力学性能的基础上，最大限度的提高其耐久性。
经检测，本发明制得的生物质增强水泥基保温墙体材料，干表观密度在240-250kg/m3之间，属于轻质保温墙体材料；抗折强度、抗压强度和粘结强度分别达到1.45MPa、2.90MPa和64KPa，力学性能优异；导热系数低至0.040W/m·K，具有良好的隔热保温性能；隔声量达到54dB，具有优异的吸音隔声效果；干燥线性收缩率小，仅为0.20-0.21，具有良好的韧性和抗裂性能；吸水率低、吸水软化系数高，具有良好的耐水抗水性能。通过加速老化的冻融循环实验可知，本发明所得生物质增强水泥基保温墙体材料经过50次冻融循环后，抗压强度损失率不超过10％，质量损失率不超过5％，具有良好的抗冻性能和耐久性。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的说明。
具体实施方式中，所用水泥为市售的P.O 42.5普通硅酸盐水泥。所用麦秸购自当地农户，含水量控制在35％-40％。所用偏高岭土是由高岭土在800℃煅烧4h制成的，平均粒径不大于1.0微米，比重为2.58g/cm3，活性为35％-40％。所用聚苯乙烯泡沫颗粒的平均粒径为2-5mm，表观密度为26.5kg/m3，堆集密度为9-10kg/m3。
具体实施方式中，所述蒸汽爆破采用直立式圆筒形蒸汽爆破装置，使用时将秸秆小段原料喂入装置内，然后通入饱和水蒸汽，使内部压力达到设定压力，保温至设定时间，打开装置底部阀门，物料瞬时被喷入接收器中，秸秆原料解离成纤维。
具体实施方式中，将硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷分散于乙醇水混合溶剂中制成硅烷偶联剂溶液，硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷与乙醇、水的质量比为20:72:8。
具体实施方式中，所述碱洗液的固含量是指将碱洗液浓缩蒸干后残留固体物质的质量；所述混合减水剂的固含量是指将混合减水剂浓缩蒸干后残留固体物质的质量。
实施例1
本实施例的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，包括以下方步骤：
1)取麦秸切断至长度为20-40mm，然后进行蒸汽爆破，蒸汽温度为185℃，蒸汽压力为2.8MPa，保压时间为3.0min，卸压出料得爆破料；
2)按照固液质量比为1:4的比例，将步骤1)所得爆破料浸入室温的水中，浸泡时间为6h，后过滤并挤压进行固液分离，得一次水洗料和一次洗液；
3)按照固液质量比为1:4的比例，将步骤2)所得一次水洗料浸入质量浓度为0.8％的NaOH溶液中，在80℃保温2.5h，后经过滤分离后得纤维料和碱洗液，将所得纤维料进行二次水洗至中性，在65℃条件下干燥至含水率为15％，得麦秸纤维；
按照碱洗液中固含量与亚硫酸钠的质量比为10:2.5的比例，在所得碱洗液中加入亚硫酸钠，90℃条件下磺化反应6h，冷却得到混合减水剂；所得混合减水剂的固含量百分比为4.68％；
4)将硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷配制成溶液，将硅烷偶联剂溶液喷洒到步骤3)所得麦秸纤维表面，搅拌使纤维表面充分润湿后，继续搅拌并自然通风干燥去除溶剂，再加入偏高岭土进行搅拌混合，硅烷偶联剂的用量为麦秸纤维质量的1.2％，偏高岭土的用量为麦秸纤维质量的2.0倍，混合均匀后得纤维预混料；
5)先将水泥与聚苯乙烯泡沫颗粒混合搅拌60s后，再加入步骤4)所得纤维预混料、步骤3)所得混合减水剂和清水搅拌混合120s，得到料浆；
其中，以水泥质量为基准(100％)计，其余各原料的质量用量为：纤维预混料以麦秸纤维计2.0％、聚苯乙烯泡沫颗粒26％、混合减水剂以固含量计0.4％；控制水胶比为0.52；
所得料浆经浇筑成型、24h静置脱模和标准养护(湿度95％、温度20℃)，即得所述生物质增强水泥基保温墙体材料。
实施例2
本实施例的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，包括以下方步骤：
1)取麦秸切断至长度为20-40mm，然后进行蒸汽爆破，蒸汽温度为190℃，蒸汽压力为3.0MPa，保压时间为2.5min，卸压出料得爆破料；
2)按照固液质量比为1:4.5的比例，将步骤1)所得爆破料浸入室温的水中，浸泡时间为5h，后过滤并挤压进行固液分离，得一次水洗料和一次洗液；
3)按照固液质量比为1:4.5的比例，将步骤2)所得一次水洗料浸入质量浓度为1.0％的NaOH溶液中，在70℃保温2.0h，后经过滤分离得纤维料和碱洗液，将所得纤维料进行二次水洗至中性，在65℃条件下干燥至含水率为15％，得麦秸纤维；
按照碱洗液中固含量与亚硫酸钠的质量比为10:3.0的比例，在所得碱洗液中加入亚硫酸钠，95℃条件下磺化反应3h，冷却得到混合减水剂；所得混合减水剂的固含量百分比为4.83％；
4)将硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷配制成溶液，将硅烷偶联剂溶液喷洒到步骤3)所得麦秸纤维表面，搅拌使纤维表面充分润湿后，继续搅拌并自然通风干燥去除溶剂，再加入偏高岭土进行搅拌混合，硅烷偶联剂的用量为麦秸纤维质量的1.4％，偏高岭土的用量为麦秸纤维质量的2.3倍，混合均匀后得纤维预混料；
5)先将水泥与聚苯乙烯泡沫颗粒混合搅拌60s后，再加入步骤4)所得纤维预混料、步骤3)所得混合减水剂和清水搅拌混合120s，得到料浆；
其中，以水泥质量为基准(100％)计，其余各原料的质量用量为：纤维预混料以麦秸纤维计2.2％、聚苯乙烯泡沫颗粒28％、混合减水剂以固含量计0.5％；控制水胶比为0.50；
所得料浆经浇筑成型、24h静置脱模和标准养护(湿度95％、温度20℃)，即得所述生物质增强水泥基保温墙体材料。
实施例3
本实施例的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，包括以下方步骤：
1)取麦秸切断至长度为20-40mm，然后进行蒸汽爆破，蒸汽温度为185℃，蒸汽压力为3.0MPa，保压时间为3.0min，卸压出料得爆破料；
2)按照固液质量比为1:5的比例，将步骤1)所得爆破料浸入室温的水中，浸泡时间为4h，后过滤并挤压进行固液分离，得一次水洗料和一次洗液；
3)按照固液质量比为1:5的比例，将步骤2)所得一次水洗料浸入质量浓度为1.2％的NaOH溶液中，在60℃保温1.5h，后经过滤分离后，将物料进行二次水洗至中性，在65℃条件下干燥至含水率为15％，得麦秸纤维；
按照碱洗液中固含量与亚硫酸钠的质量比为10:4.0的比例，在所得碱洗液中加入亚硫酸钠，95℃条件下磺化反应4h，冷却得到混合减水剂；所得混合减水剂的固含量百分比为4.25％；
4)将硅烷偶联剂3-氨丙基三乙氧基硅烷配制成溶液，将硅烷偶联剂溶液喷洒到步骤3)所得麦秸纤维表面，搅拌使纤维表面充分润湿后，继续搅拌并自然通风干燥去除溶剂，再加入偏高岭土进行搅拌混合，硅烷偶联剂的用量为麦秸纤维质量的1.5％，偏高岭土的用量为麦秸纤维质量的2.5倍，混合均匀后得纤维预混料；
5)先将水泥与聚苯乙烯泡沫颗粒混合搅拌60s后，再加入步骤4)所得纤维预混料、步骤3)所得混合减水剂搅拌混合120s，得到料浆；
其中，以水泥质量为基准(100％)计，其余各原料的质量用量为：纤维预混料以麦秸纤维计2.5％、聚苯乙烯泡沫颗粒30％、混合减水剂以固含量计0.6％；控制水胶比为0.48；
所得料浆经浇筑成型、24h静置脱模和标准养护(湿度95％、温度20℃)，即得所述生物质增强水泥基保温墙体材料。
实施例1-3中所得的一次洗液，可直接用作水泥基或石膏基材料的缓凝剂，或者浓缩后用作水泥基或石膏基材料的缓凝剂。
实验例1
本实验例对实施例1-3所得生物质增强水泥基保温墙体材料的性能进行检测，结果如表1所示。依照实施例1-3的方法制备的检测试样，经标准养护28d龄期进行检测，每个项目每组数值平行检测三次，取平均值记录。
表1实施例1-3所得生物质增强水泥基保温墙体材料的性能检测结果
Figure BDA0001688857600000071
Figure BDA0001688857600000081
从表1可以看出，实施例1-3所得生物质增强水泥基保温墙体材料的干表观密度在240-250kg/m3之间，属于轻质保温墙体材料，水泥基体中掺加的麦秸纤维和聚苯乙烯泡沫颗粒，极大的减小了复合墙体材料的密度。本发明所得生物质增强水泥基保温墙体材料的抗折强度、抗压强度和粘结强度分别达到1.45MPa、2.90MPa和64KPa，力学性能优异，该力学性能主要是由水泥基体产生的，无过多的掺和料降低其强度，所用的麦秸纤维中纤维素含量高，不会过多的降低复合墙体材料的力学强度。本发明所得生物质增强水泥基保温墙体材料的导热系数低至0.040W/m·K，具有良好的隔热保温性能；隔声量达到54dB，具有优异的吸音隔声效果，这是因为麦秸纤维和聚苯乙烯泡沫颗粒的掺入，提高了复合墙体材料的多孔性和孔隙率。本发明所得生物质增强水泥基保温墙体材料的干燥线性收缩率小，仅为0.20-0.21，具有良好的韧性和抗裂性能；吸水率低、吸水软化系数高，具有良好的耐水抗水性能。通过加速老化的冻融循环实验可知，本发明所得生物质增强水泥基保温墙体材料经过50次冻融循环后，抗压强度损失率不超过10％，质量损失率不超过5％，具有良好的抗冻性能和耐久性。

Claims (8)

1.一种生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)取麦秸切断至长度为20-40mm，进行蒸汽爆破，卸压出料得爆破料；所述蒸汽爆破的蒸汽温度为185-190℃，蒸汽压力为2.8-3.0MPa，保压时间为2.5-3.0min；
2)按照固液质量比为1:(4-5)的比例将步骤1)所得爆破料浸入水中，浸泡时间为4-6h，后过滤并挤压进行固液分离，得一次水洗料和一次洗液；
3)将步骤2)所得一次水洗料浸入质量浓度为0.8％-1.2％的NaOH溶液中，在60-80℃保温1.5-2.5h，后经过滤分离得纤维料和碱洗液，将所得纤维料进行二次水洗并干燥，得麦秸纤维；在所得碱洗液中加入亚硫酸钠进行磺化得混合减水剂；
4)将步骤3)所得麦秸纤维进行硅烷偶联剂改性，再加入偏高岭土进行搅拌混合，硅烷偶联剂的用量为麦秸纤维质量的1.2％-1.5％，偏高岭土的用量为麦秸纤维质量的2.0-2.5倍，混合均匀后得纤维预混料；
5)将步骤4)所得纤维预混料与水泥、聚苯乙烯泡沫颗粒及步骤3)所得混合减水剂搅拌混合制浆，所述纤维预混料的用量使得麦秸纤维的量为水泥质量的2.0％-2.5％，聚苯乙烯泡沫颗粒的用量为水泥质量的26％-30％，控制水胶比为0.48-0.52，所得料浆经浇筑成型、静置脱模和养护，即得。
2.根据权利要求1所述的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所用麦秸的含水量为35％-40％。
3.根据权利要求1所述的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所得一次洗液直接用作缓凝剂或用于生产缓凝剂。
4.根据权利要求1所述的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述亚硫酸钠的用量满足碱洗液中固含量与亚硫酸钠的质量比为10:(2.5-4.0)。
5.根据权利要求1所述的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，其特征在于：步骤4)中，所述硅烷偶联剂改性是指配制硅烷偶联剂溶液，将硅烷偶联剂溶液喷洒到麦秸纤维表面，搅拌使纤维表面充分润湿后干燥去除溶剂。
6.根据权利要求5所述的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，其特征在于：所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷。
7.根据权利要求1所述的生物质增强水泥基保温墙体材料的制备方法，其特征在于：步骤5)中，所述混合减水剂的用量满足混合减水剂中固含量为水泥质量的0.4％-0.6％。
8.一种如权利要求1-7中任一项所述的制备方法制备所得的生物质增强水泥基保温墙体材料。
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