CN112062506A - 一种农作物秸秆废料复合混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农作物秸秆废料复合混凝土及其制备方法，属于建筑材料技术领域。本发明研制的产品中，包括农作物秸秆废料；所述农作物秸秆废料为炭化空心秸秆纤维；所述炭化空心秸秆纤维的内壁和外壁附着有硅化合物层；所述硅化合物层与炭化空心秸秆纤维之间通过Si‑C化学键结合；其中所述炭化空心秸秆纤维为短纤；所述短纤长径比为3：1‑5：1；所述短纤长度分布范围为10‑900nm。在制备产品时，包括农作物秸秆纤维的细化、农作物秸秆纤维的除杂、农作物秸秆纤维的改性以及混凝土的制备。本发明产品中，农作物秸秆废料产品的一致性好，可有效提高混凝土的水化性能，使混凝土的力学性能得到有效提升。

Description

一种农作物秸秆废料复合混凝土及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体是一种农作物秸秆废料复合混凝土及其制备方法。

背景技术

农作物秸秆是一种具有丰富氮、磷、钾及有机质养分的可利用生物质资源，是农作物生产的主要副产品。然而，大部分秸秆资源并没有得到有效的利用，而是就地焚烧，造成大量烟尘，致使雾霾天气的形成，给环境造成很大的问题。因此，如何综合利用农作物秸秆，将在环境保护，促进农业循环，稳定生态平衡以及促进农民增收等方面，起到重要作用。

近年来，对秸秆灰研究发现，植物可以将土壤中的纳米硅，以生物矿化的方式积聚于秸秆中，科研工作者针对如何提取硅类材质进行多种尝试。国外学者发现，对稻壳进行焚烧处理得到的灰分，含有较高活性的游离硅；并将灰分定义为一种本身具有很少的胶黏性，但在一定条件下可与氢氧化钙反应生成具有胶黏性凝胶体的性质。国内学者通过对秸秆燃烧特性研究，发现秸秆生物质中二氧化硅含量较高。很多的科研报道中提现出来，该类生物灰质比表面积大，能够与水泥水化产物发生反应生成凝胶，填充混凝土内部孔隙，提高混凝土强度，同时确保混凝土内部的碱性环境，提高混凝土的耐久性。

秸秆生物质灰具有高活性、廉价性以及高稳定性等特点，合理有效的利用该类灰质，对于环境保护，促进秸秆资源的有效转化，降低建筑业工程造价，提高混凝土的强度和耐久性有重要意义。然而，由于农作物秸秆种类不同，成分含量不稳定，将其作为添加剂添加到混凝土中，容易因为添加剂组分含量和种类的一致性较差，引起混凝土性能不稳定。因此，如何提高生物质秸秆作为混凝土添加剂成分的一致性，是本领域技术人员亟待解决的技术难题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供一种农作物秸秆废料复合混凝土及其制备方法，以解决现有技术中生物质秸秆废料作为混凝土添加剂成分一致性较差，导致混凝土性能不稳定的弊端。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种农作物秸秆废料复合混凝土，

所述混凝土中包括农作物秸秆废料；

所述农作物秸秆废料为炭化空心秸秆纤维；

所述炭化空心秸秆纤维的内壁和外壁附着有硅化合物层；

所述硅化合物层与炭化空心秸秆纤维之间通过Si-C化学键结合。

优选地，所述炭化空心秸秆纤维为短纤；所述短纤长径比为3：1-5：1；所述短纤长度分布范围为10-900nm。

优选地，所述农作物秸秆为：小麦秸秆、玉米秸秆、芝麻秸秆、水稻秸秆、红薯秸秆、高粱秸秆中的至少一种。

一种农作物秸秆废料复合混凝土的制备方法，具体制备步骤包括：

农作物秸秆纤维的细化：

将农作物秸秆纤维用水混合浸泡后，进行冷冻，再于冷冻状态下机械研磨，干燥，得细化秸秆纤维；

农作物秸秆纤维的除杂：

将细化秸秆纤维铺设于发酵罐底部，再于细化秸秆纤维表面铺设一层熟石灰，如此一层细化秸秆纤维一层熟石灰进行铺设，直至将容器装满，密闭静置5-10d后，酸洗，干燥至含水率为1-3％，得除杂纤维；

农作物秸秆纤维的改性：

将所述除杂纤维分散于无水乙醇中，再加入正硅酸乙酯，超声加热反应后，再用果胶酶水解，待水解结束，再加入正硅酸乙酯，搅拌反应后，过滤，洗涤，干燥，得干燥料；随后于惰性气体保护下，缓慢升温至1500℃以上，保温反应后，冷却，出料，得改性农作物秸秆纤维；

混凝土的制备：

按重量份数计，依次取100-150份水泥，60-80份河砂，40-60份石子，10-15份粉煤灰，3-5份减水剂，10-15份改性农作物秸秆纤维，150-200份水，搅拌混合均匀后，浇筑成型，养护，即得混凝土。

优选地，所述细化秸秆纤维和所述熟石灰的单层厚度比为3：1-5：1。

优选地，所述熟石灰为固含量为60-80％的氢氧化钙悬浊液。

优选地，所述农作物秸秆纤维的改性还包括：

将所述除杂纤维分散于无水乙醇中，再加入正硅酸乙酯，超声加热反应后，再用果胶酶水解，待水解结束，再加入正硅酸乙酯，搅拌反应后，过滤，洗涤，干燥，得干燥料；随后于惰性气体保护下，缓慢升温至1500℃以上，保温反应后，冷却，出料，筛分出长径比为3：1-5：1，长度分布范围为10-900nm的短纤，得改性农作物秸秆纤维。

优选地，所述农作物秸秆为：小麦秸秆、玉米秸秆、芝麻秸秆、水稻秸秆、红薯秸秆、高粱秸秆中的至少一种。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)首先，本发明技术方案通过对农作物废料秸秆纤维进行多重处理，使得秸秆纤维由原本较差的一致性的情况，转变为具有固定成分，固定尺寸和固定结构的纤维，因此，可以有效改善废料的一致性；

(2)在产品实际制备过程中，本申请先用水对秸秆进行浸泡，在浸泡过程中，水分渗透进入秸秆废料植物细胞内部，在冷冻过程中，水凝结为冰晶，在机械研磨过程中，在机械压力作用下，可使得冰晶逐渐碎裂，在冰晶碎裂过程中，可以引起植物纤维的分裂，从而使植物纤维逐渐细化并转变为纳米尺寸，且冰晶的存在有效对新生短纤起到物理隔离作用，有效避免其发生团聚；在除杂过程中，在熟石灰作用下，植物纤维中容易降解的有机质成分之间发生降解，而秸秆纤维表面覆盖的含硅组分也逐渐被碱性的熟石灰溶解，进留下纤维中难以降解和溶解的木质部分；以此减少了因为不同秸秆来源引起的一致性较差的弊端；而干燥至固定含水率后，仅仅只有细胞内部和细胞间隙中残留少量水分，便于正硅酸乙酯渗透进入内部，遇到水后，正硅酸乙酯发生水解，产生的二氧化硅则被吸附固定于植物细胞内部；而利用果胶酶水解后，植物细胞壁表面的果胶部分被去除，细胞壁表面转变为疏松结构，且吸附性能得到提升，有利于吸附后续继续产生的二氧化硅，从而使植物纤维表面形成均匀一致的二氧化硅层；在缓慢升温过程中，由于植物纤维内部和表面存在二氧化硅层，随着温度逐渐升高，有机层逐渐炭化，并与二氧化硅之间发生反应，形成Si-C化学键合，从而有效提升中间碳层和内侧及外侧的二氧化硅层之间的界面结合力；再者，随着温度升高，中间碳层收缩，体积发生变化，从而使内壁和表层硅化合物层发生一定程度扭曲和褶皱，有效提高植物纤维的表面和内部粗糙度；在添加到混凝土中后，可以有效提升植物纤维内外混凝土与纤维之间的相互作用力，有效提高混凝土的抗压效果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

农作物秸秆纤维的细化：

将农作物秸秆纤维和水按质量比为1：5混合后，于室温条件下浸泡24h，再将浸泡后的农作物秸秆纤维取出，于温度为-18℃条件下，冷冻36h，再于冷冻状态下，将农作物秸秆纤维倒入球磨机中，按球料质量比为20：1加入球磨珠，球磨混合3h后，得球磨料，再将所得球磨料真空冷冻干燥，得细化秸秆纤维；

农作物秸秆纤维的除杂：

将细化秸秆纤维铺设于发酵罐底部，再于细化秸秆纤维表面铺设一层熟石灰，控制细化秸秆纤维和熟石灰层之间的厚度比为3：1，所述熟石灰为固含量为60％的氢氧化钙悬浊液，如此一层细化秸秆纤维一层熟石灰进行铺设，直至将容器装满，再将发酵罐密闭，于室温条件下静置5d后，将发酵罐内物料取出，用盐酸清洗，再将清洗后的纤维转入烘箱中，于温度为100℃条件下，干燥至含水率为1％，得除杂纤维；

农作物秸秆纤维的改性：

将所述除杂纤维和无水乙醇按质量比为1：3混合后，于超声频率为55kHz条件下，超声分散45min，再加入除杂纤维质量10％的正硅酸乙酯，于温度为55℃，超声频率为40kHz条件下，恒温超声反应45min后，过滤，得滤饼，再将所得滤饼和水按质量比为1：3混合分散，并加入滤饼质量1％的果胶酶，于温度为30℃条件下，恒温搅拌酶解1h后，再加入滤饼质量10％的正硅酸乙酯，于转速为300r/min条件下，搅拌反应1h后，过滤，洗涤和干燥，得干燥料，再将所得干燥料转入管式炉中，以4℃/min速率程序升温至1500℃，保温反应4h后，随炉冷却至室温，出料，筛分出长径比为3：1，长度分布范围为10-100nm的短纤，得改性农作物秸秆纤维；

混凝土的制备：

按重量份数计，依次取100份水泥，60份河砂，40份石子，10份粉煤灰，3份减水剂，10份改性农作物秸秆纤维，150份水，搅拌混合均匀后，浇筑成型，养护，即得混凝土；

所述农作物秸秆为：小麦秸秆。

实施例2

农作物秸秆纤维的细化：

将农作物秸秆纤维和水按质量比为1：10混合后，于室温条件下浸泡36h，再将浸泡后的农作物秸秆纤维取出，于温度为-36℃条件下，冷冻72h，在于冷冻状态下，将农作物秸秆纤维倒入球磨机中，按球料质量比为30：1加入球磨珠，球磨混合5h后，得球磨料，再将所得球磨料真空冷冻干燥，得细化秸秆纤维；

农作物秸秆纤维的除杂：

将细化秸秆纤维铺设于发酵罐底部，再于细化秸秆纤维表面铺设一层熟石灰，控制细化秸秆纤维和熟石灰层之间的厚度比为5：1，所述熟石灰为固含量为80％的氢氧化钙悬浊液，如此一层细化秸秆纤维一层熟石灰进行铺设，直至将容器装满，再将发酵罐密闭，于室温条件下静置10d后，将发酵罐内物料取出，用盐酸清洗，再将清洗后的纤维转入烘箱中，于温度为110℃条件下，干燥至含水率为3％，得除杂纤维；

农作物秸秆纤维的改性：

将所述除杂纤维和无水乙醇按质量比为1：10混合后，于超声频率为65kHz条件下，超声分散60min，再加入除杂纤维质量20％的正硅酸乙酯，于温度为65℃，超声频率为60kHz条件下，恒温超声反应60min后，过滤，得滤饼，再将所得滤饼和水按质量比为1：3混合分散，并加入滤饼质量3％的果胶酶，于温度为35℃条件下，恒温搅拌酶解2h后，再加入滤饼质量15％的正硅酸乙酯，于转速为500r/min条件下，搅拌反应3h后，过滤，洗涤和干燥，得干燥料，再将所得干燥料转入管式炉中，以6℃/min速率程序升温至1600℃，保温反应6h后，随炉冷却至室温，出料，筛分出长径比为5：1，长度分布范围为500-900nm的短纤，得改性农作物秸秆纤维；

混凝土的制备：

按重量份数计，依次取150份水泥，80份河砂，60份石子，15份粉煤灰，5份减水剂，15份改性农作物秸秆纤维，200份水，搅拌混合均匀后，浇筑成型，养护，即得混凝土；

所述农作物秸秆为：玉米秸秆。

实施例3

农作物秸秆纤维的细化：

将农作物秸秆纤维和水按质量比为1：7混合后，于室温条件下浸泡28h，再将浸泡后的农作物秸秆纤维取出，于温度为-26℃条件下，冷冻48h，在于冷冻状态下，将农作物秸秆纤维倒入球磨机中，按球料质量比为25：1加入球磨珠，球磨混合4h后，得球磨料，再将所得球磨料真空冷冻干燥，得细化秸秆纤维；

农作物秸秆纤维的除杂：

将细化秸秆纤维铺设于发酵罐底部，再于细化秸秆纤维表面铺设一层熟石灰，控制细化秸秆纤维和熟石灰层之间的厚度比为4：1，所述熟石灰为固含量为70％的氢氧化钙悬浊液，如此一层细化秸秆纤维一层熟石灰进行铺设，直至将容器装满，再将发酵罐密闭，于室温条件下静置7d后，将发酵罐内物料取出，用盐酸清洗，再将清洗后的纤维转入烘箱中，于温度为14℃条件下，干燥至含水率为2％，得除杂纤维；

农作物秸秆纤维的改性：

将所述除杂纤维和无水乙醇按质量比为1：7混合后，于超声频率为57kHz条件下，超声分散47min，再加入除杂纤维质量15％的正硅酸乙酯，于温度为57℃，超声频率为45kHz条件下，恒温超声反应50min后，过滤，得滤饼，再将所得滤饼和水按质量比为1：3混合分散，并加入滤饼质量2％的果胶酶，于温度为32℃条件下，恒温搅拌酶解1.5h后，再加入滤饼质量12％的正硅酸乙酯，于转速为400r/min条件下，搅拌反应2h后，过滤，洗涤和干燥，得干燥料，再将所得干燥料转入管式炉中，以5℃/min速率程序升温至1580℃，保温反应5h后，随炉冷却至室温，出料，筛分出长径比为4：1，长度分布范围为120-300nm的短纤，得改性农作物秸秆纤维；

混凝土的制备：

按重量份数计，依次取120份水泥，70份河砂，50份石子，12份粉煤灰，4份减水剂，12份改性农作物秸秆纤维，180份水，搅拌混合均匀后，浇筑成型，养护，即得混凝土；

所述农作物秸秆为：芝麻秸秆。

对比例1

本对比例和实施例1相比，区别在于，将小麦秸秆焚烧为灰分后，用等质量的灰分取代改性农作物秸秆纤维，其余条件保持不变。

对比例2

本对比例相比于实施例1而言，区别在于：未采用熟石灰对农作物秸秆纤维进行除杂，其余条件保持不变。

对比例3

本对比例相比于实施例1而言，区别再于，用去离子水等质量的替换正硅酸乙酯，其余条件保持不变。

将实施例1-3及对比例1-3所得产品进行性能测试，具体测试方式和测试结果如下所述：

抗压强度：将实施例1-3及对比例1-3所得产品分别取3个同样大小的试样，试样采用100mm×100mm×100mm，养护28d，参照GB/T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，具体测试结果见表1；

由上述检测结果可知，本申请所得产品不仅具有良好的抗压强度，同时不同批次的产品之间的一致性较好，产品的性能浮动保持在较窄的范围内。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (8)

1.一种农作物秸秆废料复合混凝土，其特征在于，

所述混凝土中包括农作物秸秆废料；

所述农作物秸秆废料为炭化空心秸秆纤维；

所述炭化空心秸秆纤维的内壁和外壁附着有硅化合物层；

所述硅化合物层与炭化空心秸秆纤维之间通过Si-C化学键结合。

2.根据权利要求1所述的一种农作物秸秆废料复合混凝土，其特征在于，所述炭化空心秸秆纤维为短纤；所述短纤长径比为3：1-5：1；所述短纤长度分布范围为10-900nm。

3.根据权利要求1所述的一种农作物秸秆废料复合混凝土，其特征在于，所述农作物秸秆为：小麦秸秆、玉米秸秆、芝麻秸秆、水稻秸秆、红薯秸秆、高粱秸秆中的至少一种。

4.一种农作物秸秆废料复合混凝土的制备方法，其特征在于，具体制备步骤包括：

农作物秸秆纤维的细化：

将农作物秸秆纤维用水混合浸泡后，进行冷冻，再于冷冻状态下机械研磨，干燥，得细化秸秆纤维；

农作物秸秆纤维的除杂：

将细化秸秆纤维铺设于发酵罐底部，再于细化秸秆纤维表面铺设一层熟石灰，如此一层细化秸秆纤维一层熟石灰进行铺设，直至将容器装满，密闭静置5-10d后，酸洗，干燥至含水率为1-3％，得除杂纤维；

农作物秸秆纤维的改性：

将所述除杂纤维分散于无水乙醇中，再加入正硅酸乙酯，超声加热反应后，再用果胶酶水解，待水解结束，再加入正硅酸乙酯，搅拌反应后，过滤，洗涤，干燥，得干燥料；随后于惰性气体保护下，缓慢升温至1500℃以上，保温反应后，冷却，出料，得改性农作物秸秆纤维；

混凝土的制备：

按重量份数计，依次取100-150份水泥，60-80份河砂，40-60份石子，10-15份粉煤灰，3-5份减水剂，10-15份改性农作物秸秆纤维，150-200份水，搅拌混合均匀后，浇筑成型，养护，即得混凝土。

5.根据权利要求4所述的一种农作物秸秆废料复合混凝土的制备方法，其特征在于，所述细化秸秆纤维和所述熟石灰的单层厚度比为3：1-5：1。

6.根据权利要求5所述的一种农作物秸秆废料复合混凝土的制备方法，其特征在于，所述熟石灰为固含量为60-80％的氢氧化钙悬浊液。

7.根据权利要求4所述的一种农作物秸秆废料复合混凝土的制备方法，其特征在于，所述农作物秸秆纤维的改性还包括：

将所述除杂纤维分散于无水乙醇中，再加入正硅酸乙酯，超声加热反应后，再用果胶酶水解，待水解结束，再加入正硅酸乙酯，搅拌反应后，过滤，洗涤，干燥，得干燥料；随后于惰性气体保护下，缓慢升温至1500℃以上，保温反应后，冷却，出料，筛分出长径比为3：1-5：1，长度分布范围为10-900nm的短纤，得改性农作物秸秆纤维。

8.根据权利要求4-7任一项所述的一种农作物秸秆废料复合混凝土的制备方法，其特征在于，所述农作物秸秆为：小麦秸秆、玉米秸秆、芝麻秸秆、水稻秸秆、红薯秸秆、高粱秸秆中的至少一种。