CN113233859B - 一种改性竹纤维增强加气混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纤维增强加气混凝土技术领域，具体涉及一种改性竹纤维增强加气混凝土及其制备方法。采用γ‑缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）对竹纤维进行改性，制得的的改性竹纤维增强加气混凝土对环境友好，具有很好的物理性能和力学性能，推广应用前景巨大。

Description

一种改性竹纤维增强加气混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于纤维增强加气混凝土技术领域，具体涉及一种改性竹纤维增强加气混凝土及其制备方法。

背景技术

近年来，绿色环保、可持续发展成为墙体材料的研究热点。加气混凝土是一种轻质多孔混凝土，是以钙质材料、硅质材料、发气剂、水等为原料，经混合搅拌、浇筑发气、静停切割、蒸压养护而制成的一种新型墙体材料。使用单一的多孔混凝土材料进行墙体围护即可达到建筑节能65%的要求。由于河砂资源的日益短缺，目前行业内更趋于使用高SiO₂含量的矿物废渣作为硅质材料。花岗岩石材在加工过程中，由于切割、研磨等工艺产生了大量粉末废料，其SiO₂含量高、细度小，是生产加气混凝土的理想材料。然而加气混凝土砌块由于自身多孔特性，易引起空鼓、裂缝、渗漏、脱落等问题，影响了建筑物的感观质量和使用功能，限制了加气混凝土的更多应用。加气混凝土中加入合适的纤维可有效改善上述问题。目前聚丙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维在加气混凝土中的应用已有较多的研究，然而这些纤维的掺入也增加了生产成本，限制了其进一步的使用与推广。天然可再生的植物纤维作为复合材料的增强体的研究引起诸多关注。与传统无机纤维相比，天然植物纤维优势在于来源广泛、价格低廉、密度低，且环保、可再生、可生物降解。秸秆、稻草、木纤维等天然植物纤维已应用于加气混凝土，研究结果表明掺加天然植物纤维可以起到增强增韧效果，但是仍存在植物纤维与基体间结合不好等问题。

中国竹林资源丰富，其蓄积量和种类均居世界首位，为制备竹纤维提供了充足的资源。竹原纤维是以绿竹等为原料，采用机械法辅以生物溶剂制备的，保留了竹材的原有组分，制备过程绿色环保，且制备的纤维具有较高的力学性能。CN111072351A公开了水玻璃改性竹纤维的方法，CN104150843A公开了用马来酸酐接枝竹纤维进行酯化处理。水玻璃富含Si-OH，可以与纤维表面的羟基形成化学键合，Si-OH也可参与水泥水化反应，纤维与基体界面之间的机械耦合作用增强，从而提升了纤维与基体的界面粘结。酯化处理是使纤维中的纤维素发生酯化反应生成纤维素酯。使用水玻璃处理和酯化处理的方法对纤维进行处理可以提高纤维与基体之间的界面粘结性，但对复合材料界面粘结强度的提升有限。

目前竹原纤维应用于加气混凝土的研究还未见报道。因此，本发明提出一种花岗岩石粉替代石英砂的水泥-石灰-石粉加气混凝土的制备体系，并在体系中加入不同掺量的竹原纤维；为改善纤维与基体间界面结合，采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560），以无水乙二胺为催化剂，对竹纤维进行表面改性，以期改变竹纤维表面化学特性，提高加气混凝土的力学性能。同时，通过系列表征手段，揭示纤维增强增韧加气混凝土的微观机制，为植物纤维在新型绿色墙体材料中的应用提供参考。

发明内容

本发明的目的在于针对现有纤维加气混凝土的不足，提供一种改性竹纤维增强加气混凝土及其制备方法。改性竹纤维增强加气混凝土具有很好的物理性能与力学性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

改性竹纤维增强加气混凝土复合材料的原料组成：改性竹纤维（长度为3~5mm）用量为加气混凝土干料（水泥、花岗岩石粉、石膏、生石灰）总质量的0.1%~0.5%，KH560用量占竹纤维重量的10%，催化剂无水乙二胺用量占KH560重量的10%，使用无水乙醇配制质量浓度为1%的KH560溶液。

改性竹纤维增强加气混凝土的具体制备步骤如下：

花岗岩石粉经球磨机磨细后过0.075mm筛；将水泥、花岗岩石粉、生石灰、石膏等干料先预拌3min，将改性竹纤维加入到水中搅拌，拌合水温控制在50℃左右，待纤维分散均匀后，将干料倒入水中混合搅拌3min，最后加入铝粉以700r/min转速快搅40s；而后将混合料浆浇筑入模，放入60℃烘箱中静停发气4 h；用铲刀铲平模具外多余的物料，脱模，然后送入蒸压釜内蒸压养护。蒸压釜内养护制度为：抽真空0.5h（真空度-0.06MPa），1h内由常温升温至165℃，压力由常压升至1.2MPa；保持恒温恒压6h，1h内降温降压至常温常压；而后砌块出釜。

本发明的有益效果在于：

1）本发明采用γ-缩水甘油醚氧丙基三甲氧基硅烷（KH560）对竹纤维进行化学改性处理，其改性机理如图1所示，KH560含有环氧基团，在胺类催化剂作用下可与竹纤维的羟基反应；另一方面，KH560的硅氧烷基团也可参与水泥-石灰-石粉体系的水化反应。KH560将竹原纤维与料浆基体两种性质差别很大的材料以化学键“偶联”起来，提高了两者间界面结合能力。通过KH560与竹纤维羟基之间的反应，不仅有效减少了竹纤维表面的羟基数量，降低其吸湿性，而且将KH560中的硅氧烷基团接枝于竹纤维表面，硅氧烷与水泥基料浆极性相似，与基体相容性好，因此表面接枝了KH560的竹纤维与加气混凝土基体之间的界面粘结强度得到提升。

2）本发明采用KH560对竹纤维进行化学改性处理，从图2可以看出，竹纤维改性处理后，纤维表面的羟基数量减少；与未改性纤维谱图对比，3400cm^-1处为纤维表面羟基的伸缩振动峰，改性后的竹原纤维此处特征峰强度减弱，这是竹原纤维表面羟基与KH560的环氧基团反应导致。与未改性竹原纤维的谱图相比，KH560处理后的竹原纤维谱图在1050cm^-1处C‒O特征峰强度增强，而KH560的Si‒O特征峰也出现在这个位置。除此之外，改性前后吸收峰无明显的变化，这可能是硅烷分子其它特征峰与纤维本身的特征峰重叠导致的。

3）本发明制备的改性竹纤维增强加气混凝土是一类植物纤维增强型的环境友好复合材料，其具有很好的物理性能与力学性能。

4）本发明中使用的竹纤维弹性模量高、抗拉强度高，其平均直径0.28mm，弹性模量平均值为4677 MPa，抗拉强度为736 MPa；竹纤维具有良好的高温稳定性能，在加气混凝土的蒸压养护中不会发生碳化；竹纤维呈弱碱性，碱性材料与加气混凝土基体具有较好的相容性。在加气混凝土中添加竹纤维制备复合材料，可以发挥竹纤维材料自身的优点。加气混凝土作为基体，竹原纤维作为增强体，开拓了竹纤维利用的新途径。

5）本发明采用可再生的竹纤维为原料增强加气混凝土，有利于减少石油基纤维产品的使用，有助于发展低碳经济，保护环境。而且，竹纤维资源丰富、价格便宜，制备竹纤维加气混凝土造价成本低。

附图说明

图1是KH560与竹纤维之间反应机理图。

图2是竹纤维改性前后傅里叶红外光谱图。MBF表示经过KH560改性后的竹纤维；BF表示未经改性的对照样品。

图3是竹纤维改性前后（a）¹³C（b）²⁹Si核磁共振谱图。Modified表示经过KH560改性后的竹纤维；Unmodified表示未经改性的对照样品。

图4是竹纤维加气混凝土干密度。图中矩形柱上下方横线表示数据均值的标准差，柱状图上方无相同字母的表示两组数据均值之间差异显著，否则差异不显著；Control是指未加竹纤维的加气混凝土，BF是指加入未改性的竹纤维沥青混合料，MBF是指经过KH560改性的沥青混合料。下同。

图5是竹纤维加气混凝土抗压强度。

图6是竹纤维加气混凝土抗折强度。

具体实施方式

为进一步公开而不是限制本发明，以下结合实例对本发明作进一步的详细说明。

原料：竹纤维（竹纤维平均直径0.28 mm，平均长度为3 mm），购自福建海博斯化学技术有限公司；P·O 42.5普通硅酸盐水泥，购自福建海螺水泥有限公司；生石灰、花岗岩石粉、石膏由福建同利建材科技有限公司提供；铝粉膏购自江苏胜搏铝业有限公司；KH560、无水乙二胺、无水乙醇均购自上海晶纯（阿拉丁）实业有限公司。

实施例1

改性竹纤维增强加气混凝土的制备，具体步骤为：

1）竹纤维改性过程：称取3.2g竹原纤维在烘箱中103℃下烘干至恒重后备用；配制1wt%浓度的KH560乙醇溶液作为改性剂，KH560用量为竹原纤维质量的10%；以乙二胺为催化剂，其用量为KH560的10%。取适量竹原纤维，将改性剂溶液与竹原纤维在60℃恒温加热磁力搅拌机中搅拌3h，确保纤维与改性剂接触充分，将改性处理后的纤维用水清洗后放入烘箱烘干（103℃，24h），用真空袋密封包装保存备用。

2）改性竹纤维加气混凝土的试块制备：按照中华人民共和国国家标准GB 11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》B07级别加气混凝土进行配比设计，将水泥（528g）、花岗岩石粉（2176g）、生石灰（400g）、石膏（96g）等干料先预拌3min，将竹原纤维按照干料总重（3200g）的0.1%加入到称好的水（1888g）中搅拌，拌合水温控制在50℃左右，待纤维分散均匀后，将干料倒入水中混合搅拌3min，最后加入铝粉（2.88g）以700r/min转速快搅40s；而后将混合料浆浇筑入模，放入60℃烘箱中静停发气4 h；用铲刀铲平模具外多余的物料，脱模，然后送入蒸压釜内蒸压养护。蒸压釜内养护制度为：抽真空0.5h（真空度-0.06MPa），1h内由常温升温至165℃，由常压升压至1.2MPa，保持恒温恒压6h，1h内降温降压至常温常压；而后砌块出釜。

实施例2

改性竹纤维增强加气混凝土复合材料的制备，具体步骤为：

1）竹纤维改性过程：称取9.6g竹原纤维在烘箱中103℃下烘干至恒重后备用；配制1wt%浓度的KH560乙醇溶液作为改性剂，KH560用量为竹原纤维质量的10%；以乙二胺为催化剂，其用量为KH560的10%。取适量竹原纤维，将改性剂溶液与竹原纤维在60℃恒温加热磁力搅拌机中搅拌3h，确保纤维与改性剂接触充分，将改性处理后的纤维用水清洗后放入烘箱烘干（103℃，24h），用真空袋密封包装保存备用。

2）改性竹纤维加气混凝土的试块制备：按照中华人民共和国国家标准GB 11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》B07级别加气混凝土进行配比设计，将水泥（528g）、花岗岩石粉（2176g）、生石灰（400g）、石膏（96g）等干料先预拌3min，将竹原纤维按照干料总重（3200g）的0.3%加入到称好的水（1888g）中搅拌，拌合水温控制在50℃左右，待纤维分散均匀后，将干料倒入水中混合搅拌3min，最后加入铝粉（2.88g）以700r/min转速快搅40s；而后将混合料浆浇筑入模，放入60℃烘箱中静停发气4 h；用铲刀铲平模具外多余的物料，脱模，然后送入蒸压釜内蒸压养护。蒸压釜内养护制度为：抽真空0.5h（真空度-0.06MPa），1h内由常温升温至165℃，由常压升压至1.2MPa，保持恒温恒压6h，1h内降温降压至常温常压；而后砌块出釜。

实施例3

改性竹纤维增强加气混凝土的制备，具体步骤为：

1）竹纤维改性过程：称取16g竹原纤维在烘箱中103℃下烘干至恒重后备用；配制1wt%浓度的KH560乙醇溶液作为改性剂，KH560用量为竹原纤维质量的10%；以乙二胺为催化剂，其用量为KH560的10%。取适量竹原纤维，将改性剂溶液与竹原纤维在60℃恒温加热磁力搅拌机中搅拌3h，确保纤维与改性剂接触充分，将改性处理后的纤维用水清洗后放入烘箱烘干（103℃，24h），用真空袋密封包装保存备用。

2）改性竹纤维加气混凝土的试块制备：按照中华人民共和国国家标准GB 11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》B07级别加气混凝土进行配比设计，将水泥（528g）、花岗岩石粉（2176g）、生石灰（400g）、石膏（96g）等干料先预拌3min，将竹原纤维按照干料总重（3200g）的0.1%加入到称好的水（1888g）中搅拌，拌合水温控制在50℃左右，待纤维分散均匀后，将干料倒入水中混合搅拌3min，最后加入铝粉（2.88g）以700r/min转速快搅40s；而后将混合料浆浇筑入模，放入60℃烘箱中静停发气4 h；用铲刀铲平模具外多余的物料，脱模，然后送入蒸压釜内蒸压养护。蒸压釜内养护制度为：抽真空0.5h（真空度-0.06MPa），1h内由常温升温至165℃，由常压升压至1.2MPa，保持恒温恒压6h，1h内降温降压至常温常压；而后砌块出釜。

竹纤维加气混凝土性能测试：

竹纤维加气混凝土的干密度，抗压强度测试采用中华人民共和国国家标准GB11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》中B07级别立方体试块（规格：长100mm，宽100mm，高100mm）；抗折强度采用小模试件（规格：长160mm，宽40mm，高40mm）；加气混凝土配合比采用固定配合比，水料比均采用0.59。试验组分为7组，每组试块3个，分别为：对照组（Control，未掺纤维）、未改性纤维组（BF，纤维长度3mm、掺量分别为0.1%，0.3%，0.5%）、改性纤维组（MBF，纤维长度3mm、掺量分别为0.1%，0.3%，0.5%）。

竹纤维加气混凝土干密度

由图4可知，不同掺量的竹原纤维加气混凝土干密度变化不显著，纤维改性对干密度也无显著的影响，所有加气混凝土砌块的干密度均满足规范GB 11969-2008《蒸压加气混凝土性能试验方法》中B07级别砌块的要求；但改性后的竹原纤维加气混凝土与未改性的比较，其干密度略微降低。原因可能是改性后竹原纤维表面的羟基减少，分子间氢键作用减弱，亲水性降低，加气混凝土浆体流动度增大，发气过程变得更顺畅，孔隙率变大，从而干密度降低，改性竹原纤维一定程度上改善了加气混凝土气孔特性。

竹纤维加气混凝土抗压强度

由图5可知，与对照组比较，掺入纤维后加气混凝土的抗压强度有不同程度的提升，但均无显著的区别；纤维改性后，0.1%MBF组抗压强度提升显著（13.8%），其余也未见明显的提高。对于改性纤维组，当纤维掺量超过0.1%时，加气混凝土试块的抗压强度随纤维掺量的增加而降低。从增强效果及降低成本来看，加气混凝土抗压强度的最佳纤维掺量为0.1%，当掺量超过0.1%时，过多的竹原纤维使加气混凝土可能成为非均匀的复合体系，导致应力重新分布，减弱了其与纤维间界面结合效果，从而降低加气混凝土抗压强度。

竹纤维加气混凝土抗折强度

由图6可知，与对照组比较，掺入0.1%的未改性纤维，加气混凝土的抗折强度显著提高了18.7%；纤维改性后，混凝土的抗折强度进一步提高（58.8%）。随着纤维掺量的增加，混凝土的抗折强度下降，0.3%掺量的混凝土抗折强度与对照组无显著差异，且纤维改性后也无效果；纤维掺量进一步增加，则导致混凝土的抗折强度劣化，但与对照物仍无显著的差异。因此，从加强混凝土的抗折强度及成本而言，加气混凝土的最佳纤维掺量为0.1%，当掺量超过0.1%时，过多的纤维在基体中难以分散均匀，导致产生应力集中现象，减弱界面结合效果，从而降低加气混凝土抗折强度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种改性竹纤维增强加气混凝土，其特征在于：改性竹纤维用量为加气混凝土干料总质量的0.1%；

加气混凝土的干料组成：水泥528g、花岗岩石粉2176g、生石灰400g、石膏96g；

竹纤维为绿竹、麻竹或毛竹材经机械法制备得到；

所述的改性竹纤维的原料由A组分和B组分组成，重量比为1:9；其中，A组分由以下重量份数的原料组成：竹纤维100份、KH560 10份和无水乙二胺1份；B组分为无水乙醇；

制备方法包括以下步骤：

（1）改性竹纤维的制备：将干燥的竹纤维、KH560、无水乙二胺和无水乙醇混合，在60℃恒温加热磁力搅拌机中搅拌3h，用清水洗净表面残留物质，103℃干燥24h，即得改性竹纤维；

（2）将改性竹纤维缓慢加入到加气混凝土中，经机械搅拌、浇筑发气、静停切割、蒸压养护，得到改性竹纤维增强加气混凝土。

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