CN113563000B - 一种竹骨料的改性制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种竹骨料的改性制备方法和应用，以毛竹为主要原料，切碎成竹颗粒，振动筛选后，将其先后用水煮、水洗、海藻酸钠溶液浸泡、氯化钙溶液浸泡和烘干等处理方法将竹颗粒制备成可运用于建筑领域中的一种竹骨料。通过本发明改性方法处理的竹骨料所制备的混凝土成品抗压强度是未经处理的竹颗粒所制备竹颗粒混凝土成品抗压强度的10～20倍，并且比未经处理的竹颗粒具有更好的抗冻和耐腐蚀性能；相比于普通混凝土，还具备了很高的孔隙率，能够起到很好的吸音、保温效果，而且由于竹骨料的存在，比普通混凝土轻30～40％，便于运输和装配，具备很高的实用价值。

Description

一种竹骨料的改性制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及建筑材料化学技术领域，具体涉及一种竹骨料的改性制备方法及其应用。
背景技术
随着社会经济的不断发展，我国能源需求不断提高，建筑领域的能耗不断增加。混凝土是现代建筑材料中必不可少的材料之一，传统混凝土是根据对混凝土硬度、强度等要求的不同，用不同比例的水泥、砂、石子和水以及少量添加剂掺和而成的。混凝土表现为抗压能力强，但其脆性、自重大，抗拉、抗折能力弱，并且吸音、隔热、保温性能较差，无法满足现有功能性场合对混凝土的要求。
为满足建筑市场的需求，各种轻型墙体材料应运而生，但都存在着一些局限性。如玻璃纤维或碳纤维混凝土虽然克服了传统混凝土的脆性和抗拉、抗折等性能弱的特点，可是成本高；植物纤维混凝土，韧性、抗拉、抗折性能都较好，而且成本低，隔音保温效果佳，但制备的混凝土抗压强度很低，而且易腐蚀。中国竹类资源丰富，栽培利用历史悠久，被称为“竹子文明的国度”。我国现有竹林面积约670多万公顷，占世界竹林总面积的1/4，因此，合理开发利用这种可再生资源是必然趋势。然而，竹颗粒作为一种新型的混凝土功能材料，从上世纪七十年代才开始进入大众的视野。所以，目前国内外工程对竹颗粒混凝土的研究仍然比较有限，之前所做的实验都没能够成功的投入生产实践中去。这主要归因于：一方面，竹颗粒有机体和水泥砂浆无机体的界面结合，是水泥基复合材料中纤维和水泥基体传递应力的关键，是影响材料力学性能的主要因素。水泥凝胶体与竹颗粒表面分子间吸附力和表面物理作用决定了界面的粘结强度，其界面过渡区呈现多孔、破碎形态，此过渡带厚度由于竹颗粒的高吸水性以及湿度变化产生的尺寸不稳定性，随着水胶比的增加而增加，而在水泥固化时又开始减小；经过反复的干湿循环和热胀冷缩，会在混凝土中产生纤维和水泥界面的薄弱层，竹颗粒与砂浆之间因出现细微的位移导致粘结强度下降，此外纤维自身的抗拉强度和弹性模量也会因为吸湿而降低。另一方面，混凝土本身带有较强碱性，水泥在水化过程中生成的Ca(OH)2在混凝土内部会释放很多活跃的氢氧根离子，从而使混凝土内部pH值达12～14。这些碱液会使竹颗粒中的半纤维素和木质素溶解出来，从而使各纤维束之间的连接削弱，导致竹颗粒自身的强度和韧性的下降，逐步失去在混凝土中的理想增强作用。此外，竹材内部会存在大量水溶性营养物质，且竹细胞处于充满自由水和有氧环境中，易于虫菌的滋生繁衍导致丧失功能性，不利于竹材在建筑中的长期使用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的痛点和难点，提供一种竹骨料的改性制备方法及其应用。经改性后的竹骨料不但抗菌抗腐作用有了很大的提升，而且硬度高，还不失其原有的特性。利用该竹骨料作为原材料所制备竹骨料混凝土牢固、质轻、吸音效果更好，可操作性强，具备很高的实用价值。
本发明采用如下技术方案实现：
一种竹骨料的改性制备方法，包括以下步骤：
(1)切碎：将采集的毛竹切碎成竹颗粒，竹颗粒经过振动筛选后颗粒大小为长10～20mm、宽2～10mm、厚1～5mm；
(2)水煮：将步骤(1)处理的竹颗粒浸入沸水中，继续加温煮1～3小时，浴比为1:5～15；
(3)水洗：将步骤(2)煮过的竹颗粒放入清水中，清洗3～5遍；(4)海藻酸钠溶液浸泡：将步骤(3)洗好的竹颗粒浸入海藻酸钠溶液中，浸泡30～60min，浴比为1:5～10；
(5)氯化钙溶液浸泡：将步骤(4)制备的竹颗粒浸入氯化钙溶液中，浸泡90～120min，浴比为1:5～10；
(6)烘干：将步骤(5)制备的竹颗粒烘干即可。
上述技术方案中，进一步的，所述的步骤(1)中毛竹选用3～6年期的竹子。
进一步的，所述的步骤(2)中沸水指的是温度在90～100℃的水。
进一步的，所述的步骤(4)中海藻酸钠溶液的质量浓度为2～6g/L。
进一步的，所述的步骤(5)中氯化钙溶液的质量浓度为10～15g/L。
进一步的，所述的步骤(6)中烘干的温度在60～110℃范围内。
进一步的，所述的步骤(6)中烘干后的竹纤维含水率在8％～17％。如果竹颗粒的含水率过高容易为虫菌的滋生繁衍提供条件，竹腐真菌降解纤维素、半纤维素、甚至是木质素等细胞壁物质，易导致机械强度降低甚至完全失去使用价值，含水率过低则易开裂并吸收大量外界水分造成物理性质不稳定，同时竹子在水泥砂浆中大量吸水也会造成水泥水化不完全，降低竹与水泥砂浆粘结度。
本发明有如下显著优点：
1.本发明利用天然的毛竹进行切碎后改性制备的竹骨料具有廉价易得、制备过程简单、加工成型方便、环境友好无毒等优点，符合国家产业政策，发展潜力大，竞争力强。
2.本发明方法经过水煮、浸泡和烘干后所制备的竹骨料具有质地坚韧、抗拉强度大、耐摩擦、耐腐蚀、耐低温以及抑制霉菌虫害等多种优良性能，且能量(声能、热能、冲击波能等)吸收能力好、抗冲击强度高、无脆性断裂，对混凝土中的水泥砂浆有更好的粘附性，增强界面结合力，提高混凝土的力学性能；尤其是经水煮、水洗处理后可洗去萃取物仅保留竹颗粒中高木质素和纤维素含量，相对于未经水煮水洗处理的竹骨料可有效地提高水泥浆与纤维基质的结合强度，结合后续的海藻酸钠浸泡、氯化钙浸泡和烘干处理，在竹颗粒表面包覆不规则的“蛋盒”型交联的多聚体，一方面可以增大竹颗粒表面的粗糙度，形成更多的凸起结构和反应活性位点，增大与水泥砂浆结合后的粘结强度和孔隙率；另一方面还可以提高竹颗粒的保水性和隔离水泥中的碱性物质，防止竹颗粒被腐蚀，极大的提高其吸音效果和强度。
3.通过本发明方法制备的竹骨料，添加到水泥砂浆中所制备的竹骨料混凝土具有很高的孔隙率，吸音效果好，轻质，强度比未经改性的竹颗粒制备的混凝土要高出10～20倍，可广泛的应用于高速公路、赛车道两旁等功能性场合作为隔音保温墙体的一种新型原材料。
具体实施方式
下面结合具体实例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
(1)切碎：将采集来的毛竹在切碎机里进行切碎，竹颗粒经过振动筛选后颗粒大小为20×10×5mm(长、宽、厚)；
(2)水煮：将步骤(1)处理的竹颗粒称取3000g浸入沸水中，继续加温煮1小时，浴比为1:5；
(3)水洗：将步骤(2)煮过的竹颗粒放入清水中，清洗3遍；
(4)烘干：将步骤(3)制备的竹颗粒放入烘箱80℃烘干至含水率为8％即可得到竹骨料A。
实施例2
(1)切碎：将采集来的毛竹在切碎机里进行切碎，竹颗粒经过振动筛选后颗粒大小为20×10×5mm(长、宽、厚)；
(2)海藻酸钠溶液浸泡：将步骤(1)处理的竹颗粒浸入质量浓度为2g/L海藻酸钠溶液中，浸泡40min，浴比为1:8；
(3)氯化钙溶液浸泡：将步骤(2)制备的竹颗粒浸入质量浓度为12g/L氯化钙溶液中，浸泡100min，浴比为1:8；
(4)烘干：将步骤(3)制备的竹颗粒放入烘箱90℃烘干至含水率为17％即可得到竹骨料B。
实施例3
(1)切碎：将采集来的毛竹在切碎机里进行切碎，竹颗粒经过振动筛选后颗粒大小为15×5×5mm(长、宽、厚)；
(2)水煮：将步骤(1)处理的竹颗粒称取3000g浸入沸水中，继续加温煮1.5小时，浴比为1:10；
(3)水洗：将步骤(2)煮过的竹颗粒放入清水中，清洗3遍；
(4)海藻酸钠溶液浸泡：将步骤(3)洗好的竹颗粒浸入质量浓度为3g/L海藻酸钠溶液中，浸泡30min，浴比为1:5；
(5)氯化钙溶液浸泡：将步骤(4)制备的竹颗粒浸入质量浓度为10g/L氯化钙溶液中，浸泡90min，浴比为1:5；
(6)烘干：将步骤(5)制备的竹颗粒放入烘箱100℃烘干至含水率为11％即可得到竹骨料C。
实施例4
(1)切碎：将采集来的毛竹在切碎机里进行切碎，竹颗粒经过振动筛选后颗粒大小为20×10×5mm(长、宽、厚)；
(2)水煮：将步骤(1)处理的竹颗粒称取3000g浸入沸水中，继续加温煮2小时，浴比为1:10；
(3)水洗：将步骤(2)煮过的竹颗粒放入清水中，清洗4遍；
(4)海藻酸钠溶液浸泡：将步骤(3)洗好的竹颗粒浸入浓度为5g/L海藻酸钠溶液中，浸泡40min，浴比为1:8；
(5)氯化钙溶液浸泡：将步骤(4)制备的竹颗粒浸入浓度为10g/L氯化钙溶液中，浸泡110min，浴比为1:8；
(6)烘干：将步骤(5)制备的竹颗粒放入烘箱110℃烘干至含水率为13％即可得到竹骨料D。
实施例5
(1)切碎：将采集来的毛竹在切碎机里进行切碎，竹颗粒经过振动筛选后颗粒大小为15×5×5mm(长、宽、厚)；
(2)水煮：将步骤(1)处理的竹颗粒称取3000g浸入沸水中，继续加温煮2小时，浴比为1:10；
(3)水洗：将步骤(2)煮过的竹颗粒放入清水中，清洗5遍；
(4)海藻酸钠溶液浸泡：将步骤(3)洗好的竹颗粒浸入浓度为6g/L海藻酸钠溶液中，浸泡50min，浴比为1:10；
(5)氯化钙溶液浸泡：将步骤(4)制备的竹颗粒浸入浓度为15g/L氯化钙溶液中，浸泡120min，浴比为1:10；
(6)烘干：将步骤(5)制备的竹颗粒放入烘箱70℃烘干至含水率为8％即可得到竹骨料E。
实施例6
(1)切碎：将采集来的毛竹在切碎机里进行切碎，竹颗粒经过振动筛选后颗粒大小为20×10×5mm(长、宽、厚)；
(2)水煮：将步骤(1)处理的竹颗粒称取3000g浸入沸水中，继续加温煮1.5小时，浴比为1:8；
(3)水洗：将步骤(2)煮过的竹颗粒放入清水中，清洗3遍；
(4)海藻酸钠溶液浸泡：将步骤(3)洗好的竹颗粒浸入质量浓度为3g/L海藻酸钠溶液中，浸泡30min，浴比为1:5；
(5)氯化钙溶液浸泡：将步骤(4)制备的竹颗粒浸入质量浓度为10g/L氯化钙溶液中，浸泡90min，浴比为1:5；
(6)烘干：将步骤(5)制备的竹颗粒放入烘箱100℃烘干至含水率为9％即可得到竹骨料F。
对本发明中上述具体实例1～6制备得到的竹骨料A、B、C、D、E、F和切碎后未经改性处理的竹颗粒所制备的竹骨料混凝土试块成品，以及普通C30混凝土做对比强度、保温和吸音效果影响测试。
竹骨料混凝土试块的制备：分别称取3500g砂子和4600g水泥，再加入指定掺量的减水剂和一定量的水，控制砂浆稠度为标准稠度，搅拌机搅拌，然后加入竹骨料，继续用搅拌机搅拌均匀后，装入边长为150×150×150mm的立方体模具并振动抹平成型，在室温下养护24小时候脱模，放养护架上养护28天后，测试结果。
分别将竹骨料A、B、C、D、E、F和切碎后未经改性处理的竹颗粒所制备的混凝土试块成品记为竹骨料混凝土A、B、C、D、E、F及竹颗粒混凝土O。表1各种竹骨料制备的混凝土和普通混凝土对强度、保温和吸音效果的影响
混凝土类型 抗压强度 导热系数 降噪
普通混凝土C30 30MPa 1.75W/(m.k) 6dB
竹颗粒混凝土O 0.33MPa 0.35W/(m.k) 12dB
竹骨料混凝土A 0.62MPa 0.38W/(m.k) 12.5dB
竹骨料混凝土B 3.64MPa 0.35W/(m.k) 13.1dB
竹骨料混凝土C 4.91MPa 0.33W/(m.k) 13.9dB
竹骨料混凝土D 5.13MPa 0.31W/(m.k) 13.8dB
竹骨料混凝土E 5.76MPa 0.37W/(m.k) 14.3dB
竹骨料混凝土F 5.22MPa 0.35W/(m.k) 13.9dB
由表1可见，只经过水洗而未经过其他改性处理的竹骨料A，所做的混凝土试块的抗压强度和降噪效果，也比竹骨料O所做试块好。但是只经过水煮、水洗而不进行后续海藻酸钠和氯化钙先后浸泡的竹骨料A，以及不经过水煮、水洗只进行海藻酸钠和氯化钙先后浸泡的竹骨料B，两种竹骨料所做的混凝土试块的强度和降噪效果都达不到本发明的效果。经过改性处理的竹骨料C、D、E、F所做混凝土试块的抗压强度，都明显高于未经改性处理的竹颗粒O所做试块，且降噪效果也有所提升；当然作为一种非承重墙体材料相对于普通混凝土C30并没有优势，但是降噪和保温效果都要比普通混凝土优越得多。实验表明，本发明方法制备的竹骨料是一种可用于混凝土的优质功能材料。
以上技术方案是优选实施方式，并非对本发明技术方案的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，做出的变形应视为属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种可提升混凝土吸音降噪性能的竹骨料，其特征在于，所述竹骨料是采用如下方法改性得到，通过所述改性能够提升含有竹骨料的混凝土的吸音降噪性能，所述方法包括如下步骤：
(1)切碎：将采集的毛竹切碎成竹颗粒，竹颗粒经过振动筛选后颗粒大小为长10~20mm、宽2~10mm、厚1~5mm；
(2)水煮：将步骤（1）处理的竹颗粒浸入沸水中，继续加温煮1~3小时，浴比为1:5~15；
(3)水洗：将步骤（2）煮过的竹颗粒放入清水中，清洗3~5遍；
(4)海藻酸钠溶液浸泡：将步骤（3）洗好的竹颗粒浸入海藻酸钠溶液中，浸泡30~60min，浴比为1:5~10；
(5)氯化钙溶液浸泡：将步骤（4）制备的竹颗粒浸入氯化钙溶液中，浸泡90~120min，浴比为1:5~10；
(6)烘干：将步骤（5）制备的竹颗粒烘干即可。
2.根据权利要求1所述的一种可提升混凝土吸音降噪性能的竹骨料，其特征在于，步骤（1）中毛竹选用3~6年期的竹子。
3.根据权利要求1所述的一种可提升混凝土吸音降噪性能的竹骨料，其特征在于，步骤（2）中沸水指的是温度在90~100℃的水。
4.根据权利要求1所述的一种可提升混凝土吸音降噪性能的竹骨料，其特征在于，步骤（4）中海藻酸钠溶液的质量浓度为2~6g/L。
5.根据权利要求1所述的一种可提升混凝土吸音降噪性能的竹骨料，其特征在于，步骤（5）中氯化钙溶液的质量浓度为10~15g/L。
6.根据权利要求1所述的一种可提升混凝土吸音降噪性能的竹骨料，其特征在于，步骤（6）中烘干温度在60~110℃范围内。
7.根据权利要求1所述的一种可提升混凝土吸音降噪性能的竹骨料，其特征在于，步骤（6）中烘干后的竹骨料含水率在8%~17%。
8.一种墙体或建筑降噪保温功能层，其特征在于，由含有如权利要求1-7任一项所述的竹骨料的混凝土制得。
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