（环境工程专业论文）稻草eps复合轻质保湿墙体材料的研究.pdf

摘要 i p l i f ip i i i ii pijppijijifiijpi iij ifiiif y 19 4 2 7 0 8 摘要 本文以稻草秸秆和e p s 颗粒为主要研究对象 开发利用农村剩余农作物秸 秆纤资源以及再资源化废弃聚苯乙烯泡沫 e p s 材料 制备新型节能利废型稻草 e p s 复合轻质保温墙体材料 研究探讨了改性稻草秸秆 偏高岭土取代量及改性 e p s 颗粒对水泥基复合墙体材料性能的优化改善作用 以及稻草秸秆掺量 稻草 秸秆长度和e p s 颗粒掺量对稻草秸秆增强水泥基复合墙体材料的物理性能 力 学性能 导热性能的影响规律 进而通过l 9 3 4 i e 交实验确定出e p s 颗粒掺量和 稻草秸秆掺量为影响水泥基复合墙体材料性能的重要影响因素 且最佳配合比 为 稻草秸秆掺量为3 偏高岭土取代量为3 0 e p s 颗粒掺量为3 0 水胶 比为0 6 由此制备的成型材料干表观密度为2 1 5 k g m 3 抗压强度为0 4 3 m p a 抗折强度为0 3 4 m p a 粘结强度为5 6 k p a 导热系数为0 0 5 3 w m k 线性收缩率 为0 2 3 软化系数为o 8 抗冻性试验2 0 次循环可达到质量损失s 5 强度降 低s 1 0 外观无明显变化 各项实测数据均满足预期指标值 从而论证了稻草 秸秆 废弃e p s 材料等固体废物资源在水泥基复合材料生产中的实用价值以及 对水泥基复合材料性能的优化加强作用 为废弃资源的综合利用以及农业产业 化开辟崭新的道路 拓展开发前景 关键词 稻草秸秆 e p s 颗粒 轻质保温 墙体材料 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e a st h em a i nr e s e a r c ho b j e c t s s u r p l u sr u r a lc r o p ss t a l k sa n d d i s c a r d e de x p a n d e dp o l y s t y r e n e e p s m a t e r i a lh a v eb e e nt a p p e d o nt h i sb a s i s a n e wt y p eo fr i c es t r a w e p sw a l l b u i l d i n gc o m p o s i t em a t e r i a lw i t hl i g h t w e i g h ta n d h e a t r e t a i n i n gp r o p e r t i e sh a sb e e no b t a i n e d i nt h er e s e a r c h e f f e c to fm o d i f i e d d e e s t r a w r e p l a c e m e n tr a t eo fm e t a k a o l i na n dm o d i f i e d e p so ni m p r o v i n gp e r f o r m a n c e o fe e n m e n tc o m p o s i t e sa r ed i s c u s s e d m o r e o v e r t h ep e r f o r m a n c e so fc o m p o u n d c o m p o s i t e s s u c ha s p h y s i c a lp r o p e r t y m e c h a n i c a lp r o p e r t ya n dh e a t i n s u l a t i n g p r o p e r t ya r es t u d i e d 嘶t 1 1d i f f e r e n tl e n g t ha n dc o n t e n to fr i c es t r a wa n dd i f f e r e n t d o s a g eo fe p sp a r t i c l e s a f t e rt h a t b yt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t sl 9 3 耳 i t i s c o n f i r m e dt h a tt h ed o s a g eo fe p sp a r t i c l e sa n dr i c es t r a wa t et h em a j o rr e a s o n s a f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fc o m p o u n dc e r t m e m tw a l lm a t e r i a l a n dt h eo p t i m u m c o n d i t i o n sf o rm a k i n gl i g h tt h e r m a li n s u l a t i i n gm a t e r i a lw e r es h o w na sf o l l o w c o n t e n to fr i c es t r a wi s3 r e p l a c e m e n tr a t eo fm e t a k a o l i ni s3 0i tw a sf o u n dt h a t u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s t h ep e r f o r m a n c eo ft h er i c es t r a w a m o u n to fe p s p a r t i c l e si s3 0 a n dw a t e rt ob i n d e rr a t i oi s0 6 r e i n f o r c e dc o m p o u n dl i g h t w e i g h t m a t e r i a la l la c h i e v e sa n t i c i p a t i v et a r g e t s t l 伦s p e c i f i cp r o p e r t i e sa sf o l l o w s d r y a p p a r e n td e n s i t yo ff i c es t r a wr e i n f o r c e dc o m p o u n dc e m e n tc o m p o s i t e si s2 15 k g m 3 c o m p r e s s i v es t r e n g t hi s0 4 3 m p a f l e x u r a ls t r e n g t hi s0 3 4 m p a a d h e s i v es t r e n g t hi s 5 6 k p a t h e r m a lc o n d u c t i v i t yi s0 0 5 3 w m kt h ed r ys h r i n k a g er a t ei s0 2 3 s o f t e n i n gc o e f f i c i e n ti s0 8 t h em a s sl o s so ft h ec o m p o u n d m a t e r i a li sn o tm o r et h a n 5 s t r e n g t hp e r c e n t a g el o s si sb e l o w10 w h e nt h ec y c l eo ff r e e z i n ga n dt h a w i n gi s 2 0a n dt h e r ew e r en oe v i d e n tc h a n g e si na p p e a r a n c e i ti sn o wc l e a rt h a tr i c es t r a w a n dd i s c a r d e de p sm a t e r i a la r ev a l u a b l ei nm a n u f a c t u r i n gc e m e n t b a s e dc o m p o s i t e s a n dc a nm a k ec o n t r i b u t i o nt or e i n f o r c e m e n to ft h ec e m e n t i t i o u sc o m p o s i t e s i nt h i s w a y c o m p r e h e n s i v eu t i l i z a t i o no f a b a n d o n e dr e s o u r c e sc a no f f e ran e w w a yo u tf o r a g r i c u l t u r a li n d u s t r i a l i z a t i o n k e yw o r d s r i c es t r a w e p sp a r t i c l e s l i g h t w e i g h ta n dh e a t r e t a i n i n g w a l l b u i l d i n g c o m p o s i t em a t e r i a l i l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景 本世纪以来 随着科技进步和社会生产力的极大提高 人类创造了前所未 有的物质财富 加速推进了文明发展的进程 与此同时 人口激增 过度消耗 资源 环境污染 生态破坏等问题也随之日益突出 并且严重阻碍了经济的发 展和人民生活质量的提高 继而威胁着全人类的未来和生存的发展 在这种严 峻的形势下 保护环境 合理 高效地开发与利用资源无疑是成为全球关注的 焦点问题及世界各国不得不攻克的艰巨难题 建筑业属于典型的资源依赖型行 业 其作为高能耗行业的代表 同样也是可再生能源应用的重要领域 利用可 再生能源 为建筑供能 研究开发低碳经济的新型环保保温材料 进而实现节 能减排已成为业内人士争相追逐的目标 同时不乏为解决能源问题提供了一条 行之有效的途径 对于能源和耕地等资源人均占有量仅达世界平均水平1 4 的中国来说 国民 经济和社会同资源 生态环境协调发展的需求显得更为重要和迫切 在宏观经 济的有力支撑和有效推动下 2 1 世纪已成为我国建筑业快速 持续发展的新时 代 同时在经济的持续快速发展和城镇化的大力推进下 特别是近年来我国新 一轮城市基础设施建设的大力开展和房地产业的大力开发为建筑业的发展提供 了千载难逢的机遇 如此庞大的建筑市场势必需要消耗大量的建筑材料 由此 可见 建筑行业可推动国民经济的迅猛发展 而同时由于其需要消耗大量的资 源能源 使得建筑行业的继续扩大发展受到明显制约 据统计 每年建筑行业 的能源消耗约占全社会能源消耗总量的三分之一左右 3 j 而作为墙体材料的保温 材料又是建筑材料行业的重要组成部分 其产值几乎接近建材工业总产值的三 分之一 耗能约占建材工业总耗能的一半左右 因此加速发展节能利废的新型 保温墙体材料 不仅是建材工业节能和调整结构的重要措施 而且对改善建筑 功能 节约土地具有十分重要意义 此外 使用新型保温墙体材料 能够有效 提高建筑过程中的能源利用效率 降低能源损耗 可以满足我国高速发展国民 经济的根本需要和实现住宅产业现代化和加快城镇化建设的基本要求 因此 发展相关新型建筑材料及制品 使墙体材料 绿色化 能够促进建材工业的 第1 章绪论 健康发展 同时也关系到我国可持续发展战略的实施 是我国实现经济 社会 环境可持续发展的必由之路及当今社会发展的重中之重 另一方面作为农业大国 我国的秸秆产量随着农业的连年丰收而大幅度上 升 年产量大约为6 5 亿余吨 4 而此类来源丰富的植物资源除了少部分可做为 饲料 肥料的用途之外 极大部分都于野外就地焚烧 这样不仅仅浪费了资源 也对生态环境造成了严重的污染 带来了巨大的环境压力 因此 对废弃农作 物秸秆资源的综合利用开发意义重大 亟需在无污染 合理处理大量废弃秸秆 资源的基础上 进一步深入研究探讨能够创造出具有良好经济效益和社会效益 的有效应用模式 植物纤维保温墙体材料的研发恰好为废弃农作物秸秆资源的有效利用提供 了新思路 并且顺应了国家关于建设节能型社会的需求及对新型建筑材料环保 节能的要求 促进了可循环经济的发展 加快了我国对于高效 低价 环保 节能 实用的建筑产品的研发和应用进程 植物纤维保温墙体材料作为一种新 型建筑材料 由于其具有的利废 环保 再生 节能等突出特性 在市场上已 经显现出其极强的生命力和广阔的工程发展应用前景 5 7 1 由此 本文根据我国 农村大量剩余农作物秸秆资源的特点 并且基于利废及改良材料性能考虑特别 加入了难处理 难降解而成为 白色污染 的主要来源之一的废弃聚苯乙烯泡 沫 简称e p s 下同 材料 作为水泥基复合材料中的轻质骨料 进而提出有关 利用废弃农作物秸秆资源开发节能利废型稻草秸秆增强水泥基轻质保温复合墙 体材料的构想 并设计安排试验进行研究探讨 1 2 保温材料的种类及存在的问题 目前 综合参考资料及市场实际使用情况来看 保温材料从应用角度考虑 出发 可划分为有机保温材料 无机保温材料 复合型保温材料三大类 3 1 2 1 有机保温材料 有机保温材料种类繁多 较为常见的有发泡聚苯板 喷涂聚氨酯 挤塑聚 苯板及聚苯颗粒等 此类保温材料由于其化学组成及特有结构 具备较轻的质 量 高致密性 优良的可加工性能 良好的保温隔热效果等诸多优点 但同时 也存在耐久性能较差 长期使用后容易老化 由于变形系数大而在使用过程中 易发生形变等此类不可忽视的缺点 同时其稳定性能较差 安全性较低 易燃 2 第1 章绪论 烧 施工难度大 工程成本较高且其所采用的原材料的生态环保性能很差 不 具备可再生性 不可循环重复利用 1 2 2 无机保温材料 无机保温材料主要包括 膨胀珍珠岩 闭孔珍珠岩 中空玻化微珠及岩棉 等 与有机保温材料相比 无机保温材料具有较好的防火性能与阻燃性能 较 小的变形系数及较强的抗老化性能 并且由于其性能稳定 在使用过程中具有 较高的安全性 在用于施工时 其与墙体基面和抹层面能够产生较好的结合力 不仅如此 无机保温材料还具有较高的强度 较好的耐久性 较长的使用寿命 简单易行的施工手段以及较低的工程成本 且在生产过程中可以实现循环再利 用 达到生态环保的要求 但无机保温材料同时也存在容重偏大 保温隔热效 果较差的缺点 1 2 3 复合型保温材料 复合型保温材料是近年来秉承 节能 环保 利废 的宗旨而兴起的一种 新型保温材料 对其进行研发利用已逐渐成为保温墙体材料发展的主要趋势 其生产原材料来源广泛 主要包括 岩棉 具有防辐射吸热性能的材料 农作 物秸秆 甚至是可利用的且通过无害化处理的具有保温性能的垃圾 或者是经 由发泡方式生产而来的空心材料等 复合材料同时也具备无机保温材料的众多 优点 例如 优良的防火阻燃性能 变形系数小 良好的保温隔热性能 优越 的抗老化性能和耐久性 施工方式简便易行 较低的工程成本及生产过程中能 耗低 不仅如此 由于其原材料来源的广泛性 能够在节约资源的同时提高资 源的再循环利用效率 符合生态环保的需求 以实现资源的循环再利用 但复 合型保温材料的生产技术与工艺还在不断趋于成熟 其性能和应用存在局限性 尚未得以普遍大范围应用 上述各种类型的保温材料在我国建筑保温施工领域中都有不同程度的应 用 然而由于我国幅员辽阔 具有明显的地方差异性 而来源分布不均匀的保 温原材料及不均衡的生产力发展状况 使得各地在选择保温材料时 存在着多 种不同方面的考虑因素 但就其综合性能来讲 e p s 塑料板以其保温效果好 成 本低的优势得到了较为广泛的应用 而其又存在着强度低 施工性能较差 与 基体结合不牢的突出缺点 仍有待改进与完善 如今 e p s 保温料浆正逐渐得到 3 第1 章绪论 推广和应用 作为新型复合保温材料的代表 与其他保温材料相比 此类材料 结合了水泥便捷的施工方式和高分子材料优越的保温性能 其综合性能尤为突 出 具有非常广阔的发展应用前景 9 1 与此同时 发达国家在研制开发浆体保温 材料方面 着重研发多功能轻质复合浆体保温材料 与传统浆体保温材料相比 此种多功能轻质复合浆体保温材料具有更好的使用安全性 较好的耐久性及较 低的导热系数等特点 其他项性能也有较为明显的提高 并且此类复合浆体保 温材料还具有优异的功能性 如无氟阻燃型聚氨酯泡沫复合浆体保温材料 超 轻质全憎水硅酸钙浆体保温材料等 能够满足不同使用条件的需求 此外 建 筑保温材料工业的环保问题也逐渐得到重视 积极推进保温材料制品的 绿色 化 即要求无论是从原材料的开采或运输等准备工作中 或者是在产品的生产 及使用过程中 以及日后的处理问题上 都要使资源得到最大限度地节约 且 将对环境的危害最小化 在全球性能源危机和生态环境不断趋于恶化的严峻形 势下 建筑保温节能工作己引起业内人士的普遍关注 具体地讲 出于节能环 保的角度出发考虑 对于保温材料的完善与提升还存在着极为广阔的开发 研 究空间 比如 保温材料的稳定持久性的增强和使用寿命的延长 保温隔热性 能的改善及实用价值的论证 工艺技术的可靠可行性分析 生态环保性和可循 环利用方面的创新拓展均可作为重点研究的课题 此时 我们在大量研究和借 鉴西方发达国家的成功经验的同时 必须结合我国当代国情和对建筑保温的实 际需求进行研发并加以应用 绝不能盲目地照搬硬套 否则我们面临的将是沉 重的经济代价与环境代价的双重损失 1 3 植物纤维增强水泥基复合材料的研究进展 1 3 1 植物纤维的组成和性质 1 3 1 1 植物纤维的组成及分类 植物纤维具有十分复杂的化学成分 其主要由分子量较大的纤维素 半纤 维素和木质素及树脂 脂肪 蜡质 淀粉 果胶 色素 灰分等聚合物组成 l o l 按照植物纤维的器官 组织来源划分 植物纤维可分为韧皮纤维 叶纤维 种 子纤维 果实纤维和其他纤维 韧皮纤维也称软纤维 主要来源于双子叶植物 茎的韧皮部分 韧皮纤维植物的主要代表有亚麻 黄麻 大麻 红麻 玫瑰茄 麻 青麻 刚果麻 印度麻等 叶纤维又称硬纤维 来自单子叶植物的叶片 4 第1 章绪论 叶纤维植物的主要代表有剑麻 蕉麻 龙舌兰麻等 种子纤维实际上就是种子 表皮毛 源于双叶植物 最具代表的为棉属 果实纤维主要包括丝瓜 棱角丝 瓜 椰衣 和吉贝等 其他纤维包括木纤维 根纤维 穗轴纤维以及棕榈科的 省藤属 黄藤属和禾本科的芦苇 芒属 玉米 稻和麦等茎秆及蔗渣 1 1 1 1 3 1 2 植物纤维的性质 植物纤维价格低廉 具有较小的比重 较大的长径比 高比强度 大比表 面积 低密度和一般纤维所具备的强度和刚度 以及较低的弹性模量 通常状 况下 其强度值可以满足使用需求 与无机纤维相近 而同时它又具备其它增 强纤维材料无法比拟的可回收利用 可生物降解 可再生循环利用等突出优点 使其在纤维增强材料中独树一帜 拥有极为良好的工程应用前景 1 2 1 在用于水 泥基混合物中 与其他种类的纤维相比 单位质量的植物纤维数量较多 且纤 维间距更为紧密 在水泥开裂时能够将裂缝控制在更小的范围内 同时由于植 物纤维材料直径小 具有较强的表面亲水性 及分散性能较好的特点 使得水 泥基复合材料的密实性和微结构密度有所提高 1 3 1 但同时由于植物种类的不同 以及其生长环境地域条件的不同 使得不同植物部位的植物纤维的组成和结构 均有差异 因此在选用植物纤维时需要结合当地环境地域的条件及植物自身的 特性来进行比较 加以选择 1 3 2 植物纤维增强水泥基复合材料的发展现状 植物纤维是自然界中储量最为丰富的天然高分子材料 其每年的生产总量 多达千亿吨 远远超过了地球上现有石油的总储量 当今 在自然资源日见缺 乏的紧迫形势下 人们越来越关注新能源的开发与应用 植物纤维以其独特的 功能和特性拥有着极为丰富的潜力空间 逐渐得到人们越来越多的关注 伴随 着资源的可持续发展这个主题的延伸 环境友好型材料己成为新时代国际高新 材料技术研究开发中的一个新课题 植物纤维增强复合材料是以植物纤维为增 强材料 以水泥或树脂作为基体 通过添加适宜 适量的化学助剂经过一定的 工艺加工过程制备得到的一类新型节能环保型材料 此类绿色材料在增强复合 材料的领域中扮演着越来越重要的角色 但是 与高性能化学纤维增强复合材 料的大量研究相比 对于植物纤维增强复合材料投入的研究还是相对有限的 有关植物纤维增强复合材料的报导和相应的各类标准也较为贫乏 对植物纤维增强水泥基复合材料的研究和开发可追溯于水泥刨花板的开发 5 第1 章绪论 与应用 将麦秸和稻草作为板材原料生产水泥刨花板起源于荷兰开始生产的 c o m p a k 板 2 0 世纪3 0 年代瑞士的d u r i s o l 公司实现了水泥刨花板工业性的生 产突破 率先制造出水泥刨花板 2 0 世纪6 0 年代美国的e l m e d o r f 公司进一步 完善了水泥刨花板的生产工艺 2 0 世纪7 0 年代中后期瑞士的d u r i s o l 公司和德 国的b i s o n 公司共同协作研制成功了生产水泥刨花板的半干法生产工艺 到目前 为止 以农作物为原料的人造板生产厂家已遍布于英国 澳大利亚 挪威 波 兰 比利时 伊朗 印度 马来西亚 印度尼西亚 巴基斯坦 加拿大 美国 等2 0 多个国家 其中就有1 1 家分布于美国和加拿大 以美国的p r i m lb o 触m 公司和加拿大的i s o b o r d 公司为显著代表 其生产线产量均高于1 0 万m 3 和 2 0 万m 3 仅美国全年就能够生产出约为1 6 0 0 万m j 的麦秸板 5 因此 在国外 以剩余农作物资源为原料生产人造板是一项不容忽视的产业 同时 自2 0 世纪8 0 年代以来 不少发展中国家出于经济的角度考虑 开 始着力研究和开发本国盛产的非木浆植物纤维资源 以其做为水泥基体的增强 材料 其中对剑麻与椰子壳纤维的研究居多 对其它纤维 如 黄麻 竹与芦 苇等纤维也有不同程度的研究与分析 试图将廉价的植物纤维增强水泥基复合 材料作为建筑材料 使成本明显降低 部分学者1 1 4 j 在研究以剑麻 椰子壳纤维 等植物纤维作为增强材料制备水泥制品的试验过程中发现 当植物纤维体积掺 量为o 5 时与同掺量的有机高分子纤维相比 对于水泥制品的收缩裂缝具有效 果相当的抑制作用 且两类纤维增强水泥基复合材料的最大裂缝宽度均为未掺 加纤维增强材料制品的1 3 而水泥基复合材料的自由收缩和抗压强度均未发生 明显的变化 9 0 年代中期 埃及科学家利用当地盛产的棕榈树叶纤维来进行增 强混凝土的试验研究 其中在对棕榈树叶茎的内部结构进行分析时 发现棕榈 树叶具有非常稳定的组织结构 其叶茎包括含有叶绿体的不可渗透的表皮组织 具有防止叶茎脱水功能的大量薄壁细胞组织以及大量呈分散状 大小各异的 作为液体输送渠道的纤维管束 当棕榈树叶纤维作为水泥基体的增强材料时 该纤维会由于水泥溶液对纤维管束的浸润与填充而致密性增高 通过实验可以 看出 经过水泥溶液浸泡后的棕榈树叶纤维增强材料与未经水泥溶液浸泡的纤 维增强材料相比 前者的抗拉强度明显高于后者 1 5 1 近年来 配合发展中国家 一些发达国家的科研单位也随之投入于植物纤维增强水泥基复合材料的研究领 域中 并且取得了一定的进展 1 6 j 日本的t o s h om o r u m a 公司在进行利用竹筋替 代钢筋增强混凝土的研究中 制造了两种混凝土制品 一种是以烟熏的劈裂条 6 第1 章绪论 为增强材料 另一种的增强材料则为天然干燥的完整细竹 一周后 测定未增 强的混凝土抗弯强度为4 3 m p a 而增强的混凝土抗弯强度高达1 0 8 m p a 约提 高了三倍 且这种竹筋增强混凝土材料具备轻质 良好的防腐性能及抗弯性能 等优点 较好的克服了直接使用新鲜竹子作为增强材料的不足 l 刀 目前 非木 浆植物纤维增强水泥基复合材料制品已经在中美洲 非洲与亚洲的不少国家中 得以生产与应用 根据美a c l 5 4 4 委员会的报告 嘲 全世界约有4 0 个国家有可 能在建筑物中使用此类水泥制品 相对而言 我国在植物纤维增强水泥基复合材料的研究 应用非常缺乏 起步较晚 直至2 0 世纪8 0 9 0 年代 在我国南方才陆续出现利用蔗渣制造硬质 纤维板 刨花板的工厂体系 近年来 中国林科院 东北林业大学 南京林业 大学等科研院校也先后对此项技术进行了研究与开发 他们利用麦秸 稻秸 棉杆等非木质材料作为人造板的原材料 研制出物理性能良好 力学性能达标 的刨花板或中密度纤维板 随着技术的不断提高及其实际与生产的良好结合 近几年在国内大量涌现出生产秸秆板材的厂家 其产品不仅普遍销售于国内市 场 而且大量远销海外 1 9 j 我国幅员辽阔 植物资源丰富 就此许多学者也开始特别关注研究 开发 植物纤维作为水泥基增强材料 并对其相应的纤维增强水泥基制品进行探讨与 分析 其中 以章希胜 2 0 1 邹惟前口1 1 叶颖薇瞄1 等人为典型代表 研究制备出 低成本 具有较好防渗 防漏性能且力学性能较优的植物纤维增强水泥基复合 板 获得了良好的经济效益 针对含有钢渣的植物纤维增强水泥基复合材料李 国忠 2 3 j 等人对其进行了研究 他们通过设计实验 以材料的界面状况和组成结 构为主要影响因素 分析探讨了其对材料性能的作用规律 并且通过采用1 0 脉醛树脂溶液对植物纤维进行表面处理 使树脂与纤维粘结牢固 形成坚固密 实的界面结合层 有效地提高了复合材料的强度和耐水性能 为植物纤维水泥 基复合材料的研究提供了新思路 1 4 植物纤维增强水泥基复合材料的优势及存在的问题 1 4 1 植物纤维增强水泥基复合材料的优势 1 4 1 1 植物纤维来源广泛易得 成本低 保护生态平衡 缓解环境压力 植物纤维增强水泥基复合材料可合理 有效利用遍布农村的剩余农作物秸 7 第1 章绪论 秆资源 减轻了对其处理不当所导致的生态环境失衡 并能够缓解建筑材料资 源短缺的压力 且显著降低了建筑材料的成本 节约了开支 顺应了当前我国 人均收入水平及建筑消费水平较低的基本国情 并为废弃农作物秸秆资源的合 理利用开辟了新道路 1 4 1 2 性能达标 具有较强的实用价值 在国家对粘土砖禁用令的实施后 植物纤维增强水泥基保温复合墙体材料 作为粘土砖替代产品 其性能达标 实用范围较广 且舒适性能优于传统粘土 砖结构建筑 对其开发应用遵循了墙材改革的宗旨 并为今后建筑行业节能环 保及高能低耗的新型建筑体系的大量涌现 做出了极为有益的贡献 1 4 1 3 便于施工 操作简单 安装快捷 可缩短建筑工期 有效节约建筑成本 植物纤维增强水泥基复合墙体材料生产工艺简单 成品安装便捷 可同时 作为砌体和保温材料使用 简化工作量 使砌筑保温工序一次性完成 可与建 筑框架施工同时进行 按序跟进 同时完工 打破了我国以往传统的施工模式 有效缩短了建筑工期 避免跨年度施工 并且推进了建筑向轻体化 高能化 省地化发展的进程 1 4 1 4 促进建筑材料生产的低能耗 高产量 以植物纤维外墙保温板为典型代表 在生产该墙体材料的过程中 每平方 米材料的生产需要耗电o 1 4 2 度 所需用水量为1 5 升 此外不需要消耗任何燃 料 综合每平方米中电和水的消耗 其成本造价为l 元 其高产量与低能耗是 其它保温墙体材料无法比拟的 同时 植物纤维增强水泥基保温复合材料在使 用过程中能够起到很好的节能作用 如 厚度为2 0 0 r a m 的植物纤维墙板 其保 温系数是厚度为3 7 0 m m 的粘土砖墙的4 倍 从而可大幅降低寒冷地区由于取暖 带来的热能损耗 高效节约取暖成本 以此可以推断 由于植物纤维墙板的使 用 每年可以节省大量的能源和非常可观的取暖开支瞰 1 4 2 植物纤维增强水泥基复合材料存在的问题 植物纤维与普通纤维一样具有较好的弹性和强度 并且以其质轻 价廉易 得 可自然分解 循环再生 在使用中不出现二次污染等突出优点而受到人们 越来越多的重视 但是以其作为增强材料的水泥基复合制品使用范围有限 极 8 第1 章绪论 大的制约了植物纤维增强水泥基复合材料的发展与应用 这是由于植物纤维其 自身的结构特性 使其与水泥基体之间的界面结合不够理想 从而该类复合材 料的力学性能偏低 只可用于建筑表面保温涂层 或者作为非承重受力结构材 料而不适合承受较大荷载用于支撑结构体 同时植物纤维自身的可生物降解性 使得纤维增强材料的长期耐久性能不佳 且随着时间的变化该复合材料的强度 和韧性均会产生较大幅度的下降 2 5 1 这也是该类产品至今尚未能够投入规模化 的工业生产与得到广泛应用的主要原因 参考现有的文献资料 虽然国内外目前已经开始研究植物纤维增强复合材 料 且通过试验证明植物纤维能够在一定程度上抑制水泥基复合材料的收缩变 形 但与玻璃纤维 碳纤维等增强材料相比 针对植物纤维在水泥基复合材料 中的作用机理和改善增强材料耐久性能的研究相对很少 对其在生产实践的开 展和具体应用技术的研究也较为匮乏 尤为缺乏实际工程应用方面的关键数据 由此 为了最终实现植物纤维资源的合理 有效的配置与应用 迫切需要对植 物纤维增强水泥基复合材料进行深入 系统的研究 具体研究内容可以从以下 几个方面入手 分析水泥水化过程产物对植物纤维耐久性的影响 探究植物纤 维有效改性措施 克服植物纤维作为水泥基增强材料的不足以降低水泥基复合 材料对植物纤维的碱性损害并提高其耐久性能 研究植物纤维改性措施对纤维 增强水泥基复合材料的性能的影响 并验证植物纤维改性措施对纤维增强材料 老化的抑制或延缓作用 1 5 本文研究的目的 意义 思路与主要内容 1 5 1 研究目的及意义 在国家大力支持和推进墙材改革的形势下 结合我国建筑材料资源短缺的 实际情况 立足于保护环境和有效利用资源 开发利用可再生性的废弃农作物 秸秆资源 不失为解决资源 环境问题 实现可持续发展的有效途径 由此 在现有植物纤维增强水泥基复合材料的研究基础上 本文通过开发利用剩余农 作物稻草秸秆资源以及再资源化废弃e p s 材料 以稻草秸秆为增强材料 将废 弃e p s 材料破碎后得到的e p s 颗粒作为轻骨料 研究制备质量轻 密度低 隔 热保温性能良好 力学性能达标 耐久性能良好且价格低廉易得的新型节能利 废型植物纤维增强水泥基复合轻质保温墙体材料 并且通过大量试验论证稻草 9 第1 章绪论 秸秆 e p s 颗粒等固体废物资源在水泥基复合材料的生产使用中的实用价值以及 对水泥基复合材料性能的优化加强作用 为废弃资源的综合利用以及农业剩余 秸秆资源的产业化开辟崭新的道路 拓展开发前景 水泥和水泥基复合材料作为世界各国的主导墙体材料 其存在能耗高 资 源消耗大 保温隔热效果较差 不可再生利用 易对环境造成污染等方面的局 限性 随着当代社会对环保要求的日益提高与强调 新型节能利废型水泥基复 合材料的出现成为必然 此类绿色建筑材料集可持续发展 资源有效利用 环 境保护 清洁生产等前沿科学技术于一体 代表建筑科学与技术发展的方向 符合人类的需求和时代发展的潮流 对其开发和应用是实现建筑业可持续发展 的有效途径 也势必成为2 1 世纪热门的研究课题之一 近年来 纤维增强水泥基复合材料迅速发展 而植物纤维在增强水泥基复 合材料方面的研究尚未受到足够重视 针对植物纤维增强水泥基复合材料的机 理和行为缺乏系统的理论化的研究 我国作为拥有丰富农作物秸秆资源的国家 很有必要加强对植物纤维增强水泥基复合材料的研究探讨 分析将植物纤维作 为墙材原料的可行性 进而开拓农作物秸秆纤维的应用新领域 提高植物纤维 的综合利用水平 同时降低因废弃资源处理不当而造成的严重生态环境损害 作为节能利废 合理处理处置废弃农作物秸秆资源的有效措施 研发稻草 秸秆在水泥基复合材料中的应用不仅符合新型墙体材料对 节能减排 的要求 具备符合建筑功能要求的诸如强度 保温隔热等技术性能 而且能够积极发挥 农村资源优势 增加农民收入 具有较好的经济效益 社会效益和环境效益 同时由于难处理 难降解的e p s 材料具有质轻 绝热 保温 隔热 隔音 导 热系数低 吸湿性小 缓冲防震等特点 将其作为轻质保温墙体的原料时具有 一定的优越性 既能改善纤维增强复合材料的性能 又能环保利废 对治理 白 色污染 做出有效贡献 采用农作物秸秆和废弃e p s 作为墙体材料的原料 开 辟了新的原材料来源 确是为有效 无污染处理农业废弃物 变废为宝的有效 途径 不但符合国家倡导的废弃物减量化 资源化 无害化的综合利用原则 而且在一定程度上缓解了我国各地墙体材料资源短缺的矛盾 更为重要的是研 究开发新型墙体材料推动了各地墙材工业的发展 促进了墙材产品结构的变革 同时随着墙材品种的增加 也将有力的推动房屋结构的变革和观念的更新 对 改善建筑功能 节约土地具有十分重要的意义 此外 研发新型节能利废型墙 体材料 能够提高建筑中的能源利用效率和降低能源损耗 符合我国高速发展 1 0 第1 章绪论 国民经济的根本需要和实现住宅产业现代化 加快城镇化建设的基本要求 促 进了可持续发展战略的实施 具有深远的历史意义和显著的经济价值 社会价 值和环境价值 确实是功在当代 利在千秋的大业 1 5 2 论文研究的思路 首先对备好的稻草和e p s 颗粒进行表面改性处理 改善其与基体界面的粘 结性能 进而提高植物纤维增强水泥基轻质保温复合墙体材料的耐久性 其次 通过研究材料组成参数 纤维长度 纤维掺入量 偏高岭土取代量 e p s 颗粒掺 入量等 对水泥基复合材材料性能 包括物理性能 力学性能 导热性能和耐 久性能 的影响规律来初步研究制备节能利废型稻草秸秆增强水泥基轻质保温 复合墙体材料 进而设计正交试验 优化材料组成 最终制备出轻质 保温隔 热性能良好且满足力学要求的新型优质墙体材料 进而达到节能环保的目的 1 5 3 论文研究的内容 本文主要利用我国富产的低成本稻草秸秆为增强材料 以硅酸盐水泥作为 基体胶凝材料 并配合掺加废弃e p s 颗粒作为轻骨料 充分利用稻草秸秆及e p s 颗粒各自独有的特点 研究开发导热系数小 质量轻 力学性能达标 施工方 便 使用安全的粉粒状涂抹式保温墙体材料 同时研究植物纤维增强水泥基轻 质保温复合材料的耐久性改善措施及各项性能 主要研究内容有以下几方面 1 采用n a o h 溶液对稻草秸秆进行表面浸渍处理 确定最佳碱液浓度与浸 渍时间 通过对比试验选取合适的改性剂对纤维表面进行化学促凝封堵 以降 低稻草秸秆中对水泥起到缓凝作用的有害溶出物的大量析出 增强纤维在水泥 基复合材料中的抗侵蚀作用 同时提高水泥 稻草秸秆界面粘结力 并且通过干 湿循环加速老化试验 验证改性措施对稻草秸秆增强水泥基轻质保温复合墙体 材料的耐久性能的改善作用 2 采用偏高岭土等量取代部分水泥用量 以降低水泥基复合材料的碱性及 其对稻草秸秆自身结构性能的破坏作用 使得纤维的增强效果明显提高 并且 通过改变偏高岭土的取代量 研究其变化对复合材料的性能影响规律 以确定 偏高岭土的最佳取代值 3 对e p s 颗粒进行改性 使其由憎水性变为亲水性 使之能被硅酸盐水泥 浆体所润湿 以增强e p s 颗粒与胶凝材料的界面结合力 并通过试验确定最佳 第1 章绪论 改性剂和改性工艺 4 从稻草秸秆长度和稻草秸秆掺入量两个因素研究植物纤维的掺入对水 泥基复合材料的干表观密度 干燥收缩 抗折强度 抗压强度 导热系数等性 能的影响规律 5 研究分析不同掺加量的e p s 颗粒对复合材料的干表观密度 干燥收缩 抗折强度 抗压强度 导热系数等性能的影响规律 6 设计正交试验 从水灰比 稻草秸秆掺入量 偏高岭土取代量 e p s 颗 粒掺入量这四个因素对水泥基复合材料的性能 物理性能 力学性能 导热性 能 进行多水平的测定 分析 最终确定复合材料的最佳配合比 并根据此最 佳配合比制备材料试件以进行各项性能测定 与预期性能指标值进行比较 7 评价现有的试验结果 提出稻草秸秆增强水泥基轻质保温复合墙体材料 的研究方向和应注意的问题 1 2 第2 章试验设计原则及原材料 设备与试验方法 第2 章试验设计原则及原材料 设备与试验方法 2 1 试验设计原则及预期达到的性能指标 2 1 1 试验设计原则 1 确保该种复合保温材料的生产工艺简单合理 易于操作且能耗低 设备 投资少 2 在该种复合保温材料的生产和使用过程中 保证低环境污染或无污染 3 选择产量丰富 价格低廉的稻草秸秆及大量废弃的e p s 颗粒作为原材 料 以达到合理有效利用可用资源及利废环保的目的 4 选择合适的原材料及外加剂并确定其合理的配合比 尽可能降低复合保 温材料的导热系数 5 确保该种复合保温材料具有良好的物理性能和耐久性及足够的强度 以 符合安全使用性能的标准 2 1 2 预期达到的性能指标 根据本文的研究目的 需要研制出具有实用价值的稻草秸秆增强水泥基轻 质保温复合材料并将其进行推广应用 由此该材料的基本性能必须达到相应国 家标准 根据国家行业标准g b 厂r2 0 4 7 3 2 0 0 6 建筑保温砂浆 及建筑工业行业 标准j g l5 8 2 0 0 4 胶粉聚苯颗粒外墙外保温系统 中的相关规定 本研究预期 达到以下性能指标 如表2 1 所示 表2 1 预期达到的性能指标 t a b 2 1f u n c t i o n a li n d e x e se x p e c t e dt or e a c h 标准序号项目单位指标 l 干容重 k g m 3 18 0 2 5 0 2 抗压强度 m p a 0 2 0 3抗折强度m p a 2 0 1 0 4 粘结强度 k p a 之5 0 5 导热系数 w m k 郢 0 6 0 6 线性收缩率 郢 3 7 软化系数 却 5 0 8 抗冻性 1 5 次冻融循环 质量损失 强度降低s 1 0 外观无明显变化 1 3 第2 章试验设计原则及原材料 设备与试验方法 2 2 试验原材料 2 2 1 水泥 水泥采用南昌海螺水泥有限责任公司生产的p c 3 2 5 复合硅酸盐水泥 2 2 2 稻草秸秆 稻草秸秆取自于江西省南昌市市郊 将其进行挑选 去根去穗 洗涤除尘 后放入干燥箱中进行烘干干燥处理 在干燥过程中 可将干燥箱温度调节至 7 0 7 5 不宜过高 否则稻草秸秆会因温度过高而失去柔性 烘干后将稻草秸 秆切成5 m m 2 0 m m 的小段 进行表面及改性处理 筛选后得到长度分别为 8 m m 4 2 r n m 1 2 m m e 2 m m 1 6 r n m h 2 m m 的稻草秸秆备用 以稻草秸秆为原料制 备复合材料 以期达到抗裂 增强 增韧 保温的效果 2 2 3 聚苯乙烯泡沫 e p s 颗粒 采用的e p s 颗粒由废弃的e p s 板经过破碎加工而成 外观为不规则多面体 粒径范围是2 5 m m 堆积密度8 1 0 k g m 3 表观密度为2 6 1 k g m 3 其质轻 导 热系数低 保温隔热性能良好 耐酸碱腐蚀性好 韧性好 且稳定性强 自然 条件下难降解 将其加入复合材料可大大降低该复合材料的导热系数 确保材 料的保温性能 但聚苯乙烯颗粒的憎水性使得其与水泥基复合材料的亲和力较 差 需对其进行表面改性后以达到理想效果 2 2 4 偏高岭土 采用由大同煤业金宇高岭土化工有限公司生产的g b h r m 偏高岭土 平均 粒径郢 8 p m 白度 t 4 5 7 芝7 5 比重2 6 0 0 k g m 3 松密度3 0 0k g m 3 烧失 量s 1 0 活性3 0 4 0 其能够迅速与水泥熟料水化生成的氢氧化钙反应 生 成大量的钙矾石和硅酸钙凝胶等有黏性的混合物 从而改善了硬化水泥石的结 构 提高了水泥的强度 并且可以有效的降低水泥基复合材料的碱性及其对稻 草秸秆自身结构性能的破坏作用 使得纤维的增强效果明显提高 且能够在一 定程度上有效改善水泥基复合材料的力学性能 2 2 5 其它试剂 1 减水剂 采用山东汾河化工有限公司生产的f d n a 高效减水剂 其为1 3 1 4 第2 章试验设计原则及原材料 设备与试验方法 萘磺酸钠甲醛缩合物 易溶于水 物理化学性能稳定 具有高分散性和低起泡 性的特点 对水泥适应性强 掺加减水剂可以提高水泥料浆的流动性 改善水 泥基复合材料的和易性及施工性能 2 氢氧化钠 分析纯 天津市大茂化学试剂厂生产 常温下为白色半透明 结晶状固体 具有很强的腐蚀性 吸水性和潮解性 易溶于水 其水溶液呈强 碱性 3 硅酸钠 天津市大茂化学试剂厂生产 无色固体 溶于水成粘稠溶液 是一种无机粘合剂 4 硫酸铜 天津市大茂化学试剂厂生产 为天蓝色或略带黄色粒状晶体 有毒 无臭 带有金属涩味 水溶液呈酸性 属保护性无机杀菌剂 对人畜比 较安全 5 苯甲酸钠 天津市大茂化学试剂厂生产 白色颗粒或结晶性粉末 无气 味 有甜涩味 在常温下难溶于水 但溶于热水 乙醇 氯仿和非挥发性油 具有吸湿性 6 钛酸酯偶联剂 南京道宁化工有限公司生产 其为黄色至琥珀色半透明 粘稠液体 与弱极性 极性材料兼容性好 具有阻燃性 可溶于异丙醇 苯 甲苯 等有机溶剂 7 三乙醇胺 天津市大茂化学试剂厂生产 其为一种稍带有氨味的无色至 浅黄色黏稠液体 易溶于水 乙醇对铜 铝及其合金有腐蚀性 几乎无毒 8 硅烷偶联剂 南京道宁化工有限公司生产 其为无色至淡黄色透明液体 可溶于水和有机溶剂 但丙酮 四氯化碳不适宜作稀释剂 2 3 主要试验设备与试验模具 2 3 1 主要试验设备 1 成型仪器 n j 1 6 0 型水泥净浆搅拌机 浙江辰鑫设备有限公司制造 z s 1 5 型水泥胶砂 振实台 无锡锡仪建材仪器厂制造 2 养护设备 s h b y 4 0 b 型数控水泥砼标准养护箱 浙江辰鑫设备有限公司制造 3 检测仪器设备 1 5 第2 章试验设计原则及原材料 设备与试验方法 n l d 3 型水泥胶砂流动度测定仪 天津市京润建筑仪器厂制造 i s o 水泥 标准维卡仪 上海东星建材试验设备有限公司制造 d k z 5 0 0 0 型电动抗折试验 机 无锡市鼎力建材设备厂制造 y a w 4 3 0 5 型微机控制全自动压力试验机 上 海新三思计量仪器制造有限公司制造 d r h i i 双平板导热系数测定仪 湘潭湘 仪仪器有限公司制造 h i t a c h is 3 0 0 0 n 扫描电子显微镜 日立先端科技股份 有限公司制造 2 3 2 试验模具规格及对应测试项目 本文需对稻草秸秆增强水泥基轻质保温复合材料的多项性能进行测试 对 于不同测试项目的测定需要使用相对应的不同试验模具 具体如表2 2 所