秸秆-硫氧镁水泥复合材料关键技术的研究

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秸秆的处理一直是农村工作的难点,鉴于我国森林资源贫乏的现状,用秸秆代替木材与胶凝材料复合以制备秸秆人造板已成为研究热点。传统的秸秆人造板采用酚醛树脂等有机粘结剂,板材的阻燃性能差,并且会带来甲醛污染。而硫氧镁水泥(MOS)具有低碱度和防火阻燃的特点,对秸秆的腐蚀性小,还能在一定程度上弥补秸秆易燃的缺陷,是潜在的制备秸秆人造板的优良粘结剂。本文以改性硫氧镁水泥为抓手,系统地研究了硫氧镁水泥性能的影响因素和微结构优化路径,并以结晶学原理为依据,提出其微结构形成机理;然后在此基础上研究了秸秆-硫氧镁水泥复合材料的制备和应用。(1)首先研究了原料摩尔比对硫氧镁水泥性能的影响:当n(H2O)/n(Mg SO4)为20时,硫氧镁水泥的综合力学性能最为优异;当n(Mg O)/n(Mg SO4)为8时,硫氧镁水泥的表观密度处于最小值1580kg/m3,流动度处于最大值218mm,虽然随着n(Mg O)/n(Mg SO4)的增大,力学性能逐渐上升,但流动度下降严重。研究的最终目标是复合材料的制备及应用,硫氧镁水泥的流动度优先级最高,因此将原料摩尔比n(Mg O):n(H2O):n(Mg SO4)定为8:1:20。(2)然后研究了矿物掺合料对硫氧镁水泥性能的影响:各掺量的矿粉和粉煤灰均会明显降低硫氧镁水泥的力学性能。当粉煤灰的掺量为20%时,硫氧镁水泥的28d抗折和抗压强度分别降低25.5%和28.7%。虽然当矿粉掺量为20%时,硫氧镁水泥的抗压强度软化系数小幅度提升了7.4%,但总体看来,矿粉和粉煤灰无法达到部分代替氧化镁的效果。(3)在确定原料摩尔比的基础上研究了四种有机酸改性剂对硫氧镁水泥性能的影响:在各掺量下,苹果酸改性的硫氧镁水泥凝结时间均是最长。除乳酸外,其它三种改性剂在各掺量下均能显著提升硫氧镁水泥的力学性能和耐水性。其中,掺量为0.5%的柠檬酸改性的硫氧镁水泥的28d抗折和抗压强度分别提升了129%和153%;而掺量为1.5%的酒石酸改性的硫氧镁水泥的抗压强度软化系数提升了36%。性能大幅提升的原因在于:改性后的硫氧镁水泥中的Mg(OH)2含量从一半下降至5%以下,生成的5·1·7相含量达到了65%以上,短簇状的5·1·7相晶体交联度高,结构致密。综合考虑对力学性能和耐水性的提升效果,选用酒石酸作为改性剂,掺量为1%。(4)在确定改性剂及掺量后,研究了秸秆粉掺量对秸秆-硫氧镁水泥复合材料的影响:当秸秆粉掺量为60%时,复合材料的表观密度最小,力学性能最优,28d抗折和抗压强度分别提升了287.8%和41.8%;而当秸秆粉掺量为10%时,复合材料的吸水率最低,抗压强度软化系数达到最高值0.81,此时复合材料的耐水性最好。考虑到相关国家标准对耐水性的高要求,将秸秆粉的掺量定为10%。(5)最后分别根据GB/T33544—2017《玻镁平板》和GB/T23451—2009《建筑用轻质隔墙条板》的要求制备了秸秆-硫氧镁水泥复合板试样和秸秆-硫氧镁水泥复合轻质隔墙条板试样,各项性能检测结果均能达到标准要求,证明了秸秆-硫氧镁水泥复合材料具备实际应用价值。
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