畢業(yè)論文---植物纖維水泥基復合材料性能的研究

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘要．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅰ</p><p>　　Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．Ⅱ

2、 </p><p>　　緒論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1</p><p>　　建筑材料與環(huán)境．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．1</p><p>

3、;　　無公害的建筑與環(huán)境協(xié)調材料——PRC復合材料．．．．．．．．．．．．．．．2</p><p>　　纖維增強材料．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3</p><p>　　復合材料—混凝土的終結者．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3</p><p>　　植物纖維—增強相．．．．．．．

4、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4</p><p>　　基體材料—水泥．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5</p><p>　　氯氧鎂水泥．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5</p><p>　　MgO—MgCl2—水體系．．．．．

5、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6</p><p>　　植物纖維和水泥的復合 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7</p><p>　　實驗部分．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9</p><p>　　原料及要求．．．．．．．．．．．．

6、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9</p><p>　　試驗過程及參數(shù)．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9</p><p>　　實驗所用器械．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9</p><p>　　結果與討論．．．．．．．

7、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10</p><p>　　材料力學性能測試．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10</p><p>　　秸稈摻量對復合材料的力學性能的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10</p><p>　　超細礦渣摻量對復合材料力學性能的影響．．．．

8、．．．．．．．．．．．．．11</p><p>　　脲醛樹脂摻量對復合材料力學性能的影響．．．．．．．．．．．．．．．．．13</p><p>　　吸水率測試．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14</p><p>　　3．2．1 秸稈、礦渣、樹脂摻量對復合材料吸水性能的影響．．．．．．．．．14</p

9、><p>　　抗水試驗．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．17</p><p>　　保溫性能．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．18</p><p>　　微觀分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

10、．．．20</p><p>　　結論．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21</p><p>　　參考文獻．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．22</p><p>　　致謝．．．．．．．．．．．．．．．．．．

11、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文探討的是利用農(nóng)作物剩余物如秸稈、稻草等為主要的原料，并以氯氧鎂水泥為膠凝材料復合而成的復合材料的保溫性能、力學性能以及物理性能，包括材料的導熱系數(shù)、28d抗壓強度、28d抗折強度、吸水率（24h）以及軟化系

12、數(shù)。由于秸稈等植物纖維在堿性環(huán)境中會有浸出物析出，對水泥的凝結有阻礙作用，所以要分別對增強相和基體相進行表面處理和改性。氯氧鎂水泥作為基體，同時作為凝結材料，雖然有很多優(yōu)點，但是它的致命弱點就是耐水性差，吸濕返鹵。采用脲醛樹脂既可以對秸稈進行處理，又可以對鎂水泥進行表面改性，同時采用多種改性劑對鎂水泥進行改性，改變鎂水泥的表面性質，降低吸濕性。試驗結果表明：由于秸稈的摻入，使材料的28d抗折強度達到9.30MPa ,折壓比達到0.45，

13、大大提高了復合材料的韌性，同時由于秸稈的摻入，使得材料的保溫性能大提高；摻加礦渣，提高了材料的軟化系數(shù)，軟化系數(shù)可達到0.96，從而大大提高了材料的耐水性，并且使材料密實，提高了強度，28d抗壓強度可達到23.5 MPa；摻加了樹脂，材料中的聚合物增多，材料的耐水性以及柔韌性都有不同程度的提高，軟化系數(shù)可達0.82以上，最高可達到0.93。</p><p>　　關鍵詞：植物纖維；玉米秸稈；氯氧鎂水泥；復合材料&l

14、t;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paper discusses the use of crop residues such as straw, rice straw as the main raw material，and magnesium cement as glue to make composite mater

15、ials from the composite materials in insulation properties, mechanical properties and the physical properties,include the thermal conductivity, compressive strength of 28 days, 28 days flexural strength, water absorption

16、 (24h) and the softening factor. As Straw and other plant fibers in alkaline environment will be leaching precipitation, the conden</p><p>　　Keywords: plant fiber；straw； magnesium cement；composite materials

17、.</p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1．1 建筑材料與環(huán)境</p><p>　　現(xiàn)代文明以經(jīng)濟騰飛和人類生活水平的不斷提高為主要標志。隨著世界經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展,人類生活質量的改善,人們在享受物質成果的同時,也常常為了資源的短缺,能源危機,環(huán)境惡化和自然界的生態(tài)平衡逐漸受到破壞所困惑,這些問題已成為阻礙世界

18、經(jīng)濟發(fā)展的主要因素。在人類持續(xù)發(fā)展的諸多因素中,材料與能源,材料與環(huán)境等因素顯得更多加突出。我國每年用于采暖和降溫的能耗約折合1.1億噸標準煤,加上建材工業(yè)的需要,每年總建筑能耗高達2.8億噸標準煤,大體上占目前全國能耗消費總量的23.1％。這對于能源本已緊張的我國,確是一個不可忽視的數(shù)字。除了要有規(guī)模地發(fā)展電力,煤炭,石油,水力,風力和原子能等工業(yè)來增加能源外,還應從各個領域降低能耗。</p><p>　　建筑

19、能耗主要包括居民日常生活能耗（采暖、降溫、照明等）和建筑物的建造能耗，其中材料又是耗能大戶，可供挖掘的潛力很大。我們國家正以空前的規(guī)模建造高耗能建筑。目前，我國正處在房屋建筑的高峰期，建筑規(guī)模之大，在中國和世界歷史上都是前所未有的。2003年城鄉(xiāng)建筑竣工面積已達20.3億平方米（其中城鎮(zhèn)12.7億平方米）這些建筑在幾十年至近百年的使用期間，在采暖、空調、通風、炊事、照明、熱水供應等方面要不斷消耗大量能源。建筑節(jié)能是事關可持續(xù)發(fā)展的重大間

20、題，如不引起重視，采用切實可行的措施，照目前的勢頭再延伸10年，全國每年將浪費好幾噸的資金來實施幾百億平方米建筑的節(jié)能改造。因此，大力發(fā)展新型建材無疑是一條節(jié)能途徑。新型建材是現(xiàn)代建筑工程重要的物質基礎，是多學科的相互滲透和復合的技術結晶。其范疇主要包括：新型墻體材料，新型防水材料，新型絕熱隔音材料和新型裝修材料四大類，新型材料一般具有輕質，性優(yōu)，節(jié)能節(jié)土節(jié)水，節(jié)約運輸力，施工簡單方便等特點。它的發(fā)展和應用對促進我國建材工業(yè)的產(chǎn)品結構調

21、整，實施“由大變強，靠新出強”的發(fā)展戰(zhàn)略，對促進建筑隊業(yè)和住宅業(yè)的現(xiàn)代化，減少資源消耗，保護生態(tài)環(huán)境，貫徹執(zhí)行和實施</p><p>　　走綠色化的道路是發(fā)展新型建材的趨勢之一。綠色建材是指具有環(huán)保、節(jié)能、健康、安全、可靠、可再生等屬性的建材，其核心內容是采用清潔的技術，從原料選用，產(chǎn)品制造，使用過程或者再循環(huán)以及廢棄物處理等環(huán)節(jié)中進行污染控制設計，選用無毒和低毒的原材料，生產(chǎn)過程中可能減少污染的產(chǎn)生，副產(chǎn)物料盡

22、可能的做到回收利用，產(chǎn)品在使用過程中不應對環(huán)境和人類健康產(chǎn)生污染和威脅。有人說綠色建材是21世紀建材發(fā)展的主流，在世界綠色潮流的推動下，世界各國有遠見的公司都紛紛舉起綠色的旗幟，在大力發(fā)展綠色建材，并試圖控制綠色高新技術和產(chǎn)品的制高點。</p><p>　　近年來我國研制并引進了許多新型建筑材料生產(chǎn)線，生產(chǎn)了各種類型的板材和墻體材料，這些材料在墻體改革中已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用，為我國墻體材料革新做出了貢獻。就所引進

23、和國內開發(fā)的新型材料來看，主要著眼于保溫、隔熱、輕質、高強等方面，客觀上也減少了對磚瓦等傳統(tǒng)材料的依賴，防止毀田，節(jié)約土地，節(jié)省了木材。減少了對森林的壓力，顯然這些都是對環(huán)境有利的，但是這些新材料雖是節(jié)能材料，但還不是環(huán)境協(xié)調材料[ 1 ]。</p><p>　　本文所討論的“植物纖維增強水泥基復合材料”（Plant Reinforce Cement. 簡稱PRC）就是利用有益于環(huán)境的木材或農(nóng)作物秸稈作為主要的

24、原材料，添加一定的外加劑而制成的復合材料，目前，不論是墻體還是屋面，其組成原料及在加工過程中和長期使用過程中都沒有對環(huán)境不利的物質和氣體產(chǎn)生，是一種優(yōu)良的環(huán)境材料，并且節(jié)能。作為一種優(yōu)質材料——植物纖維水泥基復合材料被認為是一種很有前途的無公害的節(jié)能材料。</p><p>　　1．2 無公害的建筑與環(huán)境協(xié)調材料——PCR復合材</p><p>　　忽視建筑物周圍環(huán)境和長期使用過程中緩慢發(fā)出

25、的氣體，顆粒和纖維對人們的傷害是災難性的，據(jù)專家估計，除少數(shù)長期在野外工作的人以外，多數(shù)人每天約有20小時是在有維護的建筑物中工作和生活的，傳統(tǒng)材料（磚和瓦）不會對人的健康產(chǎn)生危害，但其會毀掉大量的土地資源，根據(jù)建筑部，國家經(jīng)貿(mào)委，國家技術監(jiān)督局，國家建材局頒布的《關于住宅建設中淘汰落后產(chǎn)品的通知》建設部頒發(fā)的76號部長令《民用建筑節(jié)能管理規(guī)定》等文件中的規(guī)定，未來要加大“改善房屋建設功能提高住宅質量”的力度要逐步采用實心黏土磚，大力發(fā)

26、展新型建材，新型墻體材料[ 2 ]。目前，我國能滿足節(jié)能要求的新型墻體板材有GRC板材，舒樂舍板，彩鋼復合板，水泥木屑板，泰柏板，3D板氯氧鎂水泥輕質隔墻板，鋼絲網(wǎng)架水泥夾心板，F(xiàn)C輕質復合板和硅鈣板，但能滿足節(jié)能要求的只有純陶粒砌塊、聚苯乙烯EPS復合砌塊，EPS外保溫板，但是價格很昂貴，很難得到推廣，尤其是在農(nóng)村。因此，大力發(fā)展植物纖維增強水泥基復合材料是新型建筑材料的一個發(fā)展方向，從組成材料來看，增強材料是植物纖維，如農(nóng)作物加工剩

27、余物：玉米秸稈，麥秸稈，棉稈纖維，麻稈纖維等，都是一年生植物，過了生長期都是廢</p><p>　　另一方面，因為秸稈也具有多孔結構，如果用其作為增強材料加入基體中不僅可以發(fā)揮礦物纖維的作用，更重要的是它還可以提高復合材料的保溫性能，這樣用其與水泥復合而成的各種板材既能起到承重作用又能發(fā)揮其保溫的性能，并能廣范的推廣到村鎮(zhèn)住宅中使用。肖力光[ 3 ]等人對這種復合節(jié)能墻體材料的可行性也做了深層次的研究。</

28、p><p>　　1．3 纖維增強材料</p><p>　　1．3．1 復合材料—混凝土的終結者</p><p>　　纖維材料的品種很多，通常使用的有鋼纖維，玻璃纖維，石棉纖維，合成纖維，碳纖維等，其中大多都是高彈性模量的纖維，摻入混凝土中可使混凝土獲得較高的韌性，并提高抗拉強度，剛度和承擔動載的能力；而尼龍，聚乙烯，聚丙烯等低彈性模量的纖維摻入混凝土只能增加韌性，不能提

29、高強度，由于鋼纖維的彈性模量比混凝土高10倍以上，是最有效的增強材料之一，故目前應用最廣[ 4 ]。有人說復合材料有可能成為混凝土的終結者，比如說，2001年的9.11事件中被撞毀的五角大樓，很多部分是用碳纖維增強的復合材料，如果不是這樣，那么傷亡人數(shù)可能會更大。</p><p>　　以普通混凝土為基料，外摻各種纖維材料而組成的復合材料稱為纖維混凝土。通常用的纖維混凝土都是用上述纖維作為增強材料而制成的，而用植物

30、纖維作為增強材料所制成的復合建筑材料是近幾年發(fā)展起來的，如水泥木屑板（水泥刨花板），水泥非木材植物空心砌塊，植物纖維水泥空心輕質墻板，還有國外的植物纖維增強砂漿，植物纖維增強屋面瓦等。</p><p>　　目前，植物纖維增強復合材料在建筑上的應用正逐年增加，在發(fā)達國家每年應用在建筑上的復合材料就達幾百萬噸，之所以這樣說就是由于用這樣的植物纖維水泥復合材料質輕，可減輕建筑物的荷載，并且有很好的機械性能，很好的隔聲效

31、果發(fā)及很可觀的經(jīng)濟性能。</p><p>　　在發(fā)展中國家，那些缺乏住宅以及商業(yè)建筑的國家，工業(yè)和公共服務性建筑是相當多的，而且應用纖維增強復合材料可以幫助他們建造一些性能優(yōu)異的建筑。由于植物纖維樣強復合材料價格很低，所以用在發(fā)展中國家無疑是一種很好的替代品，而且只要在低堿的環(huán)境下就可以使危險系數(shù)消除[ 5 ]。</p><p>　　近年來隨著新型建材的開發(fā)與進步，以植物纖維作為增強材料的

32、復合材料得到了很大進展，麥秸桿就是利用農(nóng)作物為原料加工而成的具有廣闊的市場發(fā)展前景的材料。以前麥秸桿只是用作燃料，飼料，肥料等，許多地方不得不將大量的麥秸在田間地頭白白的燒掉，這不但是一種浪費，而且也嚴重的污染了環(huán)境。目前，國內有很多大型的麥秸板生產(chǎn)線，其中許多的生產(chǎn)線都是挪威一些公司的：在北美用農(nóng)作物剩余物制作板材已形成很強的勢頭，北達可塔州的Prime Board公司于1995年7月投產(chǎn)，每年生產(chǎn)53100立方米優(yōu)質麥秸板，另外根據(jù)

33、資料介紹北美有10多個麥秸板廠在建或已投產(chǎn)，年生產(chǎn)能力是6000—26500立方米，世界上還有很多這樣的生產(chǎn)線，目前我國麥秸板生產(chǎn)線有東北林業(yè)大學、南京林業(yè)大學、黑龍江林產(chǎn)工業(yè)研究所，中國林科院等在這方面都進行了一定的研究[ 6 ]。</p><p>　　1．3．2 植物纖維—增強相</p><p>　　植物纖維依其生活史的長短可以分為3類，即一年生植物，兩年生植物和多年生植物。一年生植物

34、是指在一年內完成其生活史的植物，常見的一年生植物纖維是莖稈類纖維，如稻草，麥秸，玉米稈，高梁稈，麻稈，向日葵稈，煙稈，黃豆稈等。作為增強相的一年生植物纖維是經(jīng)破碎后的自然狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)植物纖維本身的強度大都很低，其抗拉強度均為玻璃纖維、碳纖維拉伸強度的1/30—1/90；而且一年生植物纖維中含在大量對水泥基有緩凝或阻凝作用的抽出物，如1％的氫氧化鈉抽出物：果膠樹脂，油脂，酸性物質等，這些抽出物對界面結合極為不利。見表1[ 7 ]。<

35、;/p><p>　　表1 幾種一年生植物成分</p><p>　　不同植物纖維復合而成的水泥基復合材料，其力學性能主要是受到纖維性能的制約，不同纖維的化學成分和纖維形態(tài)有很大差別，造成其與水泥復合材料的力學性能的差異很大，有試驗[ 8 ]選取的四種植物纖維/水泥復合板作為研究對象，結果表明麻稈/水泥復合板較好，棉桿/水泥復合板最差，從植物纖維的化學組分考慮，四種植物中麻稈的抽出物是最低的，它

36、對界面結合的影響是最小的，因而制成的板材是最好的，從植物的幾何形態(tài)考慮，麻稈粉碎后呈自然狀態(tài)，玉米稈和麥秸稈在破碎后，其細料成窄而薄的纖維形態(tài)，長徑比大的纖維含量大，在加入一定的助劑時，與水泥基體混合均勻、充分，結合狀態(tài)好，強度高。棉稈碎料顆料粗大，呈棗核狀，長徑比平均水平較低，成型過程中與基體結合不充分，影響性能。</p><p>　　纖維含量對材料性能的影響。用植物纖維與水泥的重量比描述纖維含量，稱為植物纖維

37、/水泥比。試驗結果表明[ 8 ]，當植物纖維/水泥比達到一定的比例區(qū)間時（0.3—0.4）強度最大，當隨比值增大，膠凝材料相對的少，不能完全包裹住纖維，各種抽出物較多造成了植物纖維水泥復合板強度下降。</p><p>　　1．4 基體材料—水泥</p><p>　　1．4．1 氯氧鎂水泥</p><p>　　水泥在植物纖維水泥復合材料中既做基體又做膠粘劑，由于植物纖

38、維在低堿性的環(huán)境中才能發(fā)揮作用，不會有太多的抽出物析出影響界面結合，由于硅酸鹽水泥的堿性很高，所以不宜選用硅酸鹽水泥。供選用的水泥有硫鋁酸鹽水泥和氯氧鎂水泥等，但硫鋁酸鹽水泥價格較鎂水泥要高，所以本文采用了氯氧鎂水泥（PH9~10）來做基體材料還是比較經(jīng)濟的。</p><p>　　水泥作為一種傳統(tǒng)的建筑材料沿用至今，我們不能不承認它確實是一種優(yōu)質的建筑材料，但是無論是何種水泥都是典型的脆性材料。隨著新材料的摻入，

39、新工藝和新技術的應用，其脆性可以通過加筋或摻入有機材料加以克服，以前常用的石棉纖維與水泥結合效果較好，但因發(fā)現(xiàn)石棉對人體有害而逐漸禁止應用，目前，常用的纖維作為增強材料對水泥進行改性卻是一種協(xié)調環(huán)境的新型建材。</p><p>　　鎂質水泥膠凝材料是由磨細的苛性菱苦土（MgO）或苛性白云石（MgO或CaCO3）為主要成分的一種氣硬性膠凝材料，是瑞典學者索瑞爾于1867年發(fā)明的，故亦被稱為索瑞爾水泥，同波特蘭水泥（

40、硅酸鹽水泥，1824年）一樣被認為是一種很有前途的膠凝材料，它有很多的優(yōu)點，快硬，高強，輕質，粘結力強，成型加工方便不燃燒等優(yōu)點，例如，其一晝夜的抗拉強度不低于1.5Mpa，7天強度可達到28天的80%。在石灰或是其他水泥中若摻入有機材料，則由于它們的堿性較強會破壞有機材料，而鎂水泥的化學性質接近中性，其水化產(chǎn)物對有機材料無破壞作用，所以可以摻入鋸末，刨花等纖維制成復合材料，而且是綠色建材。但是由于它是氣硬性的，所以抗水性差（浸泡28天

41、軟化系數(shù)只有0.2左右），吸濕返鹵翹曲，變形等缺點又限制了它的使用范圍。如有報道[ 9 ] 說我國生產(chǎn)的鎂水泥制品在韓國開發(fā)應用前景考察突出的質量問題：以菱鎂防火板（厚度8mm，用做工業(yè)廠房的內墻裝修）為例：</p><p>　　產(chǎn)品吸濕返鹵。筆者在韓國釜山見到些中國進口的菱鎂防火板碼放在倉庫里周邊和上部,因吸濕返鹵，造成潮濕甚至滴水珠，有些在施工中剛上墻的菱鎂防火板經(jīng)過一晝夜的吸濕返鹵，不能進行涂料粉刷，將這些

42、劣質產(chǎn)品帶回國內檢測，有的單位面積吸濕率達到100mg/cm2，嚴重超標。</p><p>　　產(chǎn)品脆化。有的產(chǎn)品3mm厚的標準尺寸的板子完全不能打卷，一折就斷，用做墻裙的板子上面被捅了不少的窟窿，經(jīng)過檢測，脆化系數(shù)不足0.5，完全沒有使用價值。</p><p>　　產(chǎn)品變形。在干燥的環(huán)境中菱鎂板普通向光面鼓，據(jù)韓國朋友反映，這一弊病在春秋季節(jié)特別容易發(fā)生，這類板材經(jīng)過檢測翹曲變形超過1%

43、。</p><p>　　這些缺點在很大程度上限制了它的使用和大范圍推廣。</p><p>　　1．4．2 MgO-MgCl2-水體系</p><p>　　天然菱鎂礦或白云石經(jīng)過煅燒，粉磨后與調和劑MgCl2水溶液配制而成的氣硬性膠凝材料叫做氯氧鎂水泥，簡稱鎂水泥。鎂水泥的主要水化產(chǎn)物5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O(簡稱5.1.8相)和3M

44、g(OH)2·MgCl2·8H2O(簡稱3.1.8相),是由活性的MgO和MgCl2水溶液發(fā)生水化反應形成的。一般認為，MgO首先在MgCl2水溶液中溶解，形成Mg2+,OH-然后體系中Mg2+,Cl-,H2O反應生成5.1.8相和3.1.8相，化學反應方程式如下：</p><p>　　6Mg2+ + 2Cl- + 10OH- + 8H2O = 5Mg(OH)2·MgCl2·

45、;8H2O</p><p>　　4Mg2+ + 2Cl- + 6 OH- + 8H2O = 3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O （1）</p><p>　　Mg2+ + 2OH- = Mg(OH)2</p><p>　　但是，上述反應是可以直接進行的，體系中更合理的反應機制是來自MgCl2水溶液中的Mg2+發(fā)生反

46、應或（1）中所示的化學反應MgO晶體則直接通過下列反應方程形成5.1.8相和3.1.8相：</p><p>　　5MgO+ Mg2+ +2Cl- + 13H2O = 5 Mg(OH)2·MgCl2·8H2O</p><p>　　3 MgO+ Mg2+ + 2Cl- + 11 H2O = 3Mg(OH)2·MgCl2·8H2O</p>&

47、lt;p>　　MgO + H2O = Mg(OH)2</p><p>　　當反應MgO和MgCl2水溶液混合時，MgO顆粒立即被MgCl2水溶液包裹住,存在于水溶液中的Mg2+,Cl2-等首先在MgO晶體顆粒的活化點處進行化學反應,形成晶體結構(圖略)見[ 10 ]。因此MgO晶體的結構越不規(guī)則,晶體缺陷越多,也就是晶體結構中的活化點越多,化學反應越快。</p><p>　　鎂水泥硬

48、化體的初期物相有相5和相3,Mg(OH)2中未反應的MgO和MgCl2·xH2O在空氣中放置后會形成氯碳酸鎂鹽(2MgCO3·Mg(OH)2·MgCl2·6H2O)其與水作用可能浸出MgCl2并可以轉變?yōu)樗怄V礦(4 MgCO3·Mg(OH)2·4H2O)[ 11 ].</p><p>　　由上述分析可知,鎂水泥制品耐水性差和耐久性差的根本原因在于相5和

49、相3是親水的,不穩(wěn)定的,在水中的可溶性大,發(fā)生如下的水解反應[ 11 ].</p><p>　　[Mg3(OH)5(H2O)x]+·Cl-·(4-x)H2O + H2O≒3Mg(OH)2↓+ H+ + Cl-+ 4H2O</p><p>　　[Mg3(OH)3(H2O)x]+·Cl-·(4-x)H2O + H2O≒2Mg(OH)2↓+ H+ + Cl

50、-+ 4H2O</p><p>　　2HCl + Mg(OH)2 = MgCl2 + 2H2O</p><p>　　即在水中的5.1.8相和3.1.8相會轉變?yōu)镸g(OH)2,隨著在水中時間的延長,5.1.8相和3.1.8相是纖維狀的,Mg(OH)2相的晶體結構則是層狀堆積的松散結構,因此,晶體和晶體結構的轉變導致膠凝材料的致密度降低,為水分子的進入和物質的溶出提供了通道,從而耐水性差,因

51、此提高鎂水泥的耐久性主要是提高5.1.8和3.1.8相的穩(wěn)定性.</p><p>　　1.5 植物纖維和水泥的復合</p><p>　　復合材料是由有機高分子,無機非金屬等不同材料通過復合工藝組合而成的,因此,復合材料是多相的(有增強相和基體相).基體相是一種連續(xù)相材料,它把增強相固結在一起并起著傳遞應力的作用;增強相起著承受應力(結構復合材料)和顯示功能(功能復合材料)的作用,與一般材料

52、的簡單混合有本質的區(qū)別，合理的材料設計可以使復合材料既能保持組成材料的重要特色，又能通過復合效應使各組分的性能互補，獲取得原組分不具備的許多優(yōu)良性能。由不同的增紗體和不同的基體相既可以組成名目繁多的結構復合材料，并以所用的基體命名，如水泥基復合材料。</p><p>　　水泥的特點是必須在堿性介質中（PH≥12）才能凝固，水泥中加入糖類、甘油、羧基甲基纖維素、單寧和葡萄糖酸及鹽類等使水泥凝固延緩，如加入水泥重量的

53、1﹪糖，水泥幾乎完全停止凝固[ 12 ]。同時水泥拌水后由于水泥水化使水泥呈強大堿性，因此水泥中加入植物纖維和加入礦物纖維不同，植物纖維在堿性介質中浸泡，會有許多萃取物沉淀這些沉淀物中有許多對水泥有緩凝或陰凝作用，幾乎所有的農(nóng)作物纖維都對水泥有緩凝作用。如何解決植物 纖維和水泥的結合是值得關注的問題，也是能否利用農(nóng)作物秸稈的關鍵所在。那么如何解決這一問題呢？有試驗研究[ 7 ]：將棉稈纖維用脲醛樹脂處理，結果表明結合效果良好（用掃描電鏡

54、觀察，纖維與水泥結合緊密，凝膠嵌入到纖維的凹坑表面及微孔中，使纖維固定在基體中，從其彎曲破壞斷口可見纖維表面沾滿了基體材料且粘結牢固，研究認為，當纖維與基體材料復合時，界面上的有機成分現(xiàn)基體水化產(chǎn)物互相擴散，改善了此區(qū)域的孔結構狀況，形成堅實致密的界面結合層，致使試件破壞時裂逢不能在界面上發(fā)生，轉移到基體的內部，使撥出纖維上包裹著厚厚的一層基體材料。此種破壞形式顯然要消耗更多的能量，宏觀上表觀為彎曲破壞強度提高5</p>

55、<p>　　要解決植物纖維增強水泥基復合材料的性能除對植物纖維進行處理外，還要對基體材料進行改性。前面提到的鎂水泥是堿性的接近中性，恰好適合與植物纖維結合，在結合過程中不會使膠凝物質析出，影響界面結合。但是它唯一的不足就是耐水性差，所以需要對其進行改性，可以通過加入一些改性劑使氣硬性的膠凝材料變成耐用水的。鎂水泥的強度主要來自于5.1.8相，而水化產(chǎn)物中的5.1.8相或3.1.8相只是一種在一定條件下才能穩(wěn)定存在的，也就是說它

56、們是介穩(wěn)狀態(tài)的復鹽，只要對這種復鹽進行改性，使其變成穩(wěn)定狀態(tài)即可，綜合國內外的改性途徑如下：</p><p>　　在拌合過程中加入少量的有機物如三聚氰胺樹脂，脲醛樹脂，有機硅等，使相5周圍產(chǎn)生高聚物或疏水保護層，減少Cl-與水分子接觸，從而提高水化產(chǎn)物結構的相對穩(wěn)定性及耐水性</p><p>　　摻入適當?shù)奶砑觿?。研究表明，在鎂水泥中加入少量的磷酸或磷酸鹽，可以生成新的相在5.1.8相的周

57、圍形成穩(wěn)定化合物；加入硅藻土使結構的空隙降低，結構致密：加入活化的SiO2與鎂水泥的水化產(chǎn)物反應較快，生成具有水化MgSiO3和水化鋁酸鎂而使鎂水泥的結構穩(wěn)定性和耐水性在很大的提高。</p><p>　　不采用MgCl2作為調和劑，而改 用MgSO4·7H2O,鐵礬FeSO4等作為調和劑，實踐證明，改 用MgSO4·7H2O和FeSO4作為調和劑后可以降低吸濕性，提高耐水性，但其強度較用MgC

58、l2的要低。</p><p><b>　　第2章 實驗部分</b></p><p><b>　　2．1 原料及要求</b></p><p>　　鎂粉：物理性能如下：比重3.2g/cm2;細度為120目/平方厘米篩上篩余量 ≤1.5﹪；</p><p>　　化學成分如下：MgO 81.4

59、﹪；CaO 0.5﹪：燒失量 8﹪；</p><p>　　鹵塊（塊狀，片狀和粒狀）：鹵塊應易溶于水，不容物沉淀≤0.5﹪；MgCl2 含量≥46﹪；SO42-含量≤2﹪；NaCl≤2﹪；</p><p>　　植物纖維： 玉米秸稈破碎成1～15mm的自然狀態(tài)；</p><p>　　脲醛樹脂： 乳白色液體；</p><p>

60、　　有機硅（有機硅酸鈉）： 乳液狀；</p><p><b>　　外加劑： </b></p><p>　　磷酸： 產(chǎn)地：天津市津沽工商實業(yè)公司生產(chǎn) </p><p>　　化學成分：H3PO4≮85﹪；灼燒殘渣 0.2﹪；氯化物 0.0003﹪；硫酸鹽 0.003﹪；硝酸鹽 0.0005﹪；Mn 0.0002﹪；FeO 0.002﹪；重金屬

61、0.001﹪</p><p>　　七水合硫酸亞鐵：產(chǎn)地：天津石英鐘廠霸州市化工分廠生產(chǎn) </p><p>　　化學成分：含量≮99﹪；雜質含量（﹪）：水不溶物：0.005；磷酸鹽：0.0005；氯化物：0.001；氨水不沉淀物（以SO4鹽計）：0.05；Cu:0.002；As:0.0002；Zn:0.005；Pb:0.002；Mn:0.05</p><p&

62、gt;　　（7） 超細礦渣： 產(chǎn)地：通化陽光高效混凝土材料責任有限公司。細度為0.08毫米方孔篩上篩余量 ≤3.2％。 </p><p>　　2．2 試驗過程及參數(shù)</p><p>　　鹵水： 密度≮1.2 g/cm3,溶解48小時后使用；、</p><p>　　模具尺寸：4 cm×4 cm×16 cm ，自然界狀態(tài)下養(yǎng)護28天，溫度≥

63、15℃，養(yǎng)護到齡期后測試材料的力學性能（抗折和抗壓強度），后進行泡水試驗。 </p><p>　　2．3實驗所用器械 ：</p><p>　　KZJ—600型電動抗折試驗機，精度1﹪；</p><p>　　萬能壓力試驗機，精度0.2KN；</p><p>　　DRY—300型導熱系數(shù)測定儀</p><p>　　掃描電子

64、顯微鏡(KYKY-2800,北京中科儀器有限公司)</p><p>　　第3章 結果與討論</p><p>　　3．1 材料力學性能測試</p><p>　　3．1．1秸稈摻量對復合材料力學性能的影響。</p><p>　　表3—1是秸稈摻量對材料力學性能的影響。從圖3—1中可以看出隨著秸稈摻量的增加，復合材料的28d抗折強度在一定范圍內是

65、有所提高的，這是因為加入的秸稈（破碎成1～15mm）能與膠凝材料很好的粘結，對材料基體的韌性起到增強的作用；但隨著秸稈摻量的增加，體系內沒有足夠的膠凝材料來包裹它，這樣抽出物大量析出，影響了界面的結合強度，所以，當秸稈摻量過大時，抗折強度自然也就會降低；加入秸稈影響基體材料的密實，加之秸稈自身的強度較低，所以材料的28d抗壓強度就隨著秸稈摻量的增加而降低。但從總整體上看，隨著秸稈摻量的增加，復合材料的折壓比逐漸增大，柔韌性大大提高。&l

66、t;/p><p>　　表3—1 秸稈摻量對材料力學性能的影響</p><p>　　圖3—1 秸稈摻量與材料抗折強度的關系</p><p>　　圖3—2 秸稈摻量與材料抗壓強度的關系</p><p>　　圖3—3 秸稈摻量與折壓比的關系</p><p>　　3．1．2超細礦渣對復合材料力學性能的影響</p>&

67、lt;p>　　表3—2是保持秸稈的摻量10﹪，樹脂摻量2﹪不變，增加超細礦渣摻量的測試結果.。有實驗證明：加入的活性SiO2，在氯氧鎂漿體中能迅速地與MgO反應，較快地生面具有水硬性的MgSiO2而使鎂水泥的結構穩(wěn)定性和耐水性有很大的提高[10]。所以復合材料的28d抗壓和抗折強度都隨著礦渣摻量的增加而提高；另一方面，加入的超細礦渣能夠填充鎂水泥水化過程中形成的孔隙，增加了復合材料的密實度，從而提高了復合材料的強度。但當加入的礦渣

68、過多時，與氯氧鎂水泥漿中的MgO反應后剩余的礦渣不會再形成其它具有膠凝性的物質，這樣就使復合材料的強度有所降低。</p><p>　　表3—2 礦渣摻量對材料力學性能的影響</p><p>　　圖3—4 礦渣摻量與材料抗折強度的關系</p><p>　　圖3—5 礦渣摻量與材料抗壓強度的關系</p><p>　　圖3—6 礦渣摻量與材料折壓比

69、的關系</p><p>　　3．1．3 脲醛樹脂對復合材料力學性能的影響 </p><p>　　表3—4是保持秸稈10﹪和礦渣10﹪用量不變，增加樹脂用量的測試結果。由于脲醛樹脂與秸稈的粘結強度較高，且與鎂水泥的介面結合較致密，所以加入樹脂可以提高復合材料的強度是顯然的；但是加入過多的膠又會降低其強度，可能的原因是由于膠過多無法粘結，使界面結合受到了影響。</p><

70、;p>　　表3—4 樹脂摻量對材料性能的影響</p><p>　　圖3—7 樹脂摻量與材料抗折強度的關系</p><p>　　圖3—8 樹脂摻量與材料抗壓強度的關系</p><p>　　圖3—9 樹脂摻量與折壓比的關系</p><p><b>　　3．2吸水率</b></p><p>　　3

71、．2．1 秸稈、礦渣、樹脂對復合材料吸水性能的影響</p><p>　　測試吸水性能是用材料的吸水率來表示的，是按照以下公式計算的：精確到0.01。</p><p>　　Wm=(Mb-Mg)/Mg</p><p>　　Mg—是烘干24小時后的干質量（g）；</p><p>　　Mb—是24小時吸水飽和后的質量（g）；</p>&

72、lt;p><b>　　Wm—吸水率（﹪）</b></p><p>　　表3—5 秸稈摻量對材料吸水率的影響</p><p>　　圖3—10 秸稈摻量與吸水性的關系</p><p>　　表3—6 礦渣摻量對材料吸水性能的影響</p><p>　　圖3—11 礦渣摻量與吸水性的關系</p><p&g

73、t;　　表3—7 樹脂摻量對復合材料吸水性能的影響</p><p>　　圖3—12 樹脂摻量與吸水性的關系</p><p><b>　　3．3 抗水試驗</b></p><p>　　抗水性用軟化系數(shù)來衡量，以28天齡期試件在水中浸泡21天齡期試件的濕強度與28天齡期試件的干強度的比值并按照下式計算：精確到0.01 </p>&l

74、t;p><b>　　K=fb/fg</b></p><p>　　fb—浸水21天齡期試件濕度MPa</p><p>　　fg—自然養(yǎng)護28天齡期試件干強度MPa</p><p><b>　　K—軟化系數(shù)</b></p><p>　　表3—8 礦渣摻量對復合材料抗水性能的影響</p>

75、;<p>　　圖3—13是礦渣摻量對材料吸水率的影響。從表3—8中可以看出，礦渣摻量增加，軟化系數(shù)提高。實驗證明[ 13 ]：富含活性的SiO2和Al2O3類物質（如工業(yè)粉煤灰、礦渣等）有潛在的堿激發(fā)活性，可以提高抗水性[11]。這是由于作為無機外加劑的礦渣中含有活性的SiO2和Al2O3可以和鎂水泥中水化產(chǎn)物反應生成結構穩(wěn)定的水化硅酸鎂、水化鋁酸鎂，填充在結構中，使得材料的密實度提高，強度提高，結構穩(wěn)定，抗水性能提高。&

76、lt;/p><p>　　圖3—13 礦渣摻量與抗水性的關系</p><p>　　表3—9 樹脂摻量對復合材料抗水性能的影響</p><p>　　圖3—14是樹脂摻量對材料吸水率的影響。從上表中可以看出，材料中摻加樹脂，使得材料的抗水性能提高。實驗證明；水溶性或水乳性型的高分子聚合物對氯氧鎂水泥的水化無不良影響，在菱鎂膠凝材料中自身氣硬交聯(lián)，包裹在晶體外壁形成良好的防水保

77、護層，同時還能堵塞材料內部的毛細通道，提高氯氧鎂制品的防潮性[ 13 ]。另一方面，由于摻加大量的樹脂，材料中存在大量的有機聚合物憎水性物質包裹著秸稈，使秸稈不能與水接觸，材料密實度提高，軟化系數(shù)提高。從而提高材料的抗水性能。</p><p>　　圖3—14 樹脂摻量與抗水性的關系</p><p><b>　　保溫性能</b></p><p>

78、　　材料保溫性能用導熱系數(shù)來衡量，通過導熱系數(shù)測定儀直接測得材料的導熱系數(shù)。精確到0.001。</p><p>　　從表3—10中可以看到，隨著秸稈摻量的增加，復合材料的導熱系數(shù)不斷降低，即材料的保溫性能隨秸稈摻量的增加而提高。從秸稈的微觀結構中可以看到，秸稈為多孔結構，當其被鎂水泥的水化產(chǎn)物包裹后，這些孔隙就被封閉起來，這樣的結構無異于其它保溫材料的微觀結構，所以，加入秸稈同樣可以起到保溫的作用。</p&

79、gt;<p>　　表3—10 秸稈摻量對復合材料保溫性能的影響</p><p>　　圖3—15 秸稈摻量與材料保溫性能的關系</p><p><b>　　微觀分析</b></p><p>　　圖3—16氯氧鎂水泥水化產(chǎn)物微觀結構</p><p>　　吳鑫焱[ 12 ]等人指出相3和相5皆為晶體結構，在顯微鏡

80、下一般呈針桿狀，受生長空間不同和外來因素的影響，有時也量顆粒狀、纖維狀集合體，它們相互交叉搭接成毛氈網(wǎng)狀結構，產(chǎn)生較高的機械強度。隨著水泥體的硬化，鎂水泥石網(wǎng)架狀結構中的孔隙不斷被反應產(chǎn)生真充密實，其強度不斷增加。但是由于相3和相5在結構上屬亞穩(wěn)態(tài)，在網(wǎng)狀結構中存在著大量熱力學不穩(wěn)定的接觸點當暴露天潮濕的空氣中時，容易受水的作用而水解，失去強度且出現(xiàn)吸濕返鹵現(xiàn)象。</p><p>　　圖3—16為本實驗改性后鎂水

81、泥在掃描電鏡下的微觀結構，從圖中可以看出，經(jīng)過改性劑改性的鎂水泥不再是明顯的針狀結構，而是彼此交聯(lián)、結構密實的一個整體。這樣的結構顯然強度會更高，而且結構會更加穩(wěn)定。</p><p>　　圖3—17稈纖維與聚酯纖維在基體材料中的形態(tài)</p><p>　　圖3—18秸稈纖維與鎂水泥界面結合情況</p><p>　　從圖3—17中可以看出，在放大130倍的掃描電鏡下，秸

82、稈纖維的表面粗糙，甚至是多孔結構，在其表面上可以清楚的看到粘結在上面的水化產(chǎn)物；而放大730倍的聚酯纖維表面的粗糙程度較秸稈纖維差，且表面粘結的水化產(chǎn)物較少。這說明秸稈與基體的結合能力較聚酯纖維強。</p><p>　　從圖3—18中看出，秸稈與水泥基體之間結合緊密，幾乎難以分辨出它們之間的界面。植物纖維的主要成分纖維素中含有大量的羥基，這也說明植物纖維是具有親水性的，這樣在鎂水泥水化的過程中加入的秸稈就能很好的

83、和鎂水泥結合形成如圖所示的結合致密的界面。</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　通過試驗，得出以下結論：</p><p>　　1．水泥中加入一定比例的植物秸稈纖維可以提高復合材料的抗折強度，當秸稈的摻量為水泥質量10%的時候，抗折強度可以達到9.30MPa，是不摻秸稈的試件強度的1.1倍，并且質量減輕，但是抗壓

84、強度卻有不同程度的下降；不過折壓比是明顯提高的，最高的可達到0.45，是空白樣的2.5倍以上；從增強作用的本質來說，提高了材料的韌性和抗裂性；從利用資源和節(jié)能方面來說，加入秸稈既可以消化掉垃圾資源生產(chǎn)輕質高強的建筑節(jié)能材料，又緩解了環(huán)境污染帶來的壓力。</p><p>　　2．水泥中加入20%的秸稈后，材料的導熱系數(shù)可達0.111w/m·k，比空白樣要低2.6以上。本實驗選用七組不同秸稈摻量來測復合材料

85、的導熱系數(shù)，結果表明秸稈的摻入是可以提高復合材料的保溫性能的，且在一定范圍內其摻量越大，保溫性能就越好。原因在于多孔的秸稈被水泥的水化產(chǎn)物包裹后形成了封閉孔結構，這樣材料的加入明顯可以提高復合材料的保溫性能，從一定程度上真正做到既能承重又能保溫。</p><p>　　3．復合材料中加入超細礦渣，降低了水泥水化產(chǎn)物在水中的溶解度，其中的活性成分SiO2可以與水泥水化產(chǎn)物生成穩(wěn)定化合物，這些化合物彼此交聯(lián)形成穩(wěn)定的框

86、架結構，使得材料的密實度提高，從而有效的提高了材料的力學性能和耐水性能，材料的28d齡期試件的抗壓強度可以達到23.5MPa，是空白樣強度的1.2倍，折壓比可以達到0.49，是空白樣要1.4倍，軟化系數(shù)可以達到0.96，是空白樣的2.2倍以上。</p><p>　　4．復合材料中加入脲醛樹脂，對植物秸稈改性，減少了秸稈中的抽出物的析出，提高了鎂水泥與秸稈的界面結合強度 ，材料的28d齡期抗壓強度可以達到24.02

87、，是空白樣強度的1倍以上，但是樹脂的量過多，同樣可以影響到強度 ，使得強度下降；不過復合材料的軟化系數(shù)是隨著樹脂摻量的增加而提高的，加入樹脂材料的軟化系數(shù)可以達到0.82以上，最高可達0.93，是空白樣的1.3倍，基本達到耐水材料的指標，從樹脂改性的本質來說，提高耐水性的目的已經(jīng)達到了。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 鄒惟

88、前·植物纖維水泥復合板的性能及應用[J]·墻材革新與建筑節(jié)能，1996，（1）：32～34</p><p>　　[2] 劉學艷，劉彥龍，唐朝發(fā)，杜洪雙，王舉偉，李杉·水泥非木材植物纖維空心砌塊[J]·東北林業(yè)大學學報，2002，30（2）：86～87</p><p>　　[3] 肖力光，趙露，陳景義·利用秸稈制造新型復合節(jié)能墻體材料的可

89、生性研究·吉林建筑工程學院學報，2004，21（2）：1～7</p><p>　　[4] 王培銘主編《無機非金屬材料學》[M]·上海：同濟大學出版社，1999</p><p>　　[5] Holmer Savastano Jr，Vahan Agopyan，Adriana M Nolasco，Lia Pimentel·Plant fiber reinforc

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91、合材料性能的研究·吉林建筑工程學院學報，2005，22（1）：1～6</p><p>　　[8] 何玉梅，許陸文·植物纖維/水泥復合材料力學性能研究[J] ·玻璃鋼復合材料，2000，（4）：16～17</p><p>　　[9] 朱玉杰·菱鎂制品在朝國和蒙古國應用與開發(fā)考察前景[J]·山東建材，2005，（2）：47～49</p

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93、的研發(fā)進展·中國非金屬礦工業(yè)導刊，2006（1）：15～18</p><p>　　[13] 何玉梅，許陸文·植物纖維水泥復合材料復合機理[J]·南京航空航天工業(yè)大學學報，1996，28（2）：168～172</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　時光荏苒，轉眼間四年的大學生活行將結

94、束，而我也將以這篇付諸我全部心血的畢業(yè)論文為我的大學生活劃上一個完美的句號。</p><p>　　本文是在指導老師xx教授的悉心指導下完成的。在整個論文的選題、方案的確定、試驗以及論文的撰稿、定稿過程中，xx老師都傾注了大量的心血。在論文的完成過程中，xx老師那嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、淵博的學術知識以及忘我的工作精神都讓我受益非淺，在此表示由衷的感謝。</p><p>　　四年來要感謝的人很多，但

95、在這里要著重感謝所有專業(yè)課老師四年來對我的諄諄教誨，真正的讓我體驗到了學習材料的樂趣。</p><p>　　此外還要感謝材料實驗的xx老師等各位老師以及xx等同學在實驗期間對我不遺余力的幫助，在此一并向他們表達我最誠摯的感謝。</p><p>　　值此論文完成之際，我非常感謝所有關心、幫助我的老師、同學和朋友，他們的支持和理解是我現(xiàn)在以及將來成功的基石。在這里我真誠的向你們說一聲，你們辛苦