不同表面处理麦秸秆对水泥基材料力学性能的影响

王继博，刘玮雯，罗作球，孟刚，任慧超，冯涛涛

（1. 中建西部建设北方有限公司，陕西 西安 710086；2. 武汉市洪山高级中学，湖北 武汉 430075）

不同表面处理麦秸秆对水泥基材料力学性能的影响

王继博1，刘玮雯2，罗作球1，孟刚1，任慧超1，冯涛涛1

（1. 中建西部建设北方有限公司，陕西 西安 710086；2. 武汉市洪山高级中学，湖北 武汉 430075）

本文分别采用碱液蒸煮、硅烷偶联剂接枝、聚合物包裹三种方法对麦秸秆进行表面处理，并将其应用于水泥基材料中，探究在不同表面处理方式下麦秸秆对水泥基材料力学性能的影响。研究表明：采用碱液蒸煮法制备麦秸秆纤维时 NaOH 最佳浓度为 15%，蒸煮时间控制在 40min；硅烷偶联剂与聚乙烯醇浓度均为 1% 分别是接枝处理与包裹处理麦秸秆纤维的最佳浓度；经对比分析，在碱液蒸煮基础上，选用聚合物包裹处理麦秸秆纤维对其水泥基材料力学性能改善具有更好的效果。

麦秸秆纤维；碱液蒸煮；硅烷偶联剂；聚乙烯醇；水泥基材料

0 引言

作为一个农业大国，我国麦秸秆资源产量丰富，但目前针对麦秸秆采取的处理措施大多为就地堆放或焚烧，导致大量土地被占用，同时焚烧产生的 CO2和灰尘对生态环境造成严重破坏[1-2]。麦秸秆纤维因其结构致密，具有良好的韧性和抗拉强度，将其掺入水泥基材料中可控制内部裂纹生长，进而增强水泥基材料的抗裂与抗拉性能，这对麦秸秆资源的变废为宝、可持续利用具有重要意义[3-5]。

纤维素、半纤维素和木素是麦秸秆中的天然高分子物质，其中纤维素含量最高，但麦秸秆表面有一层蜡状物质限制了麦秸秆纤维的作用，为充分提取麦秸秆纤维，通常采取碱液蒸煮法对其进行表面处理[6-7]。在此基础上，分别采用硅烷偶联剂与聚乙烯醇对麦秸秆纤维进行表面改性，利用硅烷偶联剂“接枝”和聚合物“包裹”作用均可提高麦秸秆纤维与复合材料基体的结合强度，最终改善复合材料的力学性能[8-10]。在现有研究中，目前缺乏在不同表面处理方式下麦秸秆对水泥基材料力学性能影响的对比分析，导致麦秸秆的优化处理工艺尚未明确，制约了麦秸秆在水泥基材料中的应用。

本文采用碱液蒸煮法对麦秸秆进行纤维提取，分别对麦秸秆纤维进行硅烷偶联剂接枝和聚合物包裹处理，并将其应用于水泥基材料中，通过基础试验研究麦秸秆在不同表面处理方式下对水泥基材料力学性能的影响，为麦秸秆今后在水泥基材料中的优化应用工艺提供依据。

1 试验

1.1 原材料

水泥：P·O42.5R 水泥，陕西冀东水泥有限公司生产。

砂：标准砂，厦门艾思鸥标准砂有限公司生产。

水：采用普通自来水。

麦秸秆：陕西省户县生产，最大直径为 6.87mm。氢氧化钠（NaOH）：分析纯，天津市北联精细化学品开发有限公司生产。

硅烷偶联剂：KH550，东莞市康锦塑胶化工厂生产。

聚乙烯醇（PVA）：天津市光复精细化工研究所生产。

无水乙醇：分析纯，天津市天力化学试剂有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 碱液蒸煮提取纤维

取一定量麦秸秆分别浸泡入 5%、10% 和 15% 的NaOH 溶液中，蒸煮时间分别控制为 10min、20min、30min 与 40min，蒸煮温度为 100℃，经高速搅拌器混合搅拌 30min，将处理后的混合物在 80℃高温下烘干6h，最终制得麦秸秆纤维。

1.2.2 硅烷偶联剂接枝

对硅烷偶联剂进行无水乙醇稀释处理，按 0.5%、1.0%、1.5% 和 2.0% 掺量将硅烷偶联剂与经碱液蒸煮处理后的麦秸秆纤维用高速搅拌器混合搅拌 30min，取出混合物后在 80℃ 高温下烘干 6h。

1.2.3 聚合物包裹

将聚乙烯醇溶入 100℃ 水中，制得浓度分别为1%、2% 和 3% 的聚乙烯醇溶液，将经碱液蒸煮处理后的麦秸秆纤维分别加入不同浓度的聚乙烯醇溶液中，并用高速搅拌器混合搅拌 30min，取出混合物后在 80℃高温下烘干 6h。

1.2.4 水泥胶砂强度试验

按照 GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》将不同蒸煮时间、不同浓度 NaOH 蒸煮、不同浓度硅烷偶联剂接枝和不同浓度聚乙烯醇包裹改性的麦秸秆纤维固定掺量 0.1%（秸灰比）掺入水泥胶砂中，并设置不添加麦秸秆纤维的空白对照组 JZ，分别测定其抗折强度与抗压强度，其配合比如表 1 所示。

表 1 水泥胶砂试验配合比参数

2 结果与分析

2.1 碱液蒸煮时间对水泥基材料力学性能影响

采用碱液蒸煮法处理麦秸秆，固定 NaOH 溶液浓度为 5%，将处理后得到的麦秸秆纤维掺入水泥基材料中，碱液蒸煮时间对水泥基材料力学性能的影响如表 2所示。

表 2 碱液蒸煮时间对水泥基材料力学性能影响

由图 1 可以看出，随着碱液蒸煮时间的增加，水泥基材料抗折强度出现上升趋势。这是因为延长蒸煮时间，有利于麦秸秆中非纤维素在碱液中的有效分解，使得纯度较高麦秸秆纤维在水泥基材料中能充分发挥增韧作用。另一方面蒸煮时间对水泥基材料 28d 抗压强度影响幅度不大，综合考虑最终选择 40min 为适宜的碱液蒸煮时间。

图 1 碱液蒸煮时间对水泥基材料力学性能影响

2.2 NaOH 浓度对水泥基材料力学性能影响

碱液蒸煮麦秸秆时间固定为 40min，研究 NaOH 浓度对水泥基材料力学性能的影响，试验结果如表 3 所示。

表 3 NaOH 浓度对水泥基材料力学性能影响

由图 2 可知，水泥基材料抗折强度随 NaOH 浓度的增加呈现出先增加后下降的趋势，其抗压强度值整体上均略高于基准组。这是由于较高浓度的 NaOH 溶液能较为有效的将麦秸秆表面蜡状物质溶出，并进一步高效分解麦秸秆中含有的半纤维素组分，从而制得纯度更高的麦秸秆纤维，有利于纤维增强作用的充分发挥，最终改善其水泥基材料的力学性能。但当 NaOH 浓度高于15% 时，碱液蒸煮对麦秸秆的表面处理作用达到一定程度的饱和，导致其水泥基材料的力学性能略微下降，综上所述碱液 NaOH 的最佳浓度选定为 15%。

图 2 NaOH 浓度对水泥基材料力学性能影响

2.3 硅烷偶联剂浓度对水泥基材料力学性能影响

选取 NaOH 浓度为 15%，蒸煮时间为 40min 对麦秸秆进行碱液蒸煮制得麦秸秆纤维，对麦秸秆纤维进行硅烷偶联剂接枝处理，研究不同硅烷偶联剂浓度对水泥基材料力学性能的影响，结果如表 4 所示。

表 4 硅烷偶联剂浓度对水泥基材料力学性能影响

如图 3 所示，随着硅烷偶联剂浓度的增加，其水泥基材料 7d 与 28d 抗折强度均先增大后减小，而 7d 与28d 抗压强度对比空白试验组浮动不明显。浓度在 1%之前，其水泥基材料力学性能随浓度的升高而增强，这是因为硅烷偶联剂极性基团（X）水解形成硅醇与麦秸秆纤维表面主要的化学基团发生反应形成 A-O-Si 键（A为麦秸秆纤维基体）或氢键，而非水解基团与水泥基材料基体相结合，在复合界面之间形成 A-O-Si-RY（R 为水泥基材料基体，Y 为非水解基团）作用键，此时硅烷偶联剂接枝在麦秸秆纤维表面，随着浓度的上升，麦秸秆纤维表面的粗糙度增加，与水泥基材料之间的粘结强度增强，并在结合处会形成传输应力界面层，最终提高了水泥基材料的力学强度。但当浓度超过 1% 时，硅烷偶联剂对麦秸秆纤维的表面增强作用减弱，此时水泥基材料的力学性能出现小幅度下降，这表明硅烷偶联剂的接枝作用在浓度为 1% 时达到最大临界值，此时对麦秸秆纤维的表面增强作用效果最佳。

硅烷偶联剂接枝改性麦秸秆纤维反应分为水解和聚合两个过程，反应机理分别如图 4 所示。

2.4 聚乙烯醇浓度对水泥基材料力学性能影响

采用碱液蒸煮法制备麦秸秆纤维，NaOH 浓度选取为 15%，蒸煮时间控制为 40min，选取聚乙烯醇溶液对麦秸秆纤维进行聚合物包裹处理，将其应用于水泥基材料中，聚乙烯醇浓度对水泥基材料力学性能影响结果如表 5 所示。

图 3 硅烷偶联剂浓度对水泥基材料力学性能影响

图 4 硅烷偶联剂接枝改性麦秸秆纤维反应机理方程式

表 5 聚乙烯醇浓度对水泥基材料力学性能影响

由图 5 可知，经包裹处理的麦秸秆纤维水泥基材料，其抗折强度值随聚乙烯醇浓度的增加呈现出下降趋势，抗压强度值则出现小范围浮动，但整体上其抗折强度与 28d 抗压强度均高于空白对照组。这是因为经溶解后聚乙烯醇中的羟基与麦秸秆纤维表面的极性基团产生吸附力从而包裹在纤维表面，表面处的聚乙烯醇渗透到水泥基材料基体中，随水分蒸发将纤维与水泥基材料交织在一起，进一步增强麦秸秆纤维与水泥基材料的界面粘合力，最终提升水泥基材料的力学性能，特别是改善其抗折强度，该作用机理模型如图 6 所示。但经过高浓度下聚乙烯醇的包裹处理后，麦秸秆纤维会发生相互粘黏，导致其在制备水泥基材料过程中不能均匀分散与受力，导致水泥基材料的力学性能随聚乙烯醇浓度的升高而发展受限，故聚乙烯醇浓度为 1% 时对麦秸秆纤维的包裹作用最好，此时其水泥基材料的力学性能显著。

图 5 聚乙烯醇浓度对水泥基材料力学性能影响

图 6 麦秸秆纤维与水泥基材料基体界面处聚乙烯醇的作用模型

2.5 不同处理方式的对比分析

相比于不添加麦秸秆的空白对照组，将经过碱液蒸煮处理得到的麦秸秆纤维加入水泥基材料中，可在一定程度上提高水泥基材料力学性能，NaOH 浓度 15%、蒸煮时间 40min 是碱液蒸煮的最佳处理方式，此时水泥基材料 28d 抗折强度为 9MPa，抗压强度为 51.8MPa。

在制得麦秸秆纤维基础上，采用浓度为 1% 的硅烷偶联剂对麦秸秆纤维进行接枝处理时效果最好，可将水泥基材料 28d 抗折强度提高至 9.9MPa，此时抗压强度为 50.8MPa。选取浓度为 1% 的聚乙烯醇溶液对麦秸秆纤维包裹处理作用最佳，可将水泥基材料 28d 抗折强度与抗压强度分别提升至 10.3MPa 和 52.6 MPa。

综合水泥基材料整体力学性能对比分析，在碱液蒸煮基础上，分别在最佳工艺下采用聚合物包裹处理麦秸秆纤维相比于硅烷偶联剂接枝和单纯的碱液蒸煮处理具有更好的改性效果。

3 结论

（1）采用碱液蒸煮法制备麦秸秆纤维时 NaOH 最佳浓度为 15%、最佳蒸煮时间为 40min，对比空白对照组，该工艺条件下可将水泥基材料 28d 抗折强度提高至9MPa，抗压强度提高至 51.8MPa。

（2）硅烷偶联剂接枝处理麦秸秆纤维的最佳工艺为将硅烷偶联剂浓度控制在 1%，可将水泥基材料 28d抗折强度提高至 9.9MPa，此时抗压强度为 50.8MPa。

（3）聚合物包裹麦秸秆纤维的最佳处理方式是控制聚乙烯醇浓度在 1%，该工艺可分别将水泥基材料28d 抗折强度与抗压强度提高至 10.3MPa 和 52.6MPa。

（4）在碱液蒸煮处理基础上，采取最佳工艺下聚合物包裹处理麦秸秆纤维相比于硅烷偶联剂接枝和单纯的碱液蒸煮对其水泥基材料力学性能具有更好的改性作用。

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Effects of wheat straw treated with different surface treatments on mechanical properties of cement-based materials

Wang Jibo1, Liu Weiwen2, Luo Zuoqiu1, Meng Gang1, Ren Huichao1, Feng Taotao1
(1. China West Construction North CO., Ltd., Xi'an 710086; 2. Wuhan Hongshan High School, Wuhan 430075)

Using alkali liquorcooking, silane coupling agentgrafting, polymer enwrapping three methods to treat wheat straw surface, and it is applied in cement-based materials, explore wheat straw in different surface treatment methods influences on the mechanical properties of cement-based materials. The study shows that the best NaOH concentration of alkali liquorcooks wheat straw fiber is 15%, the cooking time controlled in 40min; When silane coupling agent and polyvinyl alcohol concentration is 1% respectively, reach best concentration of grafting and enwrapping wheat straw fiber;by comparative analysis, the treatment of wheat straw fiber with polymer enwrapping on the basis of alkali liquor cooking has better effect on improving the mechanical properties of cement-based materials.

wheat straw fiber; liquorcooking; silane coupling agent; polyvinyl alcohol; cement-based materials

王继博（1991—），男，陕西宝鸡人，助理工程师，硕士，主要从事高性能水泥混凝土研究以及固废综合利用。

［通讯地址］陕西省西安市未央区六村堡物流中心一干路 3 号中建西部建设北方有限公司研发中心（710086）