一种新型水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料的制备方法

摘要

本发明公开了一种新型水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料的制备方法，其步骤为：将干燥的植物秸秆纤维切成小段，放入碱溶液中浸泡，晾干；将晾干的植物秸秆纤维从进料口吸入粉碎机，持续进料5～8min后停止进料，并继续粉碎5～10min，得到植物秸秆纤维微粒；采用方孔筛筛分植物秸秆纤维微粒，获得合适粒径的植物秸秆纤维微粒；取水泥、粉煤灰、细砂、植物秸秆纤维微粒、水，充分搅拌混合均匀，浇筑在模具中，凝结后脱模，并将脱模后的试件放入标准养护室养护，得到水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料。本发明制备的墙体材料表面光洁，无需进行二次处理，有效降低墙面处理的难度和工序，并且具有优良的保温隔热性能、较好的韧性和抗冲击能力、优良的隔声性能和效果。

说明书

技术领域

本发明属建筑材料技术领域，具体涉及一种新型水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料的制备方法。

背景技术

水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料是一种利用秸秆等植物纤维作为原材料，在水泥成型前的原材料中加进一定比例数量的秸秆等植物纤维微粒，形成植物纤维混水泥砌块和板材，这种材料以其更加轻质、更保温、节土、经济等诸多优点将得到更为广泛的应用。而且其生产过程节能、节地、有利于环境保护，符合绿色墙材的要求。

纤维加入混凝土中主要功能是抑制和稳定微裂缝的发展，这是缓和混凝土退化的努力方向。而纤维的彼此靠近，长径比大，表面积大，粘着强度和抗拉强度较大，对裂缝的影响较大，尤其是粘着强度和抗拉强度的平衡是关键。因为植物纤维最终是拔出而不是折断失去作用的，所以高的抗拔拉性能对混凝土的韧性和吸附能力有极大的影响。所以纤维的力学、物理学的平衡和耐久性决定了纤维在混凝土中的作用。实验分析表明，植物纤维在这方面比起钢纤维和合成纤维来效果更好。植物纤维在混凝土中的几何分布特点也优于其它纤维，由于每克的纤维数高于其它纤维几十倍，交叉密切，可将微裂缝限制在更小的范围内，控制其尖端位置的扩展，尤其是纤维素纤维直径细而表面亲水性强，这样就不会影响水泥颗粒的压实。因而微结构密度高，均匀性好。

具有隔音、隔热、质轻等优点的各类水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料也得到一定程度的应用和推广，但是也因为其承重能力不及粘土砖的效果，在承重墙上的应用上受到很大的局限。如何进一步提高替代墙体材料的物理力学性能就成为新型墙体材料的关键技术之一。在文献“秸秆纤维水泥基复 合材料性能的研究”(吉林建筑工程学院学报，2005年3月，第22卷第1期)中，采用的方法是：将玉米秸秆粉碎成1mm～15mm的纤维碎料，去土待用。将植物纤维与表面处理剂预混均匀，搅拌约2min，即，将表面处理剂在喷雾状态下与植物纤维混合搅拌均匀，干燥至含水率10％左右，然后加入上述预混好的其它材料,继续搅拌4min～6min，使其均匀。在此搅拌过程中，不允许有纤维结团现象，否则物料分布不均，产生应力集中。进行秸秆、粉煤灰、表面改性剂等掺量变化对复合材料性能影响的试验。进行正交设计，找出最佳配合比，试件在标准条件下养护。秸秆的掺量分别为水泥含量的0％，5％，10％，15％，20％。结果表明随着秸秆掺量的增加，复合材料的强度逐步下降，折压比逐步增大，其28d的抗压强度低于26MPa。专利文献CN102976684B，“一种承重保温抗裂型棉花秸秆水泥基砌块”，该发明利用棉花秸秆制作成承重保温抗裂型棉花秸秆水泥基砌块，其中棉花秸秆破碎成长度为10mm至50mm的颗粒，并与水泥、砂、铝粉、减水剂和水混合制备砌块，拆模后的承重保温抗裂型棉花秸秆水泥基砌块在标准养护条件下养护28天后砌块抗压强度可达5.0MPa至8.0MPa。

上述文献中利用植物秸秆纤维制备了墙体砌块，但是其抗压强度较低，不能达到承重墙应用的要求。本发明利用秸秆等植物纤维作为原材料，将其粉碎为粒度在20-80目之间，在水泥成型前的原材料中加进一定比例数量的秸秆植物纤维微粒，形成植物纤维混水泥砌块和板材，使其的物理力学性能更为优越。

发明内容

作为各种广泛且细致的研究和实验的结果，本发明的发明人已经发现，在水泥成型前的原材料中加进一定比例数量的20-80目的秸秆植物纤维微粒，有助于提高墙体材料的抗压强度。基于这种发现，完成了本发明。

本发明的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是通过控制粉碎机各个部件的运行频率的方法，得到粒度在20-80目的秸秆植物纤维微粒，并在水泥成型前的原材料中加进一 定比例数量的20-80目的秸秆植物纤维微粒，同时辅以合适的养护条件，以便使墙体获得更好抗压强度。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种新型水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、将干燥的植物秸秆纤维切成3～5mm的小段，然后放入3～5％的碱溶液中浸泡5～10小时做表面改性处理，然后晾干；打开秸秆粉碎机的分级机、引风机和粉碎主机，将晾干的植物秸秆纤维从进料口吸入粉碎机，并控制粉碎主机频率为10～20Hz，引风机频率为20～40Hz，分级机频率为25～35Hz；持续进料5～8min后停止进料，并继续粉碎5～10min，得到植物秸秆纤维微粒；

步骤二、采用20～80目/mesh的方孔筛筛分步骤一得到的植物秸秆纤维微粒，获得粒径为20～80目的植物秸秆纤维微粒；

步骤三、按重量百分比，取普通硅酸盐水泥100份，粉煤灰40～50份、细砂10～30份、20～80目的植物秸秆纤维微粒5～15份、水30～40份，充分搅拌混合均匀，然后浇筑在模具中，在浇筑过程中，再注入1～3份水；浇筑完成后，凝结3-5天后脱模，并将脱模后的试件放入标准养护室，在温度20±2℃、相对湿度95％以上的条件下，养护31～40天，得到新型水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料。

优选的是，所述植物秸秆为小麦秸秆、高粱秸秆、棉花秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆中的一种。

优选的是，所述碱溶液为氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液和尿素溶液中的一种。

优选的是，所述普通硅酸盐水泥为32.5R级、42.5级、42.5R级普通硅酸盐水泥中的一种。

优选的是，所述粉煤灰为I级粉煤灰，细度为采用0.045mm的方孔筛筛余后≤12％，烧失量≤5％，二氧化硫≤3％。

优选的是，所述细砂的粒度为0.25～0.35mm。

在本发明中，植物纤维加入水泥中主要功能是抑制和稳定微裂缝的发展，这是缓和水泥退化的努力方向。而植物纤维的彼此靠近，长径比大，表面积大，粘着强度和抗拉强度较大，对裂缝的影响较大，尤其是粘着强度和抗拉 强度的平衡是关键。因为纤维最终是拔出而不是折断失去作用的，所以高的抗拔拉性能对混凝土的韧性和吸附能力有极大的影响。植物纤维在混凝土中的几何分布特点也优于其它纤维，由于每克的纤维数高于其它纤维几十倍，交叉密切，可将微裂缝限制在更小的范围内，控制其尖端位置的扩展，尤其是植物纤维直径细而表面亲水性强，这样就不会影响水泥颗粒的压实。因而微结构密度高，均匀性好。

本发明中采用20～80目的方孔筛，方孔筛目数与筛孔尺寸的对应关系为：20目：0.850mm，25目：0.710mm，30目：0.600mm，35目：0.500mm，40目：0.425mm，45目：0.355mm，50目：0.300mm，60目：0.250mm，70目：0.212mm，80目：0.180mm。

在本发明步骤三中，将混合好的物料在浇筑过程中，再注入1～3份水，这样做的目的是因为加入的干燥的纤维粉末具有亲水性，因此可根据不同条件再注入1～3份水，保证了浇筑过程中物料的用水量。

在本发明中硅酸盐水泥作为主要的胶凝组分，粉煤灰、细砂作为掺合料，与水泥一起组成复合胶凝体系。粉煤灰是指火力发电厂采用褐煤、次烟煤作为燃料而排放出的一种含CaO成分的粉煤灰，是一种既含有一定数量水硬性晶体矿物，又含有潜在活性物质，同时能提高砂浆的抗渗性的材料。

本发明至少包括以下有益效果：

(1)在标准砌块和板材的尺度下，密度达到1.6-2.0g/cm³。秸秆植物纤维微粒水泥材料抗压强度在不施加任何其他工艺条件的情况下达到30-50MPa，并且应变率有所提高，峰值变形量达到1.0-1.2mm，材料有较好的韧性和抗冲击能力。

(2)秸秆植物纤维微粒与水泥材料配合比的比例提高到5-15％，从而进一步提高保温隔热性能，导热系数：0.10-0.15W/m.K，实现秸秆植物纤维混凝土高热阻，低传热系数。

(3)提高秸秆纤维砌块的隔声性能，其隔声达到40-50dB进一步提高秸秆植物纤维材料的计权隔声量和频谱修正量，实现优良的隔声性能和效果。

(4)植物纤维微粒水泥材料中的植物纤维颗粒几何尺度20-80目，形成的材料整体表面光洁，无需进行二次处理，有效降低墙面处理的难度和工序， 大幅减少施工时间和工程造价。

(5)水泥秸秆植物纤维砌块用于房屋墙体,可保护耕地、森林等资源；能够减少环境污染(包括二次污染)；具有优良的节能隔热、阻燃、防蛀、防水、无毒无味、轻质高强和抗真菌侵蚀等优良性能，实现的节能50％以上的要求；与生产粘土砖比较有建厂投资省、占地少、能耗低，并可进行锯、钻、钉、铣、雕刻、开榫等机械加工，表面装饰性能良好。改善砖砌体导热系数，秸秆植物纤维颗粒墙体材料代替粘土砖热阻可增倍，是一种优良的保温节能材料。

(6)本发明的墙体材料可减轻建筑物自重约30％以上；可节约砌筑砂浆及抹面砂浆用量约70％以上。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明：

图1为本发明实施例4制备得到的新型水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料的剖面扫描电镜图；

图2为本发明实施例4制备得到的新型水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料的抗压强度测试结果图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

实施例1：

步骤一、将干燥的小麦秸秆纤维切成3～5mm的小段，然后放入3％的氢氧化钠溶液中浸泡5小时做表面改性处理，然后晾干；打开秸秆粉碎机的分级机、引风机和粉碎主机，将晾干的小麦秸秆纤维从进料口吸入粉碎机，并控制粉碎主机频率为10Hz，引风机频率为20Hz，分级机频率为25Hz；持续 进料5min后停止进料，并继续粉碎5min，得到小麦秸秆纤维微粒；

步骤二、采用20目/mesh的方孔筛筛分步骤一得到的小麦秸秆纤维微粒，获得粒径为20目的小麦秸秆纤维微粒；

步骤三、按重量百分比，取32.5R级普通硅酸盐水泥100份，粉煤灰40份、细砂10份、20目的小麦秸秆纤维微粒5份、水30份，充分搅拌混合均匀，然后浇筑在模具中，在浇筑过程中，再注入1份水；浇筑完成后，凝结3天后脱模，并将脱模后的试件放入标准养护室，在温度18℃、相对湿度95％以上的条件下，养护31天，得到新型水泥基小麦秸秆纤维微粒墙体材料。

实施例2：

步骤一、将干燥的小麦秸秆纤维切成3～5mm的小段，然后放入5％的氢氧化钠溶液中浸泡10小时做表面改性处理，然后晾干；打开秸秆粉碎机的分级机、引风机和粉碎主机，将晾干的小麦秸秆纤维从进料口吸入粉碎机，并控制粉碎主机频率为20Hz，引风机频率为40Hz，分级机频率为35Hz；持续进料8min后停止进料，并继续粉碎10min，得到小麦秸秆纤维微粒；

步骤二、采用80目/mesh的方孔筛筛分步骤一得到的小麦秸秆纤维微粒，获得粒径为80目的小麦秸秆纤维微粒；

步骤三、按重量百分比，取42.5级普通硅酸盐水泥100份，粉煤灰50份、细砂30份、80目的小麦秸秆纤维微粒15份、水40份，充分搅拌混合均匀，然后浇筑在模具中，在浇筑过程中，再注入3份水；浇筑完成后，凝结5天后脱模，并将脱模后的试件放入标准养护室，在温度22℃、相对湿度95％以上的条件下，养护40天，得到新型水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料。

实施例3：

步骤一、将干燥的玉米秸秆纤维切成3～5mm的小段，然后放入4％的氢氧化钾溶液中浸泡8小时做表面改性处理，然后晾干；打开秸秆粉碎机的分级机、引风机和粉碎主机，将晾干的玉米秸秆纤维从进料口吸入粉碎机，并控制粉碎主机频率为15Hz，引风机频率为25Hz，分级机频率为30Hz；持续进料8min后停止进料，并继续粉碎8min，得到玉米秸秆纤维微粒；

步骤二、采用60目/mesh的方孔筛筛分步骤一得到的玉米秸秆纤维微粒，获得粒径为60目的玉米秸秆纤维微粒；

步骤三、按重量百分比，取32.5R级普通硅酸盐水泥100份，粉煤灰48份、细砂25份、60目的玉米秸秆纤维微粒10份、水35份，充分搅拌混合均匀，然后浇筑在模具中，在浇筑过程中，再注入2份水；浇筑完成后，凝结5天后脱模，并将脱模后的试件放入标准养护室，在温度20℃、相对湿度95％以上的条件下，养护35天，得到新型水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料。

实施例4：

步骤一、将干燥的玉米秸秆纤维切成3～5mm的小段，然后放入5％的氢氧化钠溶液中浸泡10小时做表面改性处理，然后晾干；打开秸秆粉碎机的分级机、引风机和粉碎主机，将晾干的植物秸秆纤维从进料口吸入粉碎机，并控制粉碎主机频率为15Hz，引风机频率为30Hz，分级机频率为30Hz；持续进料5min后停止进料，并继续粉碎10min，得到玉米秸秆纤维微粒；

步骤二、采用70目/mesh的方孔筛筛分步骤一得到的植物秸秆纤维微粒，获得粒径为70目的植物秸秆纤维微粒；

步骤三、按重量百分比，取32.5R级普通硅酸盐水泥100份，粉煤灰45份、细砂28份、70目的玉米秸秆纤维微粒12份、水38份，充分搅拌混合均匀，然后浇筑在模具中，在浇筑过程中，再注入3份水；浇筑完成后，凝结5天后脱模，并将脱模后的试件放入标准养护室，在温度20℃、相对湿度95％以上的条件下，养护40天，得到新型水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料。图2为本实施例制备得到的新型水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料的剖面扫描电镜图，从图中可以看到，植物秸秆纤维能够与水泥、粉煤灰等很好的结合在一起，这样能够使形成的材料整体表面光洁，并且进一步提升了墙体材料的性能。

为了说明本发明的效果，发明人提供对比实验如下：

对比例1：

在步骤二中采用18目、16目、14目或12目的方孔筛筛分步骤一得到的植物秸秆纤维微粒，分别获得粒径为18目、16目、14目或12目的植物秸秆纤维微粒，并在步骤三中分别采用18目、16目、14目或12目的植物秸秆纤维微粒浇筑在模具中，其余参数与实例1中的完全相同，工艺过程也完全相同。

对实施例1和对比例1制备的水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料进行抗压强度测试，结果如表1所示。

表1

从表1可见，与实施例1相比，对比例1中采用的植物秸秆纤维微粒的目数均小于实施例1，即对比例1微粒的尺寸大于实施例1，得到的墙体材料的抗压强度均小于实施例1，并且随着目数的减小，抗压强度随着减小，说明在本发明所述的纤维颗粒的范围内，能够得到抗压强度较好的墙体材料。

对比例2：

在本发明步骤三中，取60目的玉米秸秆纤维微粒3份，其余参数与实例3中的完全相同，工艺过程也完全相同。

对比例3：

在本发明步骤三中，取60目的玉米秸秆纤维微粒18份，其余参数与实例3中的完全相同，工艺过程也完全相同。

对实施例3、对比例2、对比例3制备的水泥基植物秸秆纤维微粒墙体材料进行抗压强度和保温隔热性能测试，结果如表2所示。

表2

从表2可见，与实施例3相比，对比例2中采用的玉米秸秆纤维微粒为3份，小于本发明所述的范围5-15份，得到的墙体材料抗压强度较高，同时导热系数也较高，导致墙体材料的保温隔热性能差，对比例3中采用的玉米秸秆纤维微粒为18份，高于本发明所述的范围5-15份，得到的墙体材料的导热系数低，保温隔热性能较好，但是相应的抗压强度较低，不能满足本发 明的发明目的。

可见，本发明中采用的原料按所述比例，并且在墙体材料的制备工艺过程中，各个参数在所述的范围内，制备的墙体材料具有优异的性能。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的实例。