一种秸秆纤维素纤维/水泥基复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于纤维改性水泥基复合材料技术领域，涉及一种植物纤维素纤维/水泥 基复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 水泥基材料是目前世界上使用最多的建筑材料，它具有抗压强度高和抗弯强度低 的特点，为了改善水泥材料的抗弯强度，纤维成为现代水泥基材料必不可少的组分之一。目 前，钢纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维以及石棉纤维等作为增强材料的技术已应用得比较成 熟，然而钢筋的锈蚀仍然是影响混凝土结构耐久性的主要原因，钢纤维在裂缝处容易发生 锈蚀问题，已经成为一个棘手的老问题；聚丙烯类纤维的生产需要酚类化合物作为抗氧化 剂，胺类化合物作为抗紫外线的稳定剂，以及其它添加剂作为阻燃剂，生产工艺既不环保也 不经济；玻璃纤维具有良好的绝缘性能和防紫外线、防静电作用，但是玻璃棉尘会直接进入 肺管，引起呼吸道疾病；并且这些纤维的价格也相对昂贵，增加了混凝土的造价。植物纤维 与人工合成纤维相比，具有同样的强度，但是价格低廉，而且来源广泛、环境友好，且具有可 再生、可降解的特点；尤其是20世纪70年代开始，石棉致癌问题被提出以后，使得越来越多 的国家和地区对植物纤维增强水泥基材料的研宄产生了浓厚的兴趣。
[0003] 作为植物纤维的一种，农作物秸杆是自然界非常丰富的天然高分子材料，是一种 低成本、可再生、可降解的天然资源，农业生产每年都会产生数十亿吨的农作物秸杆，却长 期未得到重视和开发利用。在中国，目前大部分农作物秸杆被作为废物抛弃或低级燃料燃 烧，不仅浪费了宝贵的生物质资源，而且严重污染大气环境。因此，农作物秸杆的开发利用 是当务之急，而由农作物秸杆增强水泥基材料既为秸杆资源的开发利用提供了一种途径， 同时也符合建筑材料乃至经济、环境和社会可持续发展的战略选择。
[0004] 已有研宄技术表明，秸杆化学组成中的半纤维素严重阻碍水泥的水化进程，同时 水泥基体的高碱性环境也会破坏植物纤维各成分之间的健合能力从而降低纤维的强度；其 次秸杆表面存在的蜡状物质，不利于秸杆纤维与水泥的胶合；以上原因大大限制了农作物 秸杆在水泥基建筑材料中的应用。为了改善上述原因对农作物秸杆应用的限制，传统的方 法是将秸杆纤维在加入水泥基体前，采用适当的方式处理以增进其抗碱能力。如用NaOH 溶液对秸杆纤维进行处理，其目的是破坏秸杆表面的蜡质层，同时通过碱液浸泡使得纤维 中对水泥有缓凝或阻凝作用的大量萃取物沉淀析出，从而增强纤维与水泥基体的界面粘结 力，改善水泥基材料的力学性能（樊华，盛莉.秸杆纤维水泥基材料的性能试验研宄，安徽 农业大学学报2011 ;38:643-646.)。以上措施可以通过破坏纤维表面结构增加其与水泥基 体之间的粘结力，从而在一定程度上提高复合材料的抗弯性能，但是对于纤维自身强度的 改善没有太大的作用。与以上技术相比，秸杆纤维素纤维作为水泥基体的增强材料具有以 下优势。首先，从纤维自身的强度特性考虑，纤维素纤维与秸杆纤维原样相比具有更高的强 度和弹模。据文献报道（A.K.Bledzki，J.Gassan.Compositesreinforcedwithcellulose basedfibres.Prog.Polym.Sci. 1999 ;24:221-274)，某植物纤维原样的弹性模量为lOGPa， 而由此植物纤维提取的纤维素纤维其弹性模量可以达到40GPa以上。其次，就复合材料中 纤维与水泥的界面效应而言，单一结构的纤维素纤维与水泥有更好的界面结构可调性，从 而有利于提高组分之间的粘结力。第三，秸杆纤维素纤维的加入，可避免秸杆原组分中半纤 维素和木质素等成分在水泥基体中降解而导致的纤维结构破坏，影响材料强度。
[0005] 中国专利CN102230284A(ZL201110116073. 3)公开的用于农作物秸杆纤维素提 取的超声波辅助汽爆预处理工艺，和专利CN101798769A(ZL201010141040.X)报道的木质 素环保化萃取技术，提出了一套用于农作物秸杆纤维素提取的工艺技术，有效地去除了农 作物秸杆中的半纤维素和木质素等结构复杂、稳定性较差的成分，经此工艺技术获得的秸 杆纤维素具有远高于原秸杆纤维的强度和韧性。
【发明内容】
[0006] 鉴于现有技术中秸杆增强水泥基复合材料所存在的缺陷，本发明利用秸杆提取的 纤维素纤维作为水泥基材料的增强材料，提供一种由秸杆纤维素纤维增强水泥基复合材料 的配方、工艺和制备方法。旨在利用秸杆纤维素纤维增加水泥基材料的抗弯性能和韧性，并 针对植物纤维素纤维吸水性强的特点通过真空抽滤脱水以及加压等工艺生产一种低密度、 高韧性、高强的复合材料一秸杆纤维素纤维水泥基复合材料。
[0007] 本发明的目的是通过如下的手段实现的。
[0008] 本发明的内容是：秸杆纤维素纤维/水泥基复合材料，由秸杆纤维素纤维、胶凝材 料、掺合料和水混合组成。所述复合材料由以下重量比例的组分组成：2~20份的秸杆纤 维素纤维（优选8~16份）、60~98份的胶凝材料（优选69~87份）和0~20份的 掺合料（优选5~15份），水的重量与其它固体重量的比值为0. 16~0. 40 (优选0. 20~ 0. 38)〇
[0009] 本发明的内容中，所述秸杆纤维素纤维可以是水稻秸杆、小麦秸杆或者农作物秸 杆中的任意一种提取所得。
[0010] 本发明的内容中，所述秸杆纤维素纤维的主要组成和重量百分比例为甲种纤维素 含量> 85%，秸杆纤维素纤维的长度为0. 5~1. 5mm，聚合度> 400。
[0011] 本发明的内容中，所述胶凝材料可以是硅酸盐水泥或者普通硅酸盐水泥中的任意 一种。
[0012] 本发明的内容中，所述掺合料是偏高岭土或者硅灰中的一种或两种。
[0013] 本发明涉及的秸杆纤维素纤维/水泥基复合材料的制备方法是通过如下步骤实 现的。
[0014] 步骤一，粉碎后的秸杆纤维素纤维加水后在打浆机中搅拌2~6min;然后依次加 入胶凝材料和掺合料，搅拌2~5min(固含量在10~25% );
[0015] 步骤二，搅拌均匀的浆料快速倒入一定尺寸的模具并在0.05~0.09MPa的真空抽 滤压力下抽滤到样品表面固化；
[0016] 步骤三，将步骤三所得的样品在2. 5~3. 5MPa的压力下保压3~8min，得到制品；
[0017] 步骤四，制品在塑料袋中密封并在室温条件下放置1~2天后，进行标养，也可以 进行水养或蒸汽养护。
[0018] 在本发明中，植物纤维中的半纤维素、淀粉以及其他萃取物在水泥的碱性环境中 会对水泥产生强烈的阻凝作用。而对于一年生的秸杆纤维来说，其对于水泥的阻凝成分含 量比多年生植物高几倍到十几倍，大大限制了秸杆在水泥基材料中的应用。将秸杆中提取 出的纤维素纤维应用于水泥基复合材料，一是基于纤维本身强度提高以及其与水泥基体之 间粘结力改善的双重作用：当复合材料受到一定应力作用时，纤维素纤维脱除水泥的粘结， 同时从基体中拔出并互相发生摩擦，这种由脱粘而增大表面能所做的功、拔出功和摩擦功 都提高了破坏功，有助于改善复合材料的破坏行为，进而大幅提高复合材料的强度及韧性。 再者，纤维素作为水泥基体的增强剂，可以避免由于秸杆结构破坏而导致复合材料的强度 下降。同时，不同种类的秸杆纤维或同种纤维的不同部位加入水泥基体后，会导致复合材料 性能的波动，从而造成实际工业生产中工艺参数的不确定性。这是由于纤维中半纤维素和 木质素等组分所造成，以上组分随植物种类以及生长环境的不同有很大差异。而所有植物 纤维中纤维素的结构是相同的，因此纤维素纤维作为增强剂，对于复合材料性能和生产工