掺入改性甘蔗叶纤维制备泡沫混凝土材料初探——以改善泡沫剂性能为基础

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据统计,仅2015/2016榨季全国约有甘蔗叶1169.7万吨,但多数没有得到有效利用。本课题主要考虑到纤维物质有维系组织的作用,因此在泡沫剂中掺入廉价的经过改性的甘蔗叶纤维可提高泡沫剂的发泡性能,从而改善泡沫混凝土的料浆固化沉降率、抗压强度等性能。这会减少焚烧甘蔗叶等污染环境的情况,并拓展了其综合利用渠道。  植物中的木质素对水泥有阻凝作用,而且纤维大量吸水不利于泡沫剂的发泡。纤维经过碱处理可脱除大部分在纤维素之间的木质素,然而却减小了纤维的力学性能,且纤维吸水率大的问题没有得到解决,需对其进行改性处理。将经过最佳条件改性的甘蔗叶纤维掺入泡沫剂中制备“纤维-泡沫混凝土材料”,分析其对泡沫混凝土基本性能的影响。主要研究结果如下:  1.经过测定甘蔗叶(干料)的主要成分可以得到:甘蔗叶中的纤维素含量为47.31%,半纤维素含量为23.06%,木质素含量为17.16%,灰分含量为9.16%。这与前人的检测结果基本一致,接近50%的纤维素含量对本研究课题有较高的经济效益。  2.氢氧化钠和过氧化氢混合溶液可以溶解甘蔗叶中的木质素。考虑氢氧化钠质量分数、过氧化氢含量、料液比、处理时间等因素,以纤维素含量为评价指标,采用四因素三水平L27(313)的正交试验对常温脱除木质素工艺进行研究。脱除木质素后得到高纤维甘蔗叶(HCFSL),制备HCFSL的最佳工艺条件为:使用氢氧化钠质量分数为20%、过氧化氢含量为0.6%、料液比为1∶20的处理液浸泡甘蔗叶8h。在此工艺条件下甘蔗叶纤维素含量为75.94%,且实验结果有良好的重现性。  3.经过改性方式的筛选及掺入量的确定,在泡沫液中掺入10%明胶膜甘蔗叶纤维(GFSLF)对提高发泡性能具有最佳效果。其中,发泡倍数提高了30.37%,1h沉降距减小不显著(小于5%),1h泌水率减小了6.26%,半消时间增长了28.98%,全消时间增长了73.73%,发泡时间减短了41.78%。  4.对甘蔗叶纤维进行电镜观察可知:GFSLF较其他改性纤维的枝杈更少,膜表面更光滑,甘蔗叶纤维基本被明胶膜包裹在内呈束状,力学性能提高;而且明胶膜质层厚,残留的木质素不易被溶解出来减缓泡沫混凝土的固化速率。  5.通过四元二次回归正交旋转组合设计(全实施)优化了GFSLF的制备工艺,并建立了发泡倍数Y1、1h沉降距Y2和1h泌水率Y3关于纤维目数X1、明胶浓度X2、处理时间X3、甲醛含量X4的拟合性较好的二次正交回归模型。进行规划求解得到最佳的工艺条件为:纤维目数7目、明胶浓度13%、处理时间6.5小时、甲醛含量1.4%。  6.制备掺入GFSLF的泡沫混凝土并对其性能进行检测分析,再和传统泡沫混凝土比较可知,泡沫混凝土的品质得到改善。其中,料浆固化沉降率减小了58.92%,抗压强度增大了50.86%,导热系数减小了10.97%干密度减小了9.84%,吸水率减小了6.80%。根据《JG/T266-2011泡沫混凝土》标准可知,抗压强度、干密度和吸水率的等级分别由C3、A09和W15改善为C5、A08和W10等级。  7.经过分析掺入GFSLF的泡沫混凝土和传统泡沫混凝土的孔隙结构可知:BJH比表面积增大了11.11%,BJH孔隙度增大了11.55%,BJH孔径减小了44.92%。掺入GFSLF可有效改善泡沫混凝土的孔隙结构。
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