一种利用纳米纤维素预浸技术的大掺量秸秆混凝土制备方法

技术领域

本发明属于建筑工程技术领域，具体是一种利用纳米纤维素预浸技术的大掺量秸秆混凝土制备方法。

背景技术

近年来，农作物玉米、稻草等秸秆废弃物作为混凝土材料的集料的研究越来越多。申请号CN202010365444.0发明专利，公开了一种保温秸秆混凝土建筑墙体材料及制备方法,其主要步骤包括，秸秆研磨粉碎,得到秸秆粉碎料；将秸秆粉碎料中加入生石灰,搅拌,得到第一混和料；第一混和料中加入水泥、水,搅拌均匀,得到秸秆水泥混合物,即为保温秸秆混凝土的建筑墙体材料；将秸秆水泥混合物放入模具,固化,脱模,得到秸秆混凝土砌块。申请号CN201510354062.7发明专利，公开了一种玉米秸秆混凝土轻骨料制备方法,采用水对玉米秸秆骨料预润湿，采用乳液型界面剂喷洒浸渍，与水泥干粉搅拌预裹颗粒,添加水泥用量30％的一级粉煤灰作为掺和料，采用塑料薄膜覆盖养生48小时以上，喷涂防水剂，干燥后作为粗骨料配制轻骨料混凝土。

由于秸秆材料的特性，其组成成分包括纤维素、半纤维素、木质素、果胶等天然有机物，与水泥基等无机材料粘结性较差。秸秆内部糖分影响水泥的水化速度，对其早期强度有很大影响。因而，采用上述常规的方法制备得到的混凝土材料，一般秸秆的掺量均很低，为水泥质量掺量的3％以内，且其硬化后的混凝土抗压强度较低，对其建筑工程应用的影响较大。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种利用纳米纤维素预浸技术的大掺量秸秆混凝土制备方法。秸秆质量掺量达到水泥胶凝材料的10％以上，体积掺量达到水泥胶凝材料的50％以上。大掺量秸秆混凝土制成砌块可替代传统的粘土实心砖及其他材料砌块，用于寒区农村住宅建筑，达到就地取材，减轻墙体重量，降低建筑造价，提高建筑物围护结构的保温性能，减少因秸秆焚烧造成的环境污染的目的。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用纳米纤维素预浸技术的大掺量秸秆混凝土制备方法，通过纳米纤维素预浸秸秆技术，改善秸秆中纤维。

素纤维与水泥基体材料的相容性，诱导水泥水化物凝胶依附纤维素纤维表面生长，增强其界面粘结力。纳米纤维素具有超吸水性，可补充水泥基体水化后期水分的不足，使水泥基体充分水化。水泥基体内的依附在秸秆表面的纳米纤维素周围可诱导产生大量水泥水化凝胶，填充基体微裂缝和空隙，减少了水泥基体水化初期干缩裂缝。依附在秸秆表面的纳米纤维素纤维与水泥水化凝胶尺度相匹配，可以诱导水泥基体水化凝胶依附在纳米纤维素表面，使其与秸秆颗粒相互联结融合生长，形成水泥基体内结构均匀连续凝胶相。水泥基体水化物及纳米硅粉凝胶能将依附在秸秆表面的纳米纤维素纤维完全包埋，避免了宏观尺度纤维素纤维和微晶纤维素纤维带来的体积不稳定的负面影响，可进一步提高复合材料的性能。

胶凝材料采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥；成熟新鲜干燥的玉米秸秆加工粉碎成0.3～5mm的秸秆颗粒；天然中砂细度模数2.2～2.6；羟丙基甲基纤维素，粒径尺寸10～100nm；纳米硅粉，粒径尺寸10～100nm；聚羧酸高性能减水剂，减水率为30％；掺和料选用I级粉煤灰，其45μm筛余量(％)的细度指标不大于12％；普通自来水。

一种利用纳米纤维素预浸技术的大掺量秸秆混凝土制备方法，其组成材料包括水泥、粉煤灰、纳米硅粉、玉米秸秆、中砂、纳米纤维素、减水剂，水，步骤如下：

A.玉米秸秆加工粉碎成秸秆颗粒，粒径为0.3～5mm；

B.秸秆混凝土的配合比质量掺量为：水泥1份，中砂1.615份，粉煤灰0.492份，纳米硅粉0.258份，纤维素0.009份，秸秆0.138份，减水剂0.018份，水0.5份；

C.按搅拌机每罐搅拌混凝土的投料量，称量各组分的原材料质量；

D.纳米纤维素及总量三分之一的自来水投入强制式搅拌机内，搅拌15秒，加入玉米秸秆颗粒预浸，持续搅拌30秒后，完成预浸的玉米秸秆颗粒排出搅拌罐静置60秒；

E.水泥、粉煤灰、纳米硅粉、中砂分别投入强制式搅拌机内，搅拌15秒；

F.均匀地倒入剩余的三分之二自来水，减水剂继续进行搅拌15秒；

G.加入预浸完成的玉米秸秆颗粒继续进行搅拌60秒；

H.将已经搅拌完成的混凝土投入砌块模具中进行机械振捣挤压成型。

作为优选，步骤A秸秆颗粒粒径为：0.3～0.6mm占比为30％，0.6～2.36mm占比为30％，2.36～5mm占比为40％；

进一步的，纳米纤维素采用羟丙基甲基纤维素；

进一步的，纳米硅粉为利用高能球磨机将二氧化硅的聚集体粉碎所得；

进一步的，纳米纤维素尺度为10～100nm，纳米硅粉尺度为1～5μm，纳米纤维素与纳米硅粉尺度相匹配，同时与水泥及粉煤灰水化凝胶尺度相匹配。

本发明的有益效果是：大掺量秸秆混凝土消耗大量农业秸秆废弃物，可大幅度降低原材料价格，保护环境，同时混凝土容重降低，提高其保温效果。玉米秸秆与水泥及粉煤灰等胶凝材料搅拌后，水泥初期水化产生水化凝胶，水化凝胶尺度与纳米纤维素及纳米硅粉相匹配，纳米纤维素及纳米硅粉使秸秆与水泥基体界面的见更均匀密实，使秸秆与水泥基体结合能力增强，具有良好的力学性能和耐久性能。同时，水泥基体中大掺量秸秆能够持续不断释放水分，可以促进水泥基体充分水化。利用农作物秸秆废弃物，可在工厂批量生产混凝土砌块，墙板，楼板等构件，价格低廉，施工工艺简单。

具体实施方式

实施例1：

胶凝材料采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥；成熟新鲜干燥的玉米秸秆加工粉碎成0.3～5mm的秸秆颗粒；天然中砂细度模数2.2～2.6；羟丙基甲基纤维素，粒径尺寸10～100nm；纳米硅粉，粒径尺寸10～100nm；聚羧酸高性能减水剂，减水率为30％；掺和料选用I级粉煤灰，其45μm筛余量(％)的细度指标不大于12％；普通自来水。

一种利用纳米纤维素预浸技术的大掺量秸秆混凝土制备方法，其组成材料包括水泥、粉煤灰、纳米硅粉、玉米秸秆、中砂、纳米纤维素、减水剂，水，步骤如下：

A.玉米秸秆加工粉碎成秸秆颗粒，粒径为0.3～5mm；

B.秸秆混凝土的配合比质量掺量为：水泥1份，中砂1.615份，粉煤灰0.492份，纳米硅粉0.258份，纤维素0.009份，秸秆0.138份，减水剂0.018份，水0.5份；

C.按搅拌机每罐搅拌混凝土的投料量，称量各组分的原材料质量；

D.纳米纤维素及总量三分之一的自来水投入强制式搅拌机内，搅拌15秒，加入玉米秸秆颗粒预浸，持续搅拌30秒后，完成预浸的玉米秸秆颗粒排出搅拌罐静置60秒；

E.水泥、粉煤灰、纳米硅粉、中砂分别投入强制式搅拌机内，搅拌15秒；

F.均匀地倒入剩余的三分之二自来水，减水剂继续进行搅拌15秒；

G.加入预浸完成的玉米秸秆颗粒继续进行搅拌60秒；

H.将已经搅拌完成的混凝土投入砌块模具中进行机械振捣挤压成型。

作为优选，步骤A秸秆颗粒粒径为：0.3～0.6mm占比为30％，0.6～2.36mm占比为30％，2.36～5mm占比为40％；

进一步的，纳米纤维素采用羟丙基甲基纤维素；

进一步的，纳米硅粉为利用高能球磨机将二氧化硅的聚集体粉碎所得；

进一步的，纳米纤维素尺度为10～100nm，纳米硅粉尺度为1～5μm，纳米纤维素与纳米硅粉尺度相匹配，同时与水泥及粉煤灰水化凝胶尺度相匹配。

实施例2：

秸秆混凝土的配合比质量掺量及步骤与实施例1相同，秸秆采用2％氢氧化钙溶液喷洒24小时后烘干的预处理方式。

实施例3：

秸秆混凝土的配合比质量掺量除秸秆外及步骤与实施例1相同，秸秆掺量比实施例1增加25％

实施例4：

秸秆混凝土的配合比质量掺量除秸秆外及步骤与实施例1相同，秸秆掺量比实施例1减少25％

各实施例(1～4)的实验室搅拌混凝土标准试块28天抗压强度值均3.5～5.0Mpa，实验室每0.01m3混凝土各组成材料投料量见表1，各组添加秸秆量或者前期处理方式不同。表2为各组成材料砌块导热系数，与普通混凝土相比，其导热系数随着秸秆掺量的增加而下降，说明秸秆的掺入能大幅改善混凝土的节能效果；表3为秸秆试块经过50次，100次，200次冻融循环后的试块质量及强度的损失百分率，以及冻融循环后与未冻融试块的相对动弹性模量的数值百分比。其抗冻融循环能力随秸秆掺量提高稍有下降，但变化不大，说明秸秆掺量对混凝土的抗冻融性影响不大。

表1各实施例组成材料每0.01m

表2各实施例混凝土材料导热系数及28天抗压强度值()

表3各实施例混凝土材料试块冻融循环指标(％)