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          植物秸稈在新型建筑材料中的應用
          來源:建豐機械原創 時間:2020-06-16 16:40 點擊次數:
           
          天然秸稈輕質墻板及成組立模生產技術
           
            “天然秸稈輕質墻板及成組立模生產技術”是國家科技攻關計劃《小城鎮科技發展重大項目》之《小城鎮新型建材技術研究與開發,編號2003BA808A12》課題的第三專題,已于2006年4月通過科技部農村科技司和建設部科技司組織的成果驗收。
            本研究開發的內容以利用農業廢棄物和工業廢棄物為基本出發點,符合循環經濟發展需求,是一種真正意義上的綠色建筑材料。
            2.研究方案
            本專題立項的基本目的是利用農作物秸稈生產綠色環保的輕質隔墻板,形成適宜于在小城鎮推廣應用的實用生產技術。為此確定以下研究方案:用經過處理的秸稈與水泥基材復合,生產多孔板與實心板兩種截面構造的條板;根據墻板性能要求確定秸稈用量,在滿足墻板性能的前提下盡可能多量地使用秸稈;研究適合立模澆注成型的勻質混合料流變特性。
            3.農作物秸稈的處理與選用
            3.1 農作物秸稈
            遇水后浸出糖類和木質素,而糖類和木質素為親水性表面活性物質,當與水泥混合后,聚戊糖、木質素分子會吸附于水泥顆粒表面,影響水泥的水化凝結過程。因此,在使用農作物秸稈時,需要首先解決的問題是減少或抑制糖類物質和木質素浸出。
            3.2 秸稈加工處理方法研究
            本項目選擇麥秸稈作為開發利用對象,進行了多種加工處理技術的探討與分析,實踐證明,經過一般機械處理的農作物秸稈很難達到真正的纖維狀態,只能達到一定的長寬比或長徑比,農作物秸稈在水泥基體材料中的作用只能是作為一種填充材料,或者是作為一種架構材料。
            3.3 秸稈可使用性研究
            經過機械加工處理的秸稈能否在水泥基材中應用取決于秸稈與水泥基材的融合性以及秸稈水泥復合材料的各種工藝性能。為此,首先進行了秸稈的可使用性研究,用經過處理的秸稈進行了混合料拌和性、流動性、流動性保持時間、均勻性、穩定性等工藝性能的觀察試驗,通過調整水泥基體材料的配合比以及與秸稈的配合比例,觀察試驗過程中的各種工藝現象,判斷秸稈的可使用性。試驗結果表明上述處理過的麥秸稈達到可直接使用的要求
            4.秸稈水泥復合材料
            4.1原材料
            4.1.1水泥: 
          選用凝結過程迅速、強度發展較快的硫鋁酸鹽系列水泥包括快硬硫鋁酸鹽水泥和低堿度硫鋁酸鹽水泥作為膠凝材料,其快速凝結使得混合料中的自由水分迅速減少,在一定程度上阻止了秸稈抽出物的滲出,抵消或抑制了秸稈抽出后在隨后的過程中所造成的不利影響。
            4.1.2粉煤灰: 
          Ⅱ級或Ⅱ級以上粉煤灰,粉煤灰的堆積密度一般約為水泥堆積密度的60%,為了改善混合料的和易性,在配料中加入一定比例的粉煤灰,既有利于包覆天然秸稈又有利于防止砂子的沉降,提高混合料的穩定性。
            4.1.3砂:選用中砂,最大粒徑不超過3㎜,自然級配;利用砂子的重力下沉作用,帶動懸浮狀態的秸稈水泥基體混合料漿自由落料,只需微小的連續振動或間歇振動即可使秸稈水泥復合材料順利充滿模型。
            4.1.4聚合物:用以改善混合料和易性與流動性,提高碎麥秸與水泥基體材料的粘結性能,進一步抵抗混合料的分散趨勢。
            4.1.5碎麥秸:最大長度12㎜,碎片物,自然級配,堆積密度(100~120)㎏/m3。主要起填充作用,也可提高硬化材料的抗沖擊性能。
            4.2 配比與材性
            共在試驗室進行了近100個配方的小樣品試驗,用于測定各配方的體積密度、抗折強度和抗壓強度。配合比范圍:水泥占固體料總量的45%~58%, 
          砂子占固體料總量的10%~23%,粉煤灰占固體料總量的18%~30%, 
          碎麥秸占固體料總量的3%~11%;聚合物與固體料之比為0.10%~0.60%;水固比0.40~0.70。
            根據上述試驗結果情況,選用綜合性能較好的基材配比作為固定參數,以麥秸桿用量為自變量,進行了系列試驗。表1為在水泥、粉煤灰、砂子質量比不變的情況下,改變麥秸稈用量的一組配方及其試驗結果,調整聚合物用量與水用量,以滿足澆注成型工藝要求。
           
          (1)聚合物用量相同時,隨著秸稈摻量的提高,達到同樣流動要求時用水量增加。
          (2)同樣秸稈摻量時,聚合物用量提高時達到同樣流動要求所需的用水量減少。由此推測“聚合物用量與水用量可相互補充”。
          (3)隨著秸稈用量逐漸增大,復合材料的密度逐漸降低,抗折強度與抗壓強度也逐漸降低。同樣秸稈用量情況下,當用水量少而聚合物用量大時,復合材料的密度和抗壓強度都相對較低,說明聚合物摻量對復合材料性能的負面影響較加水量更為強烈。
           
            4.3 秸稈在水泥基材中的霉變與燃燒問題
            農作物秸稈用于建材制品的燃燒和霉變是最令人擔心的問題。
            在試驗摻量范圍內由于水泥基體材料完全將碎麥秸稈包覆,沒有看到麥秸稈表面的霉變現象;將麥秸稈水泥復合材料存放在濕度90%以上的養護箱中60天,也未看到霉變現象。
            制作了三種麥秸稈用量的樣品,進行了A級不燃性檢驗,結果證明秸稈水泥復合材料在秸稈摻量為7.2% 的情況下仍為A級不燃材料。
          5.批量生產試驗
            5.1工藝可行性研究
            根據小樣品試驗結果選定的材料配方,在300㎜×600㎜×90㎜的單立模模型上進行工藝可行性研究,該模型的模腔寬度和厚度與實際生產用的成組立模的模腔尺寸完全相同,長度為實際立模模腔尺寸的十分之一。通過在小模型上進行模擬生產試驗,觀察了解混合料在澆注成型過程中各種現象,確定了基本工藝控制參數,調整某些工藝過程,為生產線批量試驗打下良好的基礎。
            5.2 工藝流程
            5.2.1 多孔板
            分別稱量水泥、砂、粉煤灰、麥秸稈、聚合物和水 → (水泥+砂+粉煤灰+80%水+ 50%聚合物)投入攪拌機,攪拌均勻 → 
          逐漸加入碎麥秸,連續攪拌至麥秸均勻分散 → 二次加入剩余水和聚合物,攪拌均勻 → 混合料澆注(成組立模) → 振動密實 → 穿芯管 → 再振動密實 → 模內養護 
          → 脫模 → 后期自然養護 → 成品墻板。
            5.2.2 實心板
            分別稱量水泥、砂、粉煤灰、麥秸稈、聚合物和水 →(水泥+砂+粉煤灰+80%水+ 50%聚合物)投入攪拌機,攪拌均勻 → 
          逐漸加入碎麥秸,連續攪拌至麥秸均勻分散 → 二次加入剩余水和聚合物,攪拌均勻 → 混合料澆注(成組立模)→ 振動密實 → 模內養護 → 脫模 → 后期自然養護 
          → 成品墻板。
            5.3 勻質物料多孔條板與實心條板
            多孔條板規格2920㎜×600㎜×90㎜,7個圓形孔,孔直徑38㎜,空心率14.7%,壁厚26㎜,按照經試驗確定的材料配比,進行投料攪拌,澆注成型。
            實心條板規格2920㎜×600㎜×90㎜,按照經試驗確定的材料配比,進行投料攪拌,澆注成型。
            為用于制造多孔條板和實心條板的麥秸稈水泥復合材料,用臥式強制攪拌機攪拌,經過多次投料攪拌試驗,確定了一套合理的投料攪拌順序,采用這種投料攪拌順序,可減少秸稈的絕對吸水量,在控制條件下得到可滿足流動澆注、均勻穩定不離析的混合料?;旌狭现屑尤刖酆衔锖蠡旌狭媳K院?,可簡化后期養護措施。通過對材料配比進行微小調整、改變某些工藝參數可獲得容重有所變化的混合料。
            用料斗將攪拌均勻的混合料運送至成組立模上方,從模腔中部開始澆注混合料,將料斗出料口深入模腔,由于模腔的長度和深度遠遠大于寬度(澆注長度2920㎜、深度600㎜、寬度90㎜),無法完全依靠混合料的自身重力和流動能力充滿模腔并達到一定的密實程度,因此需要在現有成組立模技術中增加振動程序,僅需稍加振動即可使混合料迅速充滿模腔并達到密實。
            用建豐成組立模機生產多孔墻板或實心墻板的實際過程,在原成組立模機基礎上,通過更換端頭堵板、更換較小直徑的成孔芯管、在芯管端部增設振動裝置等措施,滿足秸稈水泥混合料的澆注成型。由于受攪拌機容量限制,每次澆注一塊墻板。實心條板澆注成型相對簡單,只需將物料注入模腔,用插入式振搗器或手工振搗即可使物料密實、順利成型。多孔條板成型相對復雜一些,板外壁厚度26㎜,孔間壁厚度40㎜,模腔深度600㎜,由于部分秸稈的長度超過10㎜,所以直接向穿入芯管的模腔中澆注混合料具有較大的澆注阻力并且可能引起混合料的離析,因此采取澆注 
          → 振動密實 → 穿入芯管 → 
          再振動密實的成型過程,為減小芯管抽拔力,保證在抽拔芯管過程中不對孔洞表面造成損害,應在成型過程完成后和混合料終凝之前的時間段之內小心轉動芯管,減小混合料對芯管的粘附力。
            6.生產線主要裝備
            采用成組立模技術進行生產,其主體生產裝備分別為建豐成組立模。
            6.1 用成組立模生產秸稈輕質墻板的技術優勢
            (1)成型精度高:相鄰模板之間的空腔即為成型板材的模腔,板材的兩個表面均為模板面,控制好模板的剛度和成組立模的制造精度即可保證板的尺寸精度,板材尺寸準確性受人為因素的影響小。(2)工藝穩定性好:對混合料的適應性強, 
          在滿足板材性能要求的前提下,料漿的流動度可在一定范圍內調整。(3)一模多用:通過更換端部堵板即可生產多孔條板或實心條板。(4)相對生產效率高:多塊板材集中澆灌,便于生產操作和混合料輸送的機械化;成型后的板材處在近于封閉的條件下,可充分利用膠凝材料的水化熱進行自身養護;可方便地使用養護罩,大大減少熱量散失,加快模型周轉,提高生產效率。(5)生產線占用土地少:同樣生產規模時,成組立模占用土地面積小。(6)生產過程受外界氣候的影響很?。褐灰跐沧⒘蠞{時不直接遭受雨淋,在任何氣候條件下,都可用成組立模進行生產。需要時可在模腔隔板中增設加熱裝置,在環境溫度較低時對模板進行預熱。
            6.2 成組立模機
            10臺成組立模機組成一條生產線,可年產20萬m2 隔墻板。
            成組立模技術的特點為:
          ①模體機動開合,手工穿拔芯管;
          ②模腔長度可在3.2m長度內進行無級調節
          ;③模腔隔板加熱,熱效率高,可提高墻板的初期強度,提高生產效率;
          ④隔板大剛度設計與高精度加工,隔板在料漿側壓力作用下不產生變形,可保證所生產墻板的板面平整度和尺寸準確性;
          ⑤多模腔連續張網,網格布可在設定位置準確定位,保證保護層厚度和網格布的平直度,使網格布最大限度地發揮其增強作用;
          ⑥導向穿拔芯管,在抽拔芯管的過程中芯管不產生任何擺動,避免了塌孔、裂紋等缺陷;
          ⑦一臺成組立模機可生產兩種厚度的墻板。
            7.墻板性能檢驗
            委托國內相關單位對產品或產品組成材料進行了隔聲性、不燃性、放射性、抗彎破壞荷載、單點吊掛力與干燥收縮值檢測,全部滿足合同指標要求。表7為三種構造的天然秸稈水泥條形墻板性能檢驗結果匯總。
            墻板性能檢驗結果
           
            墻板抗彎試驗時的齡期為7天,采用均布加載,支座間距2600㎜,圖片6為實心板抗彎試驗,板自重142㎏,均布加載176㎏(板自重的1.2倍)時,墻板中部有輕微撓曲,加載至320㎏時,墻板斷裂。圖片34為多孔板抗彎試驗,板自重140㎏,均布加載220㎏(板自重的1.5倍)時,墻板仍保持完好,加載至290㎏時,墻板斷裂。
            秸稈在混合料中都只是作為一種填充材料,因此墻板抵抗彎曲荷載的能力必需借助于配筋材料如玻璃纖維網格布,墻板的其它性能如面密度、干燥收縮值、吊掛力、抗沖擊性、隔聲性能等可通過調整基材配比與秸稈用量來達到。
            8.效益分析
            按照試生產配料用量,分別對90㎜厚度的多孔墻板和90㎜厚度實心墻板進行了成本分析。由于麥秸稈摻量較大, 
          需要較多水泥用量保證強度,而水泥價格是決定墻板材料成本的首要因素。如果將秸稈用量降低到5%,那么水泥用量即可減少,墻板材料成本也會隨之降低,而且可獲得滿意的物理力學性能。
            9.結論
            (1)經過特定程序處理最大長度不超過12㎜的自然級配碎麥秸稈可與水泥基體材料很好地融合,配制成均勻穩定的流動性混合料。碎秸稈摻量從2%增加到8%時,秸稈水泥復合材料的密度和強度逐漸降低,而且秸稈摻量越大工藝操作越困難,可依照此規律優化秸稈用量、工藝性能與物理力學性能之間的關系。
            (2)水泥、砂、粉煤灰、聚合物、碎秸稈和水均為制備流動性可澆注水泥基混合料的必備材料,聚合物用量和水用量對于提高混合料的流動性有互補關系,但是聚合物用量對混合料的負面影響相對較大。
            (3)選取秸稈摻量為7.1%的材料配方進行墻板生產,生產過程順利而且墻板性能優良;可通過提高墻板空心率選用秸稈摻量稍低的材料配方進行生產,進一步降低材料成本,提高秸稈水泥墻板的性能價格比。
            (4)成組立模技術是適合用流動性秸稈水泥物料制造墻板的首選技術,用該技術可同時生產秸稈水泥空心墻板和實心墻板,獲得具有良好外觀質量和準確規格尺寸的真正意義上的建筑內墻板。
           

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