麦秸石膏复合材料力学性能和抗火性能研究

第35卷 第18期 农 业 工 程 学 报 Vol.35 No.18

308 2019年 9月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Sep. 2019

麦秸石膏复合材料力学性能和抗火性能研究

岳 孔1,2，李萌禹1，刘 健1，王 璐1，刘伟庆1，陆伟东1

（1. 南京工业大学土木工程学院，南京 211800；2. 聚合物分子工程国家重点实验室（复旦大学），上海200433）

摘 要：为提高麦秸利用率，增强石膏板力学性能，改善现有木基石膏板的抗火性能，试验以粒径分别为0.30～0.60和0.18～0.30 mm的粗、细2种麦秸纤维为增强相，以建筑石膏为连续相，采用复合常温固化型结构胶粘剂代替添加石膏缓凝剂的传统方式，提出了麦秸石膏复合材料初步成型和加湿增强的两步法制备工艺，并与杉木纤维和杉木刨花石膏复合材料的力学性能和抗火性能进行对比。结果表明，细麦秸纤维石膏复合材料的物理力学性能优于粗麦秸纤维石膏复合材料，其内结合强度、静曲强度、弹性模量和吸水厚度膨胀率分别为0.33 MPa、7.1 MPa、2370 MPa和2.82%，满足《LY/T 1598-2011石膏刨花板》标准的要求。由于麦秸本身具有较低的导热系数和较高的灰分含量，麦秸石膏复合材料具有较杉木石膏复合材料更优的抗火性能，其点燃时间较杉木纤维石膏复合材料高，无明显热释放速率峰值。与杉木纤维石膏材料和杉木刨花石膏材料相比，细麦秸纤维石膏复合材料的总热释放量分别低48.18%和35.87%，CO2生成速率主峰分别低42.25%和38.81%，CO生成速率主峰相近，残重率略高。试件残照表明麦秸石膏复合材料试件燃烧后外观形貌更完整，炭化程度减轻。通过扫描电镜发现，麦秸纤维的外表面较光滑，石膏主要吸附在麦秸的内表面，较小纤维单元有利于增加石膏与麦秸内表面的接触面积。因此，从微观上说明了细麦秸纤维石膏复合材料的力学性能较高的原因。麦秸秆光滑的外表面几乎充满SiO2，这也说明了麦秸石膏复合材料有较好抗火性能的原因。研究可为石膏基复合材料的功能提升和麦秸石膏复合材料产品的工程应用提供参考。

关键词：复合材料；物理性能；力学性能；麦秸；杉木；制备工艺；抗火性能 doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.037

中图分类号：S216.2; TB332 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2019)-18-0308-09

岳 孔，李萌禹，刘 健，王 璐，刘伟庆，陆伟东. 麦秸石膏复合材料力学性能和抗火性能研究[J]. 农业工程学报，2019，35(18)：308－316. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.037 http://www.tcsae.org

Yue Kong, Li Mengyu, Liu Jian, Wang Lu, Liu Weiqing, Lu Weidong. Mechanical properties and fire resistance of gypsum-based composites with wheat straw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(18): 308－316. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.18.037 http://www.tcsae.org

0 引 言

中国作为农业大国，秸秆资源丰富，2015年全国农作物秸秆总资源量达9.3亿t，但其利用率较低，出现焚烧大量秸秆现象，致使环境污染，提高农作物秸秆利用率已成为亟需解决的问题[1-2]。中国小麦秸秆约占秸秆总量的19%，小麦秸秆中纤维素、木质素和半纤维素含量分别为30.5%、18.0%和23.5%，可替代传统木基板材用原材料，是减小木材供需矛盾的重要途径[3-4]。

因石膏板轻质、环保、节能，在建筑领域中广泛应用[5]。石膏板在制造过程中，水化完成后，形成天然存在的二水石膏是石膏板成型的核心[6-7]。由于含有大量结晶水，火灾时石膏板能够吸收大量热，因此石膏板普遍被用作防火材料[8]。以16 mm厚石膏板为覆面材料、以木材或轻钢为龙骨的墙体，其耐火极限可达到120 min[9-10]。但是，相比于其他结构板材，石膏板的力学性能明显不 收稿日期：2019-03-26 修订日期：2019-08-03

基金项目：聚合物分子工程国家重点实验室开放研究课题（K2019-22），江苏省建筑产业现代化专项引导资金科技支撑项目（苏财建[2016]226号-12）。 作者简介：岳 孔，博士后，副研究员。主要从事木结构研究。 Email：yuekong@njtech.edu.cn

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足，其抗拉强度和抗压强度分别仅为1.10和3.28 MPa[11]，

在加工、运输和施工过程中易发生撕裂或折断[12-13]，因此传统石膏板仅用作不受力的室内隔墙和装饰板等材料。同时，石膏板耐水性能较差，不能应用于浴室和厨房等高湿环境。

石膏刨花板以熟石膏为胶凝材料、木质刨花为增强相，外加缓凝剂压制成型，因此兼具石膏板和普通刨花板的优点，有一定的耐火性能和较好的力学性能[14-15]。石膏刨花板的传统制备工艺决定了缓凝剂和增强相种类是其性能优劣的关键参数。现有研究表明，缓凝剂能够减缓石膏的硬化速度，为石膏与增强相的混合和板材成型争取了操作时间，但缓凝剂破坏了石膏晶体的结构，使其硬化后的孔径增大，导致板材强度降低[16]。拌和用水量也是影响石膏强度的一个重要参数，当用水量减少时，可降低硬化体孔径，提高强度[17]。除了传统的木质刨花，增强相还可以采用竹材[18]、洋麻杆[19]、麦秸以及甘蔗渣[20]等。研究表明，以麦秸为增强相、石膏为胶凝材料，能够制备麦秸石膏复合材料[21-23]。但麦秸表皮被蜡层覆盖，该层降低了麦秸与水的湿润性，从而阻止了石膏浆体渗入到秸秆细胞壁，降低了石膏与麦秸的胶合性能[24]，导致其力学性能较低。