1、新型建筑材料202302秸秆-氯氧镁水泥复合材料正交试验研究宋永帅1，李莉1，张华刚2，杨娇娇2（1.贵州大学 土木工程学院，贵州 贵阳550025；2.贵州大学 空间结构研究中心，贵州 贵阳550025）摘要：设计正交试验研究秸秆尺寸、玄武岩纤维、减水剂、柠檬酸对秸秆-氯氧镁水泥复合材料抗压和抗折强度的影响，并通过单因素试验研究玄武岩纤维的掺量和长度对复合材料强度的影响，采用电镜扫描探究其改性机理。结果表明：秸秆尺寸对秸秆-氯氧镁水泥复合材料强度的影响最大，秸秆尺寸越小，材料的抗压强度越高，材料的抗折强度随秸秆尺寸的增大而提高；玄武岩纤维能够改善材料的力学性能，纤维长度为 6 mm 时分散性
2、好，增强效果明显，且材料的力学性能随着纤维掺量的增加而提高；纤维长度为 12mm 时，纤维容易抱团而使材料强度降低；减水剂和柠檬酸的增强效果不明显。综合考虑材料的抗折和抗压强度，确定最优方案为：秸秆尺寸小于 2.36 mm，玄武岩纤维长度 6 mm、掺量 5 kg/m3，减水剂掺量 0.2%，柠檬酸掺量 1%。关键词：秸秆；氯氧镁水泥；玄武岩纤维；正交试验；极差分析中图分类号：TU528.58文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）02-0114-04Orthogonal experimental study of straw-magnesium oxychloride ceme
3、nt compositesSONG Yongshuai1，LI Li1，ZHANG Huagang2，YANG Jiaojiao2（1.School of Civil Engineering，Guizhou University，Guiyang 550025，China；2.Space Structure Research Center，Guizhou University，Guiyang 550025，China）Abstract：The effects of straw size，basalt fiber，water reducer and citric acid on the compr
4、essive strength and flexural strengthof straw-magnesium oxychloride cement composites（SMC）were researched by orthogonal experiment.Then，the influence of basaltfiber dosage and length on the SMC was considered by single factor and its modification mechanism was explored by electron microscopy scannin
5、g.The results show that the influence of straw size on the strength of SMC is the greatest，the smaller the strawsize，the higher the compressive strength of the SMC，and the flexural strength of the SMC increases with the increase of straw size;Basalt fibers can improve the mechanical properties of SM
6、C，and the dispersion is good when the Basalt fiber length is 6 mm，andthe enhancement effect is obvious.Moreover，the mechanical properties of the SMC increase with the increase of Basalt fiber doping.When the Basalt fiber length is 12 mm，the Basalt fiber is easy to clump and the strength of the SMC d
7、ecreases.The enhancing effect of the water reducer and citric acid is not obvious.Comprehensive consideration of the flexural strength and compressivestrength of SMC，the optimal scheme was determined as follows：straw size is less than 2.36 mm，basalt fiber length is 6 mm，dosageis 5 kg/m3，water reduce
8、r dosage is 0.2%，and citric acid is 1%.Key words：straw，magnesium oxychloride cement，basalt fibers，orthogonal test，range analysis0引言我国每年产生约 7 亿 t 农作物秸秆，大多数由农民自行焚烧处理，利用率低且会对环境产生污染1，因此，如何科学、高效利用农作物秸秆已成为当下研究热点。近年来，有利用氯氧镁水泥（MOC）与秸秆制作新型建筑材料的研究。氯氧镁水泥是一种气硬性胶凝材料，具有轻质、高强、快硬、对秸秆等植物纤维有良好的粘结力和低腐蚀性的特点2，另外，我国镁矿丰富、
9、易开采、品位高，加上制盐工业产生的副产品氯化镁为制作氯氧镁水泥提供了丰足的材料来源3，将秸秆作为氯氧镁水泥的填充材料制成轻质、保温、隔热的绿色节能建筑材料成为有效解决农作物秸秆污染的方法之一，但其制品强度低、脆性大4，限制了其推广应用。为了提高秸秆-氯氧镁水泥复合材料的力学性能，目前研究主要集中于通过改变秸秆掺量、秸秆长度、外加剂、预处理等方式5-6。曹旭辉等7研究不同粒径的稻草纤维对氯氧镁水泥强度的影响，发现随着纤维尺寸的增大，材料的强度降低越大。苏华雷等8利用柠檬酸对氯氧镁基金项目：国家自然科学基金项目（52068008）收稿日期：2022-08-08；修订日期：2022-12-11作者简
10、介：宋永帅，男，1997 年生，硕士研究生，E-mail：。通讯作者：李莉，硕士，副教授，E-mail：。中国科技核心期刊114NEW BUILDING MATERIALSNEW BUILDING MATERIALS项目抗折强度抗压强度ABCABCDk111.611.211.210.644.243.744.346.5k211.311.112.011.744.644.944.845.6k311.711.411.712.544.944.644.642.4k411.412.311.211.244.745.244.843.9R0.41.20.81.90.71.50.54.1D水泥进行改性，柠檬酸掺量为
11、 1%时对氯氧镁水泥抗压强度的提高。目前缺乏利用高强纤维来改善秸秆-氯氧镁水泥复合材料力学性能的研究，玄武岩纤维作为一种新兴的无机纤维材料，具有性价比高、抗拉强度高、耐腐蚀等特点，研究证明，将玄武岩纤维添加在建筑材料中对制品的力学性能有增强作用9-10，但玄武岩纤维在氯氧镁水泥及其制品中的研究较少，因此本文采用玄武岩纤维来提高秸秆-氯氧镁水泥复合材料的强度。本研究利用正交试验的方法，将柠檬酸、玄武岩纤维、减水剂和秸秆尺寸作为影响因素，讨论各因素对秸秆-氯氧镁水泥复合材料抗折强度和抗压强度的影响，以期为该材料能应用于建筑结构找到合适的配合比，然后在正交试验结果基础上进行单因素试验，研究玄武岩纤维
12、掺量和长度对秸秆-氯氧镁水泥复合材料抗折和抗压强度的影响，并结合扫描电镜（SEM）微观测试结果分析其作用机理，以期为秸秆-氯氧镁水泥复合材料的研究提供参考。1试验1.1原材料轻烧氧化镁粉（MgO）、氯化镁（MgCl2）：常州宏丰化工有限公司，均为工业级，通过水合法测得轻烧氧化镁活性含量为59.98%；氯化镁含量为 46%。秸秆纤维：水稻秸秆，经切碎处理后再使用孔径为 2.36、4.75、9.5 mm 的方孔标准筛筛分成需要的粒径，将其自然风干确保含水率10%。聚羧酸减水剂：上海臣启化工科技有限公司；柠檬酸：工业级，含量99%；玄武岩纤维：长沙柠祥建材有限公司，长度 6、12 mm，密度 2.6
13、5g/cm3，直径 15 m，抗拉强度 4100 MPa，弹性模量 100 GPa。1.2正交试验设计设计 4 因素 4 水平 L16（45）正交试验，根据课题组前期研究成果确定氯氧镁水泥三组分的摩尔比为 n（MgO）n（MgCl2）n（H2O）=9117，秸秆掺量为活性氧化镁质量的 20%（本文外掺材料掺量均按占活性氧化镁质量计）11，因素水平如表 1 所示。表 1正交试验因素水平1.3试验方法称取各组试验所需的原材料，将氯化镁和水置于烧杯中混合，用玻璃棒搅拌至无明显颗粒后静置 30 min 待氯化镁完全溶解，随后将剩余原材料置于搅拌锅中干拌，慢搅 90 s，待其搅拌均匀后，加入溶解完全的氯
14、化镁液搅拌均匀，然后立即倒入 40 mm40 mm160 mm 三联试模中振捣成型，由于制作时制品较干不易密实，因此在浇筑时将其压实，之后放入养护箱中保持相对湿度为 65%70%、温度（201），养护 28 d。2试验结果与分析2.1正交试验结果及分析试件养护 28 d 后取出，按照 GB/T 176711999 水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）测试秸秆-氯氧镁水泥复合材料的抗折和抗压强度，结果见表 2，极差分析见表 3。表 2正交试验设计及强度测试结果表 3抗折及抗压强度极差分析由表 3 可知：（1）各因素对秸秆-氯氧镁水泥复合材料抗折强度的影响顺序为：秸秆尺寸玄武岩纤维掺量聚羧酸减水剂掺
15、量水平因素柠檬酸掺量/%（A）玄武岩纤维掺量/（kg/m3）（B）聚羧酸减水剂掺量/%（C）秸秆尺寸/mm（D）10002.3620.51.00.22.364.7531.02.00.44.759.541.52.50.63 种尺寸等质量混合编号ABCD抗折强度/MPa抗压强度/MPa1#11119.544.52#122212.444.83#133312.642.84#144412.044.65#212312.842.16#221410.244.87#234110.445.88#243211.845.89#313411.742.410#324311.442.811#331211.646.012#3
16、42111.948.413#414210.845.814#423110.647.315#432410.843.816#441313.342.0宋永帅，等：秸秆-氯氧镁水泥复合材料正交试验研究115新型建筑材料202302柠檬酸掺量。秸秆尺寸的影响最大，随着秸秆尺寸的增大，抗折强度随之提高，在秸秆尺寸为4.759.5 mm 时达到最高。复合材料的抗折强度随着玄武岩纤维掺量的增加而提高，纤维掺量较低时，对抗折强度的影响不大，掺量为 2.5 kg/m3时效果最好。聚羧酸减水剂的掺入能够小幅增强抗折强度，掺量为0.2%时效果最好，掺量超过 0.2%后，增强效果减弱。掺加柠檬酸对秸秆-氯氧镁水泥复合材料的抗折强度影响不大，且掺入柠檬酸会降低抗折强度，仅当掺量为 1%时稍有增强效果。（2）各因素对秸秆-氯氧镁水泥复合材料抗压强度的影响顺序为：秸秆尺寸玄武岩纤维掺量柠檬酸掺量聚羧酸减水剂掺量。随着秸秆尺寸的增大，复合材料的抗压强度降低，当秸秆尺寸小于 2.36 mm 时取得最大值。复合材料的抗压强度随玄武岩纤维掺量的增加总体表现为提高趋势，当掺量为 2.5 kg/m3时对复合材料抗压强度的增强效果最