淀粉基绿色建筑材料运用及试验研讨

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中国古代利用糯米淀粉或糯米石灰作为建筑砂浆建造长城或浇砌砖墓,这些建造物大多经久耐用。当前,淀粉作为可再生的天然资源,以其来源广泛,产量丰富,价格低廉,良好的粘结性和成膜特性,优良的生物降解性能等在我国纺织、造纸、塑料、化工、医药和建材等领域得到广泛研究和利用。随着国家重大工程和基础设施的大量建设,新农村建设的深入开展,大量水泥的制备和应用给自然资源、环境和生态带来很大的负面影响,为了保持生态文明,利用可再生资源发展绿色建筑材料已成为趋势之一[1]。本文首先对改性淀粉在建材行业的应用研究进行归纳分析,探讨利用淀粉开发绿色建材的潜力,并对改性淀粉改性的生土建筑进行了基本的物理力学试验研究,研究结果为开发淀粉基绿色建筑材料提供参考。

1淀粉在建筑材料中的研究进展

1.1木材环保胶黏剂的应用研究常用的木材胶黏剂释放出大量的甲醛,危害人体,研究者将开发制备低甲醛含量的环保胶黏剂投向淀粉。时君友[2]将玉米淀粉复合,改性制得玉米淀粉悬浮液加入水溶性高分子作为稳定剂,在一定条件下与天然玉米淀粉、碳酸钙、VAE乳液相混合,搅拌均匀,形成以玉米淀粉为原料的API胶黏剂主剂,用该胶黏剂压制胶合板。韩美娜[3]以过硫酸铵为引发剂,在玉米淀粉上接枝共聚丙烯酸丁酯(BA)和乙酸乙烯酯(VAc)制备乳液状淀粉基胶黏剂,该淀粉基胶黏剂,不需添加任何助剂,可直接用于粘接木材。

1.2在涂料中的应用研究目前在涂料中用作胶黏剂的改性淀粉主要有氧化淀粉、交联淀粉、多孔淀粉、接枝共聚淀粉和复合变性淀粉。曾丽娟[4]用双氧水作氧化剂,硫酸亚铁为催化剂在碱性条件下对木薯淀粉进行氧化,然后进一步交联处理,制备内墙涂料基料,达到标准要求。黄秀娟[5]将淀粉用浓度为27%的双氧水及适量的NaOH氧化,再加氯乙酸和NaOH,半干法醚化,得到取代度为0.15的可流动半固体,经单滚筒预糊化干燥,得到优质建筑腻子墙面胶粉。程存归[6]用玉米淀粉为原料,通过高锰酸钾氧化玉米淀粉,配以脲醛树脂、催化剂、催干剂、防腐剂等,研制出一种高稳定型淀粉胶黏剂,有效地解决了淀粉稳定性差、贮存期短的问题。朱仁宏[7]将多孔淀粉和淀粉,吸附天然除虫菊酯后,加入内墙涂料,利用多孔淀粉的吸附和缓释作用,研制出具有长效杀虫效果的内墙涂料。王彦斌[8]采用乳液聚合的方法,将糊化氧化后的玉米淀粉和苯乙烯接枝共聚制得性能优良的乳液,该乳液可以作为乳胶内墙涂料的基料使用。

1.3砂浆中的应用研究徐鹏[9]针对传统抹灰砂浆施工性能差、保水性差、黏结强度低以及易开裂等缺点,研究保水剂、淀粉醚、憎水剂和聚丙烯纤维对抹灰砂浆性能的影响,研制了一种新型抹灰砂浆。随着人们的环保意识不断提高,干混砂浆正在逐渐被推广应用,干混砂浆外加剂的发展是推广干混砂浆的技术关键。淀粉醚作为增稠剂能影响以石膏、水泥和石灰为基料的砂浆稠度,改变砂浆的施工性和抗下垂性。

1.4混凝土减水剂的应用研究王田堂[10]采用水溶液法,以次氯酸钠为氧化剂制取氧化淀粉,再经溶媒法以环氧乙烷作醚化剂将氧化淀粉醚化,制备出氧化-醚化淀粉型减水剂,并且相同掺量下,氧化?醚化淀粉型减水剂减水效果明显优于萘系减水剂。

1.5陶瓷生产中的应用研究刘一军[11]采用自制聚乙烯醇(PVA)改性淀粉聚合物制备新型高分子增强剂,对陶瓷坯体具有明显的增强作用,而且对浆料的流动性没有太大的影响。陈玲[12]探讨了酯化淀粉添加量对陶瓷浆料流变特性以及成型出的素坯的线收缩、密度、干坯强度和显微结构的影响,利用淀粉受热吸水溶胀和糊化的性质以及糊化后淀粉糊的凝胶化特性可实现Al2O3陶瓷浆料的近净尺寸原位凝固成型,制备了致密、均匀的坯体。此外,淀粉还可同时作为造孔剂和黏结剂用于制备各种多孔陶瓷,功能陶瓷材料及生物活性多孔陶瓷等也有了大量的研究。淀粉用于建筑材料得到较大的发展,延伸到较广的领域,但是这些应用都是将淀粉作为建筑材料的辅助材料加以利用,在建筑材料中只占很少一部分,淀粉作为一种生态建材其优势未充分发挥。本文将淀粉、生石灰和火碱按一定比例配置,得改性淀粉,将3%和7%改性淀粉同水和生土按比例拌合,对夯实试样进行试验研究。

2试验研究

2.1试验准备研究土样取自宁强阳平关,该土在当地可直接用于建造生土建筑,取回土样较潮湿,粘结成块,用手很难掰开。用酒精燃烧法测定其天然密度和天然含水率分别为2·146g/cm3和21·4%。土样的液塑限通过型号LP-100D数显液塑限测定仪测定,液限为27%,塑限为16·8%。将风干土样碾散,过5mm筛,将筛下土料拌匀,采用轻型击实试验测定素土、3%改性淀粉和7%改性淀粉拌合生土的最优含水率和最大干密度,击实试验结果见表1。根据击实试验结果制备素土、3%淀粉和7%淀粉拌合的击实土样,按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999),加工成直径约为3·91cm,高为8cm的圆柱体,每组3个,共9个,待风干后用来测试无侧限抗压强度;采用环刀直接在击实试样上切取直径61.8mm、高度20mm试样,每组4个,共12个,用来进行直接剪切试验。

2.2无侧限抗压强度室内无侧限抗压强度试验采用仪器为YYW-2型应变控制式无侧限压力仪,依照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)进行。试样最终均发生了脆性破坏,取与平均值接近的一组绘制应力应变关系曲线,见图1。

2.3直接剪切试验对每组试样分别施加100、200、300、400kPa的垂直压力,采用EDJ-I型二速电动等应变直剪仪进行直剪试验,得抗剪强度线如图2—图4,直剪试验强度指标见图5。无侧限抗压强度试验表明,3%淀粉和7%淀粉改性生土的抗压强度均较素土的抗压强度有所提高。3%淀粉抗压强度提高46·5%,7%淀粉抗压强度提高12·7%。淀粉改性生土的抗剪强度比素土抗剪强度有明显提高,改性后摩擦角和粘聚力提高,其中3%淀粉和7%淀粉改性生土提高程度相当。淀粉改性生土可提高生土的抗压强度和抗剪强度,随着淀粉含量增加,生土抗压强度反而降低,抗剪强度基本上不再增加。

3结论淀粉作为天然可再生资源,有着很多优良性能,首先,总结归纳了淀粉在木材环保胶黏剂、涂料、砂浆、陶瓷生产和混凝土减水剂制备等方面的研究和应用;其次,对淀粉进行改性,对改性淀粉拌合生土进行了无侧限抗压强度和直接剪切试验,结果表明改性淀粉可提高生土的抗压强度10%~40%,增大生土的摩擦角和黏聚力,提高生土的抗剪强度。总之,本实验从研究应用和试验两个方面证明了淀粉用于开发绿色建筑材料有很大的潜力。