含废木料的氯氧镁水泥板的机械性能、耐久性和环境特性外文翻译资料

 2022-12-30 11:12

含废木料的氯氧镁水泥板的机械性能、耐久性和环境特性

原文作者 Pingping He, Md. Uzzal Hossain, Chi Sun Poon* ,

Daniel C.W. Tsang

摘要：利用建筑工地废弃木材模板作为纤维，制备氯氧镁水泥(MOC)板。研究了木纤维含量、粉煤灰（PFA）和焚烧污泥灰（ISSA）对木质MOC板力学性能和耐久性的影响。利用生命周期评价（LCA）技术，对不同类型复合板生产过程中温室气体（GHGs；最具代表性和全球关注的环境影响之一）的排放进行了评价和比较。在本次评估中，“从摇篮到大门”的系统边界和1kg的板材产量被视为功能单元。结果表明，木纤维制备的MOC复合材料中木纤维含量越好，导热系数越低、弯曲强度越高、高温浸水后残余的抗折强度越高、降噪效果越好。虽然随着木材纤维含量的增加，木材的吸水率增加，但仍可以认为是低吸水率。与其他复合材料相比，加入ISSA的木材-MOC复合材料具有更高的抗弯强度、更好的耐高温性能和更好的耐水性。此外，与传统的树脂基刨花板相比，木材-MOC复合材料产生的温室气体排放量更低，对人体的毒性也低。

关键词：木材-MOC复合板； 粉煤灰；焚烧污泥灰；抗弯强度；耐水性；耐高温性

一、引言

建筑业被指责产生了大量的建筑和拆除垃圾。香港环境保护署（HEPD）估计，在2016产生约2440万公吨的建筑废物（(Hong Kong, 2017）。在建筑垃圾中，惰性废物（例如土壤、岩石和混凝土碎石）存放在公共填充区或回收利用（Rao et al.,2007年）。剩余的非惰性废物（约占所有建筑废物的7%）、木材/木材、竹子、塑料、纸张和包装材料必须在城市固体废物填埋场进行处理，因为它们经常被混合和污染（Poon et al.,2001年）。由于填埋空间的不足，有必要开发利用非惰性废物的新途径。

据报道，木模板占香港所有已确认的非惰性建筑垃圾的30%（Poon et al.,2004年），可将它用于生产木水泥板，木水泥板的性能优于纯水泥基产品（具有较高的弯曲强度）（Soroushian et al.,1994年），并且与纯木产品相比，木水泥板受到阳光、雨水和昆虫的有害影响较小（Lee，1986）。研究表明，木纤维与水泥基体之间的结合包括物理结合和化学结合。在水化过程中，水化产物形成并相互连接，形成物理结合。而水泥基质中的金属羟基可以与木材纤维中的羧基发生反应形成化学结合(Coutts and Kightly, 1984)。研究发现，影响木纤维与水泥基体结合强度的参数很多，包括基体组成、纤维几何结构、纤维类型等（Bentur and Mindess，2014）。纤维含量影响木水泥复合材料的弯曲强度（Coutts and Kightly，1984；Coutts and Warden，1985）。纤维的强化效果明显，当纤维含量达到最佳时，纤维的强化效果最大。但因为木纤维水泥复合材料的压实效率低、密度低，所以高纤维含量时弯曲强度反而降低了。在纤维长度方面，长纤维制备的木纤维水泥复合材料具有较高的弯曲强度。这与木纤维的裂纹桥接作用有关，但木纤维增强复合材料在弯曲载荷下会发生开裂失效。而短纤维限制了可桥接的裂缝宽度，并会从水泥中滑落。用短纤维和长纤维制备的木-水泥复合材料分别因纤维拔出和纤维断裂而失效(Coutts and Kightly, 1982)。

然而，由于木材中可提取物对波兰特水泥（硅酸盐水泥）水化存在抑制作用，所以木材与波特兰水泥的不相容问题仍待解决。(Fan et al., 2012；Quiroga et al., 2016). 与木质硅酸盐水泥复合材料相比，木质氯氧镁水泥（MOC）复合材料表现出较少的不相容性(Simatupang and Geimer, 1990)。研究发现，木材中的抽提物对硅酸盐水泥的水化有一定的延缓作用，典型的水泥硬化抑制组分可分为两类。一组由山毛榉中的碳水化合物和落叶松中的阿拉伯半乳聚糖组成，另一组为酚类化合物，西部红雪松中含邻苯二酚酸单元，相思树中含有terachidin，日本雪松中含有sequirin C(Na et al., 2014)。Simatupang和Geimer比较了镁质水泥和硅酸盐水泥的相对水化时间，发现大多数木材品种的木质硅酸盐水泥比木质镁质水泥的水化时间要长得多 (Simatupang and Geimer, 1990)。因此，MOC可以显著减少这一问题，并用于生产建筑构件，如门板和隔墙 (Zhou and Li, 2012)。此外，MOC具有很高的耐火性、耐磨性(Misra and Mathur, 2007)和抗弯强度，其硬化不需要蒸汽养护，可以降低生产成本(Simatupang and Geimer, 1990)。然而，MOC浆体的耐水性差，限制了木质MOC板的应用(Deng, 2003)。研究表明，掺入粉状粉煤灰(PFA)、焚烧污泥灰(ISSA)等辅助水泥材料可以显著提高MOC的耐水性，因为PFA/ISSA与MOC反应生成的非晶相在水中是稳定的，可以保护MOC水合产物使之不分解(He et al., 2017a, 2017b, 2017c)。因此，MOC浆料是一种潜在的回收废木材的结合材料。但目前对木纤维含量和SCMs对MOC浆料性能的影响研究较少。 因此，本研究的主要目的是探讨含不同比例木纤维及PFA或ISSA的废木MOC板的力学性能、耐久性及环境方面的问题。

实验方案

2.1.材料和样品制备

从香港的建筑工地收集建筑废料木材（马尾松）模板，将其切成木块，用木破碎机粉碎成木纤维，并筛到长度小于5毫米的纤维，如图1所示，其密度和吸水率分别为0.45 g/cm和0.55 g/g。采用市售氧化镁（中国辽宁省）和六水氯化镁（中国青海省）制备MOC浆料。PFA是从香港的一个地方发电厂获得的，ISSA是由HK的垃圾焚烧厂-T公园提供的。MgO、PFA和ISSA的化学成分见表1。

木质MOC板按表2所示比例制备。用PFA和ISSA替代部分MgO。因此MgO/MgCl2的摩尔比是变化的。根据我们之前的研究，采用二氧化碳固化可以获得高耐水性(He et al., 2017a, 2017c)。掺入ISSA的MOC浆料的耐水性已经很高（约80%的强度保持率），因此加入ISSA的试样没有经过CO2固化(He et al., 2017c)。使用机械混合器充分混合后制备的复合材料被转移到钢模（160times;160times;20 mm）中，并用聚乙烯板覆盖。

硬化24小时后，脱模，置于25plusmn;1℃，湿度控制在50%plusmn;5%的固化室中进行空气固化。空气固化13天后，将一些样品放入钢室进一步进行1天的二氧化碳固化。在注入二氧化碳之前，真空室被抽至-0.5 bar。用于CO2固化的CO2纯度大于99%，压力为0.1mpa。在14天的空气固化或13天的空气固化或1天的二氧化碳固化后，将一些试样浸入水中进行耐水性试验。据报道，MOC的抗压强度在早期固化时发展迅速，仅两周后就达到稳定 (Xu et al.,

2016a)。因此，MOC板的固化期限制在14天以内。

2.2.实验方法

弯曲强度、吸水率和厚度膨胀分别按照ASTM C1185、2008（ASTM，2008）和ASTM D 1037、2012（ASTM，2012）进行。分别在200℃、300℃、400℃的高温电炉中加热2小时后，根据残余弯曲强度对木质MOC板的耐高温性能进行评估。目前还没有标准的试验来评估木水泥板的耐高温性能。但根据先前的研究，在400℃的温度下，木水泥板的弯曲强度降低到非常低的值(Wang et al., 2016)。因此，本研究采用200-400℃的高温暴露来评估其耐高温性。在目标温度下加热两小时后，样品在室温下自然冷却，并测试残余弯曲强度。

由于木质MOC板的一个主要应用是代替胶合板用于隔墙或地板应用，因此研究其抗冲击噪声的能力具有重要意义。试验采用基于ASTM E1007-90（ASTM，2016）的修改标准进行。如图2所示，使用金属球产生冲击噪声。此外，还使用了快速热导率仪（日本京都电子制造有限公司，QTM-500）来检测木质MOC板的热导率。

由于所生产的木材MOC将用于替代传统的胶合板和树脂基（通常含有甲醛）刨花板，因此进行了生命周期评估（LCA），来比较这三种材料的环境性能。对于本生命周期评价，MgO的上游数据来自Ecoinvent数据库(Ecoinvent 3.0 and Magnesium, 2016)。因为数据库和文献中没有关于MgCl2的数据，而MgCl2和NaCl2的生产工艺相似，所以NaCl2的上游数据可用作代替(Ecoinvent 3.0 and Sodium chl, 2016)。最近的一项研究（Sinka et al.，2018）也支持了这一假设，其中，六水氯化镁（MgCl2bull;6H2O）生产单元工艺的生命周期评价被认为与从盐水中提取的氯化钠相似。此外，木材废料生产木片的数据基于我们之前的研究 (Hossain and Poon, 2018)。由于香港没有MOC板的制造商，研究假设这些板可以在附近的地方(例如中国大陆的广东省)生产。因此，木屑和ISSA的运输影响包括使用道路运输模式从香港到制造地点基于CLCD数据库（CLDCD，2010），里面还包括因运输和填埋处理这两种废物而避免的影响。Ecoinvent数据库用于估算ISSA（焚烧残渣处理、残余材料填埋）避免的影响（Ecoinvent 3.0 and Treatment, 2016）。此外，我们估算了中国大陆辽宁省和青海省至制造地的氧化镁和氯化镁的运输距离（分别约2750公里和2162公里），并使用Ecoinvent中国货运数据库（(Ecoinvent 3.0 and Transport, 2016）评估了影响。我们也假设工业生产的影响与其他板材(如树脂基刨花板)的生产过程相似，因此，在我们之前的研究(Hossain and Poon, 2018)的基础上，我们将这些值纳入了本研究。最后，使用IMPACT 2002thorn;方法，使用SimaPro 8.4软件对生产不同类型板材的温室气体排放进行了评估。本评估中考虑的系统边界和过程如图3所示，并将结果与华南地区胶合板和树脂刨花板的生产进行了比较。基于Zhang(2013)和我们之前的研究(Hossain和Poon, 2018)，开发的新型木质MOC复合材料可以替代这些传统产品。

结果与讨论

3.1.弯曲强度

图4（a）总结了经过14天的空气养护后，包含不同类型和百分比的SCMs的木质MOC板的弯曲强度。结果表明，用15%、20%和25%木纤维制备的木水泥板的玩去强度分别为11.4mpa、16.3mpa和18.9mpa。这表明，随着木纤维含量的增加，木纤维与MOC基体之间形成的化学和物理结合会导致弯曲强度的提高。引言中也给出了类似的介绍。对于加入PFA和ISSA的木质MOC板，也发现了类似的结果。含有20%PFA和15%木纤维（F15）的木质MOC板的弯曲强度略高于C15，这可能是由于PFA的填充效应（Chindaprasirt and Rukzon，2008）以及PFA和MOC之间的反应产生的产物增强了木纤维和水泥基体之间的结合(He et al., 2017a)。然而，F20和F25的强度低于C20和C25。这可能是因为F20和F25的孔隙率高于C20和C25(Chindaprasirt et al., 2005)，从而降低了试样的强度。尽管如此，F20和F25符合国际标准ISO 8335-1987（iso1987）的最低要求（即9MPa）。

加入ISSA的木质MOC板的弯曲强度高于未加入ISSA的木质MOC板，这与我们之前的研究一致（He et al.，2018）。这可能是因为ISSA颗粒是多孔的，形状不规则，会吸收大量的水，并增强水泥基质和木纤维之间的结合(Lin et al., 2008)。

3.2.耐高温性

尽管MOC具有很高的耐火性并被用作阻燃材料（Montle and Mayhan，1974a，1974b），但木材的炭化温度通常在120℃-150℃之间（Babrauskas，2002）。因此，有必要对木材MOC板高温暴露后的性能进行测试。木质MOC板的弯曲强度如图4（b）-（d）所示。可以看出，强度随着暴露温度的升高而降低，原因有二。首先是水化产物的分解。根据以往的研究，MOC暴露在200℃时，会有游离水蒸发，200℃以上会有结晶水流失。在较高的温度下，MOC中3相和5相的水化产物分解为MgO和HCl (He et al.，2017a)。第二个原因是木材纤维的炭化。由于水化产物和木材纤维的损失，孔隙率的增加导致了强度的降低。

对于对照板（图4（b）），当暴露温度达到300℃时，与C15和C20相比，C25具有最高的强度，这与C25的木纤维含量较高有关，因为复合材料中仍有一些木纤维残留（见图5）。 尽管强度有所下降，但暴露于300℃后，C25仍具有可观的强度值。加入PFA的木质MOC板的弯曲强度低于对照板，而加入ISSA的木质MOC板在300℃暴露时仍保持较高的强度，说明后者的水化产物具有较高的热稳定性。当温度达到400℃时，所有的混合物都失去了原来的大部分强度。尽管木质

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