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柚子皮用于制作轻质普通砖的实验研究

2024-09-10 28 上传者：管理员

摘要：对农业废弃物柚子皮用于制作轻质普通砖开展了研究。结果表明，利用柚子皮作掺合料制作轻质普通砖能够满足普通砖的相关质量要求。其中，在拌合物塑限一定条件下，当干燥的柚子皮粉掺入量不超过10%时可得到外观良好的砖坯；柚子皮粉末的掺入使砖的体积密度减少约100kg/m3；随着柚子皮粉末掺入量的增加，煅烧后砖的抗压强度逐步降低，减少约18%，同时，提高煅烧温度有利于强度发展。

关键词：
农业废弃物
柚子皮
深加工
物理力学性能
轻质砖
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自从100多年前柚子树被引到梅州种植开始，梅州地区柚子种植面积不断增大，已成为广东省最大的柚子产业区，是全省90%的柚子产量的来源地，同时约占了全国20%的产能。目前梅州全市柚子种植面积约413平方公里，总产量达95万吨[1,2]。按照梅州柚产业发展工作实施方案（2021～2025年），预计到2025年，种植面积达到100万亩、总产量达100万吨以上、总产值达100亿元以上[3]，但是受生产方式、品种结构、采后商品化处理和加工层次等因素的影响，当前梅州柚的深加工层次低，采摘后的果品都以生鲜果品上市，缺乏经深加工环节后再进入流通领域的产品[4]。未来随着柚子产量的增加，仍沿用传统方式直接将统货投放市场，可能会出现种植面积和产量大幅增加，而产值停留不前的现象。因此，如何将产值增加上去值得广大种植户和研究人员共同探讨。

近年来，关于柚子深加工则从提升总体产量到药用微量元素的提取等方面开展相关研究。在产量提升和产品销售方面，研究人员在分析梅州种植柚子区域优势、自然条件和政策引导等的基础上，从全域发展规模、产业规划、品种定位、种苗培育、施肥技术（包括测土配方和周期施肥）综合思考，提出标准化果园建设、品种选育和无病毒种苗培养体系建设等建议[2,4]。另外，为更好地销售柚类产品，分析其产业链各环节存在的不足，提出通过发挥政府引导作用，从专业人才培养，搭建农业合作组织并充分发挥其平台功能，共同打造多样化的销售平台，从而提高梅州柚类品牌知名度[1]，真正使种植户收入得到提高，为推动梅州经济发展作出贡献。在果肉加工和药用价值开发方面，研究人员和相关从业者利用柚皮制作蜜饯[5]，柚皮裹茶[6]，或从柚子皮提取柚甘素等植物活性成分，用于心血管疫病预防的辅助元素[7]。

研究人员虽然对提升高附加值方面做了相关的探讨，但受水果季节性和处理成本的影响，柚类深加工提升价值方面还是受到一定的限制，尤其是柚子皮的开发和利用，因此有必要开发应用量大而且成本可控的途径。将柚子皮进行改性和炭化后，利用其多孔性的炭结构作为载体，复合其它材料后用于废水处理[8]，或将柚皮制作建筑板材成为一种可能[9]，但根据对刚采摘柚子进行果肉和果皮分离后相应重量的分析，发现果皮占总整果重约30%～50%之间，并且果皮含水高达80%，如将其烘干或炭化则耗能较大，因而有必要研究既缩短烘干过程又达到使用量大的方法。在查阅文献资料的基础上，分析建筑材料生产条件及相关要求，开展将柚皮应用到建筑普通砖生产的研究，以期能够生产出既符合烘干过程节能，又可以实现需求量大，找出柚子皮资源化综合应用较为合适的途径。

1、实验

1.1实验原材料

柚子皮：取自梅州市各地产的蜜柚和沙田柚，从树上刚摘取后剥离去肉留置使用；

粘土：取自学校周边梅江郊区山体，土样为植被层以下的黄土；

用XRF技术解释了黏土的化学成分。表1列出了黏土的化学成分。可以看出，黏土氧化物中SiO2是主要的氧化物，占66.42%，而Al2O3为18.18%，高含量着色氧化物包括16.48%Fe2O3和2.51%TiO2，还观察到少量的0.05%MnO，少量的碱性物质，如1.02%MgO、0.06%CaO、1.73%K2O,其他化学成分约含0.3%。粘土颜色为黄色，呈砂状，粘性低，含砂量高，其主要成分为石英。将黏土破碎、研磨后过2.5mm筛孔筛分备用，原材料的粒径范围35～47目。

表1土样主要矿物成分分析

1.2主要实验仪器设备

表2主要实验仪器设备

1.3试验方法

1.3.1柚皮制作

柚子洗净，并用刀去除果肉，剩下的柚子皮切成细丝状在80℃下烘干，搅拌机搅碎后过0.315mm的筛孔筛分备用，呈粉末状。

1.3.2砖样制作

参照传统民居制备普通烧结砖的工艺，确定掺入柚子皮粉末后砖样制作工艺，具体流程如图1所示。按照成型要求将柚子皮粉末以6组比例掺入，具体数据如表3。根据等质量替换原则，添加不同量的柚子皮干粉(0、2%、4%、6%、8%、10%)与黏土充分混合均匀，加入适量水，塑限在控制在3～10之间。将混合料搅拌4～6min陈化24h后在50mm×50mm×50mm的正方形形模具中挤压成型，拆模后在常温下室内自然干燥7d。随后置于900℃、1000℃和1100℃的高温炉内煅烧，保温1.5h,在炉内自然冷却后取出。

表3柚子皮干粉掺入比

图1烧结砖试验工艺流程

2、实验结果分析与讨论

2.1柚子皮掺入对砖样成型的影响

柚子皮干粉末对砖样成型的影响主要体现为三个方面。一是砖坯室内自然干燥过程中其表面会长出霉菌和散发出腐败的味道；二是砖坯在室内自然干燥时表面开裂且裂纹宽度过大；三是煅烧后砖样产生较大裂纹，且宽度达到5mm，致使砖样表面呈龟裂状态。

如图2(a）所示，当柚子皮粉末掺入量达到总质量的20%以后，砖坯在室内自然干燥过程中其表面会生长出霉菌，其颜色呈现灰绿色，并且随着柚子皮粉末含量的增加，菌落密度也会随之增大。

如图2(b）所示，当柚子皮粉末掺入量超过15%时，在保证砖坯成型所需塑限的条件下，柚子皮海绵状皮囊充分吸水，当其与粘土混合均匀期初能保证砖坯表面不开裂，但随着砖坯含水量的减少，其表面层失水收缩而内部受柚子皮粉末吸水性强的影响仍保持不变，从而造成表面产生裂纹，且随掺入量增加裂纹宽度也增大。另外，即使通过调整塑限，采用覆盖等方式延缓表面失水速度，能够保证砖坯表面不开裂，但当室内干燥砖坯置于900℃高温煅烧后相应砖样表面也出现较大裂纹，分析其原因可能是室内干燥条件下，内部果实皮囊仍含有一定量的自由水份，在快速受热后发生汽化现象，随之体积增加引起砖样表面开裂，如图2(c）所示。

图2柚子皮粉末对砖样成型的影响

2.2柚皮粉末对砖样物理特性的影响

按照等量替换原则，将干燥后的柚子皮粉末以0%、2%、4%、6%、8%和10%六类工况进行掺配制作砖坯，并在室内干燥后置于900℃、1000℃和1100℃高温炉内煅烧。测定各工况下砖样的物理特性，结果表明：

柚子皮粉末掺入量不超过10%的情况下，砖坯和煅烧后的砖样均可得到较为良好的外观。如图3所示，煅烧后砖样的外观虽然会产生裂纹，但裂纹数量和宽度均较小。随着柚子皮粉末掺入量的增加，表面产生的裂缝数量也增加。同时，提高煅烧温度可以使表面的烧结更加完整，使其裂纹数量减少(见图4)。

掺入柚子皮粉末使砖样体积密度变小，增加掺入量和提高煅烧温度均可使砖样体积密度减小，降低幅度约为10%。其中，当煅烧温度为900℃时，柚子皮粉末从0%增加到6%，砖样体积密度则从1670kg/m3减少到1500kg/m3。在1000℃时，砖样体积密度介于1700～1520kg/m3之间。当温度升高至1100℃时，其体积密度则介于1640～1480kg/m3。另外，提升煅烧温度能够使掺入柚子皮粉末后砖样的体积密度减小。当温度从900℃升高到1100℃时相应体积密度减低了约2%，可见通过提升煅烧温度并不能大幅降低体积密度。

图3掺入量对烧结砖样外观的影响

线性收缩率是砖样生产的可控条件，能保证砖样的外观基本完好，如果线性收缩率过大则会导致砖样边线变形甚至开裂。随着温度从900℃升高到1100℃，烧结试样的线性收缩率显著增加，900℃时柚子皮粉末掺入量为0%的砖样的线性收缩率为1.04%，而1000℃和1100℃的分别是2.17%和3.04%；同时，随着柚子皮粉末掺入量的增加，砖样线性收缩率也逐步提高。如在1100℃时，随着掺入量增加，砖样的线性收缩率也从3.04%增加到3.75%。

图4温度对烧结砖样外观的影响

图5砖样体积密度

图6砖样线性收缩率

纯黏土砖在900℃下焚烧后，质量损失达到8.19%。这可能是由于燃烧使有机物分解，脱羟基作用使水分去除以及碳酸盐分解所导致，而黏土砖加入柚粉并烧结后，坯体的质量损失，相对于未添加柚粉的质量损失可以达到15.44%，在1000℃下添加6%的柚粉砖质量损失最大可以达到18.3%，可以确定的是柚子皮在烧结过程中，几乎没有质量残余。

图7砖样质量损失率

2.3柚皮粉末对砖样抗压强度的影响

柚子皮粉末的掺入会造成砖样强度的下降，但适当提高煅烧温度后可以使砖样强度达到轻质砖MU10的要求。如图8所示，在900℃时，当柚子皮粉末增加到6%时，砖样抗压强度则从6.39MPa降低到5.22MPa，减小了约22.41%，减少幅度较大。但当温度提升为1100℃时，砖样抗压强度则从11.33MPa变为11.59MPa，又呈现为略有增加现象，约增加了2.29%，而在掺入量为4%时，砖样的抗压强度有较高的数值，可达到15.21MPa。

图8砖样抗压强度

采用1000倍放大镜对破碎后的砖样轴心体进行观察，可以大致判断出经粉碎后的粘土在1000℃以下温度煅烧时，粗粒径的砂仍呈现出颗粒态，并没有足够去参与反应，而柚子皮粉末则全部被煅烧完。另外，对比三者裂纹情况，可发现1100℃的裂纹数量较少，整体性较好，而其余两者则数量上有所增加，造成内部分割状态，从而也影响了强度的发展。所以，当砖样掺入柚子皮粉末后，适当提升煅烧温度让柚子皮粉末得到充分炭化和燃烧，能够有利于提高砖样内部温度，也相应使强度发展。

图9破碎后的内部形貌（1000倍）

3、结论

将柚子皮制成粉末可用于制作轻质普通砖，能够实现其资源化综合利用。在实现农业废弃物再利用的同时，也改善普通砖的物理性能，符合可持续发展的路径，具有较好的环境效应和经济效益。将柚子皮粉碎成粒径小于2.5mm的颗粒后掺入粘土中，按普通砖制作方法完成其砖样成型与煅烧，实验结果表明：

⑴柚子皮粉末会影响砖坯成型，随着掺入量的增加砖坯会出现发霉现象和果皮发酵的味道，同时，通过观察砖坯干燥后的表面，当掺入量超过10%时，表面的裂缝宽度和数量均增加，如将其在高温下煅烧则会促使裂缝进一步发展，从而造成强度也较低。

⑵掺入柚子皮粉末可适当降低砖样的表观密度，尤其当煅烧温度提高后其表现更为明显，砖样的表观密度仅有1480kg/m3，与未掺的相比减少约10%。

⑶以柚子皮作为掺合料用于轻质普通砖的制作，其砖样强度可以达到轻质砖的要求，但随着掺入量的增加其抗压强度总体表现出下降的趋势。但当掺入量为4%时，各温度条件下的强度均为最高值，可以使强度提高约2.5%～20%。

参考文献:

[1]温怡.产业链构建对农业产业发展的影响[D].广州:华南农业大学,2019.

[2]张玲.梅州市柚子种植业发展现状及高效施肥技术[J].乡村科技,2021,10:58-60.

[3]梅州市人民政府办公室.关于印发梅州柚产业发展工作实施方案(2021—2025年)的通知[Z].梅市府办函[2021]40号.

[4]邹苑眉.梅州金柚产业现状及发展对策探讨[J].现代园艺,2023,46(11):89-90.

[5]毛悦,黄德仙,黄翠翠,等.柚皮即食产品加工工艺的研究[J].农产品加工,2023,(06):49-55.