秸稈在水泥基建筑材料中的應(yīng)用

肖力光　李靜瑤

(吉林建筑大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春　130118)

摘要：隨著建筑行業(yè)的發(fā)展,不可再生資源消耗越來越快,隨之而來的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題也日漸突出.因此,作為可再生資源的農(nóng)作物秸稈在建筑材料中的應(yīng)用,成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題.本文主要介紹秸稈的主要成分、結(jié)構(gòu)及其對(duì)水泥基材料性能的影響,分析了秸稈在水泥基建筑材料中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題.

關(guān)鍵詞：秸稈；水泥基建筑材料,；結(jié)構(gòu)組成,；表面處理；性能

0　引言

我國(guó)每年大約有7億t的農(nóng)作物秸稈產(chǎn)出,大部分未得到有效利用,焚燒秸稈嚴(yán)重污染環(huán)境.小麥秸稈,、大米稻草,、玉米穗軸和玉米秸稈等作物含有大量纖維素,具有輕質(zhì)、隔熱,、保溫,、隔音等特性.秸稈在墻體材料中可以發(fā)揮其保溫隔熱性能的特點(diǎn),同時(shí)由于秸稈質(zhì)輕的優(yōu)點(diǎn),可以有效地減輕墻體自重.因此,秸稈在建筑材料中的利用既可以節(jié)省資源，又可以獲得良好的社會(huì)效益.

1　國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

稻草建筑最早來自于1800年末的內(nèi)布拉斯加州平原上,這種建筑由于其良好的冬暖夏涼效果而獲得了廣泛的關(guān)注,直至今日,當(dāng)時(shí)的稻草建筑依然存在[1].從1905年開始,，德國(guó)嘗試用農(nóng)作物秸稈為原料與膠粘劑混合進(jìn)行制板研究,；1920年,美國(guó)露易安那州建立了利用蔗渣制版的生產(chǎn)廠；英國(guó)在20世紀(jì)40年代中期開始用稻草和麥秸制造紙和草板[2],；1970年,，聯(lián)合國(guó)工發(fā)組織就非木材人造板召開了研討會(huì),人造板生產(chǎn)從利用農(nóng)業(yè)剩余物擴(kuò)大至各種秸稈材料.利用秸稈建成的住房保溫性能好,調(diào)性濕好,有助于人體健康,已在英國(guó)、澳大利亞等20多個(gè)國(guó)家推廣.

相對(duì)于國(guó)外,我國(guó)秸稈建筑材料的系統(tǒng)性研究起步較晚,但在幾千年前我國(guó)古代勞動(dòng)人民就已經(jīng)將稻草摻在土中攪拌成泥脫坯壘砌成墻,這種方法在北方農(nóng)村地區(qū)仍在沿用.只是以當(dāng)時(shí)的技術(shù)人們不能從理論上解釋稻草可以阻止墻體裂縫的機(jī)理.直至80年代,我國(guó)南方才形成利用蔗渣制造硬質(zhì)纖維板和刨花板的工廠體系[3].90年代,，開始在我國(guó)的黑龍江哈爾濱市,、遼寧省本溪市、吉林省白山市,、內(nèi)蒙古等農(nóng)村地區(qū)實(shí)施草磚房建設(shè)示范工程.近年來,隨著建材產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理化以及先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出大批生產(chǎn)秸稈板材的廠家,其產(chǎn)品市場(chǎng)逐步由國(guó)內(nèi)拓展到海外.現(xiàn)如今,，秸稈瓦、稻草磚,、秸稈混凝土等在我國(guó)已經(jīng)開始了實(shí)際應(yīng)用,為秸稈的有效利用提供了新的途徑.

2　秸稈的成分組成及結(jié)構(gòu)

秸稈經(jīng)過粉碎后的主要成分是纖維素,、半纖維素、木質(zhì)素,、果膠及蠟質(zhì)等,其中纖維素為主要成分,它是由D-葡萄糖基通過β(1,，4)苷鍵鏈接起來的線性高分子聚合物,起骨架支撐作用,是提供力學(xué)性質(zhì)的主要成分.半纖維素與纖維素緊鄰,起粘結(jié)作用.木質(zhì)素是一種具有芳香特性的、結(jié)構(gòu)單元為苯丙型的三維空間立體結(jié)構(gòu)的高分子化合物.秸稈的微觀結(jié)構(gòu)外層是以SiO2為骨架包裹一層致密的纖維素[4],中層和內(nèi)層主要是木質(zhì)素和半纖維素,結(jié)構(gòu)較疏松.通過掃描電鏡獲得的秸稈表觀形貌見圖1.

圖1 帶瓤玉米秸稈內(nèi)表面形貌

圖2 帶瓤玉米秸稈橫斷面形貌

從圖1可以看出,，圖片左下角為玉米秸稈皮纖維,其表面平滑,結(jié)構(gòu)致密,帶有一層蠟質(zhì)的“保護(hù)膜”,而其右上角為瓤纖維,結(jié)構(gòu)疏松,表面粗糙,比表面較大;圖2為帶瓤的玉米秸稈橫斷面形貌圖,其左上角為秸稈瓤的部分,孔隙較大,而右下角為秸稈皮的部分,結(jié)構(gòu)較致密,孔隙相對(duì)較小,因此可知,，玉米秸稈具有良好的生物降解性能及阻裂增韌性能,也是一種多孔保溫及吸聲材料.

3　秸稈水泥基復(fù)合材料的性能

3.1　增韌性能

2009年，肖力光等[5]人在秸稈纖維對(duì)水泥基材料阻裂性能影響研究中得出了低堿水泥混凝土中摻入適當(dāng)比例的秸稈纖維可以提高其抗折強(qiáng)度,對(duì)由于物理收縮引起的塑性開裂有很好的阻礙作用.Chaofei Li等[6]人對(duì)秸稈增韌水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,秸稈的摻量過多會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度有所下降,但是摻量適宜時(shí)其強(qiáng)度完全可以用在建筑中非承重部分.美國(guó)加州的D.C. Jansen和新西蘭的K.R.Camann,MS,LEED AP等人對(duì)混凝土秸稈夾心砌塊墻通過靜態(tài)加載儀測(cè)試了它的屈服強(qiáng)度和剛度[7]并與傳統(tǒng)的稻草轉(zhuǎn)進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)其在側(cè)向力學(xué)性能很好,在某些方面優(yōu)于傳統(tǒng)的木結(jié)構(gòu)建筑,甚至可以成為很好的抗震材料.

3.2　保溫性能

劉洪鳳等[8]使用掃描電鏡對(duì)秸稈的內(nèi)部孔隙率進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)秸稈內(nèi)部孔隙較大,平均孔隙率可達(dá)80%.因此秸稈用于建筑材料具有優(yōu)異的保溫性能及吸聲性能.蔣連杰等[9]人在研究中發(fā)現(xiàn),秸稈經(jīng)過粉碎后與礦棉,、玻璃棉等的導(dǎo)熱系數(shù)相似,具有優(yōu)異的保溫性能.而Luiz C.Roma Jr等[10]人也對(duì)秸稈增韌水泥復(fù)合材料的熱性能進(jìn)行了研究,研究結(jié)果與蔣連杰的結(jié)論一致,認(rèn)為秸稈完全可以代替石棉使用.Zhang Zupeng等[11]人研究了秸稈混凝土夾心砌塊的熱工性能,分別在秸稈植物纖維含量為5%和15%時(shí)進(jìn)行測(cè)試,得到溫度分布和試件所受對(duì)流的熱負(fù)荷規(guī)律,然后計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)和熱電阻,結(jié)果表明,混合植物纖維能有效提高混凝土空心砌塊的熱工性能,獲得更好的保溫效果.劉福勝等[12]對(duì)秸稈夾心混凝土砌塊建筑墻體進(jìn)行監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)普通混凝土砌筑墻的導(dǎo)熱系數(shù)高于秸稈夾心混凝土砌筑墻的25%,這充分說明了其保溫性能的優(yōu)良.周林聰?shù)?span>[13]人對(duì)秸稈混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測(cè)定,發(fā)現(xiàn)隨著秸稈摻量的增加,試塊的導(dǎo)熱系數(shù)逐漸減小,秸稈摻量10%的試塊比秸稈摻量2%的試塊保溫性能提高了13%.

3.3　防水性能

秸稈墻體材料的耐久性是衡量其好壞的重要指標(biāo),而防水性能又是影響耐久性的重要因素.從圖1和圖2可以看出,，秸稈內(nèi)部有許多的孔隙及毛細(xì)管道,也正是由于這樣的結(jié)構(gòu),致使水分會(huì)通過毛細(xì)管道慢慢滲透到內(nèi)部,因此吸水率也很大,同時(shí)纖維素是多羥基化合物呈現(xiàn)出纖維狀并且本身具有親水性吸水能力強(qiáng),導(dǎo)致秸稈在潮濕環(huán)境中極易腐爛,所以國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)秸稈的防水處理展開了研究.Luiz C,Roma Jr等人對(duì)劍麻秸稈和桉樹植物纖維進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)秸稈的摻入量對(duì)復(fù)合材料的物理性能的影響較大,當(dāng)摻入量為3%時(shí),其吸水率和滲透孔隙體積最小,體積密度較高.阿爾及利亞的M.Bouhicha和F. Aouissi等[14]人對(duì)水泥混凝土部分進(jìn)行了耐久性試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)如果秸稈用防水劑處理之后其吸水率明顯下降,加聚合物的水泥混凝土砌塊會(huì)更好的防止水分的進(jìn)入,從而提高其耐久性.因此，秸稈的防水處理也是一個(gè)提高秸稈水泥基復(fù)合材料耐久性的一個(gè)重要方式.

3.4　耐火性能

英國(guó)的檢測(cè)公司對(duì)稻草磚的耐火性能進(jìn)行過2h耐火測(cè)試[15],結(jié)果顯示完全符合ASTM E119-05a建筑材料防火性標(biāo)準(zhǔn).這是由于秸稈是經(jīng)過密實(shí)擠壓成型,內(nèi)部與氧氣隔絕,不能提供燃燒條件,故其阻燃性能很好.A.Agueda等[16]人對(duì)秸稈板的阻燃性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)中所用的秸稈板一部分未用阻燃劑處里而一部分用阻燃劑預(yù)處理,然后分別觀察在任何坡度但沒有風(fēng)的火焰?zhèn)鞑ニ俣?、上坡但沒有風(fēng)的傳播速度和無(wú)坡度但有風(fēng)輔助條件下的火焰?zhèn)鞑ニ俣?發(fā)現(xiàn)火焰的傳播速度與有無(wú)風(fēng)輔助以及火花強(qiáng)度相關(guān)性不明顯,只與是否用阻燃劑預(yù)處理有關(guān).因此,，用阻燃劑處理后的秸稈纖維混凝土、秸稈夾心砌塊等在實(shí)際應(yīng)用中具有很好的阻燃性,完全可以達(dá)到防火標(biāo)準(zhǔn).

3.5　秸稈與水泥基體的粘結(jié)性能

Savastano HJ[17]對(duì)稻稈與水泥基體的粘結(jié)性能進(jìn)行了研究.研究結(jié)果表明稻稈中的糖類,、木質(zhì)素等在水泥表面形成吸附層從而影響水泥水化進(jìn)程,降低水化速度,因此對(duì)秸稈表面改性成為研究的重點(diǎn).國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也對(duì)秸稈的這一特性做出了深入研究.YueYunLong等[18]發(fā)表的一篇文章表明植物纖維通過尿素甲醛樹脂處理表面纖維可以有效地提高秸稈纖維混凝土的力學(xué)性能.2005年,，肖力光等[19]人對(duì)秸稈纖維與水泥漿體之間相界面,、復(fù)合效果等方面進(jìn)行了研究,研究中使用表面改性劑對(duì)秸稈進(jìn)行了預(yù)處理,結(jié)果表明秸稈纖維與水泥漿體之間取得了良好的界面效果.隨著研究的進(jìn)展,用NaOH、石灰石等堿性溶液對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理較為常見[20-21].張琳[22]以NaOH溶液的濃度和浸泡秸稈的時(shí)間分別為變量,測(cè)定質(zhì)量損失,選定最佳變量.結(jié)果表明NaOH可以有效減少糖類等浸漬物對(duì)水泥硬化的影響,雖然經(jīng)過堿溶液處理的小麥秸稈仍然有糖類等物質(zhì)浸出,但當(dāng)秸稈摻量適量時(shí),秸稈的抗拉作用大于糖類物質(zhì)對(duì)水泥水化的影響.以上可以看出秸稈表面處理對(duì)秸稈水泥基復(fù)合材料的力學(xué)影響較大.

4　結(jié)語(yǔ)

秸稈作為建筑材料主要是應(yīng)用其纖維增韌性能以及其優(yōu)良的保溫性能,秸稈的應(yīng)用可大大改善普通混凝土自重大,、容易產(chǎn)生開裂以及混凝土砌塊的保溫隔熱和隔音效果不理想等問題[23].秸稈水泥基材料應(yīng)用需要解決的重點(diǎn)難題：一是秸稈與水泥漿體的界面粘結(jié)問題;二是秸稈部分浸出物影響水泥水化進(jìn)程,、降低材料強(qiáng)度問題;三是秸稈的應(yīng)用還要考慮到蟲蛀、防潮,、防腐蝕等問題.秸稈建材不僅能優(yōu)化建筑物性能,，節(jié)省資源、保護(hù)耕地,、減少環(huán)境污染,而且能帶來巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益.

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The Application of Straw in Cement Based Building Materials

XIAO Li-guang,，LI Jing-yao

(School of Materials Science and Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun,China　130118)

Abstract：With the rapid development of the construction industry,the non-renewable resources have been consumed more and more quickly,and the energy crisis and environmental pollution were becoming increasingly prominent.Therefore,as the renewable resources,the application of agricultural straw in the construction was more and more widely,and became a hot research subject at home and abroad This paper mainly introduced the structure,the main components of the straw and its effect on mechanical properties of cement based building materials,analyzed the important technical problems of the application of straw in cement based building materials.

Keywords：straw,；cement based building materials；structure composition,；surface treatment,；performance

收稿日期：2015-10-20.

基金項(xiàng)目：吉林省高等學(xué)校秸稈綜合利用高端科技創(chuàng)新平臺(tái)項(xiàng)目(吉高平合字[2014]C-1).

作者簡(jiǎn)介：肖力光(1962～),男,吉林省長(zhǎng)春市人,教授,博士.

中圖分類號(hào)：TU 5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-8919(2016)04-0048-04