環(huán)境友好型替代性材料稻殼在國內(nèi)建筑行業(yè)的研究進展與應(yīng)用

王凱英，王顯利

(北華大學汽車與建筑工程學院，吉林吉林 132013)

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環(huán)境友好型替代性材料稻殼在國內(nèi)建筑行業(yè)的研究進展與應(yīng)用

王凱英，王顯利*

(北華大學汽車與建筑工程學院，吉林吉林 132013)

稻殼為大宗農(nóng)業(yè)廢料，是近年來新興的重要替代性材料，具有滿足建筑需要的重要特性如建筑隔熱、隔聲、低密度、多孔性等。在國內(nèi)大量文獻的基礎(chǔ)上對稻殼水泥基材料的力學性能、耐久性能、保溫隔熱性能等進行了總結(jié)和分析，并指出了存在問題，以期為國內(nèi)稻殼水泥基材料的深入研究和工程應(yīng)用提供參考和借鑒。

稻殼；水泥基材料；性能；應(yīng)用

隨著全球性人口的急劇增長，對建筑物的高舒適性和低成本性提出了更高層次的需求。正是由于這一需求，出現(xiàn)了可持續(xù)建筑的理念，與環(huán)境相接合，其目的是減少能耗、減少污染、保護環(huán)境、提高生產(chǎn)力等。圍繞這一目標，近年來世界各地都在著力研究和發(fā)展利廢、節(jié)能、輕質(zhì)、高強的多功能環(huán)境友好型替代性材料。稻殼為大宗農(nóng)業(yè)廢料，是稻谷加工過程中的主要副產(chǎn)品，是近年來新興的重要替代性材料，具有滿足建筑需要的重要特性如建筑隔熱、隔聲、低密度、多孔性，此外含有SiO2，具有火山活性，能增加材料的強度和耐久性。稻殼不僅具有良好的韌性，還具有一定的強度，且稻殼顆粒均勻，粒度適中，濕潤后體積不膨脹，易于壓實，有利于拌和均勻和提高混合料的密實度。因而稻殼可用于輕質(zhì)保溫稻殼板、砌塊或磚、水泥制品、保溫砂漿、涂料、合成樹脂，以及應(yīng)用于建筑的其他材料[1]。

1 稻殼的形態(tài)結(jié)構(gòu)及組成

稻殼呈薄殼狀，長約 5 mm，寬約 2.5～5.0 mm，厚不到0.5 mm。稻殼纖維短小，平均長度只有0.3 mm。稻殼真實密度為720 kg/m3，自然堆積密度僅 83～160 kg/m3，未磨碎稻殼摩擦力大，熱傳導率 0.057 W/(m·K)，磨碎后稻殼熱傳導率為 0.067 W/(m·K)[2-3]。

稻殼是一種木質(zhì)纖維素原料，其化學組成：粗纖維35.5%～45.0%，木質(zhì)素21.0%～22.0%，多聚戊糖16.0%～22.0%，灰分13.0%～22.0%，水分7.5%～16.0%，粗蛋白質(zhì)2.5%～3.0%，乙醚浸出物0.7%～1.3%。稻殼含有的二氧化硅以網(wǎng)絡(luò)狀分布其中，起著骨架作用，木質(zhì)素、纖維素等填充在網(wǎng)絡(luò)中。稻殼的結(jié)構(gòu)從外向內(nèi)分為外皮層、纖維層、纖管形成層、薄壁細胞層以及內(nèi)表層 4 部分[4]。圖1A顯示，稻殼的外表面有大量排列整齊的錐形突起，可提高界面粘結(jié)強度；從圖1B可知，稻殼內(nèi)壁較光滑，橫斷面是孔道結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)正是稻殼質(zhì)輕、比表面積大的原因；比較圖1A和圖1B可知，稻殼內(nèi)表面比其外表面和橫斷面要光滑而且有明顯的細長纖維。

2 稻殼水泥基材料的研究進展

2.1 輕質(zhì)稻殼砂漿哈爾濱工業(yè)大學的陳睿等以稻殼、普通硅酸鹽水泥、砂、粉煤灰、水為原材料，加入一定量的外加劑，研制了可作為墻體材料的輕質(zhì)高強、保溫隔聲的新型建筑節(jié)能材料——稻殼砂漿，對密度、強度、導熱系數(shù)等性能進行了研究。研究表明，水泥材料的密度一般約為 3 000 kg/m3，稻殼砂漿的密度約為水泥的1/2，稻殼的加入使水泥材料的密度大幅度降低，與水泥材料相比，稻殼砂漿的抗壓強度和抗折強度均有一定的提高。稻殼的添加使得稻殼砂漿的導熱系數(shù)明顯減小，其導熱系數(shù)僅為水泥材料導熱系數(shù)(0.9 W/(m·K))的1/2～1/3，遠低于其他常用墻體材料的導熱系數(shù)，如普通混凝土導熱系數(shù)為1.51 W/(m·K)，普通紅磚導熱系數(shù)為 0.81 W/(m·K)，兩者的密度分別為2 300 kg/m3和1 800 kg/m3。與普通墻體材料比，稻殼砂漿具有較好的保溫性能[5-6]。

哈爾濱工業(yè)大學的趙琦等用水泥、砂、稻殼和水拌制而成稻殼砂漿，采用尺寸為 150 mm×150 mm×150 mm試塊，進行稻殼砂漿的抗壓強度與彈性模量試驗。試驗計算結(jié)果得到，稻殼砂漿試塊的抗壓強度標準值為 13.33 MPa，抗壓強度設(shè)計值為 9.5 MPa，彈性模量為 2.1×104MPa[7]。

2.2 稻殼輕質(zhì)混凝土20世紀90年代開始，交通部公路科學研究所的高漢忠等研究較便宜的室內(nèi)外輕混凝土保溫材料——稻殼水泥混凝土，以稻殼為骨料，水泥為膠結(jié)劑，107膠作增強劑的混凝土材料，對密度、導熱系數(shù)、抗壓、抗折強度、抗凍性進行了研究。研究表明，稻殼混凝土的密度在0.8～1.3 kg/m3范圍內(nèi)變動；保溫性能好，導熱系數(shù)為0.23 W/(m·K)左右；抗壓強度8～15 MPa(試驗平均強度12.6 MPa)，抗折強度2～6 MPa((試驗平均強度4.9 MPa)，二者比值通?？蛇_2～3。與抗壓強度相比，其抗折強度相對高于用砂石做骨料的混凝土。稻殼混凝土抗凍性能好，在-20 ℃經(jīng)25次凍融后其試件均無變化[8]。

孫樹斌等以含CaO量為18%～22%的增鈣粉煤灰70%、水泥30%、粉煤灰粗渣、稻殼和經(jīng)外表面處理的憎水膨脹珍珠巖等材料為主原料，在硫鋁酸鹽-硫酸鹽復合激發(fā)-膨脹劑的作用下，以濕排灰中產(chǎn)生的粗渣作為集料，無需加入砂、石配制成增鈣粉煤灰-稻殼輕混凝土，在常溫下養(yǎng)護生產(chǎn)新型墻體材料，具有良好的輕質(zhì)性能及保溫性能，其強度可達20 MPa以上，具有較強的實用性能[9]。

2.3 稻殼輕質(zhì)水泥基材料哈爾濱工業(yè)大學的王明江等研制了一種用稻殼、石屑、粉煤灰等工、農(nóng)業(yè)廢料結(jié)合少量水泥制作的新型輕質(zhì)水泥基材料。研究了稻殼摻量、稻殼預(yù)處理方式、制作工藝等對稻殼水泥基材料(Cement-based Rice Husk Materials，簡稱 CRHM)物理力學性能和耐久性能的影響。稻殼摻量在0～8%逐漸增加時，CRHM的抗壓強度隨之大幅度下降，體積密度下降近1/3；稻殼摻量為4%時，體積密度為1 618 kg/m3，較為理想。 隨著稻殼摻量的增加，CRHM 凍融試驗質(zhì)量損失，強度損失逐漸變大。預(yù)處理方式表面噴水，陳化12 h對提高CRHM抗壓強度效果最好，表面噴有機硅烷水溶液，60 ℃烘干對提高CRHM抗凍性效果最好[10]。

2.4 稻殼混凝土

2.4.1稻殼作為骨料對混凝土性能的影響。西北農(nóng)林科技大學的謝瓊等以水泥、石子、砂、稻殼、108膠、水、減水劑配制稻殼混凝土渠道襯砌材料，對各種工程性能進行了系統(tǒng)的研究。研究表明，水灰比、稻殼摻量、稻殼粒徑、耦合劑對混凝土的抗壓強度影響比較顯著，隨著水灰比的增大，稻殼水泥混凝土抗壓強度不斷減??；隨著稻殼摻量的增加，其抗壓強度不斷降低；隨著稻殼粒徑的增大，稻殼混凝土的抗壓強度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律；稻殼耦合劑在改善稻殼混凝土的黏結(jié)性能方面起著很大的作用。隨著稻殼摻量的增加，稻殼混凝土的表觀密度逐漸降低，在稻殼摻量增加到 13%時，其減小的速度明顯放緩，稻殼混凝土的表觀密度已經(jīng)達到輕集料混凝土的范圍。稻殼由于孔隙率較大，稻殼水泥混凝土的抗?jié)B性能比較差，隨著稻殼摻量和水灰比的增大，混凝土的相對滲透系數(shù)逐漸增大；稻殼水泥混凝土的強度損失率隨著稻殼摻量和水灰比的增大而逐漸增大，因而稻殼水泥混凝土的水灰比不宜過大。試驗表明，稻殼水泥混凝土的水灰比和稻殼摻量越小，其質(zhì)量損失率就越小。稻殼具有豐富纖維素、多孔性、低導熱系數(shù)，普通混凝土摻入稻殼后，混凝土的導熱系數(shù)有大幅度的降低，約為普通混凝土導熱系(1.8 W/(m·K))的14%～20%[11-15]。

西北農(nóng)林科技大學的劉長東等用水泥、稻殼、粗骨料、細骨料、粉煤灰、水、108膠、減水劑等配制稻殼混凝土渠道襯砌材料，進行了性能的系列研究。單因素對稻殼混凝土的力學性能影響由大到小依次為水灰比、稻殼摻量、粉煤灰摻量。隨著各因素的增大，其抗壓強度值呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。為了同時滿足混凝土的力學性能和導熱性能，粉煤灰摻量為20%，稻殼摻量為10%，水灰比為0.4時為最佳配合比。通過對混凝土抗?jié)B性能主效應(yīng)分析，得到混凝土抗?jié)B性能的影響因素順序：水灰比>稻殼質(zhì)量分數(shù)>粉煤灰質(zhì)量分數(shù)；粉煤灰-稻殼混凝土的相對滲透系數(shù)隨著粉煤灰質(zhì)量分數(shù)和稻殼質(zhì)量分數(shù)的增大呈現(xiàn)出先減小后增大的拋物線的變化趨勢，隨著水灰比的增大呈現(xiàn)出一直增大的線性變化的規(guī)律。研究表明在不降低混凝土導熱系數(shù)的前提下，在稻殼混凝土中摻入粉煤灰后確實能提高稻殼混凝土的抗?jié)B性能。影響稻殼混凝土抗凍性的影響因素順序為稻殼摻量>粉煤灰摻量>水灰比[16-18]。

2.4.2稻殼磨成粉作為外摻料對混凝土性能的研究。沈陽建筑大學的田悅把稻殼磨成粉以外摻料的形式摻入混凝土中，用普通硅酸鹽水泥、水、粗集料、細集料配制C30混凝土。通過改變稻殼粉的摻量研究C30 混凝土的抗壓強度、抗折強度、抗凍性能及抗?jié)B性能。研究表明在摻量5%～10%的情況下，稻殼粉對混凝土的抗壓和抗折強度早期影響不大，后期影響顯著，但在摻量10%時較摻量為5%及8%時，C30混凝土的抗壓、抗折強度有所降低；在摻量5%～10%的情況下，稻殼粉能明顯提高混凝土的抗凍性；在摻量5%～10%的情況下，稻殼粉對混凝土的抗?jié)B性有一定的影響，能夠提高C30混凝土的抗?jié)B性，當摻入8%時影響尤為顯著[19]。

3 工程應(yīng)用展望

稻殼是一種具有一定的韌性、多孔性、低密度、耐高溫以及質(zhì)地粗糙的高分子天然有機材料。將稻殼回收加工并資源化利用，制備現(xiàn)今社會所需要的各種建筑材料制品，不僅減少了環(huán)境污染，而且減少了對自然資源的浪費。目前應(yīng)該將稻殼應(yīng)用的重點放在原狀或粉碎稻殼方面。工業(yè)上將稻殼稍加處理后，配合水泥或石膏等膠凝材料，制備出阻燃性能符合有關(guān)要求的稻殼保溫砂漿，或者各種輕質(zhì)稻殼保溫板材、砌塊或磚制品。稻殼混凝土一定能為建筑保溫節(jié)能行業(yè)做出應(yīng)有貢獻。

3.1 稻殼砂漿及稻殼水泥基材料應(yīng)用利用稻殼作為砂漿的原料之一，既充分利用了常被作為廢棄物堆積的生物質(zhì)材料，避免了環(huán)境的污染，又降低了墻板的生產(chǎn)造價。稻殼砂漿和稻殼水泥基材料價格低廉，抗壓強度較高，導熱系數(shù)小，具有良好的保溫隔熱性能，可視為物理力學性能良好的輕質(zhì)保溫材料，都可作為新型墻體材料，適用于建筑領(lǐng)域的節(jié)能型墻體材料和密閉性好的圍護結(jié)構(gòu)。稻殼砂漿能夠滿足相關(guān)規(guī)范標準對建筑材料物理力學性能的要求，滿足住宅、學校和醫(yī)院建筑的一級隔聲標準要求，耐火極限及燃燒性能滿足相關(guān)防火設(shè)計規(guī)范的要求，適用于9層及9層以下的住宅，單層、多層以及高層工業(yè)建筑，耐火等級為一級的非承重外墻[6]。

3.2 稻殼混凝土應(yīng)用稻殼輕質(zhì)混凝土作為節(jié)能建筑墻體具有更好的保溫隔熱性能，可以成為新型節(jié)能墻體材料。大量纖維的存在使稻殼可用于輕質(zhì)保溫稻殼板、砌塊或磚制品的生產(chǎn)。但是稻殼中的糖類對水泥的水化有抑制作用，需要研究更加成熟的方法提取出不利于水泥水化的組分或者加入某種添加劑削弱這種作用[20]。在墻體、農(nóng)田渠道襯砌及節(jié)能建筑中也開始采用了稻殼混凝土。

3.3 稻殼-水泥復合材料應(yīng)用稻殼-水泥復合材料作為一種新型的建筑材料，國內(nèi)外都有研究，可用于非承重墻的隔板、裝飾材料、簡易房等[12，21]。

4 結(jié)語

稻殼水泥基材料是利廢、節(jié)能、輕質(zhì)、高強的多功能環(huán)境友好型替代性材料，在建筑工程中有著廣闊的應(yīng)用空間，同時也解決了稻殼農(nóng)業(yè)廢棄物處理的難題。然而，目前稻殼混凝土的研究及應(yīng)用仍處于初級階段，還存在很多問題，用稻殼、粉煤灰替代骨料、水泥用量對稻殼混凝土的抗壓強度、彈性模量、表觀密度、抗?jié)B性能、抗凍性能、抗收縮性能以及導熱系數(shù)的影響規(guī)律等等還需深入研究。因此進一步系統(tǒng)地研究稻殼水泥基材料的配合比設(shè)計和各種性能，能為稻殼水泥基材料的廣泛應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)，并進一步擴大應(yīng)用范圍。

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Research Progress and Application of Cement-based Materials Containing Rice Husk

WANG Kai-ying, WANG Xian-li*

(Automotive and Architectural Engineering College of Beihua University, Jilin, Jilin 132013)

Rice husk as vast agricultural residue is emerging as an importantly alternative building material, which is characterized by thermal insulation, sound insulation, low density, and porosity. Based on domestic literatures, the paper reviews the studies on mechanical properties, durability and insulation of cement-based materials containing rice husk, identifies the existing insufficiency. The results are helpful for the further study on cement-based materials containing rice husk at home and engineering practice.

Rice husk; Cement-based materials; Properties; Application

吉林省教育廳科學技術(shù)研究項目(2013176)；國家級大學生創(chuàng)新項目(2014023)。

王凱英(1977- )，女，吉林永吉人，副教授，碩士，從事新型建筑材料研究。*通訊作者，副教授，博士，從事功能型建材研究。

2014-12-17

S 181.3

A

0517-6611(2015)04-249-03