利用秸稈資源開發(fā)村鎮(zhèn)建筑墻體材料的研究

高明

（西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010）

利用秸稈資源開發(fā)村鎮(zhèn)建筑墻體材料的研究

高明

（西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010）

利用農村廢棄的秸稈、氯化鎂和氧化鎂等原料，從秸稈制品的重度、抗壓和抗折等參數出發(fā)，通過試驗配置適合秸稈墻體材料的配合比，并在試配比下測試其熱學和力學性能指標，通過反復試驗得出最優(yōu)配合比，研發(fā)出適合于村鎮(zhèn)并可推廣的節(jié)能型墻體材料。研究結果表明，利用秸稈資源開發(fā)村鎮(zhèn)建筑墻體材料具有良好的抗壓、抗折性能、保溫隔熱性能。

秸稈；村鎮(zhèn)；墻體材料；氯氧鎂水泥

我國農村的秸稈資源因其回收后利用價值較低，常常被焚燒，這樣不但浪費了的資源，而且嚴重污染了環(huán)境資源。從環(huán)保和節(jié)能等可持續(xù)發(fā)展的角度來說，研究秸稈資源開發(fā)村鎮(zhèn)墻體材料制品具有重要的意義。

我國的大部分地區(qū)均有秸稈這種原料，許多高校科研人員對秸稈增強水泥基材料作了很多研究，得出了成果，如章希勝[1]研究并開發(fā)了成本低廉的防滲防漏性能優(yōu)異的植物纖維水泥復合板，取得了良好的經濟效益，邸芃等[2]通過對單一秸稈磚墻的結構體系和物理性能的全面分析，揭示秸稈在節(jié)能、經濟、隔熱保溫和環(huán)保等方面所具有的獨特優(yōu)勢。

本研究利用農村廢棄的秸稈、氯化鎂和氧化鎂等原料，從秸稈制品的重度、抗壓和抗折等參數出發(fā)，通過試驗配置適合秸稈墻體材料的配合比，并在試配比下測試其熱學和力學性能指標，通過反復試驗得出最優(yōu)配合比，研發(fā)出適合于村鎮(zhèn)并可推廣的節(jié)能型墻體材料。

1 實驗

1.1 原材料

秸稈：選用普通的玉米或者稻草秸稈，并將秸稈切割成長度為20～30 mm不等的段；氧化鎂：輕燒氧化鎂，工業(yè)級；氯化鎂：工業(yè)級，連云港日豐鈣鎂有限公司生產；水：自來水。由于氯氧鎂水泥制品易出現泛霜或者返鹵的現象，并且其耐水性較差[3]，因此在實驗中添加一定比例的Ⅱ級粉煤灰。

1.2 實驗方法

采用電子稱稱取150 g秸稈、400 g粉煤灰、600 g氧化鎂，用量筒量取1115 ml的氯化鎂溶液，為保證氯氧鎂水泥與秸稈充分粘結在一起，事先利用氯化鎂溶液濕潤秸稈，時間不少于24 h，并準確記錄氯化鎂的添加量。

秸稈陳化24 h后，充分攪拌秸稈、粉煤灰和氧化鎂，然后邊加氯化鎂溶液邊攪拌，注意攪拌順序，不能先將粉煤灰和氧化鎂與氯化鎂溶液攪拌，這樣易造成結塊，使得秸稈不易與其它混合物結合。攪拌后的混合物軟硬適中并記錄加入氯化鎂溶液的用量。

實驗過程中取100 mm×100 mm×100 mm的實驗用模塊2組，300 mm×300 mm×25 mm的實驗用模塊2組，并在模板的表面涂抹黃油，保證其密實性，防止出現漏漿的情況發(fā)生。并在振動臺振動，直到實驗材料密實，用模板尺整平試塊的表面。

將制作好的模塊在常溫下養(yǎng)護1 d，拆模后在溫度（20± 2）℃，相對濕度95%以上條件下養(yǎng)護7 d和28 d后測試試塊的強度、密度和導熱系數，性能測試按照GB 50574—2010《墻體材料應用統(tǒng)一技術規(guī)范》進行。

2 秸稈作為墻體材料的配合比研究

2.1 氯化鎂溶液潤濕秸稈情況下膠凝材料的實際配合比研究

氯氧鎂制品中各個組成材料配合比直接影響到產品的性能[4]，按照混凝土配合比的方法對氯氧鎂進行優(yōu)化設計，確定3種比例關系，包括粉煤灰等的摻合率、單位體積的用水量和氯氧比（氧化鎂與氯化鎂之比），這3個參數值的比例直接關系到氯氧鎂制品的性能和效益。

氯氧鎂制品中摻合率指標和氯氧比指標在配合比的優(yōu)化設計過程中是很重要的，但這2項指標很難加以確定，本研究采用經驗數據通過試配的方法加以計算，最后得出優(yōu)化配合比。試驗中的秸稈根據實際用量的情況加入，因試驗中氯化鎂溶液的溫度隨季節(jié)的變化較大，試驗環(huán)境的平均氣溫在26℃，波美度的取值為26，按照經驗數據，氯化鎂溶液取值730ml，粉煤灰和氧化鎂分別取值400g和600g，總體積用水量600ml。

按照參考配合比對上述膠凝材料進行實際試配，對粉煤灰和氧化鎂設定為固定值，分別為400 g和600 g，將秸稈和氯化鎂設定為變動值。其它原材料配合比結果見表1。

表1 氯化鎂溶液潤濕秸稈實驗配合比

從表1可以看出，試驗樣品中的秸稈用量偏低，1#～4#樣品的秸稈用量均低于100 g，氯氧鎂水泥的性能沒有因為秸稈加入受到實質的變化。5#～10#樣品是利用氯化鎂溶液浸泡一定量的秸稈，在浸泡時，采用一邊加入定量的氯化鎂溶液，一邊將秸稈與氯化鎂溶液攪拌。這樣一方面節(jié)省了氯化鎂溶液，另一方面使得氯氧鎂的膠凝材料可以和秸稈有效的結合，增加試制樣品的強度。在試驗時，已經潤濕的秸稈需放置12 h以上，并在試驗前稱重，秸稈在試驗時新增加的量根據實際情況確定，5#～10#樣品的秸稈用量不斷提高，從105.3 g提高到179 g，減少氯氧鎂水泥用量試配秸稈墻體材料。此外，試驗樣品中因氯化鎂含量高導致返鹵泛霜現象明顯。針對此類問題，試驗將進一步探索通過減少氯化鎂的含量，同時提高秸稈的用量來配置材料。

試驗結果表明：

（1）秸稈和氯氧鎂水泥可有效牢固結合，秸稈在膠凝材料中的含量變化較大，而氯化鎂溶液在膠凝材料中所使用量變化不大。

（2）試驗樣品在3 d的自然養(yǎng)護條件下，出現返鹵泛霜的情況，并且該種情況隨養(yǎng)護時間延長逐漸嚴重，養(yǎng)護28 d后穩(wěn)定。出現該種情況是因為試驗用的樣品中氯化鎂未產生化學反應，在樣品表面出現小晶體，利用電鏡放大后的晶體照片見圖1。

圖1 晶體放大后的照片

2.2 自來水潤濕秸稈情況下膠凝材料的實際配合比研究

因氯化鎂溶液中存在沒有發(fā)生化學反應的晶體析出，導致上述試驗的樣品中存在返鹵泛霜現象，因此用自來水替代氯化鎂對秸稈進行預先濕潤，降低氯化鎂溶液的量。試驗研究過程中固定粉煤灰400 g，氧化鎂600 g，其它原材料配合比見表2。

通過利用自來水潤濕秸稈替代氯化鎂溶液，可以顯著降低試塊表面的返鹵泛霜，秸稈和氯氧鎂水泥仍然可有效牢固結合，并降低氯化鎂的使用量。

表2 自來水替代氯化鎂潤濕秸稈實驗配合比

通過對試驗樣品的導熱系數、抗折和抗壓性能進行檢驗，按照最優(yōu)性能確定最優(yōu)配合比（質量比）為：氧化鎂∶粉煤灰∶秸稈∶氯化鎂∶水=4.5∶3∶1.1∶2∶7.5。

3 秸稈墻體材料主要控制指標研究

將秸稈資源作為村鎮(zhèn)建筑的墻體材料進行研究，最終的目的是保證墻體材料在力學性能和熱學性能方面滿足要求。因此，按照上述最優(yōu)配合比情況下制作2種試驗用樣品測試其主要性能指標，第1種，制作3組立方體試塊（100 mm×100 mm×100 mm），共9個試塊；第2種，制作3組棱柱體板材樣本（300 mm×300 mm×25 mm），共6個試塊。性能測試結果見表3。

表3 最優(yōu)配比秸稈制品的性能測試結果

3.1 密度

秸稈砌塊樣品密度越輕，孔隙率越小，保溫性能越差，反之越好。為達到良好的保溫效果，研究將密度目標值控制在800 kg/m3。由表3可見，試塊樣品的密度可以依據秸稈的使用量加以控制，并根據實際需要變動。

3.2 抗壓強度

抗壓強度在農村墻體建筑中是重要考慮的指標，如果秸稈制品的抗壓強度高，可以作為承重墻，如果秸稈制品的抗壓強度較低，可以作為填充墻[5]。本研究主要關注利用秸稈制品作為填充墻，強調高強度低質量，抗壓強度控制在2 MPa。

實驗結果表明，與黏土磚相比，試塊樣品的破壞方式不同，沒有發(fā)生脆性破壞，僅僅出現裂縫，未全部破壞。破壞后人工折斷見圖2。

圖2 人工折斷后的秸稈制品

3.3 抗折強度

試驗中選擇的試塊大小為40 mm×40 mm×160 mm，其外觀見圖3。

圖3 棱柱體秸稈制品試塊

由表3可見，秸稈制品的28d抗折強度為0.75～1.29 MPa，強度較高，比黏土磚高2～3倍。同時在抗折試驗中秸稈試塊并未發(fā)生脆斷，但折斷后仍然具有強度，存在裂紋，見圖4。產生此種現象是因為氯氧鎂制品發(fā)生內部裂紋時，秸稈能夠阻止裂紋的進一步擴大，使得氯氧鎂的制品呈現柔性，提高其抗裂性，同時利用秸稈墻體材料比其他氯氧鎂材料在抗拉性、抗剪性、抗疲勞性能顯著改善。

圖4 折斷后的棱柱體秸稈制品試塊

3.4 導熱系數

采用智能化導熱系數測定儀DRCD-3030測試導熱系數，將其工作參數設定為：計量面積0.02 m3、試件樣品的厚度為0.025 m、工作箱溫度設定為5℃，計量板的溫度設置為35℃，左、右冷板的溫度均為15℃，穩(wěn)態(tài)的時間設定為500 min。為了保證實驗數據的準確性需要將秸稈烘干，并將打磨好的秸稈板材與傳熱板盡可能多的接觸。

由表3可知，第9組秸稈制品的導熱系數最大值為0.160 W/（m·K），最小值為0.143 W/（m·K），平均值為0.152 W/（m· K），與傳統(tǒng)墻體材料相比較，加氣混凝土導熱系數是秸稈墻材的2倍，秸稈墻材具有良好的保溫性能。通過實驗證明，利用秸稈開發(fā)的建筑墻體材料，可以顯著改善建筑墻體材料的保溫性能。

3.5 耐水性

秸稈墻體材料耐水性能試驗結果見表4。

表4 秸稈墻體材料的耐水性

由表4可見，秸稈墻體材料經過水中浸泡后強度明顯降低，水中浸泡7 d后平均抗壓強度降低了12.49%。

4 結語

（1）利用秸稈資源開發(fā)的建筑用墻體材料具有良好的抗壓和抗折性能，符合村鎮(zhèn)的填充墻或者承重墻的需求。秸稈制品的抗折強度較燒結普通磚或者混凝土的砌塊，使得氯氧鎂制品由脆性性能呈現一部分柔性性能。

（2）利用秸稈制作的氯氧鎂制品導熱系數為0.152 W/（m· K），密度為800 kg/m3，均低于燒結普通磚和混凝土砌塊，并具有良好的保溫隔熱性能，可以作為良好的自保溫墻體材料，與傳統(tǒng)的墻體保溫材料相比，秸稈制品的壽命具有與結構主體相同的優(yōu)勢。

（3）秸稈制品的返鹵泛霜可以通過降低氯化鎂在氯氧鎂中的比例來降低。

[1]章希勝.植物纖維水泥防滲漏屋面板研制[J].中國建筑防水，1998（2）：13-14.

[2]邸芃，戢嬌，劉蘭斗.秸稈節(jié)能墻體的應用研究[J].工業(yè)建筑，2011（5）：57-92.

[3]劉倩倩，余紅發(fā).玻璃纖維增強氯氧鎂水泥的耐久性及其性能退化機理[J].硅酸鹽通報，2010（4）：908-913.

[4]任鵬，李秀輝，孟慶林.?；⒅楸厣皾{的吸放濕及導熱性能[J].土木建筑與環(huán)境工程，2010（4）：71-75.

[5]覃文清.新型節(jié)能保溫材料現狀及阻燃技術的研究[J].新型建筑材料，2011（8）：72-75.

[6]史陽光，馮勇.棉花秸稈草磚墻熱工性能研究[J].新型建筑材料，2016（1）：43-45.

Research on using the straw resources to develop the buildings wall products of village and town

GAO Ming
（School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China）

Use the materials of waste straw，magnesium chloride and magnesium oxide，and start from the heavy，compression and bending of resistance the straw products，measure its thermal and mechanical properties by use of the fit ratio of the straw wall material which is suitable for the experiment.The optimal mix ratio is obtained through repeated experiments，which are suitable for the development of energy-saving wall materials which can be popularized in villages and towns.The results show that the buildings wall products developed with the straw resources have good compression，bending strength and thermal insulation performance.

straw，village and town，the buildings wall products，magnesium oxychloride cement

TU52

A

1001-702X（2016）07-0093-04

國家自然科學基金重點項目（40730525）

2016-03-03；

2016-04-21

高明，男，1971年生，陜西延安人，碩士，講師，研究方向：綠色建筑研究與實踐、既有建筑改造。