生物質(zhì)秸稈建材在墻體材料中的應(yīng)用及優(yōu)化方案分析

王培培 石春鴿 李敏 李群 吳培瑞 潘東芳

摘 要：秸稈建材作為一種新興的生態(tài)材料，在墻體材料的應(yīng)用中越來(lái)越受到重視。本文闡述了秸稈建材在我國(guó)現(xiàn)階段的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)了該生態(tài)建材性能上的優(yōu)缺點(diǎn)，并著重介紹了秸稈砌塊在原材料、生產(chǎn)工藝等方面的優(yōu)化方案分析，從而得到材料力學(xué)性能顯著提高的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案。

關(guān)鍵詞：秸稈建材；性能優(yōu)化；秸稈砌塊實(shí)驗(yàn)

一、秸稈建材的發(fā)展

1.秸稈建材的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)保節(jié)能的理念深入人心，國(guó)家提出的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略也得到積極響應(yīng)，因此生物質(zhì)材料逐漸進(jìn)入人們的視線。另外，隨著我國(guó)建筑行業(yè)對(duì)木材需求的日益增加，木材資源越來(lái)越短缺，所以生物質(zhì)秸稈建材的概念和生產(chǎn)技術(shù)再次引起社會(huì)的關(guān)注。

2.秸稈建材性能的優(yōu)缺點(diǎn)

我國(guó)的秸稈資源分布較為廣泛，種類(lèi)繁多。從秸稈建材的發(fā)展歷史來(lái)看，與外國(guó)相比，雖然我國(guó)發(fā)展秸稈建材的時(shí)間較晚，但我國(guó)在生產(chǎn)工業(yè)方面已經(jīng)有了秸稈建材的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用。例如：火車(chē)頭星河建材的新型環(huán)保生態(tài)材料，它是以秸稈、稻草等生物質(zhì)原料通過(guò)專(zhuān)用技術(shù)和專(zhuān)用設(shè)備，經(jīng)過(guò)常溫復(fù)合模壓而成的新型材料，該建材在陜西省得到推廣。此外，由于秸稈本身具有一定的柔性，內(nèi)部疏松多孔，使這種新型秸稈生態(tài)建材具有一定的抗震、隔音、保溫性能。同時(shí)，秸稈中硅元素含量較高、腐蝕速度極低，使該種建材的使用壽命得以延長(zhǎng)。當(dāng)然，之所以秸稈在建筑材料中得不到廣泛應(yīng)用，是由于其強(qiáng)度極低這一致命缺點(diǎn)，使得大多數(shù)群眾對(duì)秸稈建材的認(rèn)可度較低，并且國(guó)內(nèi)在秸稈建材的結(jié)構(gòu)、施工等方面缺乏系統(tǒng)的研究。

在充分了解秸稈建材的優(yōu)點(diǎn)及缺陷之后，本項(xiàng)目研究在發(fā)揮秸稈建材優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)秸稈建材在生產(chǎn)及性能方面的優(yōu)化，改良秸稈建材的性能，提高秸稈的利用率。

二、秸稈砌塊優(yōu)化方案分析

1.原材料優(yōu)化

該課題以秸稈建材為中心，從當(dāng)前國(guó)內(nèi)的秸稈建材發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，本著環(huán)保、綠色、節(jié)能的原則，對(duì)墻體材料的性能和材料組成進(jìn)行優(yōu)化研究，制訂了一套可行的實(shí)驗(yàn)方案，根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而對(duì)課題的創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行可行性分析。以下是筆者小組對(duì)實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)方案的確定過(guò)程。

（1）秸稈的確定

通過(guò)課題組成員搜集大量的文獻(xiàn)資料，對(duì)秸稈建材進(jìn)行深度分析研究以及全體成員的實(shí)地考察之后，筆者對(duì)秸稈建材的原材料進(jìn)行初步確定，分析及確定過(guò)程如下：

①秸稈種類(lèi)的確定

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，糧食產(chǎn)量巨大，秸稈資源十分豐富。我國(guó)的秸稈種類(lèi)主要有水稻、玉米、棉花及小麥等，其中應(yīng)用最為廣泛的是水稻和小麥秸稈。

根據(jù)以往的論文及數(shù)據(jù)資料結(jié)果分析顯示，秸稈的各項(xiàng)指標(biāo)變動(dòng)受秸稈中不同化學(xué)成分的直接影響。木質(zhì)素的主要物質(zhì)組成是聚合芳香醇，其主要作用是通過(guò)形成交織網(wǎng)達(dá)到硬化細(xì)胞壁的效果，這種物質(zhì)主要存在于植物的木質(zhì)組織中。另外，木質(zhì)素主要位于植物體的纖維素纖維之間，起著抵抗外部壓力的作用。

秸稈中還有一種主要的化學(xué)物質(zhì)——纖維素。纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，溶解性較差，不溶于水及一般有機(jī)溶劑。經(jīng)過(guò)查閱資料后分析得到，纖維素的含量主要影響結(jié)構(gòu)材料的韌性，二者成正相關(guān)關(guān)系，即纖維素含量增加會(huì)提高結(jié)構(gòu)材料的韌性，木質(zhì)素含量的增加會(huì)提高結(jié)構(gòu)材料的硬度。由此分析可得，秸稈建材中所用到的秸稈應(yīng)根據(jù)木質(zhì)素和纖維素的含量進(jìn)行選擇。針對(duì)小麥、玉米、棉花、水稻這四種秸稈，確定采用小麥稈和玉米稈作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)的秸稈材料種類(lèi)。

②秸稈部位的確定

由于農(nóng)作物秸稈遇水后浸出的糖類(lèi)和木質(zhì)素為親水性表面活性物質(zhì)，當(dāng)與水泥混合后，糖類(lèi)和木質(zhì)素分子會(huì)吸附在水泥表面，影響水泥的水化凝結(jié)?？紤]到這一影響因素，在確定秸稈建材原材料的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)對(duì)這兩種物質(zhì)的析出進(jìn)行控制。通過(guò)查閱小麥、油菜等農(nóng)作物秸稈中不同部位的成分組成之后，得出的結(jié)論是化學(xué)成分的差異性不僅體現(xiàn)在秸稈種類(lèi)上，對(duì)于同一種秸稈的不同部位，其化學(xué)成分的含量也存在相當(dāng)大的差異。在植物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成中，纖維素含量較高的部位是稈部和穗部（穗部的主要物質(zhì)是半纖維素），木質(zhì)素含量較高的部位是穗部。因考慮到還需要減少糖類(lèi)和木質(zhì)素分子這兩種物質(zhì)對(duì)材料混合帶來(lái)的不利影響，筆者在決定采用小麥和玉米秸稈的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定采用的部位是去除秸稈穗部的部分。

實(shí)踐證明，僅僅對(duì)秸稈原料采取一般的機(jī)械處理只能達(dá)到一定的長(zhǎng)寬比或長(zhǎng)細(xì)比，很難達(dá)到真正的纖維狀態(tài)。因此，秸稈原料在水泥基體材料中的作用更多的是作為一種填充材料或是一種架構(gòu)材料。

（2）膠凝材料的確定

①有機(jī)膠凝材料

在秸稈建材的粘結(jié)上可選用有機(jī)膠凝材料，其中廣泛用于秸稈人造板材的有機(jī)膠黏劑有脲醛樹(shù)脂膠黏劑、異氰酸酯膠黏劑、三聚氰胺膠黏劑、酚醛樹(shù)脂膠黏劑以及其他改性生物膠黏劑。不同有機(jī)膠凝材料存在的缺陷如下：

脲醛樹(shù)脂膠黏劑因其使用方便、成本低、性能好等優(yōu)點(diǎn)，是目前秸稈板材中廣泛使用的膠黏劑。但通過(guò)對(duì)比分析使用脲醛樹(shù)脂為粘結(jié)材料的木材刨花板和秸稈碎料板的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)秸稈碎料板的強(qiáng)度比木材刨花板要低很多。這是由于秸稈表面存在一層蠟質(zhì)表層，使得秸稈表面的潤(rùn)濕性變差，而且秸稈灰分中二氧化硅含量很高，對(duì)膠黏劑的吸附有非常不利的影響，從而降低了板材的強(qiáng)度。雖然嘗試在脲醛樹(shù)脂中加入改性劑，但仍然無(wú)法從根本上克服使用此種膠黏劑造成的強(qiáng)度差、耐水性差及耐老化性差等問(wèn)題。

異氰酸酯膠黏劑也是廣泛用于人造秸稈板材的一種有機(jī)膠凝材料，與脲醛樹(shù)脂膠黏劑相比，異氰酸酯在提高板材耐水性、縮短熱壓時(shí)間、減少膠黏劑用量等方面都有顯著的優(yōu)勢(shì)，并且這是一種環(huán)保型膠黏劑，克服了脲醛樹(shù)脂釋放游離甲醛從而危害人體健康的缺陷。但這類(lèi)膠黏劑在實(shí)際使用中的成本較高，無(wú)法滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

酚醛樹(shù)脂膠黏劑相比于脲醛樹(shù)脂具有粘結(jié)強(qiáng)度高、化學(xué)穩(wěn)定性好及耐水耐磨等優(yōu)點(diǎn)。但該種膠黏劑目前在我國(guó)的應(yīng)用與研究較少，還不能夠用于板材的批量化生產(chǎn)。

②氯氧鎂水泥無(wú)機(jī)膠凝材料

相比于有機(jī)膠凝材料，無(wú)機(jī)膠黏劑有強(qiáng)度高、耐水防腐、成本低等優(yōu)點(diǎn)，其中氧化鎂類(lèi)的氯氧鎂水泥膠黏劑在秸稈板材中應(yīng)用最為廣泛。氯氧鎂水泥的主要原料是輕燒鎂粉和鹵片。而我國(guó)菱鎂礦資源儲(chǔ)量豐富，居世界前列，而且具有礦石質(zhì)地優(yōu)良、氧化鎂含量高、礦石易開(kāi)采等優(yōu)勢(shì)。所以鎂質(zhì)水泥是用于秸稈建材粘結(jié)的理想膠凝材料。

雖然鎂水泥具有早強(qiáng)、高強(qiáng)、輕質(zhì)耐磨、耐腐蝕、粘結(jié)力強(qiáng)、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，并且能夠大大提高秸稈的使用效率，但鎂質(zhì)水泥與秸稈結(jié)合后出現(xiàn)的強(qiáng)度損失大以及吸潮返鹵現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題，在很大程度上影響了氯氧鎂水泥制品的外觀和強(qiáng)度，限制了鎂水泥制品的進(jìn)一步推廣。為改善鎂質(zhì)水泥因耐水性差而導(dǎo)致的吸潮返鹵及強(qiáng)度損失現(xiàn)象，可在其中加入硫酸亞鐵和硅灰兩種材料。

硫酸亞鐵能夠在不降低鎂質(zhì)水泥材料強(qiáng)度的前提下，加快水化反應(yīng)的速率，并且與其中的氧化鎂反應(yīng)生成硫氧化鎂和氫氧化鐵。所生成的這兩種物質(zhì)都是以一種膠狀絮凝物的形態(tài)存在，可以堵塞水泥制品中的毛細(xì)通道，提高水泥制品的抗?jié)B性，并降低吸濕性，從而對(duì)鎂水泥制品的耐水性能進(jìn)行改善。

硅灰中含有大量活性氧化硅，加入鎂水泥中可充當(dāng)填充料來(lái)堵塞部分內(nèi)部的連通孔，有效增大材料的密實(shí)程度，從而提高抗水性。并且其中大量含有的氧化鋁能與氧化硅一起在鎂水泥的堿性環(huán)境中發(fā)生鋁硅酸鹽反應(yīng)，生成鋁硅酸鎂凝膠。這是一種本身具有良好化學(xué)穩(wěn)定性與耐水性的凝膠，能夠抑制其他水化產(chǎn)物變形，還能夠在鎂水泥制品中充當(dāng)骨架。

結(jié)合提高建材性能與經(jīng)濟(jì)合理性的要求，筆者初步確定將優(yōu)于有機(jī)類(lèi)膠凝材料的鎂質(zhì)水泥作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)的膠凝材料，并添加硫酸亞鐵、硅灰等添加劑來(lái)改善材料性能。

2.秸稈建材對(duì)比實(shí)驗(yàn)

（1）秸稈原料處理工藝

對(duì)于農(nóng)作物整個(gè)植株而言，一般無(wú)法直接拿來(lái)應(yīng)用，在使用之前要對(duì)其進(jìn)行形態(tài)處理。處理的方法有很多種，包括但不限于去掉秸稈髓（穰）、把秸稈削片、進(jìn)行刨花、粉碎等。本實(shí)驗(yàn)將所選秸稈原料切為長(zhǎng)3cm、2cm、1cm 細(xì)長(zhǎng)節(jié)段備用。秸稈類(lèi)非木質(zhì)植物纖維原料一般體積較小，相對(duì)勻稱(chēng)，外表層因二氧化硅含量高而較堅(jiān)硬，且表面有一層蠟層，其秸稈內(nèi)部材質(zhì)疏松，密度較小。玉米秸稈在自然狀態(tài)下曬干，皮穰分離會(huì)形成自然分離層。因此，對(duì)秸稈碎材進(jìn)行適當(dāng)壓縮有利于提高秸稈強(qiáng)度。

（2）關(guān)于秸稈砌塊實(shí)驗(yàn)方案

秸稈：要求干燥、色澤光亮、保存完好，并將稻草切成適當(dāng)尺寸。

水泥：采用P.O42.5氧化鎂水泥。經(jīng)檢測(cè)，水泥的強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間、標(biāo)準(zhǔn)稠度、用水量及體積安定性均符合要求。

骨料：細(xì)骨料為中粗河砂，細(xì)度模數(shù)2.9，含泥量小于1%；粗骨料為10～30mm的卵石，連續(xù)級(jí)配，各項(xiàng)指標(biāo)均符合實(shí)驗(yàn)要求。

試塊尺寸：150mm×150mm×150mm。

材料：小麥秸稈、玉米秸稈。

秸稈粉碎機(jī)械：秸稈粉碎機(jī)。

通過(guò)對(duì)不同種類(lèi)、不同尺寸的秸稈和混合材料分別進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，利用秸稈粉碎機(jī)進(jìn)行破碎，分批次制作成相應(yīng)的砌塊，經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)之后進(jìn)行強(qiáng)度等各方面性能的測(cè)試。

三、研究意義

秸稈建材中的植物纖維具有原生態(tài)的特性，在生產(chǎn)過(guò)程降低了有害物質(zhì)的產(chǎn)生和聚集，而且在達(dá)到使用壽命后還可以回收再利用，不產(chǎn)生污染和有害物質(zhì)。因此，生物質(zhì)秸稈建材的發(fā)展符合人居環(huán)境環(huán)保無(wú)害、節(jié)能舒適的產(chǎn)品特性。理論分析證明，優(yōu)化后的秸稈建材防火、防潮、隔熱以及防蟲(chóng)防鼠等性能均得到明顯提高。

四、結(jié)語(yǔ)

本論文在充分研究秸稈建材的優(yōu)缺點(diǎn)之后，分析原材料的優(yōu)化與秸稈固化成型的優(yōu)化方案，為后期的對(duì)比實(shí)驗(yàn)提供了充分的理論依據(jù)和可行性分析，力求在下一階段得到符合實(shí)際的數(shù)據(jù)。

（通信作者：潘東芳）

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注：本文系青島農(nóng)業(yè)大學(xué)大學(xué)生科技創(chuàng)新項(xiàng)目。

（責(zé)任編輯：王 瑜 黃天駿）