麥秸稈隔熱保溫材料在木結構墻體中的應用*

楊驍麗 周定國

輕型木結構是北美常見的房屋建造方式,具有節能環保、建造快捷、設計靈活、耐久舒適等特點,尤其在抗震性能上有其他建筑構造形式不可比擬的優越性。隨著我國住宅建筑熱的持續升溫和汶川大地震的發生,輕型木結構已成為重點推廣的建筑技術之一,成為建造別墅和低層住宅的環保選擇,我國于2004年也頒布了相應的《木結構設計規范》。盡管這種住宅目前在中國相對來說價格要高一些,但其市場已經越來越大。填充在輕型木結構的墻體木骨架中間的隔熱保溫非承重墻體,一般采用聚苯乙烯泡沫塑料或者玻璃纖維棉等難以降解的化工材料制成。同時,農作物秸稈這種古老的隔熱保溫墻體材料在我國每年就地焚燒造成的環境污染形式嚴峻,僅靠政府采用強令手段建立法規來禁止難以收效。現行的一些秸稈利用技術效率低下,經濟效益差,投入產出不合算,目前還是主要依靠國家政策補貼進行推廣[1],因此需要從工業方式尋找秸稈的出路。由于秸稈自身的可再生、易得、空腔、質輕、抗鼠蟻、耐腐蝕等特性,在人類歷史上很早就被用作建筑隔熱保溫材料[2]。如果能發揮秸稈本身這種優異的建筑材料特性,無疑能為其綜合利用找到一條新的出路,也能為輕型木結構在中國的推廣鋪墊一條符合中國實際情況的道路。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

麥秸來自南京市郊,為當年收割,含水率為12%～14%,其各部位的纖維形態和化學成分見表1,表2[3]。

表1 麥秸的纖維形態

試驗用異氰酸酯膠粘劑由中國林化所試驗車間生產,為深棕色液體。粘度為450 MPa·s,貯存期為1年～2年,價格為14元/kg,有效成分為40%。

1.2 試驗方法

麥秸稈隔熱保溫墻體的制造工藝如下:

麥秸→切斷成4 cm～6 cm的整稈→料倉→施膠→鋪裝→預壓→熱壓→冷卻→鋸裁→堆放→調濕→檢驗。

根據2007年加拿大木業協會編寫的《中國輕型木結構房屋建筑施工指南》[4],用于墻骨柱的規格材尺寸根據GB 50005木結構設計規范,規格材截面尺寸為寬40 mm×高90 mm或140 mm±2 mm,長度不超過4.9 m,木結構墻龍骨柱間距規范為300 mm,400 mm,500 mm,上限值為 600 mm(如果面板尺寸為 1 220 mm×2 440 mm,該值為610 mm),樓層高度上限值為 3.6 m。因此,秸稈隔熱保溫墻體的厚度均在(90～140)mm±2 mm,寬300 mm,400 mm,500 mm,高上限為3.6 m。

表2 麥秸的化學成分 %

1.3 分析儀器及測驗條件

導熱系數是評定建筑材料保溫隔熱性能的重要指標,對于合理選材具有十分重要的意義,因此對此進行測定是十分必要的。測定建筑材料導熱系數的方法可分為兩大類:穩態法和非穩態法。兩類方法的各種形式各有特點和適用條件,不同材料根據自身的特性和使用條件可選用不同的方法測定。根據穩態導熱原理建立起來的方法,在國內外已經很成熟。20世紀80年代末,我國已參照國際標準制定了一系列國家標準。在此實驗中導熱系數的測試采用北京東方奧達儀器設備有限公司生產的,根據GB 10295研制的單試樣雙熱流計式JW-Ⅲ型熱流計式導熱儀,采用了智能化的測量。此儀器使用方便,在測量中減少了人為帶來的誤差。

2 結果與分析

2.1 導熱系數測試結果分析

由于JW-Ⅲ型熱流計式導熱儀所能放入的試件厚度最大限為67 mm,按實際的在輕型木結構中應用的麥秸墻體尺寸制作的樣件,無法放入儀器設備內進行導熱系數的測試。為了更好地研究麥秸墻體的保溫性能,我們制作了兩塊比實際應用的墻體厚度要薄一些,但是能放入儀器中進行測試的樣件,通過對這兩塊厚度和密度不同的樣件的導熱性能對比,推測在實際中應用麥秸隔熱保溫墻體的導熱性能。樣件A1和A2長300 mm×寬300 mm,施膠量同為 3%,密度則分別為0.4 kg/m3和0.3 kg/m3,厚度分別為40 mm和60 mm,然后分別對A1,A2進行導熱系數的測試。測得結果見表3,表4。

表3 A1樣件導熱系數

表4 A2樣件導熱系數

麥秸隔熱保溫墻體與目前輕型木結構中常用的幾種隔熱保溫墻體材料(GB 10294-88)的熱工性能的對比見表5。

表5 熱工性能對比

導熱系數是評定建筑材料保溫隔熱性能的重要指標,導熱系數越小,材料的保溫隔熱性能越好。通常把導熱系數小于0.23 W/(m·K)的材料稱為絕熱材料。把表3,表 4進行比較,可以得出結論:密度為0.3 g/cm3,厚度為6 cm的麥秸墻體比密度為0.4 g/cm3,厚度為4 cm的稻草板保溫性能要好。由表5可見,麥秸隔熱保溫墻體性能可以與國標常用外墻隔熱保溫墻體媲美,是一種輕質的保溫材料。

2.2 秸稈隔熱保溫墻體的工藝特點及影響因素

本研究采用平壓法制造秸稈隔熱保溫墻體,首先對收購來的麥秸進行含水率的調整,用切草機將其加工成40 mm～60 mm長的秸稈單元,同時去除較細的碎料和塵土,加工后的麥秸被送至料倉貯存,以保證前后工序的銜接和一些工藝參數的調整。從料倉出來的麥秸送入拌膠機中進行施膠,由于麥秸的表面有層蠟狀物,為此選用異氰酸酯膠粘劑。施膠后的麥秸放入模框進行鋪裝,將脫模墊紙放于板坯的上下表面,鋪裝完后放入熱壓機預壓,以增加其初強度及表面強度,然后放入高頻壓機進行第二次平壓,加強板坯芯部膠層固化。

在麥秸隔熱保溫墻體的制作過程中,熱壓工藝的控制對產品質量的影響很大,熱壓時間和溫度是兩個十分重要的參數。在一定的熱壓時間區域內,隨著時間的延長,膠粘劑固化充分且麥秸本身結構上的親水基因遭到破壞,因而吸水厚度膨脹率隨著熱壓時間增加而降低,內結合強度和靜曲強度也隨之提高。但是熱壓時間過長,膠粘劑過度固化,膠結能力下降,吸水厚度膨脹率大,內結合強度和靜曲強度也有所減弱。熱壓溫度如果過高,易使得麥秸纖維發生降解和膠粘劑過分固化,溫度過低會使得膠粘劑不能很好的固化從而導致墻體強度不夠。因此,熱壓時間和溫度這兩個參數的選擇要確保板坯芯層達到正常固化所需要的溫度,又不至于達到致使板坯溫度過高導致破壞的程度。

麥秸隔熱保溫墻體的熱工性能與其密度密切相關,由圖1可見,麥秸隔熱保溫墻體的導熱系數隨著它密度的減小而減小,熱阻值隨密度的減小而增大。因此材料的導熱系數主要取決于它的空隙率,其空隙率越大,密度越小。材料的導熱系數主要取決于它的固體物質性質以及材料內部空隙的熱交換規律。麥秸隔熱保溫墻體的導熱系數是其內部固態物質的導熱系數和空隙中空氣導熱系數的平均值,由于空氣的導熱系數很低,所以麥秸隔熱保溫墻體的密度越小,其空隙率就越大,使得該材料整體的導熱系數降低。

3 結語

通過以上研究可以得出農作物剩余物麥秸隔熱保溫墻體材料具有良好的熱工性能,熱壓工藝的控制對這種制品的質量影響很大,經由適當的熱壓工藝制造出的麥秸隔熱保溫墻體可以作為輕型木結構的填充墻體使用,是理想的環保墻材,有良好的經濟和社會效益,符合國家鼓勵發展節能、節地、利廢的新型墻體材料的政策方向。推廣麥秸隔熱保溫墻體材料,是把發展新墻材與資源綜合利用和保護生態環境相結合,走與資源、環境協調發展的循環經濟、綠色之路,在中國具有廣闊的發展前景。

[1]周定國.面向21世紀的農作物秸稈工業[J].南京林業大學學報,2000(5):1-4.

[2]赫爾諾特·明克,弗里德曼·馬爾克.秸稈建筑[M].北京:中國建筑工業出版社,2007:9-12.

[3]張大同.小麥草各部位纖維形態和化學組成分析[J].中國造紙,1990(8):16-21.

[4]加拿大木業協會.中國輕型木結構房屋建筑施工指南[M].上海:上海龍覺圖文制作有限公司,2007:4-8.

[5]周定國,張 洋.麥秸/硬石膏板復合墻體的研究[J].人造板通訊,2005,12(7):36-38.