秸稈有機廢棄物應(yīng)用于建筑材料的研究現(xiàn)狀

白翔宇 桂 超

（新鄉(xiāng)學(xué)院 土木工程與建筑學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453003）

生態(tài)文明的初步設(shè)想指出綠色發(fā)展是今后發(fā)展的必然趨勢。目前我國的糧產(chǎn)較多，留下大量的廢棄農(nóng)作物秸稈無法全面高效地處理，發(fā)酵為飼料或轉(zhuǎn)為化肥還原林田等變廢為寶的研究思想不斷被提出，將秸稈進行加工作為建筑材料也同樣是農(nóng)作物秸稈資源再利用的有效途徑之一。

目前，建筑物所采用的粘土磚、粉煤灰磚、灰砂磚等，生產(chǎn)技術(shù)成熟。秸稈磚可通過模壓、處理等工藝過程制作而成，可配合粘土、混凝土等不同材料制成復(fù)合磚體，但當(dāng)前的使用率還比較低。秸稈材料來源于農(nóng)作物，避免了廢棄物對環(huán)境的污染，是可再生的綠色資源。從生產(chǎn)上，秸稈材料與其他墻體保溫材料相比，其產(chǎn)出量與能耗比低，且其節(jié)能效益顯著。秸稈材料的隔熱性能達到了節(jié)能建筑的標(biāo)準(zhǔn)，年耗能不大于15kwh/m2。秸稈磚的隔音效果是普通建材的5 倍，經(jīng)特殊處理后具有防火、防水、防腐等性能，且存在良好的抗震性能。秸稈建筑的使用壽命也較長，高于普通建筑。秸稈草磚與傳統(tǒng)磚相比具有隔熱性好、隔音性強及使用壽命長等優(yōu)勢，但同時在強度和硬度等方面存在一定的劣勢。如何生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的秸稈磚體，不僅有利于節(jié)能減排，還將大大促進我國的新農(nóng)村建設(shè)。

1 近年來國外秸稈磚研究現(xiàn)狀

2014 年，埃及Mona S. Mohammed 等將稻草和微晶纖維素等有機廢物混合制成新型磚，并與添加水泥窯灰的磚體進行了對比研究。研究發(fā)現(xiàn)，稻草的添加降低了磚體的強度和體積密度，但提高了樣品的孔隙率，微晶纖維素可提高磚體的抗壓強度，而稻草和水泥窯灰一起添加可以克服稻草單獨添加時強度降低的現(xiàn)象[1]。

2015 年法國Cecile Bories 等在燒制粘土磚時添加農(nóng)作物廢棄物，探討麥秸、葵花籽餅和橄欖石粉等不同有機介質(zhì)對燒結(jié)磚性能的影響，試驗數(shù)據(jù)如表1 所示。研究數(shù)據(jù)顯示，無添加物時，彎曲應(yīng)力較大，但導(dǎo)熱系數(shù)也較高，添加有機介質(zhì)后，導(dǎo)熱系數(shù)有所改善，彎曲應(yīng)力也有所降低。添加比重4%的向日葵籽餅且磨碎尺寸較小時具有最優(yōu)的機械性能和熱性能，孔隙率增加23%，彎曲強度降低17%，導(dǎo)熱系數(shù)降低61%。農(nóng)作物廢物的再利用從技術(shù)角度和經(jīng)濟角度方面來看都有著巨大優(yōu)勢[2]。

表1 不同配合方式的復(fù)合磚體性能參數(shù)

2016 年，羅馬尼亞Gabriela Calatan 等對植物纖維摻入土坯磚的性能進行測試，綜合考慮粘土軸向收縮、無裂縫、密度、機械強度和導(dǎo)熱性等因素，以確定植物纖維的最佳添加量。研究結(jié)果顯示，添加植物纖維材料對粘土材料機械性能和導(dǎo)熱性能都有所影響，植物材料添加量的增加，可減少加工工作量，降低收縮性、密度、斷裂風(fēng)險及導(dǎo)熱系數(shù)，而大麻纖維含量的增加會導(dǎo)致抗壓強度的高斯變化和彎曲抗拉強度的持續(xù)增加，秸稈含量的增加導(dǎo)致壓縮強度的降低和彎曲拉伸強度的高斯變化。分析數(shù)據(jù)顯示，大麻纖維的最佳體積添加量為9～10%，秸稈的最佳體積添加量為30～40%[3]。

2017 年，法國A. Laborel-Préneron 等對未灼燒粘土磚添加大麥秸稈、大麻莖、玉米芯等有機廢物，研究其熱濕特性，添加單位為重量比重，有機材料的重量比重雖小，但容積比重較大，試驗計算結(jié)果如表2 所示。研究顯示，隨著有機材料添加量的增加，導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低，但熱容能力降低，熱逸散率也有所減小[4]。

表2 不同配合方式的磚體熱物性參數(shù)

2 近年來國內(nèi)秸稈磚研究現(xiàn)狀

2014 年，西安建筑科技大學(xué)李楠等采用秸稈草磚作為建筑墻體填充材料，通過全年采暖能耗模擬分析，與同等條件下的粘土磚建筑進行對比，研究結(jié)果顯示，在哈爾濱、大同、西安三個不同的地區(qū)，秸稈草磚建筑比粘土磚建筑分別節(jié)能56.59%、61.69%、65.55%，其節(jié)能效果顯著[5]。

2014 年，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)付彬彬等采用萬能試驗機對不同密度的棉花秸稈草磚進行壓縮試驗，結(jié)果顯示，豎向壓縮的草磚承載力較大，高密度草磚的承載力、抗壓強度和彈性模量均大于低密度草磚[6]。

2016 年，史陽光等對棉花秸稈草磚的熱工性能進行研究，棉花秸稈草磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.096W/(m2·K)，傳熱系數(shù)為0.3 W/(m2·K)，與其他復(fù)合墻體相比，節(jié)能效果顯著，不同復(fù)合材料的傳熱系數(shù)對比如表3 所示[7]。

表3 不同墻體的傳熱系數(shù)

2017 年，海南大學(xué)孫園淞等對水稻秸稈草磚進行了壓力性能檢測，研究結(jié)果顯示，水稻秸稈磚的承載力、彈性模量與秸稈磚的初始密度、加載面面積、壓縮邊尺寸及放置方式有關(guān)，密度大于200kg/m3時，草磚的彈性模量和抗拉強度成倍增長，密度接近300kg/m3時，增加幅度減小，水稻秸稈草磚水平放置時承載力是豎直放置時的2～4 倍[8]。同時研究了其窗間墻抗震性能，研究水平低周往復(fù)荷載作用下材料的受力、破壞、延性及耗能情況，結(jié)果顯示，草磚墻的滯回曲線飽滿，能量耗散系數(shù)較大，等效年制阻尼系數(shù)較大，草磚窗間墻的抗震性能較好，且具有較好的延性，破壞過程緩慢[9]。

3 結(jié)語

秸稈磚很大程度上解決農(nóng)作物再利用的問題，推動可持續(xù)發(fā)展。秸稈磚擁有著良好的隔熱性能，有著巨大的應(yīng)用價值，符合我國節(jié)能減排的發(fā)展戰(zhàn)略。但秸稈磚的強度和硬度均較差，如何與粘土、混凝土等無機材料混合，對于不同的有機材料，還有待進一步研究探討。今后的研究，需要從可靠性、經(jīng)濟性、適用性、環(huán)保性等綜合方面評價，探討秸稈有機建筑材料的應(yīng)用價值。