秸稈有機廢棄物應用于建筑材料的研究現狀

白翔宇 桂 超

（新鄉學院 土木工程與建筑學院，河南 新鄉 453003）

生態文明的初步設想指出綠色發展是今后發展的必然趨勢。目前我國的糧產較多，留下大量的廢棄農作物秸稈無法全面高效地處理，發酵為飼料或轉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，生產技術成熟。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合磚體，但當前的使用率還比較低。秸稈材料來源于農作物，避免了廢棄物對環境的污染，是可再生的綠色資源。從生產上，秸稈材料與其他墻體保溫材料相比，其產出量與能耗比低，且其節能效益顯著。秸稈材料的隔熱性能達到了節能建筑的標準，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。秸稈草磚與傳統磚相比具有隔熱性好、隔音性強及使用壽命長等優勢，但同時在強度和硬度等方面存在一定的劣勢。如何生產出優質的秸稈磚體，不僅有利于節能減排，還將大大促進我國的新農村建設。

1 近年來國外秸稈磚研究現狀

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。研究發現，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象[1]。

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

表1 不同配合方式的復合磚體性能參數

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、機械強度和導熱性等因素，以確定植物纖維的最佳添加量。研究結果顯示，添加植物纖維材料對粘土材料機械性能和導熱性能都有所影響，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、斷裂風險及導熱系數，而大麻纖維含量的增加會導致抗壓強度的高斯變化和彎曲抗拉強度的持續增加，秸稈含量的增加導致壓縮強度的降低和彎曲拉伸強度的高斯變化。分析數據顯示，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，試驗計算結果如表2 所示。研究顯示，隨著有機材料添加量的增加，導熱系數顯著降低，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

2 近年來國內秸稈磚研究現狀

2014 年，西安建筑科技大學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，研究結果顯示，在哈爾濱、大同、西安三個不同的地區，秸稈草磚建筑比粘土磚建筑分別節能56.59%、61.69%、65.55%，其節能效果顯著[5]。

2014 年，新疆農業大學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，棉花秸稈草磚的導熱系數為0.096W/(m2·K)，傳熱系數為0.3 W/(m2·K)，與其他復合墻體相比，節能效果顯著，不同復合材料的傳熱系數對比如表3 所示[7]。

表3 不同墻體的傳熱系數

2017 年，海南大學孫園淞等對水稻秸稈草磚進行了壓力性能檢測，研究結果顯示，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，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，研究水平低周往復荷載作用下材料的受力、破壞、延性及耗能情況，結果顯示，草磚墻的滯回曲線飽滿，能量耗散系數較大，等效年制阻尼系數較大，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 結語

秸稈磚很大程度上解決農作物再利用的問題，推動可持續發展。秸稈磚擁有著良好的隔熱性能，有著巨大的應用價值，符合我國節能減排的發展戰略。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、經濟性、適用性、環保性等綜合方面評價，探討秸稈有機建筑材料的應用價值。