秸稈建筑材料的應用及研究進展

肖力光，丁艷波

(吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118)

隨著科技與經濟的飛速發展，人們對于環境的保護越來越重視，在建筑中應用“綠色建材”意義重大。“綠色建材”具有生產工藝潔凈、對工業農業的廢棄物充分利用、對環境無污染等特點。另外方面，據計算，我國每年的秸稈產量為10.4億t，水稻、小麥、玉米的秸稈產量合計約占全國秸稈總產量的2/3[1]。 我國大約一半的秸稈產量分布在東部農業區，東部農業區大約占我國土地面積的1/5，秸稈總產量以華東最高，其次是華中、東北和西南[2]，我國對農作物秸稈的回收再利用的研究具有重要意義。

1 秸稈建筑材料的意義

秸稈建材是指以農作物秸稈為主要原材料，添加輔助材料和強化材料，按照一定的配比，通過物理、化學或兩者結合的方式，形成具有特殊功能和結構特點的建筑材料的統稱[3]。秸稈建材具有無輻射﹑無污染﹑無毒害的眾多優點，經過人們的長時間使用發現與其他建筑材料的功能相比并沒有差別，建筑物的結構十分穩定。大力發展秸稈建材，解決了秸稈綜合利用問題，防止了秸稈燃燒產生的霧霾危害，具有顯著的經濟效益和社會效益。

2 國外秸稈建筑材料研究及應用進展

人類使用秸稈作為建筑材料的歷史悠久，人們最開始使用的自然資源作為建筑材料的是草稈、蘆葦等[4]。19世紀末在美國的西北生活的農民，由于經濟落后，各種生活物資都十分缺少，當然也包括蓋房子的材料。大多數的材料都需要從遠方用牲畜運送。在當地農作物資源十分豐富，美國每年的秸稈的產量和400萬間200 m2以秸稈為主要建筑材料的房子用的秸稈量相等[5]。人們開始把目光轉向廢棄的秸稈，用很多草的莖部打包成大塊狀，像使用木材和石頭一樣，把一大塊一大塊的草稈堆砌起來，蓋成房子的形狀，供人們居住。在1884年的美國，第1次使用堆砌的秸稈建造的一座住宅，該建筑位于內布拉斯加州[6]。使用秸稈作為建筑材料的建筑可以很好的保溫，具有傳熱系數小的特點，而且十分結實，有良好的吸聲效果，住在秸稈建筑里面的人感到十分舒適。為后來使用該建筑材料的發展提供了良好的基礎。

1993年，Bou-Ali等對秸稈磚進行了力學實驗，通過繪圖，結果表明，秸稈磚的抗壓能力隨秸稈磚密度的增大而增加[7]。Blum進行了秸稈磚的載荷實驗，發現載荷越大，磚彎曲的越嚴重，載荷卸載后，彎曲并不能完全恢復，僅恢復1/2[8]。Don Stephen通過秸稈磚載荷實驗，證明了實驗方法不同，得出的結果差異很大[9]。

從1884年第1座使用秸稈作為建筑材料的建筑建成到20世紀40年代，秸稈建筑材料以它優良的使用性能加之人們對其的青睞，使它迎來了蓬勃發展的時期[10]。在美國內布拉斯加州越來越多的人們選擇建造以秸稈為原料的建筑。不僅是用來居住的房子，還有用來辦公的建筑。使用秸稈的建筑開始興起。在當下，世界各地都開始使用秸稈建材技術。

1990年初，利用秸稈制作板材的工藝在國外誕生，稱為人造板。人們對秸稈建材的開發有了新的進展。1905年,使用黏合劑與麥稈制造出了人造板[11]。在20世紀40年代，美國、英國一些科學家又利用大麥稈、油菜稈、棉花稈中加入鋸末，制造出了質量更高的人造板材[12]。1970年，聯合國構造集會，將人造板材的質料擴大到利用秸稈。國外最開始使用脲醛樹脂作為制造秸稈人造板材的黏結劑，但是成本很高，經過研究人員的探索發現秸稈表面含有蠟質類物質，所以采用混合黏結劑制造秸稈板[13]。Han利用蒸煮的方法，將秸稈在膠合前進行蒸煮，再和脲醛樹脂膠結合，結果顯示：預先將秸稈進行蒸煮處理，可以使秸稈與脲醛樹脂膠更好的膠合[14]。

人們不僅制造了秸稈人造板材，又將秸稈加入到水泥基中復合材料，探究其對水泥基材料的一系列性能影響。Zhang把水泥和秸稈制作成復合材料，探究了彈性模量與載荷的關系，載荷越大，秸稈水泥的復合材料的彈性模量越大[15]。將秸稈纖維與水泥復合制成秸稈草磚Emma Boghossian等[16]研究了亞麻纖維對混凝土塑性收縮的影響，選取不同長度的亞麻纖維，測定其對試件收縮的影響，結果顯示加入了亞麻纖維，明顯抑制了試件的收縮。在21世紀初， Martello L S等將蔬菜莖纖維加入到瓦片中，通過測定溫度的變化，發現其保溫性能良好[17]。

Bouhicha M和Aouissi F對加入未經處理的秸稈的混凝土試塊和經過處理的秸稈的混凝土試塊進行耐久性實驗，含有經過處理的秸稈的試塊吸水率更小，說明使用防水劑等聚合物處理秸稈有提高混凝土耐久性的能力[18]。Agueda A等又對秸稈板的阻燃性進行了研究，通過使用阻燃劑和未使用阻燃劑的秸稈板的燃燒速度，可以得出加了阻燃劑的秸稈板完全符合國家標準[19]。英國一個質檢公司對秸稈建筑進行了2 h火災實驗，結果顯示：用草磚為材料的建筑符合防火性能測試[20]。又因為秸稈纖維不緊密，對水的運輸及儲存更有利，使秸稈磚建筑具有一定的防水性[21]。

隨著經濟的發展，人們開始將更多的視野轉向科學研究，對建筑材料的性能要求越來越高，將秸稈加入到水泥基中，作為一種增強材料應運而生，越來越多的國家將此作為研究的熱點[22]。可以更好的利用資源，尤其對于盛產農作物的國家，省去了對秸稈的回收，節省了資源。在經濟與資源共享的時代背景下，對于秸稈在水泥中的應用，有很好的發展前景。

3 國內秸稈建筑材料研究及應用進展

中國作為農業大國，利用秸稈作為建筑材料在中國已經有幾千年的時間。最開始使用茅草捆成小捆搭在房屋頂上，用來防雨。這是中國最開始的關于秸稈作為建筑材料的利用。像古代詩人陳與義在詩歌《茅屋》中所描寫的那樣：“茅屋年年破，春風歲歲來”，由此可以看出只是單一的，無加工的直接利用秸稈作為建筑材料的建筑易損壞，使用壽命短，需要經常維修。到了民國時期，人們開始以泥土制作成磚，堆砌成墻，在這樣的墻表面覆蓋上草稈，高粱稈，蘆葦等，然后涂抹上黃泥，加固。到了20世紀80年代，開始出現把搗碎了的秸稈與黃泥混合，之后曬干，得到磚塊，用來建造房屋[23]。這是我國用秸稈制作人造板材的開端。最初的研究是以廢棄的甘蔗渣作為原料，采用濕法制作的硬質板材，接著我國一些研究單位開始使用稻殼、玉米秸稈、麥秸稈等制作與研究。近年來，綠色建筑材料與可循環經濟受到廣泛認可，秸稈建筑材料得到了很好的推廣。受到了廣泛的研究，當前我國的秸稈建筑材料主要有以下幾種：秸稈磚、秸稈人造板材(分為使用膠黏劑和不使用膠黏劑)、秸稈水泥基復合材料。

3.1 秸稈磚

秸稈磚是指用秸稈打包機器將秸稈整理打包，使原本松散的秸稈變密實，再切割成磚塊，堆砌起來用秸稈磚建造住宅[24]。秸稈磚具有很多優良的品質，例如硬度高，可以承受一定的載荷。用秸稈磚建造的房屋環境舒適，減少外界噪音，深受人們的喜愛。

隋明銳闡述了秸稈磚的生產工藝，收集、壓實、捆扎、切割、貯藏；以及秸稈磚的性能，每米墻體可以承受500 kg的載荷，隔聲隔熱，使用壽命長；通過計算普通磚的成本，可以用小麥秸稈為原料的秸稈磚代替紅磚在河南等地[25]。

楊青松等[26]按照美國材料實驗協會標尺，計算出玉米秸稈草磚為節約能源的材料。并且通過熱成像儀測定，秸稈草磚與普通磚進行對比，發現秸稈草磚的傳熱能力更小。

趙文蘭等[27]進行了秸稈磚在砌體中的收縮實驗，在自然條件下，養護42 t，以砂漿硬度、齡期、約束條件作為變量，得出秸稈磚在自然條件下的體積變化規律，得出秸稈磚塊的體積變化公式。對以后秸稈在建筑中的使用有重要作用。

孫國松等[28]通過對水稻秸稈草磚的受壓性能實驗，并與其他的文獻進行對比，得到彈性和壓縮側的稻草和稻草磚裝載表面積，初始密度，大小和位置的承載力的模量是相關的，并且得出了稻草秸稈磚的極限承重能力公式。

王曉峰等[29]按照實驗測出不同配比的秸稈磚塊的導熱系數，得出結論:秸稈磚塊的含水率對導熱系數的影響，含水率小，導熱系數越小。可以很好的保存建筑物中的熱量，在水泥砂漿或者黏土中添加秸稈，能夠明顯的提升該建筑的保溫效果。

隨著國家大力倡導應用節能型材料，提倡秸稈的再利用，越來越多的企業與高校致力于秸稈的再利用研究，因為秸稈磚的價格低廉，保溫效果良好，深深的受人們喜愛。

3.2 人造秸稈板材

人造秸稈板材是指秸稈歷經一系列的加工，成型的板材。按照加工工藝可以將人造秸稈板材分為兩種：使用膠黏劑膠合和無膠膠合。使用膠黏劑膠合的加工工藝：把秸稈粉碎，再添加異氰酸酯進行碾壓成型，另一種是將秸稈利用機械加工成纖維，使用脲醛樹脂為膠黏劑，經過熱壓，形成一種一定密度的人造秸稈板；無膠膠合工藝：利用秸稈自身性質，采用一定的加工工藝，如高溫高壓，使其自交結，再熱壓成板材。

3.2.1 使用膠黏劑的人造秸稈板材的研究 2007年8月16日，零境界健康板被萬華生態板業股份有限公司展示推出，得到了不同的反響，同時，由中國輕工業聯合會、中國環境保護產業協會、中國石油和化學工業協會聯合主辦的“新型秸稈應用技術推廣會議”召開，推廣秸稈板[30]。

張洋等[31]通過測定麥秸板與兩種膠黏劑的膠合程度，異氰酸酯(MDI)和脲醛樹脂(UF)，研究了黏合劑與秸稈表面的黏合機理，即相接觸的表面自由能較高，潤濕性優良，還開發了專用的黏結劑。

劉利亞等[32]通過裝修時使用的不同膠黏劑，將不同種類的膠黏劑分組，隨著時間測定室內產生甲醛的濃度，結果表明,使用脲醛樹脂和酚醛樹脂兩種不同的膠黏劑，以脲醛樹脂為黏結劑的人造板材會產生更多的甲醛，污染環境。

左迎峰等[33]使用自主研發的膠黏劑，黏結楊木單板與秸稈板，總結了膠黏劑的用量、加工使得溫度、時間、壓力對復合結構材物理力學性能的影響規律,進一步總結和提升實驗手段，并得出在一定條件下，產品性能優于單一的板材。

孟藝瑋等[34]把玉米秸稈人造板材應用在建筑中，并確定其影響傳熱量的4個因素，即用膠量、秸稈碎含水量、板材厚度及容重，通過不同因素組合形式，確定每種方案下，玉米秸稈板的導熱系數。得出在容重0.76 g/cm3，秸稈板厚11.8 cm，碎秸稈濕度12.1%，施膠量12%時，玉米秸稈板保溫效果最好。

3.2.2 無膠膠合的人造秸稈板材的研究 曹忠榮等[35]通過對板材中的組分改變，在板材的制作中成分的變化，討論了無膠膠合的機理。得出結論：在板材的制作過程中，部分水解的纖維素半纖維素水解出單糖和游離單糖與其他物質發生反應，生成糠醛類化合物。降解的木質素和有糠醛類化合物反應生成聚合物樹脂，并且利于板材的膠合，在板材中發生的纖維水解和木質素的降解都對板材的自膠合有利。

陽金龍等[36]對秸稈進行了超臨界預處理，將秸稈在388 ℃的超臨界水中反應21 s，得到了最大低聚糖轉化率，為以后的秸稈板材自交結提供了研究思路。 郁舒蘭等[37]對秸稈板材的研究現狀加以總結，又根據秸稈板的性能特點提出了對于此工業生產的方法，經過論證，提出了工業生產的可行性。

徐劍瑩等[38]將無膠膠合的熱成型方法一共分成了3種形式：普通熱壓法、蒸汽爆破預處理法和噴蒸熱壓法，并且探討了每種方法的研究進展，對秸稈的無膠膠合技術提出了展望。

吳磊[39]以麥秸為原料，無黏結劑，利用官能團對麥秸前體木質素和纖維素進行功能化，以過氧化氫為引發劑，制備出與木材物理性質相似的非木質麥秸板。之后對其進行力學性能測試，得出該人造板材符合國家標準的結論。

秸稈人造板材的出現，使秸稈的回收與處理又增加了一個途徑，如何使使用的膠黏劑污染更小和無膠膠合工藝的優化，是我們需要研究的問題。

3.3 秸稈水泥基復合材料

秸稈水泥基復合材料是指將經過一系列處理的秸稈纖維加入到水泥基體中，秸稈作為增強材料，增加了水泥的耐久性能和力學性能，同時也解決了秸稈利用的問題。

肖力光等[40]通過對秸稈纖維水泥基復合材料的基體相，界面相，復合效果等進行觀察，得出結論：在界面劑的作用下，秸稈與水泥基復合材料效果優良。

馬欣[41]將不同質量的粉煤灰和脲醛樹脂加入到秸稈水泥基復合材料中，對吸水率和軟化系數進行測定。總結出脲醛樹脂與粉煤灰的加入質量對水泥基復合材料吸水率的影響，得出結論：在指定的區間內，,增加粉煤灰和脲醛樹脂的摻量，材料吸水率降低,耐水性增強。

王曉燕等[42]為了提高秸稈與水泥基的界面結合能力，將秸稈纖維用NaOH溶液進行浸泡，通過實驗，探究了溶液濃度，浸泡時間對秸稈纖維與水泥基的界面結合的影響，并且得出結論：質量分數為4%的NaOH溶液改性處理24 h時,秸稈質量損失率較大,可以減緩其對水泥的緩凝作用。此改性處置秸稈與水泥拌合的膠砂試樣的強度有所提高。經過SEM測試，發現修改后的小麥秸稈與水泥膠體結合情況較好。經過堿處理的秸稈，有效的提升了與水泥基界面結合的能力。

陳國新等[43]以棉花秸稈為加強相，水泥和砂作為基體相，采用堿處理和接枝處理兩種不同界面處理的方法，測試和分析棉花秸稈水泥基復合材料的力學性能，結果表明,棉稈經過1.5%～2.0%的堿液濃度，24～28 h浸泡，制作的秸稈水泥基復合材料具有優良的力學性能。

韓旭[44]通過3種不同配比的小麥秸稈水泥保溫磚的保溫性能實驗，得出結論：小麥秸稈通過化學添加劑的作用可以有很好的黏結作用，水泥基體中加入小麥秸稈有優良的保溫性能。因為秸稈本身的保溫性，磚內又有一定數量的尺寸很小、狹長的小孔，使空氣在磚體內的流動性很差，發生熱傳遞困難，因此農作物秸稈再生保溫磚的保溫效果顯著。

4 總結與展望

本文總結了國內外秸稈建筑材料的種類，加工工藝及研究進展，利用秸稈生產的建筑材料，性能優越，市場前景廣闊。大力發展秸稈建材，解決了秸稈綜合利用問題，防止了秸稈燃燒產生的霧霾危害，具有顯著的經濟效益、社會效益和環境效益，秸稈建筑材料的工業化生產技術、制備工藝、配方優化、性能提升技術及配套設備是進一步急需解決的問題，秸稈建筑材料具有良好的發展前景。