農作物秸稈在工程建設中的應用研究

楊 銳, 葉 枝, 孫鵬軒, 張婉婷

(1.安徽交通職業技術學院,安徽 合肥 230051;2.安徽省七星工程測試有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

農作物秸稈是農作物收獲果實后的剩余物,常見的有棉花秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、水稻秸稈等。作為農業大國,我國的農作物秸稈資源非常豐富,通常情況下,農作物秸稈除了被加工成飼料喂養牲畜,大部分都被粉碎還田或者直接焚燒掉[1],既浪費資源,又污染環境。

農作物秸稈作為一種綠色產品,是不可多得的天然資源,因此只要利用好,就能變廢為寶,達到節能減排的效果。同時農作物秸稈作為一種次要的剩余物,價格低廉,因此,對其加以利用后會降低產品或材料的成本,經濟節約,發展持續,對社會、經濟發展都具有重要的意義。

經研究發現,農作物秸稈中的纖維含量很高,因此,可以將農作物秸稈代替鋼筋、土工織物等作為一種加筋材料。例如,用秸稈作為抗拉材料來固化土體,可以起到加筋的作用,進而提高土體的抗剪強度、抗拉強度以及其上構造物的穩定性;將農作物秸稈在混凝土中雜亂分布,當混凝土產生裂縫時,雜亂分布的纖維就會阻止裂縫擴大。

1 農作物秸稈應用于工程建設中的優點

如何合理、有效地利用秸稈,減少資源浪費,降低環境污染,是各行各業義不容辭的責任。近幾年,農作物秸稈在工程建設領域的利用也越來越廣泛,主要是因為農作物秸稈應用于工程建設中時有以下優點。

1.1 資源豐富、可以再生

近年來,我國農作物種植總面積呈逐年增長態勢,2021年約為25.3億畝。因此,農作物秸稈的來源非常廣泛,常見的農作物秸稈有棉花秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、水稻秸稈等。另外,農作物每年都會種植,有的作物甚至一年種植多季,因此,農作物秸稈年年都有,屬于可再生資源,并且對環境友好,屬于綠色資源。如果農作物秸稈可以大量用于工程建設中,勢必能提高秸稈資源的利用效率,減少焚燒量,進而起到保護生態環境的作用。

1.2 變廢為寶、降低成本

隨著農村能源消費結構的調整,開始出現大量過剩的秸稈,農民為處理這些秸稈,通常采用焚燒的方式,嚴重污染大氣環境。為此,政府部門雖然大力宣傳環保政策,并出臺相應的禁燒獎勵措施,但收效甚微,違規焚燒的現象仍然屢禁不止。如果將農作物秸稈用于工程建設中,相當于將廢棄物變成了一種建筑材料,而且成本低廉,進而會降低整個工程的造價。

1.3 富含纖維、抗拉防裂

農作物秸稈中富含纖維,而且是一種天然纖維。小麥秸稈等農作物秸稈的纖維素含量見表1。當棉秸稈含水率在20%～40%時,其抗拉強度隨含水率的增大而增大,抗拉強度值集中在26.5 MPa[3];楊北方等[4]通過試驗發現小麥秸稈的抗拉強度約為20 MPa,見表2。將農作物秸稈應用于土體中可以起到加筋作用;又因其纖維結構呈現密集絲絮狀,將其應用于建筑工程中可以提高抗震性,也可以減少墻體開裂。[5]

表1 秸稈纖維的化學組成[2]

表2 麥秸稈拉伸試驗表[4]

1.4 輕質高強、保溫隔音

農作物秸稈內部呈空心管狀,與傳統的混凝土、石、磚相比,自重較輕。同時農作物秸稈的熱阻值很高,例如稻草纖維墻體的熱阻值約為普通砌體墻體的28倍,因此使用稻草纖維墻體可以提升建筑的保溫效果。同時,在保溫效果同樣的時候,稻草纖維墻體又比普通墻體自重小,農作物秸稈還能削弱其震動效果的作用,其隔音效果更強,因此,稻草纖維墻體建筑居住舒適性更佳。農作物秸稈將會成為未來高強輕質混凝土的新型添加劑[5]。

2 農作物秸稈在建筑工程中的應用

2.1 秸稈草磚

從20世紀90年代開始,我國就開始了對農作物秸稈草磚的研究。因其保溫性能好,冬天以農作物秸稈草磚墻體建造的房屋的能源效率比普通建筑高約70%,采暖費比普通建筑減少了50%[5]。

唐小寶等[6]研制了一種可填充墻體的新型草磚,其與防火材料結合良好,而且可恢復能力強,抗震性能好。楊青松等[7]用玉米秸稈為主要原材料制作草磚并在華北地區建造了草磚房,因為草磚房沒有形成規模,建設成本高4.4%,但是草磚房傳熱慢,保溫隔熱性能好。

農作物秸稈草磚房屋結構形式主要有承重型、非承重型及混合型3種,見表3。

表3 秸稈草磚房屋結構形式分類[7]

2.2 秸稈纖維混凝土

秸稈纖維混凝土就是將秸稈纖維摻入混凝土中制成的建筑材料。農作物秸稈中的纖維具有良好的韌性和拉伸性,且在混凝土中雜亂分布,因此,當混凝土產生裂縫時,雜亂分布的纖維就會改善混凝土中的力場分布,阻止裂縫擴大。同時秸稈纖維的成本低,因此利用秸稈纖維混凝土可以降低工程造價。谷悅等[8]研究了油菜秸稈纖維混凝土的抗凍性能,結果表明,當油菜秸稈纖維長度為15～20 mm、體積摻量為0.2%時,混凝土的抗凍性能最佳,并研究了油菜秸稈纖維混凝土的使用壽命。曾哲等[9]研究了油菜秸稈纖維混凝土的保溫性能,結果表明,油菜秸稈摻入量越大,導熱系數越小,保溫性能越好。張文俊等[10]研究了油菜秸稈纖維混凝土的抗碳化性能,結果表明,摻入秸稈后,水泥漿體的內部孔隙結構產生了變化,使得混凝土的碳化深度減小,抗碳化性能提高。秸稈纖維混凝土作為一種新型墻體結構,其抗碳化性能、抗裂性能、保溫性能等都得到了提高。

2.3 秸稈混凝土砌塊

蘇有文等[11]設計了一種空心率為25%的秸稈混凝土空心塊,該種空心塊與普通的混凝土空心塊相比,摻加6%水稻秸稈的空心塊導熱系數降低71%,且摻絲狀水稻秸稈的空心塊保溫隔熱性能優于摻桿狀水稻秸稈的空心塊。木合塔扎爾白克·蘇力唐等[12]研究了摻和麥秸稈、粗砂的立方體土坯試件的受壓破壞規律,得到了最優強度的改性材料摻和體積比。

除此之外,還有不少關于秸稈灰混凝土的研究,比如將適量的小麥秸稈灰摻入混凝土中,可以提高其早期強度;將不超過5%的油菜秸稈灰摻入混凝土中,混凝土的抗拉性能基本不變。[13]

3 農作物秸稈在巖土工程中的應用

3.1 在地基加固方面的應用

鹽漬土是鹽土、鹽化土、堿土及堿化土壤的統稱。鹽漬土地基的鹽脹性、溶陷性及腐蝕性等會對工程造成危害,因此要對鹽漬土地基進行處置,以提高地基承載力。隨著沿海地區的大開發,地基處理及加固技術變得尤為重要,特別是濱海鹽漬土、軟土等。我國有大量的農作物的廢棄物,如油菜秸稈、棉花秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈等,已經有很多學者將農作物秸稈作為加筋材料用于地基加固,并取得了相應成果。相關研究表明,因水稻秸稈、玉米秸稈等中具有和硬木材相似的化學成分,用于工程建設后可減少硬木消耗。在地基土體中加入農作物秸稈后,其抗剪強度明顯提高。如果先將小麥秸稈用氫氧化鈉溶液進行預處理,然后用于加固濱海鹽漬土,可以很好地改良鹽漬土堿性,并使土體的承載力大幅度提高。[14]

除此之外,G.A.Sano,C.Franco等[15]用菠蘿纖維作顆粒土的增強劑,研究后發現,用菠蘿纖維加筋的土體強度比原狀土有所提高。

3.2 在基坑支護方面的應用

基坑支護的目的是保證基坑周邊環境的安全及地下結構物正常施工。在基坑支護工程中,大多數情況下會使用鋼筋錨桿,但是在地下結構物施工結束后,鋼筋錨桿會被回填土掩埋,造成資源浪費,提高施工成本。因此,于一凡等[16]提出了竹筋錨拉板樁墻基坑臨時支護的新技術,通過軟件分析發現,竹筋的存在可以保證板樁墻的自立穩定性。陳家冬等[17]分析了竹筋噴錨技術的設計、施工、節點構造技術,并進行了工程實例驗證,結果表明,竹筋噴錨技術可以降低施工成本,充分利用天然資源。除此之外,其他學者也研究了竹筋土釘墻在軟土地區基坑支護中的應用技術[18]。

4 農作物秸稈在道路工程中的應用

4.1 在路基中的應用

對于路基土體,Mahipal Singh等[19]分別對椰子殼纖維加固路基粉質砂土與人造纖維加固路基粉質砂土進行了試驗研究及對比分析,結果表明,用椰子殼纖維加固的路基粉質砂土抗壓強度比人造纖維加固的土體抗壓強度更高。因此,椰子殼纖維用來加固地基,可以減少路基變形。王劍燁[20]采用玄武巖纖維和玉米秸稈纖維對京臺高速某路段的路基粉土進行土質改良,通過對纖維基本物理力學性質測試和對纖維加筋土的三軸抗剪強度試驗,研究了纖維長度、摻量等對土體強度及應力應變特性的影響。研究結果表明,玉米秸稈加筋后的粉土與素土相比,黏聚力增幅為100%,三軸剪切破壞形態較為完整,與素土的斜截面破壞不同。同時,通過三軸試驗得到摻加玉米秸稈纖維的最佳長度為2 cm,最佳摻量為2%。

4.2 在邊坡中的應用

對于路基邊坡,如果邊坡穩定性較差,那么當其受到外荷載作用導致下滑力增大超過抗滑力后,邊坡就會發生失穩破壞,主要表現為整體剪切滑移。為了保持邊坡的穩定狀態,通常的做法是提高邊坡土體的抗剪強度,將農作物秸稈作為筋材加入土體中就可以達到這個目的。李龍[21]在研究稻草加筋土的無側限抗壓強度試驗的基礎上,還制作了邊坡模型并進行了試驗研究,結果表明,當荷載不斷增大時,稻草加筋土邊坡位移小于素土邊坡位移,加筋土能夠提高土體強度,很好地抵抗土體變形,增加邊坡的整體穩定性。李騫等[22]為有效解決高寒地區開挖邊坡凍融侵蝕嚴重、生態修復等難題,測試了不同摻量的秸稈纖維加筋固化土的滲透性、抗剪強度和抗凍融性等,結果表明,加入改性材料和秸稈纖維后,降低了土體滲透性,增加了土體的黏聚力,內摩擦角基本保持不變。也有學者將秸稈編織物用于河流護岸,用于防止邊坡的沖刷[23]。由此可見,將農作物秸稈用于路基邊坡中是可行的。

4.3 在路面中的應用

對于路面結構,李承峰[24]研究了秸稈纖維生物瀝青混合料路用性能,將不同含量的秸稈纖維摻入瀝青混合料中,結果表明,秸稈纖維生物瀝青混合料的高溫路用性能較普通瀝青混合料顯著改善。陳梓寧[25]通過玉米秸稈纖維吸附瀝青質試驗,分析了不同摻量下玉米秸稈纖維吸附瀝青質的能力,以及單位質量玉米秸稈纖維對不同瀝青種類中瀝青質的吸附效果。結合吸附動力學以及吸附等溫線模型,揭示了玉米秸稈纖維吸附瀝青質的動態三階段吸附機制。賴碩榮[26]研究了一種滿足瀝青路面應用的改性水稻秸稈纖維,并對改性前后的纖維微觀形貌、吸濕性、瀝青吸持性能、化學成分變化和熱穩定性進行對比分析,并對水稻秸稈纖維AC-16 瀝青混合料路用性能和微觀作用機制進行了研究,結果表明,改性水稻秸稈纖維可以提升瀝青路面材料力學性能。由此可見,將來源廣泛的可再生農作物秸稈用于瀝青路面是可行的,不僅能改善瀝青路面的使用性能,還能實現廢物利用,并有助于生態環境保護。

5 結束語

科學技術迅猛發展,以農作物秸稈為材料的新型建材越來越受到人們的青睞。農作物秸稈作為一種綠色、可再生的環境友好型資源,其來源廣泛、隔熱性好、成本低廉、前景廣闊,無論是在建筑工程的應用方面還是巖土工程、道路工程的應用方面,都還有很多路要走,還有很多難關需要攻克。把農作物秸稈變廢為寶,不斷改進工藝、不斷開發新材料,是農作物秸稈應用的重要發展方向,是實現可持續發展戰略的重要方向。