肖力光 李静瑶
(吉林建筑大学材料科学与工程学院,长春 130118)
摘要：随着建筑行业的发展,不可再生资源消耗越来越快,随之而来的能源危机和环境污染问题也日渐突出.因此,作为可再生资源的农作物秸秆在建筑材料中的应用,成为国内外研究的热点课题.本文主要介绍秸秆的主要成分、结构及其对水泥基材料性能的影响,分析了秸秆在水泥基建筑材料中应用的关键技术问题.
关键词：秸秆；水泥基建筑材料；结构组成；表面处理；性能
我国每年大约有7亿t的农作物秸秆产出,大部分未得到有效利用,焚烧秸秆严重污染环境.小麦秸秆、大米稻草、玉米穗轴和玉米秸秆等作物含有大量纤维素,具有轻质、隔热、保温、隔音等特性.秸秆在墙体材料中可以发挥其保温隔热性能的特点,同时由于秸秆质轻的优点,可以有效地减轻墙体自重.因此,秸秆在建筑材料中的利用既可以节省资源，又可以获得良好的社会效益.
稻草建筑最早来自于1800年末的内布拉斯加州平原上,这种建筑由于其良好的冬暖夏凉效果而获得了广泛的关注,直至今日,当时的稻草建筑依然存在[1].从1905年开始，德国尝试用农作物秸秆为原料与胶粘剂混合进行制板研究；1920年,美国露易安那州建立了利用蔗渣制版的生产厂；英国在20世纪40年代中期开始用稻草和麦秸制造纸和草板[2]；1970年，联合国工发组织就非木材人造板召开了研讨会,人造板生产从利用农业剩余物扩大至各种秸秆材料.利用秸秆建成的住房保温性能好,调性湿好,有助于人体健康,已在英国、澳大利亚等20多个国家推广.
相对于国外,我国秸秆建筑材料的系统性研究起步较晚,但在几千年前我国古代劳动人民就已经将稻草掺在土中搅拌成泥脱坯垒砌成墙,这种方法在北方农村地区仍在沿用.只是以当时的技术人们不能从理论上解释稻草可以阻止墙体裂缝的机理.直至80年代,我国南方才形成利用蔗渣制造硬质纤维板和刨花板的工厂体系[3].90年代，开始在我国的黑龙江哈尔滨市、辽宁省本溪市、吉林省白山市、内蒙古等农村地区实施草砖房建设示范工程.近年来,随着建材产品结构合理化以及先进生产技术的发展,国内涌现出大批生产秸秆板材的厂家,其产品市场逐步由国内拓展到海外.现如今，秸秆瓦、稻草砖、秸秆混凝土等在我国已经开始了实际应用,为秸秆的有效利用提供了新的途径.
秸秆经过粉碎后的主要成分是纤维素、半纤维素、木质素、果胶及蜡质等,其中纤维素为主要成分,它是由D-葡萄糖基通过β(1，4)苷键链接起来的线性高分子聚合物,起骨架支撑作用,是提供力学性质的主要成分.半纤维素与纤维素紧邻,起粘结作用.木质素是一种具有芳香特性的、结构单元为苯丙型的三维空间立体结构的高分子化合物.秸秆的微观结构外层是以SiO2为骨架包裹一层致密的纤维素[4],中层和内层主要是木质素和半纤维素,结构较疏松.通过扫描电镜获得的秸秆表观形貌见图1.
图1 带瓤玉米秸秆内表面形貌
图2 带瓤玉米秸秆横断面形貌
从图1可以看出，图片左下角为玉米秸秆皮纤维,其表面平滑,结构致密,带有一层蜡质的“保护膜”,而其右上角为瓤纤维,结构疏松,表面粗糙,比表面较大;图2为带瓤的玉米秸秆横断面形貌图,其左上角为秸秆瓤的部分,孔隙较大,而右下角为秸秆皮的部分,结构较致密,孔隙相对较小,因此可知，玉米秸秆具有良好的生物降解性能及阻裂增韧性能,也是一种多孔保温及吸声材料.
3.1 增韧性能
2009年，肖力光等[5]人在秸秆纤维对水泥基材料阻裂性能影响研究中得出了低碱水泥混凝土中掺入适当比例的秸秆纤维可以提高其抗折强度,对由于物理收缩引起的塑性开裂有很好的阻碍作用.Chaofei Li等[6]人对秸秆增韧水泥基复合材料力学性能进行了研究.结果表明,秸秆的掺量过多会导致抗压强度有所下降,但是掺量适宜时其强度完全可以用在建筑中非承重部分.美国加州的D.C. Jansen和新西兰的K.R.Camann,MS,LEED AP等人对混凝土秸秆夹心砌块墙通过静态加载仪测试了它的屈服强度和刚度[7]并与传统的稻草转进行了比较,发现其在侧向力学性能很好,在某些方面优于传统的木结构建筑,甚至可以成为很好的抗震材料.
3.2 保温性能
刘洪凤等[8]使用扫描电镜对秸秆的内部孔隙率进行了分析,发现秸秆内部孔隙较大,平均孔隙率可达80%.因此秸秆用于建筑材料具有优异的保温性能及吸声性能.蒋连杰等[9]人在研究中发现,秸秆经过粉碎后与矿棉、玻璃棉等的导热系数相似,具有优异的保温性能.而Luiz C.Roma Jr等[10]人也对秸秆增韧水泥复合材料的热性能进行了研究,研究结果与蒋连杰的结论一致,认为秸秆完全可以代替石棉使用.Zhang Zupeng等[11]人研究了秸秆混凝土夹心砌块的热工性能,分别在秸秆植物纤维含量为5%和15%时进行测试,得到温度分布和试件所受对流的热负荷规律,然后计算导热系数和热电阻,结果表明,混合植物纤维能有效提高混凝土空心砌块的热工性能,获得更好的保温效果.刘福胜等[12]对秸秆夹心混凝土砌块建筑墙体进行监测,发现普通混凝土砌筑墙的导热系数高于秸秆夹心混凝土砌筑墙的25%,这充分说明了其保温性能的优良.周林聪等[13]人对秸秆混凝土的导热系数进行了测定,发现随着秸秆掺量的增加,试块的导热系数逐渐减小,秸秆掺量10%的试块比秸秆掺量2%的试块保温性能提高了13%.
3.3 防水性能
秸秆墙体材料的耐久性是衡量其好坏的重要指标,而防水性能又是影响耐久性的重要因素.从图1和图2可以看出，秸秆内部有许多的孔隙及毛细管道,也正是由于这样的结构,致使水分会通过毛细管道慢慢渗透到内部,因此吸水率也很大,同时纤维素是多羟基化合物呈现出纤维状并且本身具有亲水性吸水能力强,导致秸秆在潮湿环境中极易腐烂,所以国内外很多学者对秸秆的防水处理展开了研究.Luiz C,Roma Jr等人对剑麻秸秆和桉树植物纤维进行了研究,发现秸秆的掺入量对复合材料的物理性能的影响较大,当掺入量为3%时,其吸水率和渗透孔隙体积最小,体积密度较高.阿尔及利亚的M.Bouhicha和F. Aouissi等[14]人对水泥混凝土部分进行了耐久性试验,发现如果秸秆用防水剂处理之后其吸水率明显下降,加聚合物的水泥混凝土砌块会更好的防止水分的进入,从而提高其耐久性.因此，秸秆的防水处理也是一个提高秸秆水泥基复合材料耐久性的一个重要方式.
3.4 耐火性能
英国的检测公司对稻草砖的耐火性能进行过2h耐火测试[15],结果显示完全符合ASTM E119-05a建筑材料防火性标准.这是由于秸秆是经过密实挤压成型,内部与氧气隔绝,不能提供燃烧条件,故其阻燃性能很好.A.Agueda等[16]人对秸秆板的阻燃性能进行了实验,实验中所用的秸秆板一部分未用阻燃剂处里而一部分用阻燃剂预处理,然后分别观察在任何坡度但没有风的火焰传播速度、上坡但没有风的传播速度和无坡度但有风辅助条件下的火焰传播速度,发现火焰的传播速度与有无风辅助以及火花强度相关性不明显,只与是否用阻燃剂预处理有关.因此，用阻燃剂处理后的秸秆纤维混凝土、秸秆夹心砌块等在实际应用中具有很好的阻燃性,完全可以达到防火标准.
3.5 秸秆与水泥基体的粘结性能
Savastano HJ[17]对稻秆与水泥基体的粘结性能进行了研究.研究结果表明稻秆中的糖类、木质素等在水泥表面形成吸附层从而影响水泥水化进程,降低水化速度,因此对秸秆表面改性成为研究的重点.国内外很多学者也对秸秆的这一特性做出了深入研究.YueYunLong等[18]发表的一篇文章表明植物纤维通过尿素甲醛树脂处理表面纤维可以有效地提高秸秆纤维混凝土的力学性能.2005年，肖力光等[19]人对秸秆纤维与水泥浆体之间相界面、复合效果等方面进行了研究,研究中使用表面改性剂对秸秆进行了预处理,结果表明秸秆纤维与水泥浆体之间取得了良好的界面效果.随着研究的进展,用NaOH、石灰石等碱性溶液对秸秆进行预处理较为常见[20-21].张琳[22]以NaOH溶液的浓度和浸泡秸秆的时间分别为变量,测定质量损失,选定最佳变量.结果表明NaOH可以有效减少糖类等浸渍物对水泥硬化的影响,虽然经过碱溶液处理的小麦秸秆仍然有糖类等物质浸出,但当秸秆掺量适量时,秸秆的抗拉作用大于糖类物质对水泥水化的影响.以上可以看出秸秆表面处理对秸秆水泥基复合材料的力学影响较大.
秸秆作为建筑材料主要是应用其纤维增韧性能以及其优良的保温性能,秸秆的应用可大大改善普通混凝土自重大、容易产生开裂以及混凝土砌块的保温隔热和隔音效果不理想等问题[23].秸秆水泥基材料应用需要解决的重点难题：一是秸秆与水泥浆体的界面粘结问题;二是秸秆部分浸出物影响水泥水化进程、降低材料强度问题;三是秸秆的应用还要考虑到虫蛀、防潮、防腐蚀等问题.秸秆建材不仅能优化建筑物性能，节省资源、保护耕地、减少环境污染,而且能带来巨大的社会效益和经济效益.
参 考 文 献
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XIAO Li-guang，LI Jing-yao
(School of Materials Science and Engineering,Jilin Jianzhu University,Changchun,China 130118)
Abstract：With the rapid development of the construction industry,the non-renewable resources have been consumed more and more quickly,and the energy crisis and environmental pollution were becoming increasingly prominent.Therefore,as the renewable resources,the application of agricultural straw in the construction was more and more widely,and became a hot research subject at home and abroad This paper mainly introduced the structure,the main components of the straw and its effect on mechanical properties of cement based building materials,analyzed the important technical problems of the application of straw in cement based building materials.
Keywords：straw；cement based building materials；structure composition；surface treatment；performance
收稿日期：2015-10-20.
基金项目：吉林省高等学校秸秆综合利用高端科技创新平台项目(吉高平合字[2014]C-1).
作者简介：肖力光(1962～),男,吉林省长春市人,教授,博士.
中图分类号：TU 5
文献标志码：A
文章编号：2095-8919(2016)04-0048-04
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