植物纖維墻體砌塊力學性能與保溫性能研究

盧錦秀++吳端陽++趙嵩穎

摘 要：植物纖維墻體砌塊是以廢棄農作物秸稈為主要原料之一，配以加強材料和黏合劑等，按一定配方經過物理和化學反應膠結成型，脫模凝固后制成的新型建筑保溫材料。本文主要對國內現有植物纖維保溫砌塊的實驗進行對比分析，總結植物纖維材料表面改性的應用現狀，著重分析其力學性能和保溫性能，開辟了新的建筑原材料來源，在一定程度上緩解了墻體材料資源短缺的矛盾，重要的是研究開發新型墻體材料可以推動墻材工業的發展，促進了墻材產品結構的變革。

關鍵詞：保溫砌塊；秸稈表面改性；力學性能

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.07.264

1 引言

我國是農業大國，隨著農業科學技術的進步與發展，我國的糧食產量逐年增高，隨之而來的秸稈問題也日益突出。有數據表明，我國每年產生的各類秸稈廢棄物近6億噸，其中稻草和玉米秸稈產量約占秸稈總量的一半。農作物秸稈約有60%以上直接還田或被焚燒，這不僅造成了資源的浪費，還嚴重污染環境[1]。如何實現秸稈的資源化利用，是當今所面臨的重要問題。

將秸稈應用到建筑材料中，最大限度的變廢為寶，是科研工作者所面臨的首要問題。秸稈復合型保溫砌塊墻體技術在我國日趨成熟，各種秸稈保溫砌塊的性能、特點、制備都有不同程度的研究。然而，各類秸稈復合保溫砌塊的性能又存在著不同的差異，從而導致秸稈復合型保溫砌塊至今無法得出較普遍性規律。為此，本文試通過對現有的秸稈復合保溫砌塊進行綜合對比分析，總結出各秸稈保溫砌塊性能的共性與差異性，以期望找到不同成份組成的保溫砌塊與其性能差異之間的某種聯系，為后續研究提供借鑒思路。

2 秸稈纖維的加工處理

2.1 秸稈的表面改性處理實驗對比

當前，摻入秸稈的保溫砌塊制備環節上，面臨著膠合強度問題，如何除去秸稈表面的角質蠟狀膜和非極性抽提物以及二氧化硅，從而提高膠凝劑的膠合強度是制備秸稈保溫砌塊的關鍵技術之一[2]。

表1為六種秸稈纖維改性處理實驗方法對比。通過對比分析可知，雖然六種實驗處理方法不同，且各有優點，但實驗的共性均是破壞秸稈纖維表面結構，來增強秸稈的力學、化學性質及與其他材料的復合性。

2.2 秸稈表面改性處理方法

本文通過研究現有的實驗方法，總結出可行性較強的五種秸稈表面改性處理方法，見表2。分別為物理加工法[3]、化學加工法[4]、濕熱加工法、機械加工法和生物加工法。化學加工法主要是通過極性溶液降低秸稈纖維表面的蠟狀物質和非極性物質，從而提高活性位點，以達到較好膠合效果。如Wayne[5]通過酸性極性溶液對小麥秸稈進行化學加工處理和Edeerozey[6]通過堿性極性溶液，對紅麻纖維進行改性處理，均達到理想效果。

機械加工法相對于其他幾種方法，最大的優勢在于工藝簡單，用機械切割機切割處理即可達到工藝要求。濕熱加工法通過降解蠟狀物質與半纖維素可以有效的提高秸稈與膠凝劑的結合強度，使得秸稈保溫砌塊材料的力學性能顯著提高，但濕熱加工法能耗較高及廢水處理的問題也待解決。

物理加工法主要目的是提高秸稈表面的潤濕性能，可通過改變自由基濃度和微觀構造得以實現，此種方法具有勻稱、干凈、易于節制的特點，但獨自使用效果不佳，需與其它方法配合使用才能達到最優。生物加工法主要利用微生物和酶液分解秸稈表面的化學物質，造成表面粗糙度增高，進而達到表面極性的提高，和其他幾種方法相比較具有耗能少、污染少、復雜條件少等優點，但處理工藝相對繁瑣，過程控制較難。

3 秸稈保溫砌塊性能對比

我國在秸稈保溫砌塊復合材料的研究和應用起步較晚，上世紀80年代左右，我國南方地區才出現利用蔗渣制造硬質纖維板和刨花板的工廠體系[7]。近幾年，中國林科院、吉林建筑大學和南京林業大學等科研院校也逐漸對這項技術進行了研究和開發，他們利用麥秸和稻秸以及棉桿燈非木質材料作為建筑原材料，研制出物理特性優良、力學性能達標的中密度纖維板或混凝土砌塊。本文對比了近幾年效果較好的秸稈保溫砌塊的實驗，分別如下：

實驗一，試驗將頁巖燒結磚作為原料組分，在其中添加秸稈等廢料，按一定的配合比，經過加工成型，最后制得具有較好的保溫和力學性能的頁巖燒結砌塊。

實驗二，將成型的混凝土空心砌塊孔模型內，加入秸稈壓縮試塊，通過加工工藝，制得混凝土秸稈保溫砌塊，測試結果表明，該混凝土秸稈砌塊具有良好的保溫性。

實驗三，以玉米秸稈為主要原材料，其膠凝材料選用經過改性的耐水氯氧鎂水泥，并添加具有一定活性的粉煤灰材料，搭配以防潮，防腐等改性劑，經過一定工藝，最后制得玉米秸稈纖維保溫砌塊。通過檢測，該保溫砌塊在保溫、力學等各性能方面展現出非常良好的特性。

實驗四，先將各類粉碎并烘干的秸稈與膠凝材料石膏、水等不同比例配比成型，通過測試各砌塊保溫系數，合理地分析秸稈-粉煤灰保溫砌塊的配合比。

本文針對保溫砌塊性能方面，對比研究了以下四種常見的秸稈復合型保溫砌塊的力學性能、保溫性能等特性。

從表3可看出，各類秸稈復合型保溫砌塊，無論從抗壓、抗折等力學性能上分析，還是從保溫性能上總結，均比未摻加秸稈的保溫砌塊的效果明顯增強，而這以網狀高純度二氧化硅為骨架，裹挾一層致密的纖維素的秸稈，也因此孔隙度大，抗腐蝕能力強，保溫性好，秸稈擁有很好的韌性，一定的強度。

可是，這并不意味著秸稈摻量越多越好，無論是秸稈粉末還是破碎處理的秸稈，如圖1，隨著秸稈摻量的逐漸增加，材料的抗折強度一開始呈上升趨勢，當秸稈摻量超過10%左右，其抗折強度急劇降低；如圖2，當摻入秸稈時刻起，隨著摻量的增加，材料所體現出來的抗壓強度就開始一直呈下降趨勢。由此可以得出以下結論，秸稈摻量一旦超過一定的限度，體系內的膠凝材料不足以將其充分包裹，隨著抽出物的增多，將會影響其界面的粘結度，從而使其力學強度下降。

通過比較上述各類秸稈復合型保溫砌塊材料，可以看出，以破碎玉米秸稈為秸稈纖維，其中加入粉煤灰、礦渣與氯氧鎂水泥復合的保溫砌塊，其力學性能尤為突出，通過分析，其采用的氯氧鎂水泥中的MgO能與礦渣中的二氧化硅反應生成MgSiO2，該MgSiO2屬于水硬性，而且，鎂水泥水化過程中的孔隙，加入的礦渣恰好可以將其填充，鎂水泥經改性后彼此交聯，使得結構密實，結構也更加穩定，這樣一來，也大大增加了材料的強度，這也使得其力學性能高于其他類秸稈-混凝土水泥復合砌塊。而分別利用頁巖燒結磚和普通混凝土水泥復合的秸稈保溫砌塊雖然沒有很高的力學性能，相對來說抗壓、抗折強度稍遜于秸稈-鎂水泥復合保溫砌塊，但其均能達到5Mpa左右的強度也符合國家標準[8]。

就保溫性能而言，頁巖燒結磚秸稈保溫砌塊中，由于靜止空氣是熱的不良導體，秸稈粉末添加比例較少時，密閉的孔隙分布相對均勻，能阻礙導熱，一定程度上增大了砌塊的熱阻，也能夠增強砌塊的保溫，一旦添加過量，材料內部缺少熔融晶體的連接隔斷，從而使各細小孔隙相連，導致空氣容易因溫差發生對流，這就會在一定程度上影響自身的保溫效果；夾心秸稈混凝土與內填充粉煤灰秸稈-石膏保溫砌塊保溫墻體的傳熱系數均在1 W/（m2·K）左右，其共同原理為在空心混凝土砌塊中加入秸稈復合漿體，而后者多添加的粉煤灰中含有相當高的無定性硅質材料，比表面積大，在一定程度上增強了保溫效果，這也給后者傳熱系數稍低于前者作出了一定的解釋；而相較于秸稈-鎂水泥復合的粉煤灰礦渣保溫砌塊，其保溫性能尤為突出，一方面，添加其中的粉煤灰的作用不言而喻；另一方面，從秸稈微觀結構來看，秸稈為多孔結構，鎂水泥的水化產物可以將其包裹，鎂水泥內部孔隙就會被封閉起來，從而添加秸稈有利于增強保溫砌塊，同時，秸稈與鎂水泥基體之間會緊密結合起來，秸稈纖維中有大量羥基，有較強的親水性，而鎂水泥水化過程中加入的秸稈可以和氯氧鎂水泥更好的結合，使其保溫性能得到更深層次的加強，因而使得秸稈鎂水泥復合保溫砌塊的保溫性能遠超于其他同類秸稈保溫砌塊。

4 結語

循環再利用的材料代替已有工業化的建筑材料，是未來建筑材料的趨勢，而秸稈保溫砌塊材料的耐久性是重點研究課題之一，本文通過對比研究得出以下結論。（1）除去秸稈表面的角質蠟狀膜和非極性抽提物以及二氧化硅，從而提高膠凝劑的膠合強度是制備秸稈保溫砌塊的關鍵技術之一。（2）現今表面改性方法主要為化學加工法、物理加工法、濕熱加工法、機械加工法和生物加工法。（3）傳熱系數隨秸稈加入增多而增大，砌塊抗折強度隨秸稈量加入先增大后減小，秸稈加入量增加5%左右強度減小10%。應根據砌塊使用功能合理設計配合比。

參考文獻：

[1]侯國艷，冀志江.農作物秸稈在建筑材料中的應用.浙江杭州：2006：40-42.

[2]何金存，周志芳，王宏棣.玉米秸稈潤濕性及膠粘劑膠合性改性效果研究[J].林業科技，2014（05）：27-29.

[3]鄧華，李淳，曾秋苑.微波輻射改性秸稈/HDPE復合材料的界而性能[J].塑料，2014.

[4]楊雪慧.麥秸表面低壓射頻等離子體改性機理研究[D].南京：南京林業大學，2014.

[5]Wayne Wasylciw，Wang S G.Properties，problems and adhensive technology of crop straw panel[J].chine Wood-based Panels，2001（11）；12-18

[6]Edeerozey A M M ，A，Kil H M，Azhr A B，etal.chemical modification of kenaf fibers[J].Materials Letters，2007，61（10）：2023-2025.

[7]田文玉.植物纖維混凝土的收縮裂縫及耐久性[J].國外建筑科學，1995（03）：41-49.

[8]賀子岳，余紅，蔡劍英.國外新型纖維增強混凝土及其應用[J].國外建材科技，1998（03）：7-11.

基金項目：吉林省2016年大學生創新創業項目（201610191150）

*為通訊作者。