生物質秸稈建材在墻體材料中的應用及優化方案分析

王培培 石春鴿 李敏 李群 吳培瑞 潘東芳

摘 要：秸稈建材作為一種新興的生態材料，在墻體材料的應用中越來越受到重視。本文闡述了秸稈建材在我國現階段的發展現狀，總結了該生態建材性能上的優缺點，并著重介紹了秸稈砌塊在原材料、生產工藝等方面的優化方案分析，從而得到材料力學性能顯著提高的優化實驗方案。

關鍵詞：秸稈建材；性能優化；秸稈砌塊實驗

一、秸稈建材的發展

1.秸稈建材的發展現狀

隨著我國經濟的發展，環保節能的理念深入人心，國家提出的可持續發展戰略也得到積極響應，因此生物質材料逐漸進入人們的視線。另外，隨著我國建筑行業對木材需求的日益增加，木材資源越來越短缺，所以生物質秸稈建材的概念和生產技術再次引起社會的關注。

2.秸稈建材性能的優缺點

我國的秸稈資源分布較為廣泛，種類繁多。從秸稈建材的發展歷史來看，與外國相比，雖然我國發展秸稈建材的時間較晚，但我國在生產工業方面已經有了秸稈建材的實驗和應用。例如：火車頭星河建材的新型環保生態材料，它是以秸稈、稻草等生物質原料通過專用技術和專用設備，經過常溫復合模壓而成的新型材料，該建材在陜西省得到推廣。此外，由于秸稈本身具有一定的柔性，內部疏松多孔，使這種新型秸稈生態建材具有一定的抗震、隔音、保溫性能。同時，秸稈中硅元素含量較高、腐蝕速度極低，使該種建材的使用壽命得以延長。當然，之所以秸稈在建筑材料中得不到廣泛應用，是由于其強度極低這一致命缺點，使得大多數群眾對秸稈建材的認可度較低，并且國內在秸稈建材的結構、施工等方面缺乏系統的研究。

在充分了解秸稈建材的優點及缺陷之后，本項目研究在發揮秸稈建材優勢的基礎上，通過對秸稈建材在生產及性能方面的優化，改良秸稈建材的性能，提高秸稈的利用率。

二、秸稈砌塊優化方案分析

1.原材料優化

該課題以秸稈建材為中心，從當前國內的秸稈建材發展現狀出發，本著環保、綠色、節能的原則，對墻體材料的性能和材料組成進行優化研究，制訂了一套可行的實驗方案，根據實驗方案進行相關實驗，進而對課題的創新點進行可行性分析。以下是筆者小組對實驗材料和實驗方案的確定過程。

（1）秸稈的確定

通過課題組成員搜集大量的文獻資料，對秸稈建材進行深度分析研究以及全體成員的實地考察之后，筆者對秸稈建材的原材料進行初步確定，分析及確定過程如下：

①秸稈種類的確定

我國是一個農業大國，糧食產量巨大，秸稈資源十分豐富。我國的秸稈種類主要有水稻、玉米、棉花及小麥等，其中應用最為廣泛的是水稻和小麥秸稈。

根據以往的論文及數據資料結果分析顯示，秸稈的各項指標變動受秸稈中不同化學成分的直接影響。木質素的主要物質組成是聚合芳香醇，其主要作用是通過形成交織網達到硬化細胞壁的效果，這種物質主要存在于植物的木質組織中。另外，木質素主要位于植物體的纖維素纖維之間，起著抵抗外部壓力的作用。

秸稈中還有一種主要的化學物質——纖維素。纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，溶解性較差，不溶于水及一般有機溶劑。經過查閱資料后分析得到，纖維素的含量主要影響結構材料的韌性，二者成正相關關系，即纖維素含量增加會提高結構材料的韌性，木質素含量的增加會提高結構材料的硬度。由此分析可得，秸稈建材中所用到的秸稈應根據木質素和纖維素的含量進行選擇。針對小麥、玉米、棉花、水稻這四種秸稈，確定采用小麥稈和玉米稈作為對比實驗的秸稈材料種類。

②秸稈部位的確定

由于農作物秸稈遇水后浸出的糖類和木質素為親水性表面活性物質，當與水泥混合后，糖類和木質素分子會吸附在水泥表面，影響水泥的水化凝結。考慮到這一影響因素，在確定秸稈建材原材料的時候，應當對這兩種物質的析出進行控制。通過查閱小麥、油菜等農作物秸稈中不同部位的成分組成之后，得出的結論是化學成分的差異性不僅體現在秸稈種類上，對于同一種秸稈的不同部位，其化學成分的含量也存在相當大的差異。在植物的內部結構組成中，纖維素含量較高的部位是稈部和穗部（穗部的主要物質是半纖維素），木質素含量較高的部位是穗部。因考慮到還需要減少糖類和木質素分子這兩種物質對材料混合帶來的不利影響，筆者在決定采用小麥和玉米秸稈的基礎上，進一步確定采用的部位是去除秸稈穗部的部分。

實踐證明，僅僅對秸稈原料采取一般的機械處理只能達到一定的長寬比或長細比，很難達到真正的纖維狀態。因此，秸稈原料在水泥基體材料中的作用更多的是作為一種填充材料或是一種架構材料。

（2）膠凝材料的確定

①有機膠凝材料

在秸稈建材的粘結上可選用有機膠凝材料，其中廣泛用于秸稈人造板材的有機膠黏劑有脲醛樹脂膠黏劑、異氰酸酯膠黏劑、三聚氰胺膠黏劑、酚醛樹脂膠黏劑以及其他改性生物膠黏劑。不同有機膠凝材料存在的缺陷如下：

脲醛樹脂膠黏劑因其使用方便、成本低、性能好等優點，是目前秸稈板材中廣泛使用的膠黏劑。但通過對比分析使用脲醛樹脂為粘結材料的木材刨花板和秸稈碎料板的力學性能，發現秸稈碎料板的強度比木材刨花板要低很多。這是由于秸稈表面存在一層蠟質表層，使得秸稈表面的潤濕性變差，而且秸稈灰分中二氧化硅含量很高，對膠黏劑的吸附有非常不利的影響，從而降低了板材的強度。雖然嘗試在脲醛樹脂中加入改性劑，但仍然無法從根本上克服使用此種膠黏劑造成的強度差、耐水性差及耐老化性差等問題。

異氰酸酯膠黏劑也是廣泛用于人造秸稈板材的一種有機膠凝材料，與脲醛樹脂膠黏劑相比，異氰酸酯在提高板材耐水性、縮短熱壓時間、減少膠黏劑用量等方面都有顯著的優勢，并且這是一種環保型膠黏劑，克服了脲醛樹脂釋放游離甲醛從而危害人體健康的缺陷。但這類膠黏劑在實際使用中的成本較高，無法滿足經濟性要求。

酚醛樹脂膠黏劑相比于脲醛樹脂具有粘結強度高、化學穩定性好及耐水耐磨等優點。但該種膠黏劑目前在我國的應用與研究較少，還不能夠用于板材的批量化生產。

②氯氧鎂水泥無機膠凝材料

相比于有機膠凝材料，無機膠黏劑有強度高、耐水防腐、成本低等優點，其中氧化鎂類的氯氧鎂水泥膠黏劑在秸稈板材中應用最為廣泛。氯氧鎂水泥的主要原料是輕燒鎂粉和鹵片。而我國菱鎂礦資源儲量豐富，居世界前列，而且具有礦石質地優良、氧化鎂含量高、礦石易開采等優勢。所以鎂質水泥是用于秸稈建材粘結的理想膠凝材料。

雖然鎂水泥具有早強、高強、輕質耐磨、耐腐蝕、粘結力強、成本低等一系列優點，并且能夠大大提高秸稈的使用效率，但鎂質水泥與秸稈結合后出現的強度損失大以及吸潮返鹵現象嚴重等問題，在很大程度上影響了氯氧鎂水泥制品的外觀和強度，限制了鎂水泥制品的進一步推廣。為改善鎂質水泥因耐水性差而導致的吸潮返鹵及強度損失現象，可在其中加入硫酸亞鐵和硅灰兩種材料。

硫酸亞鐵能夠在不降低鎂質水泥材料強度的前提下，加快水化反應的速率，并且與其中的氧化鎂反應生成硫氧化鎂和氫氧化鐵。所生成的這兩種物質都是以一種膠狀絮凝物的形態存在，可以堵塞水泥制品中的毛細通道，提高水泥制品的抗滲性，并降低吸濕性，從而對鎂水泥制品的耐水性能進行改善。

硅灰中含有大量活性氧化硅，加入鎂水泥中可充當填充料來堵塞部分內部的連通孔，有效增大材料的密實程度，從而提高抗水性。并且其中大量含有的氧化鋁能與氧化硅一起在鎂水泥的堿性環境中發生鋁硅酸鹽反應，生成鋁硅酸鎂凝膠。這是一種本身具有良好化學穩定性與耐水性的凝膠，能夠抑制其他水化產物變形，還能夠在鎂水泥制品中充當骨架。

結合提高建材性能與經濟合理性的要求，筆者初步確定將優于有機類膠凝材料的鎂質水泥作為對比實驗的膠凝材料，并添加硫酸亞鐵、硅灰等添加劑來改善材料性能。

2.秸稈建材對比實驗

（1）秸稈原料處理工藝

對于農作物整個植株而言，一般無法直接拿來應用，在使用之前要對其進行形態處理。處理的方法有很多種，包括但不限于去掉秸稈髓（穰）、把秸稈削片、進行刨花、粉碎等。本實驗將所選秸稈原料切為長3cm、2cm、1cm 細長節段備用。秸稈類非木質植物纖維原料一般體積較小，相對勻稱，外表層因二氧化硅含量高而較堅硬，且表面有一層蠟層，其秸稈內部材質疏松，密度較小。玉米秸稈在自然狀態下曬干，皮穰分離會形成自然分離層。因此，對秸稈碎材進行適當壓縮有利于提高秸稈強度。

（2）關于秸稈砌塊實驗方案

秸稈：要求干燥、色澤光亮、保存完好，并將稻草切成適當尺寸。

水泥：采用P.O42.5氧化鎂水泥。經檢測，水泥的強度、凝結時間、標準稠度、用水量及體積安定性均符合要求。

骨料：細骨料為中粗河砂，細度模數2.9，含泥量小于1%；粗骨料為10～30mm的卵石，連續級配，各項指標均符合實驗要求。

試塊尺寸：150mm×150mm×150mm。

材料：小麥秸稈、玉米秸稈。

秸稈粉碎機械：秸稈粉碎機。

通過對不同種類、不同尺寸的秸稈和混合材料分別進行對比實驗，利用秸稈粉碎機進行破碎，分批次制作成相應的砌塊，經過養護之后進行強度等各方面性能的測試。

三、研究意義

秸稈建材中的植物纖維具有原生態的特性，在生產過程降低了有害物質的產生和聚集，而且在達到使用壽命后還可以回收再利用，不產生污染和有害物質。因此，生物質秸稈建材的發展符合人居環境環保無害、節能舒適的產品特性。理論分析證明，優化后的秸稈建材防火、防潮、隔熱以及防蟲防鼠等性能均得到明顯提高。

四、結語

本論文在充分研究秸稈建材的優缺點之后，分析原材料的優化與秸稈固化成型的優化方案，為后期的對比實驗提供了充分的理論依據和可行性分析，力求在下一階段得到符合實際的數據。

（通信作者：潘東芳）

參考文獻：

[1]任逸哲，顧悅言，楊心怡，等.秸稈建材的特色發展瓶頸及對策[J].功能材料，2016（6）.

[2]崔玉忠，崔琪，鮑威.植物秸稈水泥條板及成組立模生產技術（上）[J].新型墻材，2006（8）.

[3]溫福勝.小麥秸稈-鎂水泥復合保溫砂漿耐水性能研究[D].泰安：山東農業大學，2016.

注：本文系青島農業大學大學生科技創新項目。

（責任編輯：王 瑜 黃天駿）