玉米秸稈在建筑材料中的應用研究

劉 寧

(江蘇師范大學,江蘇 徐州 221116)

近幾年，隨著“綠色建材”概念的提出，越來越多的廢棄物被開發并應用于建筑材料中，如粉煤灰、礦渣等工業廢棄物以及煤矸石等礦業廢棄物已經非常常見，不僅變廢為寶，更起到了綠色節能的目的。我國作為農業大國，每年的玉米秸稈產量在1.2億t左右，僅次于美國[1]。但長期以來，玉米秸稈僅作為畜牧業飼料的原料、液化發生灶的原料以及粉碎后用于食用菌的栽培等，用量都不大。過量的玉米秸稈迫使農民不得不采取焚燒的處理方法，成為非常嚴重的大氣污染問題。

玉米秸稈具有豐富的天然纖維，具有比強度高、長徑比大、比面積大、密度低等特點，不僅可以作為增強材料，還可以改善墻體的保溫、隔熱性能等，如果應用于建筑領域，不僅可以增加消耗量，保護環境，又可以降低工程造價。

1 玉米秸稈的增強作用

玉米秸稈能夠作為增強材料最主要的原因在于含有大量纖維，纖維的阻裂效應[2]可以阻止膠凝材料內部細小裂紋的生長與擴散。在中國北方的部分地區，嘗試將玉米秸稈粉碎后，作為草磚的原料，增強磚的抗裂性能，取得了非常好的效果。但是在使用過程中，需要注意纖維的預處理、纖維的摻量、纖維的長度等因素。玉米秸稈內部含有多戊糖、纖維素、半纖維素等，在堿性環境下，多戊糖容易溶出形成單糖，與Ca2+形成糖酸鈣，阻礙水化反應，使水化不充分，強度降低。因此在摻入前必須考慮纖維的預處理方式。纖維摻量較小時，阻裂效應不夠明顯，會繞開纖維出現裂縫，摻量較大或纖維較長時，容易產生“抱團”現象，分散不夠均勻，形成薄弱區。

許晴等[3]將玉米秸稈粉碎后，放入60 ℃熱堿溶液中進行24 h浸泡處理，并將處理后的玉米秸稈作為水泥的增強材料，制成綠色建筑復合材料，從纖維長度和纖維摻量兩個因素，研究復合材料物理力學性能。試驗中發現，長度為2 mm的短纖維的增強效果最為顯著，因為短纖維在水泥膠凝材料中的分散性最好，能夠堵塞基體中的毛細孔道，防止產生泌水、離析等現象，使水化更充分，強度較高。當玉米秸稈摻量為1%時，復合材料的吸水率最低，比未處理時降低了1.27%。吳其勝等[4]在脫硫建筑石膏粉中摻入不同用量(摻量分別為0，1%，2%，3%，4%，5%)的玉米秸稈纖維，制成復合材料。試驗中發現，當摻量為3%時，抗壓強度和抗折強度分別出現峰值，達到了14.9 MPa和6.4 MPa。

2 玉米秸稈的保水增稠作用

砂漿是建筑工程中非常重要的一種基礎材料，良好的保水性可以改善砂漿的可操作性和稠度，可減少硬化前泌水、硬化后收縮、開裂現象[5]。干混砂漿常用的保水增稠材料是纖維素醚，因保水率好、粘聚力高而被廣泛使用，但有較強的引氣作用，摻量過大會造成干混砂漿收縮大、容易開裂，且造價較高，使其發展受到局限。玉米秸稈在工業提取半纖維素的同時會產生副產品，即改性玉米秸稈纖維素，這種材料粗糙多孔，吸水溶脹，可以吸收大量水分，從而起到保水作用，且可以形成三維立體結構，提高砂漿的流變性，改善施工性能和硬化體的性質。謝慧東[6]用改性玉米秸稈纖維素代替部分纖維素醚作為保水增稠材料，試驗中發現，當改性玉米秸稈纖維素摻量占保水增稠材料的20%，30%，40%時，保水率和抗壓強度均有所提高，其中摻量為30%時，保水效果最好，與單加纖維素醚之比達到110%。7 d和28 d抗壓強度比隨改性玉米秸稈纖維素的摻量增加而增大，當摻量為40%時，7 d和28 d抗壓強度比分別達到88.5%和82.3%。通過對砂漿試件進行SEM分析(見圖1，圖2)，單加纖維素醚的砂漿試件結構較疏松，孔隙率較大，生成的硅酸鈣凝膠呈薄膜狀，而摻入30%改性玉米秸稈纖維素時，結構較致密，孔隙率小，硅酸鈣凝膠呈纖維簇狀。因此，適量的改性玉米秸稈纖維素代替纖維素醚既可以提高砂漿的工作性和力學性能，又可以降低工程造價。

3 玉米秸稈的保溫隔熱作用

熱量的傳遞有熱傳導、對流傳熱和輻射傳熱三種方式，目前使用較廣泛的保溫隔熱材料大都是利用熱傳導的方式，即采用多孔材料，利用空氣的導熱系數低，達到保溫隔熱的目的。玉米秸稈能夠有保溫特性的原因主要有兩個：一是本身是多孔結構，孔隙內部含有大量空氣，由于空氣的導熱系數較低，可以在很大程度上阻礙熱量的傳遞；二是因為玉米秸稈的多纖維特點，當熱量的傳遞方向與纖維方向垂直時，可以形成纖維和空氣的多層阻礙效應(見圖3)[7]，起到保溫隔熱的作用。

對于玉米秸稈的保溫隔熱性能，在實驗和實踐中也得到驗證。將玉米秸稈摻入氯氧鎂水泥制成復合材料，經研究，當玉米秸稈的摻入量為20%時，復合材料的導熱系數為0.236 W/(m·K)，密度為912 kg/m3，28 d抗壓強度、抗折強度分別為9.12 MPa，5.72 MPa[8]。山東臨沂沂水縣大嶺村用玉米秸稈草磚作為墻體材料建造了一處占地78 m3的草磚房進行實踐性研究，利用德國紅外熱成像儀對同一地點、同一時間及陽光照射下的普通房屋和草磚房進行紅外熱像拍照，結果顯示，同樣條件下，普通房屋的外墻溫度為5.8 ℃～5.9 ℃，而草磚房的外墻溫度為2.6 ℃～2.7 ℃，二者相差3.2 ℃[9]，保溫隔熱效果顯著。

4 結語

1)玉米秸稈具有多纖維、輕質多孔的構造特點，在建筑工程中可以起到增強、保水增稠、保溫隔熱的作用。2)玉米秸稈因為多戊糖的存在，因此在使用過程中要注意預處理方式，降低對水泥材料的緩凝作用。3)玉米秸稈在使用時要根據所發揮的作用不同選擇不同的用量。4)盡量使用短纖維，減少“抱團”現象。