農作物秸稈在建筑材料中的應用研究

詹文華，魏盛春

（1.內蒙古烏蘭浩特市工業和信息化局，內蒙古 烏蘭浩特 137400；2.內蒙古興安盟行政審批和政務服務局，內蒙古 烏蘭浩特 137400）

0 引言

農作物秸稈是成熟農作物在收獲籽實后，莖葉（穗）等剩余部分的總稱，是重要的可再生生物資源。我國作為農業大國，每年有大量的農作物秸稈產生。據統計，我國每年產生的農作物秸稈量超過10.4 億t[1]，但是其綜合利用率很低。各地政府相繼出臺了秸稈離田、秸稈還田等多項政策來促進改善秸稈的利用率，但是由于各種原因，實際利用率依然不高，大量的秸稈資源仍被閑置，或就地焚燒處理，成為大氣污染的主要原因之一。

隨著我國建筑行業的興起，建筑原材料被過度消耗，供應日趨緊張，農作物秸稈這一可再生資源作為建筑材料被合理利用和大力推廣，就顯得尤為必要。

隨著節能和環保理念的興起，加上設備、工藝、技術水平的逐漸成熟，秸稈建筑材料受到人們的重視。農作物秸稈作為可再生資源，富含大量的天然纖維，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，不僅可以增加秸稈利用率，達到保護環境的目的，同時還可以降低工程總造價[2]。

1 秸稈建筑材料的特點

秸稈作為建筑原材料，無論是作為承重材料還是作為填充材料，在國內外都有大量應用，實踐證明，在很多方面秸稈建筑建材都優于傳統建筑材料。

1.1 資源豐富

我國每年產生秸稈超過10.4 億t，特別是在我國黑龍江、內蒙古、河南等農業大省，農作物秸稈是一種常見的可再生資源，原材料資源產量大；我國的農作物秸稈種類多，主要有小麥秸稈、水稻秸稈、玉米秸稈等組成，不受地域限制，所以原材料成本低廉。

1.2 質輕

秸稈建材屬于輕質建材，干燥農作物秸稈的密度小于粘土、石灰等建筑原材料，相等面積的秸稈建材的重量小于傳統建筑材料。據有關方面的統計數據，目前每平方米房屋建筑面積的建筑材料質量約為1200kg，如采用秸稈磚或秸稈復合墻體材料替代，其質量僅為80kg 左右。建筑材料自重的減少，可以節約運輸成本，從而降低建筑造價。

1.3 環保

秸稈是一種農作物的副產物，取之于自然，用之于自然，屬于無污染、無毒害、無輻射的綠色原材料。由于秸稈的主要成分為植物纖維，可以自動降解，當秸稈建筑發生解體，秸稈可以很容易的從其他建筑材料中分離出來，自行消化，所以秸稈建材對環境沒有負面影響。

1.4 節能

秸稈建筑材料的隔熱保溫性能優良，與傳統磚混結構建筑材料相比，其保溫系數幾倍于黏土磚墻。荷蘭代爾夫特理工大學的研究表明，在環境影響方面，與我國傳統磚混結構房屋相比，使用秸稈材料的建筑系統總固有能耗改善了1/3，供熱需求降低了1/2，制冷需求減少了1/4[3]。秸稈原料可再生，有效減少了粘土的使用，在能耗方面優于磚混結構。

1.5 安全

農作物秸稈含有大量植物纖維，作為復合建筑材料的原材料，可以有效提高了材料的抗剪、抗壓等物理力學性能，同時秸稈建材的防火性較好。澳大利亞的建筑標準中顯示，內外面均有抹灰的秸稈磚墻抗燃燒能力可以達F90 級（90min），所以秸稈作為建筑材料的強度和安全性是值得信賴的。

1.6 耐腐性較好

秸稈的含硅量較高，有研究表明，秸稈中硅酸鹽含量達到12%以上，所以秸稈建材的腐爛速度極其緩慢。事實證明，美國最早的秸稈建筑已有100 多年歷史，目前仍然可以居住。

1.7 防蟲性較好

美國研究表明，秸稈不是白蟻等蟻類喜歡的食物，同時通過一些技術處理，可以使秸稈材料達到防蟲的效果。在有些歷史的秸稈建筑物內，沒有發現寄生蟲或者昆蟲的生存跡象。

1.8 防霉性較好

適宜霉菌生長的環境是：溫度20～28℃，空氣相對濕度大于55%。實踐證明，采用干秸稈（含水量低于15%）材料，內表面設置隔離層，防止秸稈轉受潮，外表面處理保證水蒸氣能夠溢出的正確處理方法建成的秸稈建筑中發現，干燥的秸稈上沒有滋生霉菌。

1.9 防鼠性較好

通過加工、干燥、壓實等處理后，秸稈板材的密度可達90kg/m3以上，可有效抵抗各種嚙齒類動物的破壞，更何況內層、外層還有抹灰層（厚度為單邊3～6cm）保護，老鼠要想咬破抹灰層很難，這也是為何即使在年代久遠的秸稈建筑中也沒有出現被老鼠啃咬的情況。

2 秸稈建筑材料的性能

農作物秸稈中富含纖維素、木質素、半纖維素等非淀粉類大分子物質，與水泥、石膏等材料混合制成的建筑材料具有很好的抗剪、抗裂、保溫、隔熱、隔音性能。

2.1 成分與木材相似

判斷農作物秸稈能否在建筑行業中代替木材使用，首先需要考慮得是兩者的主要作用成分及含量是否相似。顧藝等[4]通過對比農作物秸稈與木材的纖維素、木質素和戊聚糖的含量，得出農作物秸稈與木材以上3 項的含量基本相似，尤其是麥秸和蔗渣的纖維素含量非常接近于木材。因此從作用成分及含量方面考慮，農作物秸稈是適宜代替木材用作建筑原料的。

2.2 抗剪抗裂性能較好

將秸稈經過簡單切斷處理，與泥土、粘結劑等材料混合制成制品，用于建筑結構主體、外墻刷灰材料等。由于亂向分布在制品中的農作物秸稈含有大量植物纖維，纖維能夠阻止粘結劑內部微裂縫的擴展和材料內部細小裂紋的生長[5]，從而增加了粘結劑柔性，提高了粘結劑的抗裂性能。同時植物纖維能夠阻止垂直方向的剪切力，從而有效提高材料的抗剪性能。

2.3 保溫隔熱性能較好

容重是衡量保溫材料的重要指標，秸稈孔隙率大小和多少決定復合材料的容重值。孔隙率越高，容重越小，保溫性能越好。同時秸稈中含有大量的植物纖維，纖維具有多孔結構，可以有效阻止熱量傳導。因此可以通過控制加入秸稈的量來控制材料的容重，使其在不同使用環境和用途中具有滿足要求的保溫隔熱性能。

2.4 隔音性能較好

用秸稈制作的隔墻板材自身具有一定的厚度及亂向分布的秸稈，使得聲音在材料中傳播過程中衰減較大。此外，秸稈制品的孔隙率較大，孔隙中充滿了空氣。由于氣體的抗平衡能力小于液體和固體，因此聲波在氣體中衰減較大，所以用秸稈制作的隔墻板具有良好的隔音效果。

2.5 韌性高

木纖維具有出眾的彈性。如此出眾的彈性主要源于大量不規則的空隙，受壓時能迅速轉移壓力，松壓時能夠立馬回彈，對壓力能夠自然調節。含有大量纖維素的秸稈用于建筑材料中，當材料受到外界靜載荷時，會出現被壓扁現象，一旦材料上的荷載被移除時，就會恢復原狀。所以作為建筑材料的它對沖擊荷載、周期性疲勞破壞有很強的抵抗力。

2.6 防火性高

水泥、石灰等無機材料的耐火等級為A 級不燃材料，當農作物秸稈經過高密度壓實后，表面用石灰或水泥抹灰后，可使極易燃燒的秸稈的防火等級大幅提高。杜鵬[6]對秸稈水泥復合墻體防火性能研究表明：復合材料的阻燃能力已經達到國家A 級防火標準，其中耐火極限達到2h 以上，同時被明火燃燒時，不會產生任何有害氣體。

3 面臨的問題

秸稈用于建筑材料領域具有很多優異的特性，也存在著局限性，需要我們進一步研究解決。

3.1 收儲困難

生產企業想要維持生產線順利生產，需要原材料供應的持續性，農作物秸稈具有季節性，只有在收割的季節才能大量產生，所以農作物秸稈作為原材料不具有可持續性，那么生產企業在收割季節需要大量收集農作物秸稈作為原料支撐。同時，由于農作物秸稈質輕、占地，給運輸、貯存等都帶來不利影響。①在大范圍收割季節，秸稈收儲設備嚴重不足，需要政府及農業部門在收儲設備不足方面給予支持。②農戶為節約成本，留茬太高，使企業很難收到理想的長秸稈，需要基層干部對農戶的教育、收割的方式給予企業更大的幫助。③秸稈的收集、運輸、儲藏成本高。一輛載重20t 的汽車，只能運送6t 左右的秸稈，體積是個問題，只這一點成本就高了很多倍。解決這些問題的一個很有效的方法就是就近設點，將收集好的秸稈就地烘干、切割、壓實（打捆），便于運輸，或者用秸稈顆粒機造粒，壓制成秸稈顆粒。秸稈經過壓制或打捆之后，便于存儲、運輸。

3.2 認知度低

秸稈建材作為一種新型環保材料，公眾還對其不了解或了解較少，在應用時會存在對其各種性能和可靠度的擔憂。因此讓消費者認同、接受，是一個漸進的過程，需要通過電視、網絡等媒體進行大力宣傳；需要購買主體主動對接生產主體，給予一定的經濟價值；需要當地政府制定有針對性的激勵政策，并發動黨員干部對相關政策宣傳、講解到位。

3.3 需要政策扶持

農作物秸稈作為一種可再生資源，被應用到建筑材料中，既是對廢棄物或是用處不大的資源開發利用，是變廢為寶節約資源，也是節省能耗的有效方法。秸稈建材具有綠色、無污染、無排放等優點，但還沒有得到大眾廣泛的認可。提高秸稈綜合利用水平離不開政府的支持和引導，如資金補貼、稅費減免、開發獎勵、政策傾斜等。目前，我國的相關政策激勵主要側重于生物質能源的開發和利用，對生物質資源在建筑材料領域利用的引導和激勵相對不足，還需要一些地方政府加強相關利用的補貼。

3.4 缺乏相關的技術標準

隨著秸稈在建筑材料中的應用逐漸得到人們的認可，秸稈建筑材料的研究和應用越來越多，關于秸稈建筑材料的技術規范卻不完善。雖然從2000 年以來，國家出臺了一系列秸稈綜合利用的政策和措施，《國家先進污染治理技術示范名錄》介紹了秸稈制作成型燃料、燃燒發電、制作建筑材料的技術指標、適用范圍和解決的技術難題。但考慮到地域不同、使用方式不同，對秸稈建材的某些性能有特殊要求，還需要國家有針對性地制定相應的技術標準。

4 秸稈作為建筑材料的發展趨勢

隨著人們環保、節能意識的提高和科學技術的進步，傳統粘土、石灰等無機材料逐漸被代替。秸稈建材正是適應了科技發展和環保政策的需求應運而生。由于秸稈建材產品具有廣闊的應用空間，并且該產品的生產成本較低，產品性能優越等優點，必將導致該產品有較強的市場競爭力。特別是秸稈建材的使用地域性廣，由于具有保溫、隔熱、防水、高強度等優點，能夠適合在熱帶、亞熱帶、多雨多潮氣候，亦適應我國北方保暖抗寒的氣候要求；使用類型廣泛，目前建材市場已形成了多種類、多用途、多功能的產品系列，如外墻板、保溫板、秸稈磚等。因此，我國的秸稈建材的生產具有廣泛的推廣前景。

隨著秸稈建材生產技術的發展和創新，對于秸稈的利用效率逐步增加，以新技術、新材料為代表的秸稈應用新模式成為當前時代重要的科研議題。針對秸稈材料良好的抗裂性、隔熱性、保溫性、抗壓性等相關內容做進一步研究，從而促進秸稈材料的高效利用；對秸稈材料進行改良，提升建筑材料的抗拉性，在倉庫、生產車間等低層建筑中有效應用，從而代替傳統建筑材料，實現對材料的高效利用；對秸稈材料的創新，提升材料的強度，以此來進一步提升建筑材料的應用價值；對生產工藝的調整，可以提升秸稈新型建筑材料的生產效率，以此降低材料的生產成本；對秸稈建筑材料中的添加劑，進行科學地管理和控制，尤其是以甲醛、甲苯、揮發性有機化合物等污染物，減少對空氣的二次污染問題。

5 結語

（1）通過對我國農作物秸稈的利用現狀及秸稈在建筑材料中應用的歷史，分析得出農作物秸稈在建材中的應用前景廣闊。

（2）農作物光合作用的產物有一半以上存在于秸稈中，秸稈富含氮、磷、鉀、鎂和有機質等，是一種具有多用途的可再生資源。在環保和“雙碳”的目標下，在建材領域中應用是一舉多得的舉措。

（3）秸稈建材雖然具有很多優點，但也有一些局限性，例如：傳統秸稈建筑中，秸稈外墻抹灰難找平，凹凸不平的外墻影響整體美觀；秸稈磚制作成規定尺寸，比較難以切割等問題，所以，秸稈建材還有很高的研究價值。

（4）我國農作物秸稈資源豐富，充分利用秸稈資源可以為生產主體增加經濟收入，同時可以有效解決就地焚燒污染環境的問題和緩解建筑材料對不可再生資源的需要。因此秸稈在建材領域中的應用具有很好經濟價值和社會價值。