植物纖維墻體砌塊力學(xué)性能與保溫性能研究

盧錦秀++吳端陽(yáng)++趙嵩穎

摘 要：植物纖維墻體砌塊是以廢棄農(nóng)作物秸稈為主要原料之一，配以加強(qiáng)材料和黏合劑等，按一定配方經(jīng)過(guò)物理和化學(xué)反應(yīng)膠結(jié)成型，脫模凝固后制成的新型建筑保溫材料。本文主要對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有植物纖維保溫砌塊的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)植物纖維材料表面改性的應(yīng)用現(xiàn)狀，著重分析其力學(xué)性能和保溫性能，開(kāi)辟了新的建筑原材料來(lái)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(kāi)發(fā)新型墻體材料可以推動(dòng)墻材工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了墻材產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的變革。

關(guān)鍵詞：保溫砌塊；秸稈表面改性；力學(xué)性能

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

1 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，隨著農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，我國(guó)的糧食產(chǎn)量逐年增高，隨之而來(lái)的秸稈問(wèn)題也日益突出。有數(shù)據(jù)表明，我國(guó)每年產(chǎn)生的各類(lèi)秸稈廢棄物近6億噸，其中稻草和玉米秸稈產(chǎn)量約占秸稈總量的一半。農(nóng)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(fèi)，還嚴(yán)重污染環(huán)境[1]。如何實(shí)現(xiàn)秸稈的資源化利用，是當(dāng)今所面臨的重要問(wèn)題。

將秸稈應(yīng)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(wèn)題。秸稈復(fù)合型保溫砌塊墻體技術(shù)在我國(guó)日趨成熟，各種秸稈保溫砌塊的性能、特點(diǎn)、制備都有不同程度的研究。然而，各類(lèi)秸稈復(fù)合保溫砌塊的性能又存在著不同的差異，從而導(dǎo)致秸稈復(fù)合型保溫砌塊至今無(wú)法得出較普遍性規(guī)律。為此，本文試通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的秸稈復(fù)合保溫砌塊進(jìn)行綜合對(duì)比分析，總結(jié)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(lián)系，為后續(xù)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(shí)驗(yàn)對(duì)比

當(dāng)前，摻入秸稈的保溫砌塊制備環(huán)節(jié)上，面臨著膠合強(qiáng)度問(wèn)題，如何除去秸稈表面的角質(zhì)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(qiáng)度是制備秸稈保溫砌塊的關(guān)鍵技術(shù)之一[2]。

表1為六種秸稈纖維改性處理實(shí)驗(yàn)方法對(duì)比。通過(guò)對(duì)比分析可知，雖然六種實(shí)驗(yàn)處理方法不同，且各有優(yōu)點(diǎn)，但實(shí)驗(yàn)的共性均是破壞秸稈纖維表面結(jié)構(gòu)，來(lái)增強(qiáng)秸稈的力學(xué)、化學(xué)性質(zhì)及與其他材料的復(fù)合性。

2.2 秸稈表面改性處理方法

本文通過(guò)研究現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方法，總結(jié)出可行性較強(qiáng)的五種秸稈表面改性處理方法，見(jiàn)表2。分別為物理加工法[3]、化學(xué)加工法[4]、濕熱加工法、機(jī)械加工法和生物加工法。化學(xué)加工法主要是通過(guò)極性溶液降低秸稈纖維表面的蠟狀物質(zhì)和非極性物質(zhì)，從而提高活性位點(diǎn)，以達(dá)到較好膠合效果。如Wayne[5]通過(guò)酸性極性溶液對(duì)小麥秸稈進(jìn)行化學(xué)加工處理和Edeerozey[6]通過(guò)堿性極性溶液，對(duì)紅麻纖維進(jìn)行改性處理，均達(dá)到理想效果。

機(jī)械加工法相對(duì)于其他幾種方法，最大的優(yōu)勢(shì)在于工藝簡(jiǎn)單，用機(jī)械切割機(jī)切割處理即可達(dá)到工藝要求。濕熱加工法通過(guò)降解蠟狀物質(zhì)與半纖維素可以有效的提高秸稈與膠凝劑的結(jié)合強(qiáng)度，使得秸稈保溫砌塊材料的力學(xué)性能顯著提高，但濕熱加工法能耗較高及廢水處理的問(wèn)題也待解決。

物理加工法主要目的是提高秸稈表面的潤(rùn)濕性能，可通過(guò)改變自由基濃度和微觀構(gòu)造得以實(shí)現(xiàn)，此種方法具有勻稱(chēng)、干凈、易于節(jié)制的特點(diǎn)，但獨(dú)自使用效果不佳，需與其它方法配合使用才能達(dá)到最優(yōu)。生物加工法主要利用微生物和酶液分解秸稈表面的化學(xué)物質(zhì)，造成表面粗糙度增高，進(jìn)而達(dá)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(fù)雜條件少等優(yōu)點(diǎn)，但處理工藝相對(duì)繁瑣，過(guò)程控制較難。

3 秸稈保溫砌塊性能對(duì)比

我國(guó)在秸稈保溫砌塊復(fù)合材料的研究和應(yīng)用起步較晚，上世紀(jì)80年代左右，我國(guó)南方地區(qū)才出現(xiàn)利用蔗渣制造硬質(zhì)纖維板和刨花板的工廠體系[7]。近幾年，中國(guó)林科院、吉林建筑大學(xué)和南京林業(yè)大學(xué)等科研院校也逐漸對(duì)這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行了研究和開(kāi)發(fā)，他們利用麥秸和稻秸以及棉桿燈非木質(zhì)材料作為建筑原材料，研制出物理特性?xún)?yōu)良、力學(xué)性能達(dá)標(biāo)的中密度纖維板或混凝土砌塊。本文對(duì)比了近幾年效果較好的秸稈保溫砌塊的實(shí)驗(yàn)，分別如下：

實(shí)驗(yàn)一，試驗(yàn)將頁(yè)巖燒結(jié)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(jīng)過(guò)加工成型，最后制得具有較好的保溫和力學(xué)性能的頁(yè)巖燒結(jié)砌塊。

實(shí)驗(yàn)二，將成型的混凝土空心砌塊孔模型內(nèi)，加入秸稈壓縮試塊，通過(guò)加工工藝，制得混凝土秸稈保溫砌塊，測(cè)試結(jié)果表明，該混凝土秸稈砌塊具有良好的保溫性。

實(shí)驗(yàn)三，以玉米秸稈為主要原材料，其膠凝材料選用經(jīng)過(guò)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(jīng)過(guò)一定工藝，最后制得玉米秸稈纖維保溫砌塊。通過(guò)檢測(cè)，該保溫砌塊在保溫、力學(xué)等各性能方面展現(xiàn)出非常良好的特性。

實(shí)驗(yàn)四，先將各類(lèi)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(guò)測(cè)試各砌塊保溫系數(shù)，合理地分析秸稈-粉煤灰保溫砌塊的配合比。

本文針對(duì)保溫砌塊性能方面，對(duì)比研究了以下四種常見(jiàn)的秸稈復(fù)合型保溫砌塊的力學(xué)性能、保溫性能等特性。

從表3可看出，各類(lèi)秸稈復(fù)合型保溫砌塊，無(wú)論從抗壓、抗折等力學(xué)性能上分析，還是從保溫性能上總結(jié)，均比未摻加秸稈的保溫砌塊的效果明顯增強(qiáng)，而這以網(wǎng)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(qiáng)，保溫性好，秸稈擁有很好的韌性，一定的強(qiáng)度。

可是，這并不意味著秸稈摻量越多越好，無(wú)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(qiáng)度一開(kāi)始呈上升趨勢(shì)，當(dāng)秸稈摻量超過(guò)10%左右，其抗折強(qiáng)度急劇降低；如圖2，當(dāng)摻入秸稈時(shí)刻起，隨著摻量的增加，材料所體現(xiàn)出來(lái)的抗壓強(qiáng)度就開(kāi)始一直呈下降趨勢(shì)。由此可以得出以下結(jié)論，秸稈摻量一旦超過(guò)一定的限度，體系內(nèi)的膠凝材料不足以將其充分包裹，隨著抽出物的增多，將會(huì)影響其界面的粘結(jié)度，從而使其力學(xué)強(qiáng)度下降。

通過(guò)比較上述各類(lèi)秸稈復(fù)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(fù)合的保溫砌塊，其力學(xué)性能尤為突出，通過(guò)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(yīng)生成MgSiO2，該MgSiO2屬于水硬性，而且，鎂水泥水化過(guò)程中的孔隙，加入的礦渣恰好可以將其填充，鎂水泥經(jīng)改性后彼此交聯(lián)，使得結(jié)構(gòu)密實(shí)，結(jié)構(gòu)也更加穩(wěn)定，這樣一來(lái)，也大大增加了材料的強(qiáng)度，這也使得其力學(xué)性能高于其他類(lèi)秸稈-混凝土水泥復(fù)合砌塊。而分別利用頁(yè)巖燒結(jié)磚和普通混凝土水泥復(fù)合的秸稈保溫砌塊雖然沒(méi)有很高的力學(xué)性能，相對(duì)來(lái)說(shuō)抗壓、抗折強(qiáng)度稍遜于秸稈-鎂水泥復(fù)合保溫砌塊，但其均能達(dá)到5Mpa左右的強(qiáng)度也符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8]。

就保溫性能而言，頁(yè)巖燒結(jié)磚秸稈保溫砌塊中，由于靜止空氣是熱的不良導(dǎo)體，秸稈粉末添加比例較少時(shí)，密閉的孔隙分布相對(duì)均勻，能阻礙導(dǎo)熱，一定程度上增大了砌塊的熱阻，也能夠增強(qiáng)砌塊的保溫，一旦添加過(guò)量，材料內(nèi)部缺少熔融晶體的連接隔斷，從而使各細(xì)小孔隙相連，導(dǎo)致空氣容易因溫差發(fā)生對(duì)流，這就會(huì)在一定程度上影響自身的保溫效果；夾心秸稈混凝土與內(nèi)填充粉煤灰秸稈-石膏保溫砌塊保溫墻體的傳熱系數(shù)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(fù)合漿體，而后者多添加的粉煤灰中含有相當(dāng)高的無(wú)定性硅質(zhì)材料，比表面積大，在一定程度上增強(qiáng)了保溫效果，這也給后者傳熱系數(shù)稍低于前者作出了一定的解釋?zhuān)欢噍^于秸稈-鎂水泥復(fù)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(jié)構(gòu)來(lái)看，秸稈為多孔結(jié)構(gòu)，鎂水泥的水化產(chǎn)物可以將其包裹，鎂水泥內(nèi)部孔隙就會(huì)被封閉起來(lái)，從而添加秸稈有利于增強(qiáng)保溫砌塊，同時(shí)，秸稈與鎂水泥基體之間會(huì)緊密結(jié)合起來(lái)，秸稈纖維中有大量羥基，有較強(qiáng)的親水性，而鎂水泥水化過(guò)程中加入的秸稈可以和氯氧鎂水泥更好的結(jié)合，使其保溫性能得到更深層次的加強(qiáng)，因而使得秸稈鎂水泥復(fù)合保溫砌塊的保溫性能遠(yuǎn)超于其他同類(lèi)秸稈保溫砌塊。

4 結(jié)語(yǔ)

循環(huán)再利用的材料代替已有工業(yè)化的建筑材料，是未來(lái)建筑材料的趨勢(shì)，而秸稈保溫砌塊材料的耐久性是重點(diǎn)研究課題之一，本文通過(guò)對(duì)比研究得出以下結(jié)論。（1）除去秸稈表面的角質(zhì)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(qiáng)度是制備秸稈保溫砌塊的關(guān)鍵技術(shù)之一。（2）現(xiàn)今表面改性方法主要為化學(xué)加工法、物理加工法、濕熱加工法、機(jī)械加工法和生物加工法。（3）傳熱系數(shù)隨秸稈加入增多而增大，砌塊抗折強(qiáng)度隨秸稈量加入先增大后減小，秸稈加入量增加5%左右強(qiáng)度減小10%。應(yīng)根據(jù)砌塊使用功能合理設(shè)計(jì)配合比。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯國(guó)艷，冀志江.農(nóng)作物秸稈在建筑材料中的應(yīng)用.浙江杭州：2006：40-42.

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

[3]鄧華，李淳，曾秋苑.微波輻射改性秸稈/HDPE復(fù)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(jī)理研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，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(guó)外建筑科學(xué)，1995（03）：41-49.

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

基金項(xiàng)目：吉林省2016年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（201610191150）

*為通訊作者。