秸稈建筑材料的應(yīng)用及研究進(jìn)展

肖力光，丁艷波

(吉林建筑大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130118)

隨著科技與經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們對于環(huán)境的保護(hù)越來越重視，在建筑中應(yīng)用“綠色建材”意義重大?！熬G色建材”具有生產(chǎn)工藝潔凈、對工業(yè)農(nóng)業(yè)的廢棄物充分利用、對環(huán)境無污染等特點。另外方面，據(jù)計算，我國每年的秸稈產(chǎn)量為10.4億t，水稻、小麥、玉米的秸稈產(chǎn)量合計約占全國秸稈總產(chǎn)量的2/3[1]。 我國大約一半的秸稈產(chǎn)量分布在東部農(nóng)業(yè)區(qū)，東部農(nóng)業(yè)區(qū)大約占我國土地面積的1/5，秸稈總產(chǎn)量以華東最高，其次是華中、東北和西南[2]，我國對農(nóng)作物秸稈的回收再利用的研究具有重要意義。

1 秸稈建筑材料的意義

秸稈建材是指以農(nóng)作物秸稈為主要原材料，添加輔助材料和強(qiáng)化材料，按照一定的配比，通過物理、化學(xué)或兩者結(jié)合的方式，形成具有特殊功能和結(jié)構(gòu)特點的建筑材料的統(tǒng)稱[3]。秸稈建材具有無輻射﹑無污染﹑無毒害的眾多優(yōu)點，經(jīng)過人們的長時間使用發(fā)現(xiàn)與其他建筑材料的功能相比并沒有差別，建筑物的結(jié)構(gòu)十分穩(wěn)定。大力發(fā)展秸稈建材，解決了秸稈綜合利用問題，防止了秸稈燃燒產(chǎn)生的霧霾危害，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2 國外秸稈建筑材料研究及應(yīng)用進(jìn)展

人類使用秸稈作為建筑材料的歷史悠久，人們最開始使用的自然資源作為建筑材料的是草稈、蘆葦?shù)萚4]。19世紀(jì)末在美國的西北生活的農(nóng)民，由于經(jīng)濟(jì)落后，各種生活物資都十分缺少，當(dāng)然也包括蓋房子的材料。大多數(shù)的材料都需要從遠(yuǎn)方用牲畜運(yùn)送。在當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物資源十分豐富，美國每年的秸稈的產(chǎn)量和400萬間200 m2以秸稈為主要建筑材料的房子用的秸稈量相等[5]。人們開始把目光轉(zhuǎn)向廢棄的秸稈，用很多草的莖部打包成大塊狀，像使用木材和石頭一樣，把一大塊一大塊的草稈堆砌起來，蓋成房子的形狀，供人們居住。在1884年的美國，第1次使用堆砌的秸稈建造的一座住宅，該建筑位于內(nèi)布拉斯加州[6]。使用秸稈作為建筑材料的建筑可以很好的保溫，具有傳熱系數(shù)小的特點，而且十分結(jié)實，有良好的吸聲效果，住在秸稈建筑里面的人感到十分舒適。為后來使用該建筑材料的發(fā)展提供了良好的基礎(chǔ)。

1993年，Bou-Ali等對秸稈磚進(jìn)行了力學(xué)實驗，通過繪圖，結(jié)果表明，秸稈磚的抗壓能力隨秸稈磚密度的增大而增加[7]。Blum進(jìn)行了秸稈磚的載荷實驗，發(fā)現(xiàn)載荷越大，磚彎曲的越嚴(yán)重，載荷卸載后，彎曲并不能完全恢復(fù)，僅恢復(fù)1/2[8]。Don Stephen通過秸稈磚載荷實驗，證明了實驗方法不同，得出的結(jié)果差異很大[9]。

從1884年第1座使用秸稈作為建筑材料的建筑建成到20世紀(jì)40年代，秸稈建筑材料以它優(yōu)良的使用性能加之人們對其的青睞，使它迎來了蓬勃發(fā)展的時期[10]。在美國內(nèi)布拉斯加州越來越多的人們選擇建造以秸稈為原料的建筑。不僅是用來居住的房子，還有用來辦公的建筑。使用秸稈的建筑開始興起。在當(dāng)下，世界各地都開始使用秸稈建材技術(shù)。

1990年初，利用秸稈制作板材的工藝在國外誕生，稱為人造板。人們對秸稈建材的開發(fā)有了新的進(jìn)展。1905年,使用黏合劑與麥稈制造出了人造板[11]。在20世紀(jì)40年代，美國、英國一些科學(xué)家又利用大麥稈、油菜稈、棉花稈中加入鋸末，制造出了質(zhì)量更高的人造板材[12]。1970年，聯(lián)合國構(gòu)造集會，將人造板材的質(zhì)料擴(kuò)大到利用秸稈。國外最開始使用脲醛樹脂作為制造秸稈人造板材的黏結(jié)劑，但是成本很高，經(jīng)過研究人員的探索發(fā)現(xiàn)秸稈表面含有蠟質(zhì)類物質(zhì)，所以采用混合黏結(jié)劑制造秸稈板[13]。Han利用蒸煮的方法，將秸稈在膠合前進(jìn)行蒸煮，再和脲醛樹脂膠結(jié)合，結(jié)果顯示：預(yù)先將秸稈進(jìn)行蒸煮處理，可以使秸稈與脲醛樹脂膠更好的膠合[14]。

人們不僅制造了秸稈人造板材，又將秸稈加入到水泥基中復(fù)合材料，探究其對水泥基材料的一系列性能影響。Zhang把水泥和秸稈制作成復(fù)合材料，探究了彈性模量與載荷的關(guān)系，載荷越大，秸稈水泥的復(fù)合材料的彈性模量越大[15]。將秸稈纖維與水泥復(fù)合制成秸稈草磚Emma Boghossian等[16]研究了亞麻纖維對混凝土塑性收縮的影響，選取不同長度的亞麻纖維，測定其對試件收縮的影響，結(jié)果顯示加入了亞麻纖維，明顯抑制了試件的收縮。在21世紀(jì)初， Martello L S等將蔬菜莖纖維加入到瓦片中，通過測定溫度的變化，發(fā)現(xiàn)其保溫性能良好[17]。

Bouhicha M和Aouissi F對加入未經(jīng)處理的秸稈的混凝土試塊和經(jīng)過處理的秸稈的混凝土試塊進(jìn)行耐久性實驗，含有經(jīng)過處理的秸稈的試塊吸水率更小，說明使用防水劑等聚合物處理秸稈有提高混凝土耐久性的能力[18]。Agueda A等又對秸稈板的阻燃性進(jìn)行了研究，通過使用阻燃劑和未使用阻燃劑的秸稈板的燃燒速度，可以得出加了阻燃劑的秸稈板完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)[19]。英國一個質(zhì)檢公司對秸稈建筑進(jìn)行了2 h火災(zāi)實驗，結(jié)果顯示：用草磚為材料的建筑符合防火性能測試[20]。又因為秸稈纖維不緊密，對水的運(yùn)輸及儲存更有利，使秸稈磚建筑具有一定的防水性[21]。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們開始將更多的視野轉(zhuǎn)向科學(xué)研究，對建筑材料的性能要求越來越高，將秸稈加入到水泥基中，作為一種增強(qiáng)材料應(yīng)運(yùn)而生，越來越多的國家將此作為研究的熱點[22]?？梢愿玫睦觅Y源，尤其對于盛產(chǎn)農(nóng)作物的國家，省去了對秸稈的回收，節(jié)省了資源。在經(jīng)濟(jì)與資源共享的時代背景下，對于秸稈在水泥中的應(yīng)用，有很好的發(fā)展前景。

3 國內(nèi)秸稈建筑材料研究及應(yīng)用進(jìn)展

中國作為農(nóng)業(yè)大國，利用秸稈作為建筑材料在中國已經(jīng)有幾千年的時間。最開始使用茅草捆成小捆搭在房屋頂上，用來防雨。這是中國最開始的關(guān)于秸稈作為建筑材料的利用。像古代詩人陳與義在詩歌《茅屋》中所描寫的那樣：“茅屋年年破，春風(fēng)歲歲來”，由此可以看出只是單一的，無加工的直接利用秸稈作為建筑材料的建筑易損壞，使用壽命短，需要經(jīng)常維修。到了民國時期，人們開始以泥土制作成磚，堆砌成墻，在這樣的墻表面覆蓋上草稈，高粱稈，蘆葦?shù)?，然后涂抹上黃泥，加固。到了20世紀(jì)80年代，開始出現(xiàn)把搗碎了的秸稈與黃泥混合，之后曬干，得到磚塊，用來建造房屋[23]。這是我國用秸稈制作人造板材的開端。最初的研究是以廢棄的甘蔗渣作為原料，采用濕法制作的硬質(zhì)板材，接著我國一些研究單位開始使用稻殼、玉米秸稈、麥秸稈等制作與研究。近年來，綠色建筑材料與可循環(huán)經(jīng)濟(jì)受到廣泛認(rèn)可，秸稈建筑材料得到了很好的推廣。受到了廣泛的研究，當(dāng)前我國的秸稈建筑材料主要有以下幾種：秸稈磚、秸稈人造板材(分為使用膠黏劑和不使用膠黏劑)、秸稈水泥基復(fù)合材料。

3.1 秸稈磚

秸稈磚是指用秸稈打包機(jī)器將秸稈整理打包，使原本松散的秸稈變密實，再切割成磚塊，堆砌起來用秸稈磚建造住宅[24]。秸稈磚具有很多優(yōu)良的品質(zhì)，例如硬度高，可以承受一定的載荷。用秸稈磚建造的房屋環(huán)境舒適，減少外界噪音，深受人們的喜愛。

隋明銳闡述了秸稈磚的生產(chǎn)工藝，收集、壓實、捆扎、切割、貯藏；以及秸稈磚的性能，每米墻體可以承受500 kg的載荷，隔聲隔熱，使用壽命長；通過計算普通磚的成本，可以用小麥秸稈為原料的秸稈磚代替紅磚在河南等地[25]。

楊青松等[26]按照美國材料實驗協(xié)會標(biāo)尺，計算出玉米秸稈草磚為節(jié)約能源的材料。并且通過熱成像儀測定，秸稈草磚與普通磚進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)秸稈草磚的傳熱能力更小。

趙文蘭等[27]進(jìn)行了秸稈磚在砌體中的收縮實驗，在自然條件下，養(yǎng)護(hù)42 t，以砂漿硬度、齡期、約束條件作為變量，得出秸稈磚在自然條件下的體積變化規(guī)律，得出秸稈磚塊的體積變化公式。對以后秸稈在建筑中的使用有重要作用。

孫國松等[28]通過對水稻秸稈草磚的受壓性能實驗，并與其他的文獻(xiàn)進(jìn)行對比，得到彈性和壓縮側(cè)的稻草和稻草磚裝載表面積，初始密度，大小和位置的承載力的模量是相關(guān)的，并且得出了稻草秸稈磚的極限承重能力公式。

王曉峰等[29]按照實驗測出不同配比的秸稈磚塊的導(dǎo)熱系數(shù)，得出結(jié)論:秸稈磚塊的含水率對導(dǎo)熱系數(shù)的影響，含水率小，導(dǎo)熱系數(shù)越小?？梢院芎玫谋４娼ㄖ镏械臒崃浚谒嗌皾{或者黏土中添加秸稈，能夠明顯的提升該建筑的保溫效果。

隨著國家大力倡導(dǎo)應(yīng)用節(jié)能型材料，提倡秸稈的再利用，越來越多的企業(yè)與高校致力于秸稈的再利用研究，因為秸稈磚的價格低廉，保溫效果良好，深深的受人們喜愛。

3.2 人造秸稈板材

人造秸稈板材是指秸稈歷經(jīng)一系列的加工，成型的板材。按照加工工藝可以將人造秸稈板材分為兩種：使用膠黏劑膠合和無膠膠合。使用膠黏劑膠合的加工工藝：把秸稈粉碎，再添加異氰酸酯進(jìn)行碾壓成型，另一種是將秸稈利用機(jī)械加工成纖維，使用脲醛樹脂為膠黏劑，經(jīng)過熱壓，形成一種一定密度的人造秸稈板；無膠膠合工藝：利用秸稈自身性質(zhì)，采用一定的加工工藝，如高溫高壓，使其自交結(jié)，再熱壓成板材。

3.2.1 使用膠黏劑的人造秸稈板材的研究 2007年8月16日，零境界健康板被萬華生態(tài)板業(yè)股份有限公司展示推出，得到了不同的反響，同時，由中國輕工業(yè)聯(lián)合會、中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會、中國石油和化學(xué)工業(yè)協(xié)會聯(lián)合主辦的“新型秸稈應(yīng)用技術(shù)推廣會議”召開，推廣秸稈板[30]。

張洋等[31]通過測定麥秸板與兩種膠黏劑的膠合程度，異氰酸酯(MDI)和脲醛樹脂(UF)，研究了黏合劑與秸稈表面的黏合機(jī)理，即相接觸的表面自由能較高，潤濕性優(yōu)良，還開發(fā)了專用的黏結(jié)劑。

劉利亞等[32]通過裝修時使用的不同膠黏劑，將不同種類的膠黏劑分組，隨著時間測定室內(nèi)產(chǎn)生甲醛的濃度，結(jié)果表明,使用脲醛樹脂和酚醛樹脂兩種不同的膠黏劑，以脲醛樹脂為黏結(jié)劑的人造板材會產(chǎn)生更多的甲醛，污染環(huán)境。

左迎峰等[33]使用自主研發(fā)的膠黏劑，黏結(jié)楊木單板與秸稈板，總結(jié)了膠黏劑的用量、加工使得溫度、時間、壓力對復(fù)合結(jié)構(gòu)材物理力學(xué)性能的影響規(guī)律,進(jìn)一步總結(jié)和提升實驗手段，并得出在一定條件下，產(chǎn)品性能優(yōu)于單一的板材。

孟藝瑋等[34]把玉米秸稈人造板材應(yīng)用在建筑中，并確定其影響傳熱量的4個因素，即用膠量、秸稈碎含水量、板材厚度及容重，通過不同因素組合形式，確定每種方案下，玉米秸稈板的導(dǎo)熱系數(shù)。得出在容重0.76 g/cm3，秸稈板厚11.8 cm，碎秸稈濕度12.1%，施膠量12%時，玉米秸稈板保溫效果最好。

3.2.2 無膠膠合的人造秸稈板材的研究 曹忠榮等[35]通過對板材中的組分改變，在板材的制作中成分的變化，討論了無膠膠合的機(jī)理。得出結(jié)論：在板材的制作過程中，部分水解的纖維素半纖維素水解出單糖和游離單糖與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成糠醛類化合物。降解的木質(zhì)素和有糠醛類化合物反應(yīng)生成聚合物樹脂，并且利于板材的膠合，在板材中發(fā)生的纖維水解和木質(zhì)素的降解都對板材的自膠合有利。

陽金龍等[36]對秸稈進(jìn)行了超臨界預(yù)處理，將秸稈在388 ℃的超臨界水中反應(yīng)21 s，得到了最大低聚糖轉(zhuǎn)化率，為以后的秸稈板材自交結(jié)提供了研究思路。 郁舒蘭等[37]對秸稈板材的研究現(xiàn)狀加以總結(jié)，又根據(jù)秸稈板的性能特點提出了對于此工業(yè)生產(chǎn)的方法，經(jīng)過論證，提出了工業(yè)生產(chǎn)的可行性。

徐劍瑩等[38]將無膠膠合的熱成型方法一共分成了3種形式：普通熱壓法、蒸汽爆破預(yù)處理法和噴蒸熱壓法，并且探討了每種方法的研究進(jìn)展，對秸稈的無膠膠合技術(shù)提出了展望。

吳磊[39]以麥秸為原料，無黏結(jié)劑，利用官能團(tuán)對麥秸前體木質(zhì)素和纖維素進(jìn)行功能化，以過氧化氫為引發(fā)劑，制備出與木材物理性質(zhì)相似的非木質(zhì)麥秸板。之后對其進(jìn)行力學(xué)性能測試，得出該人造板材符合國家標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)論。

秸稈人造板材的出現(xiàn)，使秸稈的回收與處理又增加了一個途徑，如何使使用的膠黏劑污染更小和無膠膠合工藝的優(yōu)化，是我們需要研究的問題。

3.3 秸稈水泥基復(fù)合材料

秸稈水泥基復(fù)合材料是指將經(jīng)過一系列處理的秸稈纖維加入到水泥基體中，秸稈作為增強(qiáng)材料，增加了水泥的耐久性能和力學(xué)性能，同時也解決了秸稈利用的問題。

肖力光等[40]通過對秸稈纖維水泥基復(fù)合材料的基體相，界面相，復(fù)合效果等進(jìn)行觀察，得出結(jié)論：在界面劑的作用下，秸稈與水泥基復(fù)合材料效果優(yōu)良。

馬欣[41]將不同質(zhì)量的粉煤灰和脲醛樹脂加入到秸稈水泥基復(fù)合材料中，對吸水率和軟化系數(shù)進(jìn)行測定?？偨Y(jié)出脲醛樹脂與粉煤灰的加入質(zhì)量對水泥基復(fù)合材料吸水率的影響，得出結(jié)論：在指定的區(qū)間內(nèi)，,增加粉煤灰和脲醛樹脂的摻量，材料吸水率降低,耐水性增強(qiáng)。

王曉燕等[42]為了提高秸稈與水泥基的界面結(jié)合能力，將秸稈纖維用NaOH溶液進(jìn)行浸泡，通過實驗，探究了溶液濃度，浸泡時間對秸稈纖維與水泥基的界面結(jié)合的影響，并且得出結(jié)論：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%的NaOH溶液改性處理24 h時,秸稈質(zhì)量損失率較大,可以減緩其對水泥的緩凝作用。此改性處置秸稈與水泥拌合的膠砂試樣的強(qiáng)度有所提高。經(jīng)過SEM測試，發(fā)現(xiàn)修改后的小麥秸稈與水泥膠體結(jié)合情況較好。經(jīng)過堿處理的秸稈，有效的提升了與水泥基界面結(jié)合的能力。

陳國新等[43]以棉花秸稈為加強(qiáng)相，水泥和砂作為基體相，采用堿處理和接枝處理兩種不同界面處理的方法，測試和分析棉花秸稈水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，結(jié)果表明,棉稈經(jīng)過1.5%～2.0%的堿液濃度，24～28 h浸泡，制作的秸稈水泥基復(fù)合材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能。

韓旭[44]通過3種不同配比的小麥秸稈水泥保溫磚的保溫性能實驗，得出結(jié)論：小麥秸稈通過化學(xué)添加劑的作用可以有很好的黏結(jié)作用，水泥基體中加入小麥秸稈有優(yōu)良的保溫性能。因為秸稈本身的保溫性，磚內(nèi)又有一定數(shù)量的尺寸很小、狹長的小孔，使空氣在磚體內(nèi)的流動性很差，發(fā)生熱傳遞困難，因此農(nóng)作物秸稈再生保溫磚的保溫效果顯著。

4 總結(jié)與展望

本文總結(jié)了國內(nèi)外秸稈建筑材料的種類，加工工藝及研究進(jìn)展，利用秸稈生產(chǎn)的建筑材料，性能優(yōu)越，市場前景廣闊。大力發(fā)展秸稈建材，解決了秸稈綜合利用問題，防止了秸稈燃燒產(chǎn)生的霧霾危害，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益，秸稈建筑材料的工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)、制備工藝、配方優(yōu)化、性能提升技術(shù)及配套設(shè)備是進(jìn)一步急需解決的問題，秸稈建筑材料具有良好的發(fā)展前景。