秸秆草砖保温性能研究

王晓峰 曹宝珠

(吉林建筑工程学院土木工程学院，长春 130118)

全国各地的新农村示范区多为单层砖瓦房，其主要承重结构仍采用粘土砖，不足以体现社会主义新农村建设的现代化特点.同时，我国农村传统建筑的保温和环保性能较差，尤其是寒冷地区冬季采暖能耗过多，对环境的压力越来越大.低层建筑秸秆草砖住宅，对我省农村地区的环保、节能具有重要的意义.秸秆草砖由一年生农作物秸秆压缩而成，具有较好的耐久性能和保温性能.目前，农村秸秆除少量用作牲畜饲料外，大多付之一炬，既造成能源的浪费又严重污染环境，若将其压缩后用于新型农村住宅建设中，能大大改善房屋的保温性能，在东北严寒地区其保温效果更为显著.

1 试验研究

1.1 试验方法

本课题的试验方法采用DRY－300F型导热系数测定仪，对秸秆草砖，秸秆混凝土砖，秸秆泥土砖的热工性能进行研究，测试时取主板温度55℃，冷板温度35℃.测量时间3 h.记录测试结果.

工作原理:DRY—300F双平板导热仪在热平衡状态下的稳定导热.热板的作用使热板加热后，热能只能单方向传导，即由热板向冷板方向传导.由于有两个冷板，因此，热能向正反两个方向平行传输.当有试件在热板和冷板之间时，热能由热板通过试件向冷板方向传输.热板加热器产生的热量为:

式中，U为加在加热器两端的电压;I为通过加热器的电流.

如果用R表示加热器的电阻，则加热器产生的热量为:

根据热传输理论分析，材料的导热系数与材料的厚度成正比，与加在热面到冷面的温度差成反比.

将上式从冷面到热面进行积分，在理想条件下可得到:

式中，H为平板材料的厚度;t2为热板温度;t1为冷板温度;k为积分常数.

根据方程(2)和(4)，可得到材料导热系数方程:

方程(5)就是导热系数方程，其中k是仪器常数.

在双平板导热仪器中，常数k=1，同时，由于有两个相同试件和两个冷板，因此方程(5)改写为:

方程(6)就是DRY－300F双平板导热仪基本计算方程.在计算过程中，再测量材料的导热系数过程中，可以得到正确的结果.

1.2 试块的制作

试验采用的秸秆含水率为6.1%(秸秆的公定含水率为10%;秸秆含水率最高限度为25%)，无发霉、腐烂现象.秸秆草砖尺寸为300 mm×300 mm，标准厚度为20 mm最大可以达到50 mm.秸秆草砖尺寸要符合测试设备对试件的要求.

秸秆的形状复杂无规律，秸秆间的空隙很大，受压后秸秆变形较大，放置一段试件就会发生变形.秸秆草砖结构具有一定的可恢复性.铁的导热系数是40×1.163 W/(m·k)，具有良好的导热性能，对试验的影响可忽略.由以上原因分析，制作此模具(见图1).模具上下表面分别用300 mm×300 mm×1 mm铁板，四周用10 mm木条，铁板与木条用螺丝连接，中间空心部分填充秸秆(见图2).

图1 秸秆草砖模具实体

图2秸秆草砖模具草图

图3 中的秸秆泥土砖B 1，B 2分别按秸秆300g和黏土4000 g(质量比1∶13)，加入定量的水，搅拌均匀，混合制作而成.然后放入300 mm×300 mm

×30 mm的木模中，待成型后拆模，放到通风处.图4中的秸秆混凝土砖A 1，A 2分别是按秸秆150 g和水泥3000 g(质量比1∶20)加入适量的水混合而成的.

图3 秸秆泥土砖B 1和B 2

图4 秸秆混凝土砖A 1和A 2

2 试验结果与分析

秸秆草砖、秸秆混凝土砖及秸秆泥土砖的导热系数结果见表1.

表1中不同砖试件的导热系数都小于0.23 W/(m·k)，均满足保温材料的要求.秸秆作为砖试件中的材料起到了重要作用.秸秆即农作物的茎杆，本身材质疏松，秆壁密度低，是管壁状、空心、不连续、质轻的多孔材料[1].秸秆具有封闭型的薄壁空腔结构，节间空腔内充满空气.秸秆草砖是将秸秆剪成2 mm～3 mm长度，均匀、密实的放入秸秆草砖模具内而成.秸秆草砖内的秸秆之间较密实，其空隙很小且狭长.秸秆草砖中秸秆间形成了厚厚的秸秆聚合层.秸秆草砖的传热过程是由热传导模式控制，当热量传递时，秸秆聚合层中大量的空气很难流动，使得热量较难通过空气传递.不流动的空气是热的不良导体，因此，秸秆保温效果明显.

表1 不同砖试件的导热系数

由试件1与试件2的导热系数做比较可以得出:秸秆草砖烘干状态下的导热系数比自然状态下的小6.5%.含水率是影响导热系数的重要因素.自然状态下秸秆草砖含有一定量的水份，含水率大于烘干状态下的秸秆草砖.热传导过程中秸秆受热，水份由液态变成气态(水蒸气)，通过秸秆空腔与秸秆之间空隙挥发出去，吸收一部分热能，加速了热能的流失，不利于保温.所以秸秆含水率越小，则它的导热系数越小，保温性能越好.

由试件1与试件3，4的导热系数做比较可以得出:秸秆草砖(自然)的导热系数比秸秆泥土砖的导热系数少29.54%，秸秆草砖(自然)的导热系数比秸秆混凝土砖的导热系数少20.55%.秸秆节间空腔基本呈圆柱形，秸秆之间空隙大.秸秆与黏土(水泥)混合后，秸秆的结构破环呈现椭圆形或片状，秸秆之间的孔隙被黏土(水泥)填充，孔隙间空气减少，存储的热量减少，保温性能下降.所以秸秆草砖的保温性能高于秸秆泥土砖及秸秆混凝土砖.

目前，常用墙体材料基本导热特性参数:加气混凝土的导热系数为0.22 W/(m·k)，普通混凝土的导热系数为1.51 W/(m·k)，石膏板的导热系数为0.33 W/(m·k)，普通砖的导热系数为0.81 W/(m·k)，抹面层的导热系数为0.87 W/(m·k)[2].与表1比较分析得出:秸秆泥土砖的导热系数小于普通砖，秸秆混凝土砖的导热系数小于普通混凝土.秸秆泥土砖和秸秆混凝土砖中，秸秆空腔结构内充满不流动的空气.空气能存储热量，起到保温效果.而普通砖和普通混凝土内部结构有孔隙，孔隙间贯通，空气具有一定的流动性，热量通过空气传递出去，使温度迅速降低.所以，泥土和水泥中分别加入定量的秸秆，可以提高秸秆泥土砖和秸秆混凝土砖的保温效果.

3 结论

通过对秸秆草砖的含水率及不同配比秸秆砖试件的导热系数研究得出:

(1)含水率是影响秸秆草砖导热系数的重要因素，含水率越小、导热系数越小，保温效果越好;

(2)秸秆本身具有保温隔热的性能.黏土和水泥中分别加入定量的秸秆，可以提高不同配比秸秆砖试件的保温效果;

(3)秸秆草砖的保温性能高于秸秆泥土砖及秸秆混凝土砖.秸秆草砖(自然)的导热系数远小于传统建筑材料的导热系数，是普通砖的1/7，普通混凝土的1/12.秸秆草砖把秸秆作为保温材料使用，能明显提高建筑的保温性能，符合可持续发展和节能减排的要求.

[1]傅志前.不同密度的麦秸砖墙导热系数试验研究[J].山东建筑材料学报，2012，15(2):289－292.

[2]周晓燕，李 健，周定国.轻质麦秸复合墙体传热特性模拟评价[J].林业科学，2007，43(2):89－95.