利用秸秆资源开发村镇建筑墙体材料的研究

高明

（西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010）

利用秸秆资源开发村镇建筑墙体材料的研究

高明

（西南科技大学土木工程与建筑学院，四川绵阳 621010）

利用农村废弃的秸秆、氯化镁和氧化镁等原料，从秸秆制品的重度、抗压和抗折等参数出发，通过试验配置适合秸秆墙体材料的配合比，并在试配比下测试其热学和力学性能指标，通过反复试验得出最优配合比，研发出适合于村镇并可推广的节能型墙体材料。研究结果表明，利用秸秆资源开发村镇建筑墙体材料具有良好的抗压、抗折性能、保温隔热性能。

秸秆；村镇；墙体材料；氯氧镁水泥

我国农村的秸秆资源因其回收后利用价值较低，常常被焚烧，这样不但浪费了的资源，而且严重污染了环境资源。从环保和节能等可持续发展的角度来说，研究秸秆资源开发村镇墙体材料制品具有重要的意义。

我国的大部分地区均有秸秆这种原料，许多高校科研人员对秸秆增强水泥基材料作了很多研究，得出了成果，如章希胜[1]研究并开发了成本低廉的防渗防漏性能优异的植物纤维水泥复合板，取得了良好的经济效益，邸芃等[2]通过对单一秸秆砖墙的结构体系和物理性能的全面分析，揭示秸秆在节能、经济、隔热保温和环保等方面所具有的独特优势。

本研究利用农村废弃的秸秆、氯化镁和氧化镁等原料，从秸秆制品的重度、抗压和抗折等参数出发，通过试验配置适合秸秆墙体材料的配合比，并在试配比下测试其热学和力学性能指标，通过反复试验得出最优配合比，研发出适合于村镇并可推广的节能型墙体材料。

1 实验

1.1 原材料

秸秆：选用普通的玉米或者稻草秸秆，并将秸秆切割成长度为20～30 mm不等的段；氧化镁：轻烧氧化镁，工业级；氯化镁：工业级，连云港日丰钙镁有限公司生产；水：自来水。由于氯氧镁水泥制品易出现泛霜或者返卤的现象，并且其耐水性较差[3]，因此在实验中添加一定比例的Ⅱ级粉煤灰。

1.2 实验方法

采用电子称称取150 g秸秆、400 g粉煤灰、600 g氧化镁，用量筒量取1115 ml的氯化镁溶液，为保证氯氧镁水泥与秸秆充分粘结在一起，事先利用氯化镁溶液湿润秸秆，时间不少于24 h，并准确记录氯化镁的添加量。

秸秆陈化24 h后，充分搅拌秸秆、粉煤灰和氧化镁，然后边加氯化镁溶液边搅拌，注意搅拌顺序，不能先将粉煤灰和氧化镁与氯化镁溶液搅拌，这样易造成结块，使得秸秆不易与其它混合物结合。搅拌后的混合物软硬适中并记录加入氯化镁溶液的用量。

实验过程中取100 mm×100 mm×100 mm的实验用模块2组，300 mm×300 mm×25 mm的实验用模块2组，并在模板的表面涂抹黄油，保证其密实性，防止出现漏浆的情况发生。并在振动台振动，直到实验材料密实，用模板尺整平试块的表面。

将制作好的模块在常温下养护1 d，拆模后在温度（20± 2）℃，相对湿度95%以上条件下养护7 d和28 d后测试试块的强度、密度和导热系数，性能测试按照GB 50574—2010《墙体材料应用统一技术规范》进行。

2 秸秆作为墙体材料的配合比研究

2.1 氯化镁溶液润湿秸秆情况下胶凝材料的实际配合比研究

氯氧镁制品中各个组成材料配合比直接影响到产品的性能[4]，按照混凝土配合比的方法对氯氧镁进行优化设计，确定3种比例关系，包括粉煤灰等的掺合率、单位体积的用水量和氯氧比（氧化镁与氯化镁之比），这3个参数值的比例直接关系到氯氧镁制品的性能和效益。

氯氧镁制品中掺合率指标和氯氧比指标在配合比的优化设计过程中是很重要的，但这2项指标很难加以确定，本研究采用经验数据通过试配的方法加以计算，最后得出优化配合比。试验中的秸秆根据实际用量的情况加入，因试验中氯化镁溶液的温度随季节的变化较大，试验环境的平均气温在26℃，波美度的取值为26，按照经验数据，氯化镁溶液取值730ml，粉煤灰和氧化镁分别取值400g和600g，总体积用水量600ml。

按照参考配合比对上述胶凝材料进行实际试配，对粉煤灰和氧化镁设定为固定值，分别为400 g和600 g，将秸秆和氯化镁设定为变动值。其它原材料配合比结果见表1。

表1 氯化镁溶液润湿秸秆实验配合比

从表1可以看出，试验样品中的秸秆用量偏低，1#～4#样品的秸秆用量均低于100 g，氯氧镁水泥的性能没有因为秸秆加入受到实质的变化。5#～10#样品是利用氯化镁溶液浸泡一定量的秸秆，在浸泡时，采用一边加入定量的氯化镁溶液，一边将秸秆与氯化镁溶液搅拌。这样一方面节省了氯化镁溶液，另一方面使得氯氧镁的胶凝材料可以和秸秆有效的结合，增加试制样品的强度。在试验时，已经润湿的秸秆需放置12 h以上，并在试验前称重，秸秆在试验时新增加的量根据实际情况确定，5#～10#样品的秸秆用量不断提高，从105.3 g提高到179 g，减少氯氧镁水泥用量试配秸秆墙体材料。此外，试验样品中因氯化镁含量高导致返卤泛霜现象明显。针对此类问题，试验将进一步探索通过减少氯化镁的含量，同时提高秸秆的用量来配置材料。

试验结果表明：

（1）秸秆和氯氧镁水泥可有效牢固结合，秸秆在胶凝材料中的含量变化较大，而氯化镁溶液在胶凝材料中所使用量变化不大。

（2）试验样品在3 d的自然养护条件下，出现返卤泛霜的情况，并且该种情况随养护时间延长逐渐严重，养护28 d后稳定。出现该种情况是因为试验用的样品中氯化镁未产生化学反应，在样品表面出现小晶体，利用电镜放大后的晶体照片见图1。

图1 晶体放大后的照片

2.2 自来水润湿秸秆情况下胶凝材料的实际配合比研究

因氯化镁溶液中存在没有发生化学反应的晶体析出，导致上述试验的样品中存在返卤泛霜现象，因此用自来水替代氯化镁对秸秆进行预先湿润，降低氯化镁溶液的量。试验研究过程中固定粉煤灰400 g，氧化镁600 g，其它原材料配合比见表2。

通过利用自来水润湿秸秆替代氯化镁溶液，可以显著降低试块表面的返卤泛霜，秸秆和氯氧镁水泥仍然可有效牢固结合，并降低氯化镁的使用量。

表2 自来水替代氯化镁润湿秸秆实验配合比

通过对试验样品的导热系数、抗折和抗压性能进行检验，按照最优性能确定最优配合比（质量比）为：氧化镁∶粉煤灰∶秸秆∶氯化镁∶水=4.5∶3∶1.1∶2∶7.5。

3 秸秆墙体材料主要控制指标研究

将秸秆资源作为村镇建筑的墙体材料进行研究，最终的目的是保证墙体材料在力学性能和热学性能方面满足要求。因此，按照上述最优配合比情况下制作2种试验用样品测试其主要性能指标，第1种，制作3组立方体试块（100 mm×100 mm×100 mm），共9个试块；第2种，制作3组棱柱体板材样本（300 mm×300 mm×25 mm），共6个试块。性能测试结果见表3。

表3 最优配比秸秆制品的性能测试结果

3.1 密度

秸秆砌块样品密度越轻，孔隙率越小，保温性能越差，反之越好。为达到良好的保温效果，研究将密度目标值控制在800 kg/m3。由表3可见，试块样品的密度可以依据秸秆的使用量加以控制，并根据实际需要变动。

3.2 抗压强度

抗压强度在农村墙体建筑中是重要考虑的指标，如果秸秆制品的抗压强度高，可以作为承重墙，如果秸秆制品的抗压强度较低，可以作为填充墙[5]。本研究主要关注利用秸秆制品作为填充墙，强调高强度低质量，抗压强度控制在2 MPa。

实验结果表明，与黏土砖相比，试块样品的破坏方式不同，没有发生脆性破坏，仅仅出现裂缝，未全部破坏。破坏后人工折断见图2。

图2 人工折断后的秸秆制品

3.3 抗折强度

试验中选择的试块大小为40 mm×40 mm×160 mm，其外观见图3。

图3 棱柱体秸秆制品试块

由表3可见，秸秆制品的28d抗折强度为0.75～1.29 MPa，强度较高，比黏土砖高2～3倍。同时在抗折试验中秸秆试块并未发生脆断，但折断后仍然具有强度，存在裂纹，见图4。产生此种现象是因为氯氧镁制品发生内部裂纹时，秸秆能够阻止裂纹的进一步扩大，使得氯氧镁的制品呈现柔性，提高其抗裂性，同时利用秸秆墙体材料比其他氯氧镁材料在抗拉性、抗剪性、抗疲劳性能显著改善。

图4 折断后的棱柱体秸秆制品试块

3.4 导热系数

采用智能化导热系数测定仪DRCD-3030测试导热系数，将其工作参数设定为：计量面积0.02 m3、试件样品的厚度为0.025 m、工作箱温度设定为5℃，计量板的温度设置为35℃，左、右冷板的温度均为15℃，稳态的时间设定为500 min。为了保证实验数据的准确性需要将秸秆烘干，并将打磨好的秸秆板材与传热板尽可能多的接触。

由表3可知，第9组秸秆制品的导热系数最大值为0.160 W/（m·K），最小值为0.143 W/（m·K），平均值为0.152 W/（m· K），与传统墙体材料相比较，加气混凝土导热系数是秸秆墙材的2倍，秸秆墙材具有良好的保温性能。通过实验证明，利用秸秆开发的建筑墙体材料，可以显著改善建筑墙体材料的保温性能。

3.5 耐水性

秸秆墙体材料耐水性能试验结果见表4。

表4 秸秆墙体材料的耐水性

由表4可见，秸秆墙体材料经过水中浸泡后强度明显降低，水中浸泡7 d后平均抗压强度降低了12.49%。

4 结语

（1）利用秸秆资源开发的建筑用墙体材料具有良好的抗压和抗折性能，符合村镇的填充墙或者承重墙的需求。秸秆制品的抗折强度较烧结普通砖或者混凝土的砌块，使得氯氧镁制品由脆性性能呈现一部分柔性性能。

（2）利用秸秆制作的氯氧镁制品导热系数为0.152 W/（m· K），密度为800 kg/m3，均低于烧结普通砖和混凝土砌块，并具有良好的保温隔热性能，可以作为良好的自保温墙体材料，与传统的墙体保温材料相比，秸秆制品的寿命具有与结构主体相同的优势。

（3）秸秆制品的返卤泛霜可以通过降低氯化镁在氯氧镁中的比例来降低。

[1]章希胜.植物纤维水泥防渗漏屋面板研制[J].中国建筑防水，1998（2）：13-14.

[2]邸芃，戢娇，刘兰斗.秸秆节能墙体的应用研究[J].工业建筑，2011（5）：57-92.

[3]刘倩倩，余红发.玻璃纤维增强氯氧镁水泥的耐久性及其性能退化机理[J].硅酸盐通报，2010（4）：908-913.

[4]任鹏，李秀辉，孟庆林.玻化微珠保温砂浆的吸放湿及导热性能[J].土木建筑与环境工程，2010（4）：71-75.

[5]覃文清.新型节能保温材料现状及阻燃技术的研究[J].新型建筑材料，2011（8）：72-75.

[6]史阳光，冯勇.棉花秸秆草砖墙热工性能研究[J].新型建筑材料，2016（1）：43-45.

Research on using the straw resources to develop the buildings wall products of village and town

GAO Ming
（School of Civil Engineering and Architecture，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China）

Use the materials of waste straw，magnesium chloride and magnesium oxide，and start from the heavy，compression and bending of resistance the straw products，measure its thermal and mechanical properties by use of the fit ratio of the straw wall material which is suitable for the experiment.The optimal mix ratio is obtained through repeated experiments，which are suitable for the development of energy-saving wall materials which can be popularized in villages and towns.The results show that the buildings wall products developed with the straw resources have good compression，bending strength and thermal insulation performance.

straw，village and town，the buildings wall products，magnesium oxychloride cement

TU52

A

1001-702X（2016）07-0093-04

国家自然科学基金重点项目（40730525）

2016-03-03；

2016-04-21

高明，男，1971年生，陕西延安人，硕士，讲师，研究方向：绿色建筑研究与实践、既有建筑改造。