农作物秸秆在建筑材料中的应用研究

2023-01-07詹文华魏盛春

建材与装饰 2022年7期

詹文华，魏盛春

（1.内蒙古乌兰浩特市工业和信息化局，内蒙古乌兰浩特 137400；2.内蒙古兴安盟行政审批和政务服务局，内蒙古乌兰浩特 137400）

0 引言

农作物秸秆是成熟农作物在收获籽实后，茎叶（穗）等剩余部分的总称，是重要的可再生生物资源。我国作为农业大国，每年有大量的农作物秸秆产生。据统计，我国每年产生的农作物秸秆量超过10.4 亿t[1]，但是其综合利用率很低。各地政府相继出台了秸秆离田、秸秆还田等多项政策来促进改善秸秆的利用率，但是由于各种原因，实际利用率依然不高，大量的秸秆资源仍被闲置，或就地焚烧处理，成为大气污染的主要原因之一。

随着我国建筑行业的兴起，建筑原材料被过度消耗，供应日趋紧张，农作物秸秆这一可再生资源作为建筑材料被合理利用和大力推广，就显得尤为必要。

随着节能和环保理念的兴起，加上设备、工艺、技术水平的逐渐成熟，秸秆建筑材料受到人们的重视。农作物秸秆作为可再生资源，富含大量的天然纤维，具有比强度高、长径比大、比面积大、密度低等特点，不仅可以作为增强材料，还可以改善墙体的保温、隔热性能等。如果应用于建筑领域，不仅可以增加秸秆利用率，达到保护环境的目的，同时还可以降低工程总造价[2]。

1 秸秆建筑材料的特点

秸秆作为建筑原材料，无论是作为承重材料还是作为填充材料，在国内外都有大量应用，实践证明，在很多方面秸秆建筑建材都优于传统建筑材料。

1.1 资源丰富

我国每年产生秸秆超过10.4 亿t，特别是在我国黑龙江、内蒙古、河南等农业大省，农作物秸秆是一种常见的可再生资源，原材料资源产量大；我国的农作物秸秆种类多，主要有小麦秸秆、水稻秸秆、玉米秸秆等组成，不受地域限制，所以原材料成本低廉。

1.2 质轻

秸秆建材属于轻质建材，干燥农作物秸秆的密度小于粘土、石灰等建筑原材料，相等面积的秸秆建材的重量小于传统建筑材料。据有关方面的统计数据，目前每平方米房屋建筑面积的建筑材料质量约为1200kg，如采用秸秆砖或秸秆复合墙体材料替代，其质量仅为80kg 左右。建筑材料自重的减少，可以节约运输成本，从而降低建筑造价。

1.3 环保

秸秆是一种农作物的副产物，取之于自然，用之于自然，属于无污染、无毒害、无辐射的绿色原材料。由于秸秆的主要成分为植物纤维，可以自动降解，当秸秆建筑发生解体，秸秆可以很容易的从其他建筑材料中分离出来，自行消化，所以秸秆建材对环境没有负面影响。

1.4 节能

秸秆建筑材料的隔热保温性能优良，与传统砖混结构建筑材料相比，其保温系数几倍于黏土砖墙。荷兰代尔夫特理工大学的研究表明，在环境影响方面，与我国传统砖混结构房屋相比，使用秸秆材料的建筑系统总固有能耗改善了1/3，供热需求降低了1/2，制冷需求减少了1/4[3]。秸秆原料可再生，有效减少了粘土的使用，在能耗方面优于砖混结构。

1.5 安全

农作物秸秆含有大量植物纤维，作为复合建筑材料的原材料，可以有效提高了材料的抗剪、抗压等物理力学性能，同时秸秆建材的防火性较好。澳大利亚的建筑标准中显示，内外面均有抹灰的秸秆砖墙抗燃烧能力可以达F90 级（90min），所以秸秆作为建筑材料的强度和安全性是值得信赖的。

1.6 耐腐性较好

秸秆的含硅量较高，有研究表明，秸秆中硅酸盐含量达到12%以上，所以秸秆建材的腐烂速度极其缓慢。事实证明，美国最早的秸秆建筑已有100 多年历史，目前仍然可以居住。

1.7 防虫性较好

美国研究表明，秸秆不是白蚁等蚁类喜欢的食物，同时通过一些技术处理，可以使秸秆材料达到防虫的效果。在有些历史的秸秆建筑物内，没有发现寄生虫或者昆虫的生存迹象。

1.8 防霉性较好

适宜霉菌生长的环境是：温度20～28℃，空气相对湿度大于55%。实践证明，采用干秸秆（含水量低于15%）材料，内表面设置隔离层，防止秸秆转受潮，外表面处理保证水蒸气能够溢出的正确处理方法建成的秸秆建筑中发现，干燥的秸秆上没有滋生霉菌。

1.9 防鼠性较好

通过加工、干燥、压实等处理后，秸秆板材的密度可达90kg/m3以上，可有效抵抗各种啮齿类动物的破坏，更何况内层、外层还有抹灰层（厚度为单边3～6cm）保护，老鼠要想咬破抹灰层很难，这也是为何即使在年代久远的秸秆建筑中也没有出现被老鼠啃咬的情况。

2 秸秆建筑材料的性能

农作物秸秆中富含纤维素、木质素、半纤维素等非淀粉类大分子物质，与水泥、石膏等材料混合制成的建筑材料具有很好的抗剪、抗裂、保温、隔热、隔音性能。

2.1 成分与木材相似

判断农作物秸秆能否在建筑行业中代替木材使用，首先需要考虑得是两者的主要作用成分及含量是否相似。顾艺等[4]通过对比农作物秸秆与木材的纤维素、木质素和戊聚糖的含量，得出农作物秸秆与木材以上3 项的含量基本相似，尤其是麦秸和蔗渣的纤维素含量非常接近于木材。因此从作用成分及含量方面考虑，农作物秸秆是适宜代替木材用作建筑原料的。

2.2 抗剪抗裂性能较好

将秸秆经过简单切断处理，与泥土、粘结剂等材料混合制成制品，用于建筑结构主体、外墙刷灰材料等。由于乱向分布在制品中的农作物秸秆含有大量植物纤维，纤维能够阻止粘结剂内部微裂缝的扩展和材料内部细小裂纹的生长[5]，从而增加了粘结剂柔性，提高了粘结剂的抗裂性能。同时植物纤维能够阻止垂直方向的剪切力，从而有效提高材料的抗剪性能。

2.3 保温隔热性能较好

容重是衡量保温材料的重要指标，秸秆孔隙率大小和多少决定复合材料的容重值。孔隙率越高，容重越小，保温性能越好。同时秸秆中含有大量的植物纤维，纤维具有多孔结构，可以有效阻止热量传导。因此可以通过控制加入秸秆的量来控制材料的容重，使其在不同使用环境和用途中具有满足要求的保温隔热性能。

2.4 隔音性能较好

用秸秆制作的隔墙板材自身具有一定的厚度及乱向分布的秸秆，使得声音在材料中传播过程中衰减较大。此外，秸秆制品的孔隙率较大，孔隙中充满了空气。由于气体的抗平衡能力小于液体和固体，因此声波在气体中衰减较大，所以用秸秆制作的隔墙板具有良好的隔音效果。

2.5 韧性高

木纤维具有出众的弹性。如此出众的弹性主要源于大量不规则的空隙，受压时能迅速转移压力，松压时能够立马回弹，对压力能够自然调节。含有大量纤维素的秸秆用于建筑材料中，当材料受到外界静载荷时，会出现被压扁现象，一旦材料上的荷载被移除时，就会恢复原状。所以作为建筑材料的它对冲击荷载、周期性疲劳破坏有很强的抵抗力。

2.6 防火性高

水泥、石灰等无机材料的耐火等级为A 级不燃材料，当农作物秸秆经过高密度压实后，表面用石灰或水泥抹灰后，可使极易燃烧的秸秆的防火等级大幅提高。杜鹏[6]对秸秆水泥复合墙体防火性能研究表明：复合材料的阻燃能力已经达到国家A 级防火标准，其中耐火极限达到2h 以上，同时被明火燃烧时，不会产生任何有害气体。

3 面临的问题

秸秆用于建筑材料领域具有很多优异的特性，也存在着局限性，需要我们进一步研究解决。

3.1 收储困难

生产企业想要维持生产线顺利生产，需要原材料供应的持续性，农作物秸秆具有季节性，只有在收割的季节才能大量产生，所以农作物秸秆作为原材料不具有可持续性，那么生产企业在收割季节需要大量收集农作物秸秆作为原料支撑。同时，由于农作物秸秆质轻、占地，给运输、贮存等都带来不利影响。①在大范围收割季节，秸秆收储设备严重不足，需要政府及农业部门在收储设备不足方面给予支持。②农户为节约成本，留茬太高，使企业很难收到理想的长秸秆，需要基层干部对农户的教育、收割的方式给予企业更大的帮助。③秸秆的收集、运输、储藏成本高。一辆载重20t 的汽车，只能运送6t 左右的秸秆，体积是个问题，只这一点成本就高了很多倍。解决这些问题的一个很有效的方法就是就近设点，将收集好的秸秆就地烘干、切割、压实（打捆），便于运输，或者用秸秆颗粒机造粒，压制成秸秆颗粒。秸秆经过压制或打捆之后，便于存储、运输。

3.2 认知度低

秸秆建材作为一种新型环保材料，公众还对其不了解或了解较少，在应用时会存在对其各种性能和可靠度的担忧。因此让消费者认同、接受，是一个渐进的过程，需要通过电视、网络等媒体进行大力宣传；需要购买主体主动对接生产主体，给予一定的经济价值；需要当地政府制定有针对性的激励政策，并发动党员干部对相关政策宣传、讲解到位。

3.3 需要政策扶持

农作物秸秆作为一种可再生资源，被应用到建筑材料中，既是对废弃物或是用处不大的资源开发利用，是变废为宝节约资源，也是节省能耗的有效方法。秸秆建材具有绿色、无污染、无排放等优点，但还没有得到大众广泛的认可。提高秸秆综合利用水平离不开政府的支持和引导，如资金补贴、税费减免、开发奖励、政策倾斜等。目前，我国的相关政策激励主要侧重于生物质能源的开发和利用，对生物质资源在建筑材料领域利用的引导和激励相对不足，还需要一些地方政府加强相关利用的补贴。

3.4 缺乏相关的技术标准

随着秸秆在建筑材料中的应用逐渐得到人们的认可，秸秆建筑材料的研究和应用越来越多，关于秸秆建筑材料的技术规范却不完善。虽然从2000 年以来，国家出台了一系列秸秆综合利用的政策和措施，《国家先进污染治理技术示范名录》介绍了秸秆制作成型燃料、燃烧发电、制作建筑材料的技术指标、适用范围和解决的技术难题。但考虑到地域不同、使用方式不同，对秸秆建材的某些性能有特殊要求，还需要国家有针对性地制定相应的技术标准。

4 秸秆作为建筑材料的发展趋势

随着人们环保、节能意识的提高和科学技术的进步，传统粘土、石灰等无机材料逐渐被代替。秸秆建材正是适应了科技发展和环保政策的需求应运而生。由于秸秆建材产品具有广阔的应用空间，并且该产品的生产成本较低，产品性能优越等优点，必将导致该产品有较强的市场竞争力。特别是秸秆建材的使用地域性广，由于具有保温、隔热、防水、高强度等优点，能够适合在热带、亚热带、多雨多潮气候，亦适应我国北方保暖抗寒的气候要求；使用类型广泛，目前建材市场已形成了多种类、多用途、多功能的产品系列，如外墙板、保温板、秸秆砖等。因此，我国的秸秆建材的生产具有广泛的推广前景。

随着秸秆建材生产技术的发展和创新，对于秸秆的利用效率逐步增加，以新技术、新材料为代表的秸秆应用新模式成为当前时代重要的科研议题。针对秸秆材料良好的抗裂性、隔热性、保温性、抗压性等相关内容做进一步研究，从而促进秸秆材料的高效利用；对秸秆材料进行改良，提升建筑材料的抗拉性，在仓库、生产车间等低层建筑中有效应用，从而代替传统建筑材料，实现对材料的高效利用；对秸秆材料的创新，提升材料的强度，以此来进一步提升建筑材料的应用价值；对生产工艺的调整，可以提升秸秆新型建筑材料的生产效率，以此降低材料的生产成本；对秸秆建筑材料中的添加剂，进行科学地管理和控制，尤其是以甲醛、甲苯、挥发性有机化合物等污染物，减少对空气的二次污染问题。