摘要:简要介绍了国内外农作物秸秆在建筑材料利用技术方面的发展历史,基本介绍了秸秆的概念、分类和基本结构特性,综合分析其在建筑材料中应用的原因,提出了秸秆建筑材料在应用和发展中存在的问题,最后对其在未来的应用和发展作出了前景展望。
关键词:农作物秸秆 ;建筑材料
1.农作物秸秆在建材利用技术方面的实践背景和发展前沿与革新
(1) 实践背景
随着现代科技的不断发展和进步,人们对农作物秸秆的价值也有了更深入的认识。目前,秸秆的开发和利用已成为世界农业科技发展的重点,新发明的秸秆再利用方式远比以前更多。中国是世界第一秸秆大国,但是我国秸秆资源的利用仍以效率最低的直接燃烧为主,约占秸秆产生总量的13%~17%。中国秸秆总产量总体上呈不断增长之势。2005年全国秸秆总产量达到84183.12万t,与1990年相比共计增长了21.19%,年均增长1.3%。与此同时,伴随着全球经济和人口的不断发展和增加,建筑业蓬勃发展,世界对建筑材料的需求量也不断加大,若充分利用现有资源,将农作物秸秆通过技术加工成经济实用的新型建筑材料,将会是我国乃至世界大力发展的新兴行业。
(2)发展前沿与革新
人类在探索农业秸秆的利用方法已经有了好几百年的历史,早在1886年第一座秸秆建筑建于美国尼布拉斯加州,图1为建于1925年的早期秸秆类建筑代表一直沿用至今。
国外对农作物秸秆材料的研究利用可以追溯到工业革命时代,经过多家科研机构合作,主要研制成了秸秆墙体板、秸秆人造板和秸秆复
合材料三类,目前多数已投入生产。正是特定的图1美国尼布拉斯加的秸秆砌块建筑
时代背景和技术条件催生出了特定的秸秆材料类型,现在国外已经编制了系统的秸秆建筑技术规范。我国对秸秆利用技术的研究起步较晚,在20世纪初引进了秸秆砖房建筑技术,并在黑、蒙部分地区建造一定数量的民宅和小学。2005 年以汤原县为代表的中国节能草砖房技术转移项目荣获世界人居奖,为农作物秸秆利用技术在我国的研究和推广奠定了基础,经过不断发展,我国目前存在的秸秆建筑可以分为草砖建筑、秸秆人造板建筑和其它复合秸秆材料建筑三大类,因此近几年我国的农作物秸秆材料建材市场正逐渐映入我们的眼帘。就目前来看,如果将此类技术的研究得到重视,并得以推广,将无疑会给环境减轻极其巨大的负担。
2.农业秸秆材料的概念、分类及基本结构特性
(1)概念
秸秆(Straw),又称农作物秸秆纤维。在《维基百科全书》中解释为“古称藁,水稻、小麦、玉米等禾本科农作物成熟脱粒后剩余的茎叶部分”。德国卡塞尔大学教授赫尔诺特·明克与弗里德曼·马尔克在编著的《秸秆建筑》一书中,将“秸秆”指代为谷物或纤维植物的干茎,更准确地说,是根茎与穗之间的部分。虽然秸秆的基本概念存在多种解释,但基本是指植物尤其是农作物成熟脱粒后剩余的根茎与穗之间的部分。
(2)种类
农作物秸秆从应用功能上可分两大种类:一类为粮食农作物秸秆(麦秸杆、玉米、稻草秸秆和高粱秸秆等);另一类为经济农作物秸秆(豆秸、棉杆、麻杆、甘蔗杆、蓖麻杆、芦苇杆、和油菜籽杆等)。
(3)基本结构特性
秸秆的基本结构特性包括物理和化学两个方面。从物理层面看,秸秆表观为空心管柱状,轻质,有一定的韧性,颜色呈不同程度的灰黄色,如图二。从化学层次上看,秸秆表面具有一种由木质素和硅石组成的蜡质细胞膜质,因硅石比较稳定,故其腐化过程很慢。
秸秆纤维是一种天然生成的纤维素,生物降解性优良,完全迎合现行环境保护政策的新型绿色产品的研发。表1给出了常见粮食农作物秸秆的化学组成从表1中数据可以看出,稻草、小麦秸秆的粗纤维含量较玉米秸秆的粗纤维含量高,但玉米秸图2 秸秆外观
秆中木质素和半纤维素含量较高,这将会在很大程度抑制纤维的生物降解速率;小麦秸秆与稻草秸秆相比,不仅含有果胶质,而且其木质素含量高于稻草秸秆5.5%,故小麦秸秆的降解速率要远远低于稻草秸秆的降解速率。
表1主要粮食农作物秸秆的化学组成含量(%)
原 料
粗纤维
灰分
果胶质
木质素
纤维素
半纤维素
稻草秸秆
35.60
13.39
—
12.50
32.00
24.00
小麦秸秆
36.70
6.04
0.30
18.00
30.50
23.50
玉米秸秆
29.30
4.66
0.45
22.00
34.00
37.50
大豆秸秆
38.70
—
—
—
33.00
18.50
注:表中横线表示未测出
3.农作物秸秆在建筑材料中的应用分析
建筑的结构主体、使用功能、样式等都是依据形形色色的建筑材料组合而决定的,将管状空心且表现脆弱的秸秆作为建筑材料,能否满足实际的建筑材料要求呢?实际上,从远古时期开始,农业秸秆就已经被当做建筑材料参与到人们的生活居所中。伴随着科学技术的一步步革新和进步,秸秆的加工处理技术也正渐渐多样化。人们能够将古老久远的秸秆作为建筑材料应用至今,主要原因与它的来源、结构性质等息息相关。接下来,就简要分析这些原因。
(1)供应
农作物秸秆在全世界范围内的储藏量十分巨大,而我国是世界上第一生产秸秆大国,占全世界农作物秸秆总生产量的62.03%。此外,农作物秸秆在季节生产循环效率上远远高于多年生长的木材,它的高效产量,这是其他建筑原材料所不能具有的最大优势之一。因此,从建筑行业对原材料的需求量的角度来看,农作物秸秆的供应是极其可观的。
(2)轻质
它与砖石、混凝土等材料相比可以称之为轻质材料,通过合理的加工处理,可应用于高强轻质混凝土HSLWC(High—Strength Light Weight Concrete)领域,如纤维混凝土,目前世界范围内在该方向研究深度越来越大。目前研究生产出的农作物秸秆墙体的容重一般为430~1300 kg/m³,几乎是粘土砖墙体重的1/10,可以大大减少建筑物的自重,提高结构抗震能力,即是:在相同破坏力下,秸秆建筑物的重力加速度仅为其他砖石混凝土建筑的十分之一,因此它也具有良好的抗震性能。
(3)延韧性
秸秆自身的延韧性增加了成品构件的的恢复力作用效果,相对其他建筑材料有很强的韧性,因此对于冲击荷载以及周期性疲劳破坏作用有很强的抵抗力,也具有良好的抗震性能和抗风性能。
(4)抗裂性
秸秆纤维的微观结构是密集的纤维组织丝絮状物,具有良好的填充和连接作用,因此在混凝土砌块中加入适量秸秆纤维,不仅提高其材料的力学性能,增强抗震性能,而且减少墙体开裂现象。也可将其作为建筑墙体或抹面材料的添加剂,形成复合材料,对墙体墙体裂缝有一定抑制作用,达到增强整体结构强度的目的。