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摘 要：秸秆建材作为一种新兴的生态材料，在墙体材料的应用中越来越受到重视。本文阐述了秸秆建材在我国现阶段的发展现状，总结了该生态建材性能上的优缺点，并着重介绍了秸秆砌块在原材料、生产工艺等方面的优化方案分析，从而得到材料力学性能显著提高的优化实验方案。
关键词：秸秆建材；性能优化；秸秆砌块实验
一、秸秆建材的发展
1.秸秆建材的发展现状
随着我国经济的发展，环保节能的理念深入人心，国家提出的可持续发展战略也得到积极响应，因此生物质材料逐渐进入人们的视线。另外，随着我国建筑行业对木材需求的日益增加，木材资源越来越短缺，所以生物质秸秆建材的概念和生产技术再次引起社会的关注。
2.秸秆建材性能的优缺点
我国的秸秆资源分布较为广泛，种类繁多。从秸秆建材的发展历史来看，与外国相比，虽然我国发展秸秆建材的时间较晚，但我国在生产工业方面已经有了秸秆建材的实验和应用。例如：火车头星河建材的新型环保生态材料，它是以秸秆、稻草等生物质原料通过专用技术和专用设备，经过常温复合模压而成的新型材料，该建材在陕西省得到推广。此外，由于秸秆本身具有一定的柔性，内部疏松多孔，使这种新型秸秆生态建材具有一定的抗震、隔音、保温性能。同时，秸秆中硅元素含量较高、腐蚀速度极低，使该种建材的使用寿命得以延长。当然，之所以秸秆在建筑材料中得不到广泛应用，是由于其强度极低这一致命缺点，使得大多数群众对秸秆建材的认可度较低，并且国内在秸秆建材的结构、施工等方面缺乏系统的研究。
在充分了解秸秆建材的优点及缺陷之后，本项目研究在发挥秸秆建材优势的基础上，通过对秸秆建材在生产及性能方面的优化，改良秸秆建材的性能，提高秸秆的利用率。
二、秸秆砌块优化方案分析
1.原材料優化
该课题以秸秆建材为中心，从当前国内的秸秆建材发展现状出发，本着环保、绿色、节能的原则，对墙体材料的性能和材料组成进行优化研究，制订了一套可行的实验方案，根据实验方案进行相关实验，进而对课题的创新点进行可行性分析。以下是笔者小组对实验材料和实验方案的确定过程。
（1）秸秆的确定
通过课题组成员搜集大量的文献资料，对秸秆建材进行深度分析研究以及全体成员的实地考察之后，笔者对秸秆建材的原材料进行初步确定，分析及确定过程如下：
①秸秆种类的确定
我国是一个农业大国，粮食产量巨大，秸秆资源十分丰富。我国的秸秆种类主要有水稻、玉米、棉花及小麦等，其中应用最为广泛的是水稻和小麦秸秆。
根据以往的论文及数据资料结果分析显示，秸秆的各项指标变动受秸秆中不同化学成分的直接影响。木质素的主要物质组成是聚合芳香醇，其主要作用是通过形成交织网达到硬化细胞壁的效果，这种物质主要存在于植物的木质组织中。另外，木质素主要位于植物体的纤维素纤维之间，起着抵抗外部压力的作用。
秸秆中还有一种主要的化学物质——纤维素。纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，溶解性较差，不溶于水及一般有机溶剂。经过查阅资料后分析得到，纤维素的含量主要影响结构材料的韧性，二者成正相关关系，即纤维素含量增加会提高结构材料的韧性，木质素含量的增加会提高结构材料的硬度。由此分析可得，秸秆建材中所用到的秸秆应根据木质素和纤维素的含量进行选择。针对小麦、玉米、棉花、水稻这四种秸秆，确定采用小麦秆和玉米秆作为对比实验的秸秆材料种类。
②秸秆部位的确定
由于农作物秸秆遇水后浸出的糖类和木质素为亲水性表面活性物质，当与水泥混合后，糖类和木质素分子会吸附在水泥表面，影响水泥的水化凝结。考虑到这一影响因素，在确定秸秆建材原材料的时候，应当对这两种物质的析出进行控制。通过查阅小麦、油菜等农作物秸秆中不同部位的成分组成之后，得出的结论是化学成分的差异性不仅体现在秸秆种类上，对于同一种秸秆的不同部位，其化学成分的含量也存在相当大的差异。在植物的内部结构组成中，纤维素含量较高的部位是秆部和穗部（穗部的主要物质是半纤维素），木质素含量较高的部位是穗部。因考虑到还需要减少糖类和木质素分子这两种物质对材料混合带来的不利影响，笔者在决定采用小麦和玉米秸秆的基础上，进一步确定采用的部位是去除秸秆穗部的部分。
实践证明，仅仅对秸秆原料采取一般的机械处理只能达到一定的长宽比或长细比，很难达到真正的纤维状态。因此，秸秆原料在水泥基体材料中的作用更多的是作为一种填充材料或是一种架构材料。
（2）胶凝材料的确定
①有机胶凝材料
在秸秆建材的粘结上可选用有机胶凝材料，其中广泛用于秸秆人造板材的有机胶黏剂有脲醛树脂胶黏剂、异氰酸酯胶黏剂、三聚氰胺胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂以及其他改性生物胶黏剂。不同有机胶凝材料存在的缺陷如下：
脲醛树脂胶黏剂因其使用方便、成本低、性能好等优点，是目前秸秆板材中广泛使用的胶黏剂。但通过对比分析使用脲醛树脂为粘结材料的木材刨花板和秸秆碎料板的力学性能，发现秸秆碎料板的强度比木材刨花板要低很多。这是由于秸秆表面存在一层蜡质表层，使得秸秆表面的润湿性变差，而且秸秆灰分中二氧化硅含量很高，对胶黏剂的吸附有非常不利的影响，从而降低了板材的强度。虽然尝试在脲醛树脂中加入改性剂，但仍然无法从根本上克服使用此种胶黏剂造成的强度差、耐水性差及耐老化性差等问题。
异氰酸酯胶黏剂也是广泛用于人造秸秆板材的一种有机胶凝材料，与脲醛树脂胶黏剂相比，异氰酸酯在提高板材耐水性、缩短热压时间、减少胶黏剂用量等方面都有显著的优势，并且这是一种环保型胶黏剂，克服了脲醛树脂释放游离甲醛从而危害人体健康的缺陷。但这类胶黏剂在实际使用中的成本较高，无法满足经济性要求。
酚醛树脂胶黏剂相比于脲醛树脂具有粘结强度高、化学稳定性好及耐水耐磨等优点。但该种胶黏剂目前在我国的应用与研究较少，还不能够用于板材的批量化生产。 ②氯氧镁水泥无机胶凝材料
相比于有机胶凝材料，无机胶黏剂有强度高、耐水防腐、成本低等优点，其中氧化镁类的氯氧镁水泥胶黏剂在秸秆板材中应用最为广泛。氯氧镁水泥的主要原料是轻烧镁粉和卤片。而我国菱镁矿资源储量丰富，居世界前列，而且具有矿石质地优良、氧化镁含量高、矿石易开采等优势。所以镁质水泥是用于秸秆建材粘结的理想胶凝材料。
虽然镁水泥具有早强、高强、轻质耐磨、耐腐蚀、粘结力强、成本低等一系列优点，并且能够大大提高秸秆的使用效率，但镁质水泥与秸秆结合后出现的强度损失大以及吸潮返卤现象严重等问题，在很大程度上影响了氯氧镁水泥制品的外观和强度，限制了镁水泥制品的进一步推广。为改善镁质水泥因耐水性差而导致的吸潮返卤及强度损失现象，可在其中加入硫酸亚铁和硅灰两种材料。
硫酸亚铁能够在不降低镁质水泥材料强度的前提下，加快水化反应的速率，并且与其中的氧化镁反应生成硫氧化镁和氢氧化铁。所生成的这两种物质都是以一种胶状絮凝物的形态存在，可以堵塞水泥制品中的毛细通道，提高水泥制品的抗渗性，并降低吸湿性，从而对镁水泥制品的耐水性能进行改善。
硅灰中含有大量活性氧化硅，加入镁水泥中可充当填充料来堵塞部分内部的连通孔，有效增大材料的密实程度，从而提高抗水性。并且其中大量含有的氧化铝能与氧化硅一起在鎂水泥的碱性环境中发生铝硅酸盐反应，生成铝硅酸镁凝胶。这是一种本身具有良好化学稳定性与耐水性的凝胶，能够抑制其他水化产物变形，还能够在镁水泥制品中充当骨架。
结合提高建材性能与经济合理性的要求，笔者初步确定将优于有机类胶凝材料的镁质水泥作为对比实验的胶凝材料，并添加硫酸亚铁、硅灰等添加剂来改善材料性能。
2.秸秆建材对比实验
（1）秸秆原料处理工艺
对于农作物整个植株而言，一般无法直接拿来应用，在使用之前要对其进行形态处理。处理的方法有很多种，包括但不限于去掉秸秆髓（穰）、把秸秆削片、进行刨花、粉碎等。本实验将所选秸秆原料切为长3cm、2cm、1cm 细长节段备用。秸秆类非木质植物纤维原料一般体积较小，相对匀称，外表层因二氧化硅含量高而较坚硬，且表面有一层蜡层，其秸秆内部材质疏松，密度较小。玉米秸秆在自然状态下晒干，皮穰分离会形成自然分离层。因此，对秸秆碎材进行适当压缩有利于提高秸秆强度。
（2）关于秸秆砌块实验方案
秸秆：要求干燥、色泽光亮、保存完好，并将稻草切成适当尺寸。
水泥：采用P.O42.5氧化镁水泥。经检测，水泥的强度、凝结时间、标准稠度、用水量及体积安定性均符合要求。
骨料：细骨料为中粗河砂，细度模数2.9，含泥量小于1%；粗骨料为10～30mm的卵石，连续级配，各项指标均符合实验要求。
试块尺寸：150mm×150mm×150mm。
材料：小麦秸秆、玉米秸秆。
秸秆粉碎机械：秸秆粉碎机。
通过对不同种类、不同尺寸的秸秆和混合材料分别进行对比实验，利用秸秆粉碎机进行破碎，分批次制作成相应的砌块，经过养护之后进行强度等各方面性能的测试。
三、研究意义
秸秆建材中的植物纤维具有原生态的特性，在生产过程降低了有害物质的产生和聚集，而且在达到使用寿命后还可以回收再利用，不产生污染和有害物质。因此，生物质秸秆建材的发展符合人居环境环保无害、节能舒适的产品特性。理论分析证明，优化后的秸秆建材防火、防潮、隔热以及防虫防鼠等性能均得到明显提高。
四、结语
本论文在充分研究秸秆建材的优缺点之后，分析原材料的优化与秸秆固化成型的优化方案，为后期的对比实验提供了充分的理论依据和可行性分析，力求在下一阶段得到符合实际的数据。
（通信作者：潘东芳）
参考文献：
[1]任逸哲，顾悦言，杨心怡，等.秸秆建材的特色发展瓶颈及对策[J].功能材料，2016（6）.
[2]崔玉忠，崔琪，鲍威.植物秸秆水泥条板及成组立模生产技术（上）[J].新型墙材，2006（8）.
[3]温福胜.小麦秸秆-镁水泥复合保温砂浆耐水性能研究[D].泰安：山东农业大学，2016.
注：本文系青岛农业大学大学生科技创新项目。
（责任编辑：王 瑜 黄天骏）
关键词：秸秆建材；性能优化；秸秆砌块实验
一、秸秆建材的发展
1.秸秆建材的发展现状
随着我国经济的发展，环保节能的理念深入人心，国家提出的可持续发展战略也得到积极响应，因此生物质材料逐渐进入人们的视线。另外，随着我国建筑行业对木材需求的日益增加，木材资源越来越短缺，所以生物质秸秆建材的概念和生产技术再次引起社会的关注。
2.秸秆建材性能的优缺点
我国的秸秆资源分布较为广泛，种类繁多。从秸秆建材的发展历史来看，与外国相比，虽然我国发展秸秆建材的时间较晚，但我国在生产工业方面已经有了秸秆建材的实验和应用。例如：火车头星河建材的新型环保生态材料，它是以秸秆、稻草等生物质原料通过专用技术和专用设备，经过常温复合模压而成的新型材料，该建材在陕西省得到推广。此外，由于秸秆本身具有一定的柔性，内部疏松多孔，使这种新型秸秆生态建材具有一定的抗震、隔音、保温性能。同时，秸秆中硅元素含量较高、腐蚀速度极低，使该种建材的使用寿命得以延长。当然，之所以秸秆在建筑材料中得不到广泛应用，是由于其强度极低这一致命缺点，使得大多数群众对秸秆建材的认可度较低，并且国内在秸秆建材的结构、施工等方面缺乏系统的研究。
在充分了解秸秆建材的优点及缺陷之后，本项目研究在发挥秸秆建材优势的基础上，通过对秸秆建材在生产及性能方面的优化，改良秸秆建材的性能，提高秸秆的利用率。
二、秸秆砌块优化方案分析
1.原材料優化
该课题以秸秆建材为中心，从当前国内的秸秆建材发展现状出发，本着环保、绿色、节能的原则，对墙体材料的性能和材料组成进行优化研究，制订了一套可行的实验方案，根据实验方案进行相关实验，进而对课题的创新点进行可行性分析。以下是笔者小组对实验材料和实验方案的确定过程。
（1）秸秆的确定
通过课题组成员搜集大量的文献资料，对秸秆建材进行深度分析研究以及全体成员的实地考察之后，笔者对秸秆建材的原材料进行初步确定，分析及确定过程如下：
①秸秆种类的确定
我国是一个农业大国，粮食产量巨大，秸秆资源十分丰富。我国的秸秆种类主要有水稻、玉米、棉花及小麦等，其中应用最为广泛的是水稻和小麦秸秆。
根据以往的论文及数据资料结果分析显示，秸秆的各项指标变动受秸秆中不同化学成分的直接影响。木质素的主要物质组成是聚合芳香醇，其主要作用是通过形成交织网达到硬化细胞壁的效果，这种物质主要存在于植物的木质组织中。另外，木质素主要位于植物体的纤维素纤维之间，起着抵抗外部压力的作用。
秸秆中还有一种主要的化学物质——纤维素。纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，溶解性较差，不溶于水及一般有机溶剂。经过查阅资料后分析得到，纤维素的含量主要影响结构材料的韧性，二者成正相关关系，即纤维素含量增加会提高结构材料的韧性，木质素含量的增加会提高结构材料的硬度。由此分析可得，秸秆建材中所用到的秸秆应根据木质素和纤维素的含量进行选择。针对小麦、玉米、棉花、水稻这四种秸秆，确定采用小麦秆和玉米秆作为对比实验的秸秆材料种类。
②秸秆部位的确定
由于农作物秸秆遇水后浸出的糖类和木质素为亲水性表面活性物质，当与水泥混合后，糖类和木质素分子会吸附在水泥表面，影响水泥的水化凝结。考虑到这一影响因素，在确定秸秆建材原材料的时候，应当对这两种物质的析出进行控制。通过查阅小麦、油菜等农作物秸秆中不同部位的成分组成之后，得出的结论是化学成分的差异性不仅体现在秸秆种类上，对于同一种秸秆的不同部位，其化学成分的含量也存在相当大的差异。在植物的内部结构组成中，纤维素含量较高的部位是秆部和穗部（穗部的主要物质是半纤维素），木质素含量较高的部位是穗部。因考虑到还需要减少糖类和木质素分子这两种物质对材料混合带来的不利影响，笔者在决定采用小麦和玉米秸秆的基础上，进一步确定采用的部位是去除秸秆穗部的部分。
实践证明，仅仅对秸秆原料采取一般的机械处理只能达到一定的长宽比或长细比，很难达到真正的纤维状态。因此，秸秆原料在水泥基体材料中的作用更多的是作为一种填充材料或是一种架构材料。
（2）胶凝材料的确定
①有机胶凝材料
在秸秆建材的粘结上可选用有机胶凝材料，其中广泛用于秸秆人造板材的有机胶黏剂有脲醛树脂胶黏剂、异氰酸酯胶黏剂、三聚氰胺胶黏剂、酚醛树脂胶黏剂以及其他改性生物胶黏剂。不同有机胶凝材料存在的缺陷如下：
脲醛树脂胶黏剂因其使用方便、成本低、性能好等优点，是目前秸秆板材中广泛使用的胶黏剂。但通过对比分析使用脲醛树脂为粘结材料的木材刨花板和秸秆碎料板的力学性能，发现秸秆碎料板的强度比木材刨花板要低很多。这是由于秸秆表面存在一层蜡质表层，使得秸秆表面的润湿性变差，而且秸秆灰分中二氧化硅含量很高，对胶黏剂的吸附有非常不利的影响，从而降低了板材的强度。虽然尝试在脲醛树脂中加入改性剂，但仍然无法从根本上克服使用此种胶黏剂造成的强度差、耐水性差及耐老化性差等问题。
异氰酸酯胶黏剂也是广泛用于人造秸秆板材的一种有机胶凝材料，与脲醛树脂胶黏剂相比，异氰酸酯在提高板材耐水性、缩短热压时间、减少胶黏剂用量等方面都有显著的优势，并且这是一种环保型胶黏剂，克服了脲醛树脂释放游离甲醛从而危害人体健康的缺陷。但这类胶黏剂在实际使用中的成本较高，无法满足经济性要求。
酚醛树脂胶黏剂相比于脲醛树脂具有粘结强度高、化学稳定性好及耐水耐磨等优点。但该种胶黏剂目前在我国的应用与研究较少，还不能够用于板材的批量化生产。 ②氯氧镁水泥无机胶凝材料
相比于有机胶凝材料，无机胶黏剂有强度高、耐水防腐、成本低等优点，其中氧化镁类的氯氧镁水泥胶黏剂在秸秆板材中应用最为广泛。氯氧镁水泥的主要原料是轻烧镁粉和卤片。而我国菱镁矿资源储量丰富，居世界前列，而且具有矿石质地优良、氧化镁含量高、矿石易开采等优势。所以镁质水泥是用于秸秆建材粘结的理想胶凝材料。
虽然镁水泥具有早强、高强、轻质耐磨、耐腐蚀、粘结力强、成本低等一系列优点，并且能够大大提高秸秆的使用效率，但镁质水泥与秸秆结合后出现的强度损失大以及吸潮返卤现象严重等问题，在很大程度上影响了氯氧镁水泥制品的外观和强度，限制了镁水泥制品的进一步推广。为改善镁质水泥因耐水性差而导致的吸潮返卤及强度损失现象，可在其中加入硫酸亚铁和硅灰两种材料。
硫酸亚铁能够在不降低镁质水泥材料强度的前提下，加快水化反应的速率，并且与其中的氧化镁反应生成硫氧化镁和氢氧化铁。所生成的这两种物质都是以一种胶状絮凝物的形态存在，可以堵塞水泥制品中的毛细通道，提高水泥制品的抗渗性，并降低吸湿性，从而对镁水泥制品的耐水性能进行改善。
硅灰中含有大量活性氧化硅，加入镁水泥中可充当填充料来堵塞部分内部的连通孔，有效增大材料的密实程度，从而提高抗水性。并且其中大量含有的氧化铝能与氧化硅一起在鎂水泥的碱性环境中发生铝硅酸盐反应，生成铝硅酸镁凝胶。这是一种本身具有良好化学稳定性与耐水性的凝胶，能够抑制其他水化产物变形，还能够在镁水泥制品中充当骨架。
结合提高建材性能与经济合理性的要求，笔者初步确定将优于有机类胶凝材料的镁质水泥作为对比实验的胶凝材料，并添加硫酸亚铁、硅灰等添加剂来改善材料性能。
2.秸秆建材对比实验
（1）秸秆原料处理工艺
对于农作物整个植株而言，一般无法直接拿来应用，在使用之前要对其进行形态处理。处理的方法有很多种，包括但不限于去掉秸秆髓（穰）、把秸秆削片、进行刨花、粉碎等。本实验将所选秸秆原料切为长3cm、2cm、1cm 细长节段备用。秸秆类非木质植物纤维原料一般体积较小，相对匀称，外表层因二氧化硅含量高而较坚硬，且表面有一层蜡层，其秸秆内部材质疏松，密度较小。玉米秸秆在自然状态下晒干，皮穰分离会形成自然分离层。因此，对秸秆碎材进行适当压缩有利于提高秸秆强度。
（2）关于秸秆砌块实验方案
秸秆：要求干燥、色泽光亮、保存完好，并将稻草切成适当尺寸。
水泥：采用P.O42.5氧化镁水泥。经检测，水泥的强度、凝结时间、标准稠度、用水量及体积安定性均符合要求。
骨料：细骨料为中粗河砂，细度模数2.9，含泥量小于1%；粗骨料为10～30mm的卵石，连续级配，各项指标均符合实验要求。
试块尺寸：150mm×150mm×150mm。
材料：小麦秸秆、玉米秸秆。
秸秆粉碎机械：秸秆粉碎机。
通过对不同种类、不同尺寸的秸秆和混合材料分别进行对比实验，利用秸秆粉碎机进行破碎，分批次制作成相应的砌块，经过养护之后进行强度等各方面性能的测试。
三、研究意义
秸秆建材中的植物纤维具有原生态的特性，在生产过程降低了有害物质的产生和聚集，而且在达到使用寿命后还可以回收再利用，不产生污染和有害物质。因此，生物质秸秆建材的发展符合人居环境环保无害、节能舒适的产品特性。理论分析证明，优化后的秸秆建材防火、防潮、隔热以及防虫防鼠等性能均得到明显提高。
四、结语
本论文在充分研究秸秆建材的优缺点之后，分析原材料的优化与秸秆固化成型的优化方案，为后期的对比实验提供了充分的理论依据和可行性分析，力求在下一阶段得到符合实际的数据。
（通信作者：潘东芳）
参考文献：
[1]任逸哲，顾悦言，杨心怡，等.秸秆建材的特色发展瓶颈及对策[J].功能材料，2016（6）.
[2]崔玉忠，崔琪，鲍威.植物秸秆水泥条板及成组立模生产技术（上）[J].新型墙材，2006（8）.
[3]温福胜.小麦秸秆-镁水泥复合保温砂浆耐水性能研究[D].泰安：山东农业大学，2016.
注：本文系青岛农业大学大学生科技创新项目。
（责任编辑：王 瑜 黄天骏）