农作物秸秆再生保温砖的应用研究

发布时间：2016-10-22 06:40

1   绪论 

1.1   课题研究的背景 
现阶段，我国资源的利用现状表现为：一方面，[1]城市化进程的推进促使各行各业加大资源的开采力度,特别是非可再生资源的采掘,其中又以建筑行业为甚。近几年，每年我国城乡建房不少于 10 亿平方米,需要各种隔墙材料大约20 亿平方米。其中，实心粘土砖年使用量为 7000 亿块左右，生产耗煤约占全国总能耗量的 25%，生产企业占地约 335501 万平方米,毁田 7337 万平方米。针对上述粘土砖使用情况，为了节约土地，降低生产能耗，国家出台一系列政策，成立专门机构，开展墙体材料革新和建筑节能工作。1988 以来，国家先后颁布《严格限制毁田烧砖、积极推进墙体材料改革的意见》、《关于公布“在住宅建设中逐步限时禁止使用实心粘土砖”大中城市名单的通知》、《关于公布第二批限时禁止使用实心粘土砖城市名单的通知》等相关文件，力求到 2015 年，全国30%以上的城市实现“限粘”、50%以上县城实现“禁实”，有序推进乡镇、农村“禁实”工作。 其次，我国社会总能耗的近 50%是建筑领域的耗能，而建筑围护外墙及屋面的耗能又占建筑耗能的 60%。建筑节能特别是外墙体的保温节能，是节能减排的重中之重。这一工作不仅关系到我国党和政府向世界做出的减少碳排放的承诺，也不仅是一个负责任的大国的形象展示，而是关系到我国亿万民众提高居住条件的民心工程，更关系到我国日渐枯竭的能源危机形势和日益严重的环保、现实的政治、经济、能源等的重大问题。建筑墙体节能是各国节能减排重点课题，利用环保型建筑材料一次性解决此问题，是对国家节能工作的一大贡献，利用外墙自保温体系有如下优点：1．提高了防火性能，可避免保温层火灾发生；2．降低能耗，超过国内最高标准，并力争赶超世界先进水平；3．减薄墙体，提高墙体的抗震性能，减低建筑整体能耗；4、达到墙体及保温同寿命；5．最大限度降低墙体材料生产成本；6．最大限度减少房屋公摊面积；7．开发可组合的热阻可调的砌块系列产品；8．实现对固体废弃物最大量消耗，最低成本处置，最高价值的利用。 
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1.2  国内外处理和应用农作物秸秆现状
国外[3]在建筑上对秸秆的利用主要是采用物理方法,即不改变农作物秸秆的基本性能的情况下，对其形状、大小进行改变，以达到保存或提高秸秆使用价值的目的。国外通过对秸秆进行压实，形成满足密实要求的墙体材料，包括秸秆砖和秸秆板，，然后直接使用。国外主要采用秸秆砖技术，即将松散的秸秆挤压，捆绑成尺寸较大的秸秆砌块，再砌筑成墙体的秸秆砖建筑，该技术改变了秸秆材料只能应用于屋面保温隔热的传统技术，拓宽了秸秆材料在建筑中的应用范围。 从 1886 年[4]第一座秸秆草砖建筑建于美国总部的内布拉斯加州的沙山地区开始到 19 世纪 40 年代，新秸秆技术的应用达到了秸秆建筑发展的第一个高潮。仅 1915-1930 年间，内布拉斯加州就修建了约 70 座秸秆草砖建筑，这些建筑成功抵御了该州大幅度的温差和暴风雪的强风，多数保存到 1993 年以后。修建于1938 年的坐落于美国阿拉巴马州亨茨威尔的伯里特大楼，共计在墙、顶棚和屋面中使用了 2200 块秸秆草砖，是美国最早采用在两层梁柱木结构中填充秸秆砖的建筑（图 1.1）。20 世纪 40 年代，以钢筋混凝土的现代建筑崛起，以秸秆草砖建筑为代表的建造方式被迅速边缘化了，直到 20 世纪 70 年代末，随着绿色环保观念的兴起，秸秆建筑又重新再美国各地建造，随后普及到加拿大、墨西哥、拉丁美洲、法国、英国、新西兰、蒙古和澳大利亚等地，将秸秆作为建筑材料又得到青睐。1948 年，Jan Sonneveld 选择用钢结构、秸秆砌块填充墙和金属屋顶在荷兰的奥沃凯尔克建造了一栋生态型住宅，又名蝴蝶房（图 1.2）。随后，在瑞士的埃申茨，苏黎世设计师 Felix  Jerusalem 使用经过连续挤压形成的三种规格的麦秸板作为墙板体系，设计了一座秸秆建筑（图 1.3），其中轻型的用于隔热和隔音，中等的用于室内墙壁，而重型的用作结构构件。  
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2   试验概况 

2.1   农作物秸秆再生保温砖的制作材料的选用 
秸秆是成熟农作物茎叶（穗）部分的总称。通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油菜、棉花、甘蔗和其它农作物（通常为粗粮）在收获籽实后的剩余部分。它是由光合作用形成的细胞壁物质，在形成过程中秸秆中的 C、H、O 组成了一系列的有机物质，包括纤维素、木质素、半纤维素、脂肪、蛋白质等高分子聚合物以及些许水分。纤维素类物质是植物细胞壁的主要组成成分，它是由 D—葡萄糖基通过 β—（1，4）苷键连接起来的线型高分子聚合物，起骨架作用，是提供植物纤维力学性质的主要成分。它包括木质素、纤维素等，它使秸秆具有纤维增强作用[10-12]。秸秆中的无机盐用灰分表示，由硅酸盐和其他少许微量元素组成，含量大约为 6%左右。农作物成熟后，秸秆中的维生素差不多被全部破坏，因此秸秆中所含的维生素很少。表 2.1 为几种主要植物纤维的化学组成。其中小麦秸秆主要由纤维素、木素和聚戊糖组成，无机成分仅占 18%，它
们主要由钙、钾、铝、铁、钠和二氧化硅等化合物组成，其中二氧化硅为主要成分。小麦秸秆在潮湿状态下易受到霉菌、细菌等微生物的侵蚀，破坏小麦秸秆结构，导致腐烂，使小麦秸秆丧失强度。小麦秸秆表层组织致密，积聚着大量的 Si O2和栓质细胞，纤维素、半纤维素较少，对细菌侵入有一定的防护作用。 农作物秸秆的纤维素分子有结晶区和非结晶区，分子在结晶区内排列有序，很紧密；而在非结晶区内，分子排列无序，较松散，称为无定形区。纤维的强度视结晶部分的比例而定，纤维的膨润能力等视无结晶部分的含量而定[14]。
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2.2   农作物秸秆再生保温砖的试验配比
在前期大量试配研究的基础上，本试验最终选定采用三种不同组成成分的农作物秸秆再生保温砖配合比，组成成分中骨料和水是变量，小麦秸秆、添加剂和水泥添加量不变。将三种不同配合比的农作物秸秆再生保温砖，分别编号ZⅠ、ZⅡ、ZⅢ，配合比通过前期农作物秸秆再生保温砖材料大量试验获得，组成成分含量和水灰比如表所示。 其中，小麦秸秆、添加剂、粗砂、中砂、细砂、石粉、水的百分含量均是以水泥的质量为基准。在和料的顺序上要注意的是不能将全部材料混合后再进行搅拌。应该先将粉碎的小麦秸秆、添加剂和水按顺序和剂量加入搅拌机，搅拌 5 分钟后，再加入水泥、河砂或石粉搅拌 15 分钟，这样可以搅拌均匀。试验表明如果所有材料同时倒入搅拌机搅拌，水和添加剂遇到水泥、小麦秸秆等极易形成秸秆块或小泥团等，很难和均匀。 
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3  农作物秸秆再生保温砖的材料力学性能试验研究 ....... 14 
3.1   农作物秸秆再生保温砖尺寸测量 ..... 14 
3.1.1   测量方法 .... 14 
3.1.2   结果评定 .... 14 
3.2   抗压强度 ..... 15
3.3   抗折强度 ..... 23
3.4   冻融试验 ..... 26
3.5   其他物理力学性能 ..... 29
3.6 本章小结 ........ 37 
4   农作物秸秆再生保温砖的热工性能 ....... 38
4.1   热工概念和术语 ......... 38 
4.2   测定方法 ..... 38 
4.3   试验设备及工作原理 ......... 39 
4.4   试样制备 ..... 41 
4.5   试验步骤 ..... 41 
4.6   热分析基本理论与结果分析 ..... 41 
4.6.1   热分析基本理论 ........ 41 
4.6.2   结果分析 .... 42 
4.7   本章小结 ..... 45 
5   农作物秸秆再生保温砖经济性及社会效益分析 ........... 46
5.1   经济性分析 ......... 46 
5.2   社会效益 ..... 45

5   农作物秸秆再生保温砖的经济性及社会效益分析 

5.1   经济性分析 

通过有关市场调查，烧结粘土实心砖市场价为 0.42 元/块，生产成本为 0.26元/块，每块农作物秸秆再生保温砖生产成本比烧结粘土实心砖低 0.05 元，可见农作物秸秆再生保温砖在费用上比烧结粘土实心砖有一定优势。 根据有关国家规定，建筑节能材料为国家扶持产品，可免增值税及相应的教育费附加、城市建设维护说。所得税免二减三，地方所得税按 3%取。利用秸秆制作的新型墙材属于废物利用，可享受国家免税政策。 农作物秸秆再生保温砖相较于烧结粘土实心砖密度小体轻，从而可以减轻墙体的荷载，因而降低基础造价，一般情况下可节省建筑总造价的 5%以上[37]。三种配合比农作物秸秆再生保温砖的密度为 1068kg/m ～1335kg/m ,可以使建筑的自重比砖混结构建筑的自重降低 25%以上。因为建筑自重变轻，地震的破坏力减小，从而提高了建筑的抗震能力。 

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结论 

本文将小麦秸秆、水泥、河砂、石粉、水和化学添加剂等，在前期大量配合比试验研究的基础上，选取三种不同的配合比制作农作物秸秆再生保温砖，并参照相关标准对材料的基本力学性能，保温性能和经济性进行分析研究，得出以下结论： 
1．农作物秸秆再生保温砖选用秸秆这种农作物废弃物，通过使用化学添加剂，可以同其它材料很好粘结做成砖，砖的制作过程简单，耗用时间短，同时成型后很快就可以堆放，说明早强性好，砖体密实良好，对于大规模的推广起到了重要的促进作用。 
2．三种配合比农作物秸秆再生保温砖抗压强度，抗折强度、冻融性能、含水率、吸水率、饱和系数、体积密度等基本力学性能基本满足《烧结保温砖和保温砌块》（GB  26538-2011）的要求；通过冻融试验，砖的质量损失率和抗压强度损失率均能符合标准的规定；体积密度略高，干燥收缩值虽然高，但是《烧结保温砖和保温砌块》（GB  26538-2011）中并未对其有所规定，所以农作物秸秆再生保温砖基本符合《烧结保温砖和保温砌块》（GB  26538-2011）中的各项规定，应用于工程上是基本可行的。 
3．农作物秸秆再生保温砖的导热系数满足保温隔热材料的要求，同时比加气混凝土、钢筋混凝土、蒸压粉煤灰砖砌体等墙体材料有更好的保温性能。原因在于秸秆本身具有良好的保温隔热性能，同时砖体内部空隙很小、狭长且均匀分布，不存在较大的空气层，当热量传递的时候，空隙间大量空气流动性差，使得热量难以通过空气传递，因此农作物秸秆再生保温砖的保温效果明显。
 4．农作物秸秆再生保温砖的单块成本费用为 0.21 元，相较于其它常见墙体材料有很大的价格优势，同时利用秸秆这种农业废弃物，减少了环境污染，节约土地，同时给农民增加收入，有较大的社会效益。 
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参考文献(略)

本文编号：148784