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农作物秸秆在建材利用技术方面的实践背景和发展

放大字体  缩小字体 发布日期:2024-02-25  浏览次数:4111
               中国秸秆网综合报道,本文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,综合分析了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做出了前景展望。





一、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地认识。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%。与此同时,随着建筑业的蓬勃发展,世界对建筑材料的需求量不断加大。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,并一直沿用至今。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。我国对秸秆利用技术的研究起步较晚,在20世纪初才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。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他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。

二、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。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。常见粮食农作物秸秆的化学组成,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。

三、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作建筑材料参与到人们的生活居所中。人们能够将古老久远的秸秆作为建筑材料沿用至今,主要原因与它的来源、结构性质等息息相关。

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%。它的高效产量,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—StrengthLightWeightConcrete)领域,如纤维混凝土,目前世界范围内在该方向的研究深度越来越大。目前,研究生产出的农作物秸秆墙体的容重一般为430~1300kg/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。

3.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,不仅能提高其材料的力学性能,增强抗震性能,而且能减少墙体开裂现象。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。

4.保温、高效节能

从秸秆表观来看,秸秆呈空心管状的特点使其具有较大的热阻值,起到保温隔热的作用。如稻草纤维墙体材料作为外墙保温结构,其墙体热阻2.7((m2·K)/W)、导热系数0.031(W/(m2·K))。相比普通砌体墙体材料,这些参数要小的多。因此可以将稻草纤维混凝土加工制成保温板应用到外墙,亦可将其加工成空心纤维砌块作为填充墙,将会起到很好的隔热保温效果。

5.隔声

秸秆纤维是多孔性纤维材料,它在吸收声波过程中,将会引起纤维间隙内空气发生不同频率的振动。由于贴近在纤维表面的空气受到它与纤维之间的摩擦阻力作用,这部分空气的振动效果将削弱,从而使声波能量的一部分转为热能散失掉,声波能量得到削减,从而使秸秆纤维隔板达到良好的隔声效果。

6.调温湿

根据现代材料科学研究结果,秸秆的理化特性与木材极其相似,二者均为植物纤维材料,因此它对温度和湿度环境有良好的调节作用,再结合它所具有良好的保温性能,能够在一定程度上起到均衡室内环境的温度和湿度作用,为人们创造舒适的室内生活环境,提高人们的室内生活质量。

四、存在的问题

(1)关于解决依据农业秸秆为原材料加工制成的建筑各类构件的耐久性问题,目前国内外对此课题尚未进行深入研究。

(2)有关秸秆原料的收集、运输和贮存等问题,未提出相关合理规范的方案。

(3)与国外相比,国内缺乏秸秆纤维建筑材料的相关规范,缺乏专业的设计指导机构。

(4)人们对秸秆建材的认知度低,价格上接受不了,与传统的建材相比,其发展不占大的优势,国家及地方政府应在政策与资金上给予大力支持。

将具有诸多像轻质、延韧性、节能、保温、隔声等其他建筑材料所不能同时具有的优良性能的原生态农作物秸秆作为建筑材料的原材料,不仅能够减轻建筑行业在原材料资源紧缺问题上的压力,而且能够有效解决大量农作物秸秆的处理问题,得以高效循环利用资源。同时,国家政府等有关机构应该再加大对此项科学研究、产业的关注和扶持力度,使秸秆资源化有效利用和秸秆建材的推广有力地推动建筑材料行业更进一步的发展,这一举措必将为我国的环境保护事业做出不可估量的贡献。

 
 
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