秸稈建筑材料的應用及研究進展

2024年3月18日發(作者：殳)

第

50

卷第

4

期

2021

年

4

月

應用化工

Applied

Chemical

Industry

Vol.

50

No.

4

Apr.

2021

秸稈建筑材料的應用及研究進展

肖力光

，

丁艷波

(

吉林建筑大學材料科學與工程學院

，

吉林長春

130118)

摘要:綜述了國內外秸稈在建筑材料中的應用及研究進展

，

重點介紹了秸稈磚

、

秸稈人造板材(使用膠黏劑和不

使用膠黏劑)和秸稈水泥基復合材料等

3

種秸稈建筑材料的性能及特點

,

并對秸稈建筑材料目前存在的共性問題

提出了展望

。

秸稈建筑材料性能優異

，

成本低廉

，

大力發展秸稈建筑材料

，

對于資源循環利用

、

環境保護和行業發

展具有重要意義

。

關鍵詞:秸稈;秸稈建筑材料;秸稈磚;秸稈人造板材;秸稈水泥基復合材料

中圖分類號:

TU016

文獻標識碼:

A

文章編號

：

1671

-3206(2021)04-1142-05

Application

and

rearch

progress

of

straw

building

materials

XIAO

Li-guang

,

DING

Yan-bo

(

School

of

Materials

Science

and

Engineering

,

Jilin

Jianzhu

University

,

Changchun

130118,

China)

Abstract

:

This

paper

summarizes

the

application

and

rearch

progress

of

straw

in

building

materials

at

home

and

abroad

,

focusing

on

the

performance

and

characteristics

of

straw

brick

,

straw

artificial

board

(

with

or

without

adhesive

)

and

straw

cement-bad

composite

materials

,

and

puts

forward

the

prospect

of

common

problems

existing

in

straw

building

materials.

Straw

building

materials

have

excellent

performance

and

low

cost.

Vigorously

developing

straw

building

materials

is

of

great

significance

for

resource

recycling

,

environmental

protection

and

industry

development.

Key

words

:

straw

;

straw

building

materials

;

straw

brick

；

straw

artificial

board

;

straw

cement-bad

com

-

posite

material

隨著科技與經濟的飛速發展

,

人們對于環境的

間使用發現與其他建筑材料的功能相比并沒有差

別

，

建筑物的結構十分穩定

。

大力發展秸稈建材

，

解

決了秸稈綜合利用問題

，

防止了秸稈燃燒產生的霧

霾危害

，

具有顯著的經濟效益和社會效益

。

保護越來越重視

,

在建筑中應用

“

綠色建材

”

意義重

大

。

“

綠色建材

”

具有生產工藝潔凈

、

對工業農業的

廢棄物充分利用

、

對環境無污染等特點

。

另外方面,

據計算

，

我國每年的秸稈產量為

10.4

億

t,

水稻

、

小

麥

、

玉米的秸稈產量合計約占全國秸稈總產量的

2

國外秸稈建筑材料研究及應用進展

人類使用秸稈作為建筑材料的歷史悠久

,

人們

2/3

⑴

。

我國大約一半的秸稈產量分布在東部農業

區,東部農業區大約占我國土地面積的

1/5,

秸稈總

產量以華東最高

，

其次是華中

、

東北和西南⑵

，我國

最開始使用的自然資源作為建筑材料的是草稈

、

蘆

葦等⑷

。

19

世紀末在美國的西北生活的農民

，

由于

經濟落后

,

各種生活物資都十分缺少

,

當然也包括蓋

房子的材料

。

大多數的材料都需要從遠方用牲畜運

送

。

在當地農作物資源十分豐富

，

美國每年的秸稈

的產量和

400

萬間

200

m?

以秸稈為主要建筑材料的

對農作物秸稈的回收再利用的研究具有重要意義

。

1

秸稈建筑材料的意義

秸稈建材是指以農作物秸稈為主要原材料

，

添

加輔助材料和強化材料

，

按照一定的配比,通過物

理

、

化學或兩者結合的方式

，

形成具有特殊功能和結

房子用的秸稈量相等⑸

。

人們開始把目光轉向廢

棄的秸稈

，

用很多草的莖部打包成大塊狀

，

像使用木

材和石頭一樣

,

把一大塊一大塊的草稈堆砌起來

,

蓋

成房子的形狀

，

供人們居住

。

在

1884

年的美國

，第

構特點的建筑材料的統稱⑶

。

秸稈建材具有無輻

射

、

無污染

、

無毒害的眾多優點

，

經過人們的長時

收稿日期

=2020-03-26

修改稿日期

=2020-05-12

基金項目

：

“

十三五”

國家重點研發計劃

(2018YFD1101001)

作者簡介:肖力光

(1962

-

)

，

男

，

吉林長春人

，

吉林建筑大學二級教授，

博士

，

博士生導師

，

長期從事新型建筑材料領域的

研究

。

電話

：

0431

-

84566235

,E

-

mail

：

xlg627@

163.

com

通訊聯系人:丁艷波

(1996

-

)

，

女

，

在讀碩士研究生

。

第

4

期

肖力光等:秸稈建筑材料的應用及研究進展

1143

1

次使用堆砌的秸稈建造的一座住宅

，

該建筑位于

內布拉斯加州⑷

。

使用秸稈作為建筑材料的建筑

可以很好的保溫

，

具有傳熱系數小的特點

，

而且十分

結實

，

有良好的吸聲效果

，

住在秸稈建筑里面的人感

到十分舒適

。

為后來使用該建筑材料的發展提供了

良好的基礎

。

1993

年,

Bou-Ali

等對秸稈磚進行了力學實驗,

通過繪圖

，

結果表明

，

秸稈磚的抗壓能力隨秸稈磚密

度的增大而增加⑺

。

Blum

進行了秸稈磚的載荷實

驗

,

發現載荷越大

，

磚彎曲的越嚴重

，

載荷卸載后

，

彎

曲并不能完全恢復,僅恢復

1/2

劇

。

Don

Stephen

通

過秸稈磚載荷實驗,證明了實驗方法不同

，

得出的結

果差異很大⑼

。

從

1884

年第

1

座使用秸稈作為建筑材料的建

筑建成到

20

世紀

40

年代

，

秸稈建筑材料以它優良

的使用性能加之人們對其的青睞

，

使它迎來了蓬勃

發展的時期何

。

在美國內布拉斯加州越來越多的

人們選擇建造以秸稈為原料的建筑

。

不僅是用來居

住的房子

，

還有用來辦公的建筑

。

使用秸稈的建筑

開始興起

。

在當下

，

世界各地都開始使用秸稈建材

技術

。

1990

年初,利用秸稈制作板材的工藝在國外誕

生,稱為人造板

。

人們對秸稈建材的開發有了新的

進展

。

1905

年

，

使用黏合劑與麥稈制造出了人造

板⑴

］

。

在

20

世紀

40

年代

，

美國

、

英國一些科學家

又利用大麥稈

、

油菜稈

、

棉花稈中加入鋸末

，

制造出

了質量更高的人造板材問

。

1970

年

，

聯合國構造

集會

，

將人造板材的質料擴大到利用秸稈

。

國外最

開始使用醛樹脂作為制造秸稈人造板材的黏結

劑,但是成本很高

,

經過研究人員的探索發現秸稈表

面含有蠟質類物質

，

所以采用混合黏結劑制造秸稈

板問

。

Han

利用蒸煮的方法,將秸稈在膠合前進行

蒸煮

，

再和

JR

醛樹脂膠結合

,

結果顯示:預先將秸稈

進行蒸煮處理

，

可以使秸稈與醛樹脂膠更好的

膠合剛

O

人們不僅制造了秸稈人造板材,又將秸稈加入

到水泥基中復合材料

，

探究其對水泥基材料的一系

列性能影響

。

zhang

把水泥和秸稈制作成復合材

料

，

探究了彈性模量與載荷的關系

，

載荷越大

，

秸稈

水泥的復合材料的彈性模量越大⑴

］。

將秸稈纖維

與水泥復合制成秸稈草磚

Emma

Boghossian

等口句研

究了亞麻纖維對混凝土塑性收縮的影響

，

選取不同

長度的亞麻纖維

，

測定其對試件收縮的影響

，結果顯

示加入了亞麻纖維

，

明顯抑制了試件的收縮

。

在

21

世紀初

，

Martello

L

S

等將蔬菜莖纖維加入到瓦片

中

，

通過測定溫度的變化,發現其保溫性能良好

”

］

O

Bouhicha

M

和

Aouissi

F

對加入未經處理的秸

稈的混凝土試塊和經過處理的秸稈的混凝土試塊進

行耐久性實驗

,

含有經過處理的秸稈的試塊吸水率

更小

，

說明使用防水劑等聚合物處理秸稈有提高混

凝土耐久性的能力

U"

。

Agueda

A

等又對秸稈板的

阻燃性進行了研究

,

通過使用阻燃劑和未使用阻燃

劑的秸稈板的燃燒速度

，

可以得出加了阻燃劑的秸

稈板完全符合國家標準

「

閔

。

英國一個質檢公司對

秸稈建筑進行了

2

h

火災實驗,結果顯示:用草磚為

材料的建筑符合防火性能測試口

°

〕

。

又因為秸稈纖

維不緊密

，

對水的運輸及儲存更有利

，使秸稈磚建筑

具有一定的防水性如

。

隨著經濟的發展

,

人們開始將更多的視野轉向

科學研究

,

對建筑材料的性能要求越來越高

,將秸稈

加入到水泥基中

,

作為一種增強材料應運而生

,

越來

越多的國家將此作為研究的熱點

［

切

。

可以更好的

利用資源

,

尤其對于盛產農作物的國家

,

省去了對秸

稈的回收,節省了資源

。

在經濟與資源共享的時代

背景下

，

對于秸稈在水泥中的應用

，

有很好的發展

前景

。

3

國內秸稈建筑材料研究及應用進展

中國作為農業大國

,

利用秸稈作為建筑材料在

中國已經有幾千年的時間。

最開始使用茅草捆成小

捆搭在房屋頂上

，

用來防雨

。

這是中國最開始的關

于秸稈作為建筑材料的利用

。

像古代詩人陳與義在

詩歌

《

茅屋

》

中所描寫的那樣:

“

茅屋年年破,春風歲

歲來

”

，

由此可以看出只是單一的

，

無加工的直接利

用秸稈作為建筑材料的建筑易損壞

,

使用壽命短

,

需

要經常維修

。

到了民國時期

，

人們開始以泥土制作

成磚

，

堆砌成墻,在這樣的墻表面覆蓋上草稈

，

高粱

稈,蘆葦等

，

然后涂抹上黃泥,加固

。

到了

20

世紀

80

年代

,

開始出現把搗碎了的秸稈與黃泥混合

,之

后曬干

，

得到磚塊,用來建造房屋血

］。

這是我國用

秸稈制作人造板材的開端

。

最初的研究是以廢棄的

甘蔗渣作為原料

,

采用濕法制作的硬質板材,接著我

國一些研究單位開始使用稻殼

、

玉米秸稈

、

麥秸稈等

制作與研究

。

近年來

，

綠色建筑材料與可循環經濟

受到廣泛認可

，

秸稈建筑材料得到了很好的推廣

。

受到了廣泛的研究

，

當前我國的秸稈建筑材料主要

有以下幾種:秸稈磚

、

秸稈人造板材

（

分為使用膠黏

劑和不使用膠黏劑

）

、

秸稈水泥基復合材料

。

3.1

秸稈磚

秸稈磚是指用秸稈打包機器將秸稈整理打包

,

使原本松散的秸稈變密實,再切割成磚塊

,

堆砌起來

用秸稈磚建造住宅則

。

秸稈磚具有很多優良的品

質

，

例如硬度高

，

可以承受一定的載荷

。用秸稈磚建

1144

應用化工

第

50

卷

造的房屋環境舒適

，

減少外界噪音

，

深受人們的

喜愛

。

隋明銳闡述了秸稈磚的生產工藝

，

收集

、

壓實

、

捆扎

、

切割

、

貯藏;以及秸稈磚的性能,每米墻體可以

承受

500

kg

的載荷

，

隔聲隔熱,使用壽命長;通過計

算普通磚的成本

，

可以用小麥秸稈為原料的秸稈磚

代替紅磚在河南等地兇

。

楊青松等少

］

按照美國材料實驗協會標尺

,

計算

出玉米秸稈草磚為節約能源的材料

。

并且通過熱成

像儀測定

,

秸稈草磚與普通磚進行對比

,

發現秸稈草

磚的傳熱能力更小

。

趙文蘭等

「

27

］

進行了秸稈磚在砌體中的收縮實

驗,在自然條件下

，

養護

42

t,

以砂漿硬度

、

齡期、

約

束條件作為變量

，

得出秸稈磚在自然條件下的體積

變化規律

，

得出秸稈磚塊的體積變化公式

。

對以后

秸稈在建筑中的使用有重要作用

。

孫國松等

［

28

］

通過對水稻秸稈草磚的受壓性能

實驗

,

并與其他的文獻進行對比

,

得到彈性和壓縮側

的稻草和稻草磚裝載表面積

，

初始密度

,

大小和位置

的承載力的模量是相關的

,

并且得出了稻草秸稈磚

的極限承重能力公式

。

王曉峰等迦

］

按照實驗測出不同配比的秸稈磚

塊的導熱系數

，

得出結論:秸稈磚塊的含水率對導熱

系數的影響

，

含水率小

，

導熱系數越小

。

可以很好的

保存建筑物中的熱量

，

在水泥砂漿或者黏土中添加

秸稈

,

能夠明顯的提升該建筑的保溫效果

。

隨著國家大力倡導應用節能型材料

,

提倡秸稈

的再利用

，

越來越多的企業與高校致力于秸稈的再

利用研究

，

因為秸稈磚的價格低廉

,

保溫效果良好

,

深深的受人們喜愛

。

3.2

人造秸稈板材

人造秸稈板材是指秸稈歷經一系列的加工

，

成

型的板材

。

按照加工工藝可以將人造秸稈板材分為

兩種:使用膠黏劑膠合和無膠膠合

。

使用膠黏劑膠

合的加工工藝:把秸稈粉碎

，

再添加異氤酸酯進行碾

壓成型

，

另一種是將秸稈利用機械加工成纖維

,

使用

JK

醛樹脂為膠黏劑

，經過熱壓,形成一種一定密度的

人造秸稈板

；

無膠膠合工藝:利用秸稈自身性質

,

采

用一定的加工工藝

,

如高溫高壓

,

使其自交結

,

再熱

壓成板材

。

3.2.1

使用膠黏劑的人造秸稈板材的研究

2007

年

8

月

16

日

，

零境界健康板被萬華生態板業股份有

限公司展示推出

，

得到了不同的反響

，

同時

，由中國

輕工業聯合會

、

中國環境保護產業協會

、中國石油和

化學工業協會聯合主辦的

“

新型秸稈應用技術推廣

會議

”

召開,推廣秸稈板⑶

］

。

張洋等⑶

］

通過測定麥秸板與兩種膠黏劑的膠

合程度

,

異氤酸酯

(

MDI

)

和

JR

醛樹脂

(UF),

研究了

黏合劑與秸稈表面的黏合機理

，即相接觸的表面自

由能較高

,

潤濕性優良

,

還開發了專用的黏結劑

。

劉利亞等卩

2

］

通過裝修時使用的不同膠黏劑

，

將

不同種類的膠黏劑分組

，

隨著時間測定室內產生甲

醛的濃度

，

結果表明

，

使用脈醛樹脂和酚醛樹脂兩種

不同的膠黏劑

，

以腺醛樹脂為黏結劑的人造板材會

產生更多的甲醛

，

污染環境

。

左迎峰等少

］

使用自主研發的膠黏劑

,

黏結楊木

單板與秸稈板

，

總結了膠黏劑的用量

、

加工使得溫

度

、

時間

、

壓力對復合結構材物理力學性能的影響規

律,進一步總結和提升實驗手段

，

并得出在一定條件

下,產品性能優于單一的板材

。

孟藝瑋等⑶

］

把玉米秸稈人造板材應用在建筑

中

，

并確定其影響傳熱量的

4

個因素

，

即用膠量

、

秸

稈碎含水量

、

板材厚度及容重

,

通過不同因素組合形

式

，

確定每種方案下

，

玉米秸稈板的導熱系數

。

得出

在容重

0.76

g/cn?,

秸稈板厚

11.

8

cm,

碎秸稈濕度

12.1%

，

施膠量

12%

時,玉米秸稈板保溫效果最好

。

3.2.2

無膠膠合的人造秸稈板材的研究曹忠榮

等

「

旳通過對板材中的組分改變

,

在板材的制作中成

分的變化

，

討論了無膠膠合的機理

。

得出結論:在板

材的制作過程中

，

部分水解的纖維素半纖維素水解

出單糖和游離單糖與其他物質發生反應

,

生成糠醛

類化合物

。

降解的木質素和有糠醛類化合物反應生

成聚合物樹脂

,

并且利于板材的膠合

，

在板材中發生

的纖維水解和木質素的降解都對板材的自膠合

有利

。

陽金龍等胱

］

對秸稈進行了超臨界預處理

，

將秸

稈在

388

T

的超臨界水中反應

21

s,

得到了最大低

聚糖轉化率

，

為以后的秸稈板材自交結提供了研究

思路

。

郁舒蘭等網對秸稈板材的研究現狀加以總

結

,

又根據秸稈板的性能特點提出了對于此工業生

產的方法

，

經過論證,提出了工業生產的可行性

。

徐劍瑩等網將無膠膠合的熱成型方法一共分

成了

3

種形式:普通熱壓法

、

蒸汽爆破預處理法和噴

蒸熱壓法

，

并且探討了每種方法的研究進展

，

對秸稈

的無膠膠合技術提出了展望

。

吳磊⑻以麥秸為原料

，

無黏結劑

，

利用官能團

對麥秸前體木質素和纖維素進行功能化

，

以過氧化

氫為引發劑

，

制備出與木材物理性質相似的非木質

麥秸板

。

之后對其進行力學性能測試

，

得出該人造

板材符合國家標準的結論

。

秸稈人造板材的出現

，

使秸稈的回收與處理又

增加了一個途徑

，

如何使使用的膠黏劑污染更小和

第

4

期

肖力光等:秸稈建筑材料的應用及研究進展

1145

無膠膠合工藝的優化

,

是我們需要研究的問題

。

3.3

秸稈水泥基復合材料

秸稈水泥基復合材料是指將經過一系列處理的

秸稈纖維加入到水泥基體中

，

秸稈作為增強材料

，增

加了水泥的耐久性能和力學性能

，

同時也解決了秸

稈利用的問題

。

肖力光等

「

40

］

通過對秸稈纖維水泥基復合材料

的基體相

,

界面相

,

復合效果等進行觀察

，

得出結論:

在界面劑的作用下,秸稈與水泥基復合材料效果

優良

。

馬欣⑷

］

將不同質量的粉煤灰和服醛樹脂加入

到秸稈水泥基復合材料中

，

對吸水率和軟化系數進

行測定

。

總結出際醛樹脂與粉煤灰的加入質量對水

泥基復合材料吸水率的影響

，

得出結論:在指定的區

間內

，

，

增加粉煤灰和服醛樹脂的摻量

，

材料吸水率

降低,耐水性增強

。

王曉燕等⑷

］

為了提高秸稈與水泥基的界面結

合能力，

將秸稈纖維用

NaOH

溶液進行浸泡

，

通過實

驗

，

探究了溶液濃度

，

浸泡時間對秸稈纖維與水泥基

的界面結合的影響,并且得出結論:質量分數為

4%

的

NaOH

溶液改性處理

24

h

時

，

秸稈質量損失率較

大

，

可以減緩其對水泥的緩凝作用

。

此改性處置秸

稈與水泥拌合的膠砂試樣的強度有所提高

。

經過

SEM

測試

，

發現修改后的小麥秸稈與水泥膠體結合

情況較好。

經過堿處理的秸稈

，

有效的提升了與水

泥基界面結合的能力

。

陳國新等⑷

］

以棉花秸稈為加強相

，

水泥和砂作

為基體相

，

采用堿處理和接枝處理兩種不同界面處

理的方法

，

測試和分析棉花秸稈水泥基復合材料的

力學性能

，

結果表明,棉稈經過

1.5%

-2.0%

的堿

液濃度

,24

~

28

h

浸泡

，

制作的秸稈水泥基復合材

料具有優良的力學性能

。

韓旭

］

⑷通過

3

種不同配比的小麥秸稈水泥保

溫磚的保溫性能實驗

，

得出結論:小麥秸稈通過化學

添加劑的作用可以有很好的黏結作用

，

水泥基體中

加入小麥秸稈有優良的保溫性能

。

因為秸稈本身的

保溫性，

磚內又有一定數量的尺寸很小

、

狹長的小

孔

，

使空氣在磚體內的流動性很差,發生熱傳遞困

難

，

因此農作物秸稈再生保溫磚的保溫效果顯著

。

4

總結與展望

本文總結了國內外秸稈建筑材料的種類

,

加工

工藝及研究進展

，

利用秸稈生產的建筑材料

，性能優

越

，

市場前景廣闊

。

大力發展秸稈建材

，

解決了秸稈

綜合利用問題

，

防止了秸稈燃燒產生的霧霾危害

，

具

有顯著的經濟效益

、

社會效益和環境效益

，

秸稈建筑

材料的工業化生產技術

、

制備工藝

、

配方優化

、

性能

提升技術及配套設備是進一步急需解決的問題

，秸

稈建筑材料具有良好的發展前景

。

參考文獻

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，

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北京

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業出版社

,2016.

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版社

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