质麦秸复合墙体建筑热物理特性研究.pdf

y0 0 6 1 9 1 分类号 密级 璐6 5 3 e k 学位代码3 0 8 学校代码1 0 2 9 8 学号3 0 4 0 1 2 1 南京林业大学 f 、。“* m 6 m “： * * d e i 研究生硕士学 每 - = 州，碡州“ 4 州 j ， 论文题目：轻质麦秸复合墙体建筑热物理特性研究 作者：粱仙叶 专业：材料学 研究方岛：生物纤维复合材料工程 指导教师：周晓燕副教授 二o o 六年六月 摘要 轻质麦秸复合墙体是以轻质麦秸板为保温材料的一种新型建筑墙体，它的开发运用有 效利用了麦秸资源，有助于解决木材资源短缺的问题，降低建筑能耗。轻质麦秸复合墙体 建筑具有优良的热物理特性，提供了一个良好的居住环境，提高了人们的生活质量。 通过非稳态热流法测定轻质麦秸复合墙体单体基本热物理量，研究厚度对轻质麦秸复 合墙体单体的热物理特性的影响。结果表明：轻质麦秸复合墙体单体属于气泡状有机质保 温材料，具有良好的热物理特性；8 0 衄是理想厚度，内表面温度与室内环境温度的温差 很小；此单体随着厚度增加，热阻几乎是线性增加。 通过用热流计法测定结构对轻质麦秸复合墙体传热阻的影响，并与其他墙体进行比 较。结果表明：实验测量得出的轻质麦秸复合墙体传热阻比理论计算值大；有无空气间层、 空气问层与轻质麦秸板的位置，对传热阻并无太大影响；对于有空气间层的等厚轻质麦秸 复合墙体，麦秸板越厚传热阻减少：传热阻最大的墙体结构是：纤维水泥板+ 麦秸板+ 空 气+ 定向刨花板，理想的墙体结构是：纤维水泥板+ 麦秸板+ 定向刨花板，它们的值比其他 墙体传热阻都大。 对轻质麦秸复合墙体示范建筑与普通钢筋混凝土结构的建筑进行现场测试，验算此示 范建筑的隔热性能，及理论分析热惰性指标。结果表明：轻质麦秸复合墙体示范建筑的衰 减倍数和延迟时间大于普通钢筋混凝土结构，示范建筑的墙体满足南京地区的夏季隔热要 求：麦秸板比常用传统建筑材料的热惰性指标大，其温度剧烈波动层厚度是最薄的( 3 2 珊) ；有无空气间层、空气间层与轻质麦秸板的位置，不会改变轻质麦秸复合墙体的热惰 性指标值；对于有空气间层的等厚轻质麦秸复合墙体，麦秸板越厚，热惰性指标值越大。 热惰性指标值最理想的结构方式是：纤维水泥板+ 麦秸板+ 定向刨花板，其值大于其它几 种墙体。 关键词：热物理特性单体轻质麦秸复合墙体示范建筑 a b s t r a c t l o w - d e n s i t yw h e a ts t r a wm u l t i - l a y e rw a l l ( l w s m w ) i san e wb u i l d i n gm a t e r i a li nw h i c h l o w - d e n s i t yw h e a ts t r a wb o a r di su s e df o rt h e r m a li n s u l a t i o n ，i t si n v e n t i o na n da p p l i c a t i o n p r o v i d ean e ww a y t om a k eb e a e ru s eo fw h e a ts t r a w , s e t t l et h er a wm a t e r i a lp r o b l e mi nw o o d ， r e d u c et h ee n e r g yc o n s u m e l o w - d e n s i t yw h e a ts t r a wm u l t i l a y e rw a l lb u i l d i n gp r o v i d e sp e o p l e w i t l laf r i e n d l ya n dr e s i d e n t i a le n v i r o n m e n t , a n di m p r o v e sp e o p l e sl i v i n gl e v e l t h eb a s i ct h e r m a lp r o p e r t i e so fl o w - d e n s i t yw h e a ts t r a wb o a r d s ( l w s b ) a r em e a s u r e db yu s i n g t r a n s i e n tp l a n es o u r c e ( t p s ) t e c h n i q u e e f f e c t so ft h i c k n e s so nt h e r m a lp r o p e r t i e sa r e s t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h a tl w s ba l et h eh e a ti n s u l a t i o nm a t e r i a lo fa i rb u b b l ea n do r g a n i c m a t t e r , a n dh a v et h eg o o dt h e r m a lp r o p e r t i e s t h et h i c k n e s so f8 0 衄i sg o o da n di ti ss m a l l b e t w e e ni n n e r - s u r f a c et e m p e r a t u r ea n de n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e i na d d i t i o n ，t h eh e a t r e s i s t a n c ea i m o s ti n c r e a s e sl i n e a r i t yw i t ht h i c k n e s sa d d i n g ， j w - ia o p a r a t u sm e a s u r e se t f e c t so f t h es t r u c t u r eo nt h eh e a t - t r a n s f e rr e s i s t a l i c eo f i j w s m wa n d t h eh e a t - t r a n s f e rr e s i s t a n c eo fl w s m wi sc o m p a r e dw i t ho t h e rw a l l s t h er e s u i t si n d i c a t et h a t t h eh e a t - t r a n s f e rr e s i s t a n c eo fe x p e r i m e n ti sb i g g e rt h a nt h e o r y t h ef a c t o ro fa i rl a y e rh a sn o e f f e c t so nt h eh e a t t r a n s f e rr e s i s t a n c e t h eh e a t - t r a n s f e rr e s i s t a n c eo f t h es t r u c t u r ea ( f i b r ef l o o r s l a b + i j w s b + a i rl a y e r + o s b ) i st h eb i g g e s ta n do n eo ft h es t r u c t u r eb ( f i b r ef l o o rs l a b + l w s b + o s b ) i st h em e s tr e a s o n a b l e o n eo f t h e s et w os t r u c t u r ei sb i g g e rt h a no t h e rw a l l s i tt e s t st h e r m a lp r o p e r t i e so fd e m o n s t r a t i o nh e u s eo fl o w - d e a s i t yw h e a ts t r a wa n dr cb u i l d i n g c o m p u t e sh e a ti n s u l a t i o np r o p e r t i yo fd e m o n s t r a t i o nh o u s ea n da n a l y z e st h e r m a li n e r t i ai n d e x b yt h e o r y t h ec o n c l u s i o ni sm a t a t t e n u a t i o nc o o m c i e n ta n dd e l a yt i m eo fd e m o n s t t a t i o nh o u s e a r eb i g g e rt h a nr cb u i l d i n g t h ew a l ls t r u c t u r eo fd e m o n s t r a t i o nh o u s ec a l lb eu s e di ns u m m e r i nn a n j i n g t h et h e r m a li n e r t i ai n d e xo fl w s bi sb i g g e rt h a nc o n l m o nb u i l d i n gm a t e r i a la n d t h i c k n e s so fa c u t e l yt h e r m a lf l u c t u a t i n gl a y e r si so n l y3 2 m m n l ef a c t o ro fa i rl a y e rh a sn o e f f e c t so nt h et h e r m a l i t i e r t i ai n d e x w i t hl w s m wo fh a v i n ga i rl a y e ra n dt h es a r n et h i c k n e s s ， t h et h e r m a li n e r t i ai n d e xi sb i g g e rw h i l et h et h i e k n e s so fl w s bi n c r e a s e s t h et h e r n l a li n e r t i a i n d e xo ft h es t r u c t u r ebi st h em o s tr e a s o n a b l ea n do n eo ft h es t r u c t u r ebi sb i g g e rt h a no t h e r w a l l s k e y w o r d s ：t h e r m a lp r o p e r t y , l o w - d e n s i t yw h e a ts t r a wb o a r d ，l o w - d e n s i t y w h e a ts t r a w m u l t i l a y e rw a l l ，d e m o n s t r a t i n gb u i l d i n g 致谢 本文是在导师周晓燕副教授的悉心指导下完成的。周晓燕老师在学 业和生活上一直给予我指导与关怀，她对学术孜孜不倦的追求，严谨的 治学态度给我留下了深刻的印象，她诲人不倦的敬业精神使我钦佩，让 我收益匪浅。一在此谨表诚挚的谢意，并将铭记终生。 在本文完成过程中，得到了徐咏兰教授、张洋教授、梅长彤副教授、 徐信武博士、“中心”实验室昊羽飞副教授、李显成老师等的热心指导 和无私帮助，同时，还得到了博士研究生潘明珠，硕士研究生薛丽丹、 顾凯与刘丽敏、本科生孙银萍等同学的极大帮助，在此，一并表示感谢。 此外，还要特别感谢东南大学的柳孝图教授、傅秀章副教授，及建 筑物理实验室的老师。 最后，对在我研究生学习阶段给予过帮助的单位、老师、同学致以 衷心的感谢! 梁仙叶 二00 六年四月于南京 1 1 选题依据及意义 1 1 1 木材资源短缺 1 前言 木材作为四大材料“钢材、水泥、塑料、木材”之一，具有大自然赋予它的独特美感 以及优越的材料特性。就不同材料所构成的居室环境对人体心理和生理上造成的影响而 言，木质材料比传统的砖、瓦、混凝土等建筑材料具有更为突出的优越性和利用价值。如 木质材料所特有的吸收紫外线和反射红外线的功能；某些特殊木质材料所特有的保健功能 等”3 ，这些性能都是传统建筑材料所不具备的，而这些又是现代建筑材料所追求的性能。 当前世界各国为了保护生态环境和林业的可持续发展，都制订了限制原木采伐的计划。1 ， 造成社会木材供应紧张的局面。我国由于国民经济的快速发展，人民生活水平的提高，家 具、建筑行业的兴起，近年来耗木量急增，导致了木材资源的严重缺乏。以2 0 0 3 年为例， 我国木材产量仅为49 5 0 万m 3 ，而全社会木材消费总量2 68 6 0 万m 3 ，表卜1 为我国2 0 0 3 年全社会木材消费情况“1 。 表卜12 0 0 3 年全社会木材消费量 t a b l e l iv o l u m e so f w o o dc o n s u m p t i o ni nc h i n ai n2 0 0 3 消耗量( 万m 3 ) 比2 0 0 2 年增加 用途类别比例 增加量 比例 2 0 0 2 芷 2 0 0 3 年 ( ) ( 万m 3 ) ( ) 建筑及装修用材 61 0 063 0 02 22 0 03 3 家具用材 30 0 031 5 01 11 5 05 0 造纸用材 81 0 090 5 03 29 5 01 1 7 农业及农村用材 59 0 060 0 02 21 0 01 7 其他用材 37 6 038 1 01 35 0l - 3 总量 2 68 6 02 83 l o1 0 014 5 05 4 1 9 9 8 年长江流域的特大洪灾后，我国在主要国有林区全面实施天然林保护工程，国 有林区2 0 0 0 年木材产量由23 0 0 万m 3 调减至i3 0 0 万m 3 ，减幅4 3 同。木材产量减少之 后，我国板材市场的供需矛盾将更加突出，木材替代品的开发应用将进入新的高潮。解决 这一供需矛盾的途径有三条：大力发展人工速生林；适度增加木材进口：寻找木材代替材 料“。 目前，寻找木材代替材料这一途径对缓解我国木材供不应求的矛盾更具现实意义，如 竹材的开发与利用，农作物秸秆利用等，在建筑市场，寻求合适的资源来替代木材，开发 新产品，开拓新市场已势在必行。 1 1 2 秸秆资源的利用 我国是一个农业大国，秸秆资源尤其丰富，每年产量达数亿吨。据统计，2 0 0 0 年我 国农业剩余物约为6 6 5 亿吨，其中稻草1 3 5 亿吨，麦秸0 8 亿吨，玉米秆1 7 3 亿吨， 棉花秆0 3 0 亿吨，豆类作物0 7 6 亿吨”1 。据农业部项目专家预测，到2 0 1 0 年我国的秸 秆总产量将达到7 2 6 亿吨。1 。长期以来，农作物秸秆主要用作肥料、燃料、饲料和造纸 原料，随着科技进步，上述用途已经严重弱化。目前，许多地方推广秸秆还田作肥料，秸 秆气化制沼气，秸秆发酵做饲料等，但这些用途秸秆消耗量不大。秸秆的出路问题，令广 大农民一筹莫展。每到收获季节，农民大面积焚烧秸秆产生的浓烟，造成空气质量急剧下 降，对于公路、铁路及民航的交通安全形成极大隐患，已成为严重的社会公害。中华人 民共和国大气污染防治法明确规定，焚烧秸秆属违法行为。国家环保总局多次发出禁令， 要求各地加强监督检查，禁止焚烧秸秆。目前，如何科学合理地利用农作物秸秆，帮助农 民解决这一棘手问题，已成为政府部门十分重视，科研人员万分关注的一个热点课题。 秸秆的利用如果仅以分散状态、采用传统的农家处理技术，是难以进行规模化开发的， 而将秸秆纳入工业化开发的范围，秸秆就有可能真正成为一种可造福人类的天然资源。科 技人员经过研究试验认为，农作物秸秆是理想的可用原料，其中包括麦秸、稻草、豆秸、 椰衣、芦苇、亚麻杆、玉米秆“”“3 等。这丰富的秸秆资源在我国的利用率却很低，仅为3 3 。 据联合国环境规划署报道，世界上种植的各种谷物，每年可提供秸秆1 7 亿吨，被利用的 秸秆废弃物不足2 。3 。据统计，lm 3 碎料板消耗1 2 吨秸秆原料，按此比例计算，则一条 年产5 万m 3 ，秸秆碎料板生产线年消耗秸秆约6 万吨“。 据国家环保“十五”计划，要求“开展秸秆禁烧，发展综合利用，开辟工业利用秸秆 新途径”，将对建设秸秆产业创造一个良好的政策环境“。如果我国充分利用起秸秆资源， 政府采取鼓励政策后，依靠秸秆产业的自身积累，扩大秸秆的综合利用和产品精加工，经 济效益会有很大提高，就业人员也会增多，不仅可以解决农作物焚烧带来的环境问题，还 可以增加农民收入，具有“环保+ 效益”的重大意义。”1 ，这将大大补偿中国参加w t o 后 对农业带来的损失，必将带动农业有一个长期稳定的发展时期。在此情况下，利用麦秸、 稻草等农业剩余物为原料生产人造板产品“越来越受到人们的重视。 以农作物剩余物为原料生产人造板的技术研究开发，国外早在2 0 世纪初就开始起步， 1 9 2 0 年美国路易安那州建立了利用蔗渣制板生产厂。“。进入8 0 年代在美国北部和加拿大 利用麦秸秆开始进行制板的实验研究，至今已形成完整的工业生产体系。此外，比利时、 瑞典、葡萄牙、俄罗斯等国也很早进行了此类研究并已制造出合格的各类农作物秸秆人造 板0 2 。利用稻草、麦秸生产人造板方面更是成绩斐然，如加拿大的i s o b o r d 公司，通过 多年研究发现，使用异氰酸酯胶( m d i ) 可以黏合麦秸制造人造板，并于1 9 9 4 年建厂试产取 得成功，目前己形成年产量约2 0 万m 3 的生产能力“”。随着i s o b o r d 公司麦秸板的试生产 成功，北美洲曾一度出现麦秸板热，所建工厂主要分布在美国和加拿大，其中比较著名的 有美国的p h e n i x 公司和p r i m e b o a r d 公司，加拿大的a g r i f i b r e 公司等，其麦秸板年生产 量均在1 0 万m 3 以上。 我国一批以麦秸等农业剩余物为原料生产人造板产品的生产项目也相继投入建设，部 分生产线已经开始投入运行”。1 9 8 2 年我国从英国s t r a m i t - - i n t e r n a t i o n a l 公司引进过 2 条年产5 0 万m 3 稻草墙板生产线，分别建在辽宁大洼和营口f 2 8 ) 但因产品进入市场难以 及推广应用等问题而停产。此后，上海人造板机器厂也成功地研制了这套设备，并在青浦 建厂，产品称为斯强板。四川星河建材有限公司通过多年攻关，利用稻草、麦秸配以辅助 材料研制成功一种五防轻体隔墙板”1 。这些新型轻体建材尽管有质轻高强等诸多优点，但 由于人们使用习惯问题，加上建筑施工工艺及配套设施尚不完备等问题，要推向市场还需 做大量工作。近几年国内的一些科研院校，如中国林科院木材工业研究所、东北林业大学、 南京林业大学、湖南省农林工业勘察设计研究总院等也对稻草、麦秸的制造工艺进行了全 面系统的研究与开发，且取得了一定的成果。 秸秆工业原料的研究和应用已受到大量的关注，随着研究的深入，它将以其低成本， 符合可持续发展战略方针的突出优点，成为新一代广泛应用的环保材料。建设秸秆产业， 实现秸秆工业原料资源化利用是发展生态经济原则的具体实践，有助于农业固体废弃物的 综合利用，实现农民增收，农业增效，促进农业工业良性循环，维护生态平衡，实现 农业可持续发展。随着我国国民经济持续、高速、稳定地发展，建筑业、制造业、房地产 业、住宅装修业、包装业等相关行业对板材的需求量不断扩大。利用农作物秸秆这可再 生资源作为木材替代产品，不仅利于保护森林资源，更符合我国经济可持续发展的要求。 l - 1 。3 节能墙体的推广 我国的能源并不丰富，据1 9 8 7 年统计。“，我国能源平均为7 9 5k g 人，仅为世界人 均的1 3 ，约为美国人均的1 2 0 。由于能源不足，使我国有2 0 3 0 的生产力不能正常 发挥作用，另一方面我国能源的利用率却很低，仅为2 8 。西欧平均约4 0 ，美国5 1 ， 日本达5 7 。每生产一美元国民生产总值所耗费的能源，我国约为法国的4 9 7 倍，日本 的4 4 倍，印度的1 6 5 倍，可见浪费之严重。从欧洲各国围护结构传热系数指标看，都远远 的高于我国的标准，并多数高出3 5 倍o “。单说在烧制砖的过程中，就要毁掉大片的土 地，并消耗大量的煤炭资源。众所周知，我国人口要占到世界总人口的2 2 ，却只拥有世 界7 的耕地，人均耕地仅有1 t 3 亩，所以土地就是我们最宝贵的财富。然而据有关资料统 计，每烧制1 2 0 万块实心黏土砖，就要毁田约o 5 1 亩。在耗能方面，墙体材料( 主要是 黏土砖) 所消耗掉的生产能耗以及建筑采暖能耗己占到全国总能耗的1 4 ，每烧制l 万块 黏土砖要消耗1 t 标准煤o “。 此外，全国每年排放的各类工业废渣约有2 亿吨，这些废渣既污染了环境，还要占用 2 0 多万亩的堆放场地，这也是摆在我们面前一个迫在眉睫的课题。根据有关专家预测： 如果建筑节能工作仍维持目前情况，2 0 2 0 年建筑能耗将达到2 0 0 0 年的3 倍以上；如果国 家抓紧节能工作，则建筑能耗增长约为l 倍。”。 随着全球可利用能源的日益枯竭，大气环境的逐步恶化，人类已开始注意到建筑节能 o “删的重要性，并已逐步认识到建筑节能是即节约能源，又减少环境污染，一举两得的旷 世工程。从上个世纪9 0 年代开始，我国就在居住建筑设计中开始推行节能工作，制定了 建筑节能“九五”计划和2 0 1 0 年规划，提出了建筑节能分三步走的奋斗目标，第 一步是从1 9 9 6 年开始，在原有住宅能耗水平( i 9 8 1 年住宅能耗水平) 的基础上节能3 0 ： 第二步是从2 0 0 0 年年末开始，再节约3 0 ，即在原有住宅能耗的基础上节约5 0 ；第三 步是到2 0 0 5 年，再节约3 0 ，即在原有的基础上节约6 5 。为实现这一建筑节能目标， 先后编制了建筑节能设计标准( 采暖居住建筑部分) 和夏热冬冷地区居住建筑节能 设计标准。为认真贯彻设计标准，建设部颁布了民用建筑节能管理规定，同时部分省、 市也相应的制定了实旋细则和管理办法。这些工作都为我国的建筑节能奠定了基础。目前， 建筑节能工作在北方绝大部分地区。7 “基本上开展起来了，夏热冬冷地区o ”的居住建筑节 能工作也在起步，全匡节能建筑建设总量有了大幅度的增加。建筑节能“1 主要通过对传 统的墙体材料进行改革，以减少建筑物冬季失热量和夏季得热量来实现。 由此可见，为了保护土地，珍爱环境，节约能源，大力发展和推广新型墙体材料“ 已经是势在必行。新型墙体材料在我国发展的历史较短，只是在近几年才得到快速发展； 由于处在发展的初期，因此产品的种类多而杂，规格也参差不齐，性能上的差异也很大。 现在一些产品虽有了国家标准或行业标准，但总体来讲，新型墙体材料”3 “1 产品的名称和 归类还缺乏统一规范的划分，现在人们往往是按照墙体材料的形状及尺寸来进行分类的， 即将墙体材料分为砖、砌块和板材三大类，一般习惯上的分类方法如表1 - - 2 ： 表卜2 新型墙体材料分类 t a b l e l 一2c a t e g o r yo fn e ww a l lm a t e r i a l f 普通混凝土小型空心砌块 i 普通混凝土砌块 轻集料混凝土小型空心砌块 l 粉煤灰小型空心砌块 砌块1 硅酸盐混凝土砌块f 耋嘉墨篓萎荔萎 l 石膏砌块 装饰砌块 板材 轻霹板材 蓁爰! 嘉骂磊霎至粢袭? 裂警鬈荔凝士条板等 复合墙科嚣：麓兽纂微：嚣筹嚣等 根据国家的政策方针，今后的建材产品，必须是低能源消耗，低环境污染，利于维持 生态的平衡，有利于资源的配置和充分利用各种再生资源。就新型墙体材料的技术而言， 其发展趋势是轻质、高强、多功能，制品朝着大型化、轻质化、节能化、利废化、复合化 的方向发展”。符合这些要求的产品便会有强大的生命力，能够持续地发展。用麦秸作为 主要原料制造的墙体材料正是符合了这一方针。利用秸秆等农业废弃物制造新型复合节能 墙体材料，不仅具有轻质、保温性能好、抗冻融性能高等优点，而且成本低廉，市场需求 潜力大，既利用了资源，又保护了环境，将会产生巨大的经济效益和社会效益。 在我国传统的建筑中，大量采用粘土砖构筑主墙体。目前我国已经制定了“保护耕地、 保护环境、节约能源”的有关政策，建设部还发布了关于在住宅建设中淘汰落后产品的 通知，明确规定2 0 0 2 - - 2 0 0 3 年，我国在1 6 0 个城市中禁止使用实心粘土砖“。国务院办 公厅于2 0 0 5 年6 月8 日下达了关于进步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通知， 要求全国推广发展新型节能墙体材料，限制生产和使用实心粘土砖，力争到2 0 0 6 年底， 使全国实心粘土砖年产量减少8 0 0 亿块，到2 0 1 0 年底，所有城市禁止使用实心粘土砖， 全国实心粘土砖年产量控制在4 0 0 0 亿块以下。作如下粗略计算“：在每年约2 l 亿m 2 墙体 等 ，砖等砖灰砖 土粉心 黏煤空 通 、 、 ，普砖砖砖结砂孔结烧灰多 烧非 ： 0 0 砖砖砖砖压结心烧蒸烧 空免，刨0 r，、，l i 砖 土 土 黏 黏 非 ，1j、-1-j【 砖 材料中，如果取t 0 用人造板取代，则相当于2 5 2 万m 2 ( 厚度按1 2 r a m 计) 。而目前，我国 用于墙材的人造板尚不足6 0 万m 2 。据统计，我国人造板在墙体材料中所占的比例仅为3 ， 而日本为6 4 ，美国占4 7 ，德国为4 1 ，东南亚达到3 0 。可以预见，农作物秸秆人造板 将在建筑领域大有作为。 i 2 国内外研究现状 1 2 1 农作物秸秆墙体材料的研究现状 农作物秸杆( 主要指麦秸和稻草) 以其轻质，保温隔热的特性，自古以来就是一种良 好的建筑材料，但由于其自身存在一些弱点，才逐步被其他材料所取代。人类进入二十一 世纪以后，如果能够运用现代科学技术，通过特殊处理，扬长避短，使农作物秸杆成为新 型墙体材料，将会对农业和建筑业产生重大影响。目前，国内外曾报导过的利用农作物秸 秆制造墙体材料的方式有以下四种。 ( 1 ) 国外，主要是加拿大，通过特殊设备将麦秸撕裂成片状，再经喷胶、定向铺装 和加压等工艺制成定向结构麦秸板( 简称o s s b 板) ，这种板材强度较高，但因为中空的麦 秸结构已被破坏，使其丧失了良好的保温隔热性能。目前，国外有关科研机构正尝试用其 替代现有的定向结构板( o s b ) 、单板层积材( l v l ) 等建筑用木质复合结构材料，用作部 分承重结构材料。然而，因为o s s b 板的物理力学性能尚不及现有的木质结构复合材料， 在国外推广应用还存在相当难度。 ( 2 ) 我国从英国s t r a m i t i n t e r n a t i o n a l 公司引进挤压法麦( 稻) 草板制造技术， 曾成功制造了斯强板( s t r a w b o a r d ) 。它是以植物秸杆( 如稻草或麦草等) 作原料，不添 加粘结剂，直接在成型机内以加热挤压的方式形成密实的板坯，并在表面贴上一层各种材 质的“护面纸”而制成的新型建材”。它属于“自胶型”的人造板，因为稻草或麦秆的 纤维成分中多聚戊糖含量一般在2 5 左右，在外加一定催化剂、受热作用下，多聚戊糖水 解为糠醛，再通过双键的聚合反应，形成具有胶合作用的吠喃系树脂，所以不需添加任何 胶粘剂便可构成自胶型的斯强板。由于它的这种结构和成型特点，决定了它的生态优势： 其主要原料稻草、麦秆是取之不尽的半年或一年可再生的资源；它在生产制造过程中不会 对环境产生污染物；本身不含有害物质，而且当它完成使用目的后被拆除时，仍可还原其 本来砂目，即稻草或麦秆。因此，斯强板是一种不折不扣的生态( 绿色) 建材，美国的一 家稻草板企业把它的产品名称定为“e n v i r o p a n e l “( 环保板) 。但由于这种挤压法麦( 稻) 革板在性能上存在着一些缺陷( 如纵向强度很低) ，未能得到进一步的发展。 斯强板的生产工艺“”：稻草或麦秆以打捆方式进厂( 适宜长度为1 5 0 - - 10 0 0 m m 含水 量控制在1 2 一1 8 之间，不宜过湿或过干) ，经人工解捆后由输送机送到开束机、步进机， 稻草被进一步松解和分选，落下的稻草经废料运输机送人多片分离器进一步分选和去除稻 粒、砂石等杂物，合格稻草由输送机均匀地送人喂料斗。稻草在喂料斗的底部由具有人字 6 形端头的往复式冲头送入“冷床”，在“冷床”的腔体中同时受到冲头的挤压和床体的作 用，形成密实的板坯，然后进入“前热床”，在床体挤压和上下板面1 8 9 2 2 0 加热下进 一步成型，再进“后热床”，并同时引人预先涂有热熔胶的上下层护面纸，在“后热床” 中紧紧与板坯趁热粘结，然后通过辊式输送台送入自动锯，按长度要求切割后，继续送往 封边机，由自动封边机将两端的切断口用预先涂有热熔胶的封端纸牢牢地粘住，整齐、美 观的成品即完成。 ( 3 ) 目前，国内四川星河建筑材料有限公司开发了一种以农作物秸秆为原料，与无 机材料( 水泥、石膏等) 混合后模压制成复合材料，用作墙体表层材料。这种以农作物秸 秆为主要原料生产的新型墙体材料五防轻体隔墙板，以其防水、防火、防震、防裂 纹、防老化和抗冲击、无辐射等优良品质，为我国新型墙材家族又添新成员。该公司正在 极力向社会推荐这种墙体材料，尚末形成大规模工业化生产。五防轻体隔墙板o “可以广 泛应用于各类建筑内外墙、活动房以及川房改造的墙体隔断。此隔墙板可以方便上下穿暗 管暗线进行水电安装，克服了其它隔墙板用切割方法来安装水电的弱点，提高工效2 倍多， 而且这种产品体质轻、强度高、成本低。该产品经国家防火检测中心、四川省墙屋面材料 质量监督检验站检测，其抗弯断裂、自重、隔音、耐火极限等性能指标都大大优于国家标 准。建筑使用该产品，可以增加5 一1 0 的建筑使用面积，而且该产品具有无毒、无味、 无污染、无有害辐射，是真正的绿色建材，具有十分显著的经济效益和社会效益嘲。 ( 4 ) 南京林业大学研制的农作物秸秆复合墙体”，是以麦秸为原料，通过喷蒸 真空平压工艺制成厚度为8 0 - - 1 0 0 r a m ，且保留麦秸中空结构的轻质内衬保温材料，再在其 两表面覆以木质、无机或有机材料，构成复合墙体。其中，轻质麦秸内衬保温材料已获得 国家发明专利，并进行了工业化生产试验，在江苏省青年科技基金的资助下，对其建筑环 境特性进行研究，在大量的前期工作中，为设计和制造复合墙体积累了丰富的经验，并提 出了将这种内衬材料与其他木质、无机或有机材料经特定的连接方式复合而成不同结构墙 体材料的构思。对麦秸硬石膏板复合墙体的相关研究表明阻1 ：在麦秸墙体保温材料的制 造过程中，热压工艺的控制对该产品的质量影响很大，麦秸墙体保温材料的导热系数随着 其密度的增加而增加。麦秸墙体保温材料与硬石膏板的复合可以采用连接件结合或粘按的 方法。其中，螺栓连接件结合的麦秸硬石膏板复合墙体性能较好。这种复合墙体具有质 量轻、保温性好，幅面调整灵活、施工简单方便等特点，可以用作框架式建筑物的外墙和 大空间内隔墙等。 1 2 2 关于秸秆墙体材料环境特性的研究现状 在我国，农作物秸秆人造板用于建筑墙体材料近几年才开始的，初步研究表明它们质 量轻，保温隔热、隔音和阻燃等性能都可满足建筑墙板功能要求，但其规模小，生产能力 都不大。由于人们习惯于传统的砖墙体建筑住房，而企业在开发研究新型建筑墙板系列产 品的财力、人力投入不足，因而目前人造板作为建筑墙体材料还只处于一个起步阶段，对 农作物秸秆人造板环境特性的研究，可以说目前尚处于实验阶段。 麦秸等农作物秸秆制成的墙体材料，自身不含甲醛等有害物质，在生产制造过程中不 产生对环境造成污染的物质；并且当它完成使用目的而被拆除时，可自行生物降解或再利 用。 以农作物秸秆为原料的复合墙体材料制造技术在国外已经相对成熟，在国内也得到了 发展，其中包括：平压法秸秆复合墙体、挤压法秸秆复合墙体、模压法秸秆复合墙体。南 京林业大学的研究人员”1 综述了3 种墙体材料生产工艺、产品性能及其用途，并对不同板 材的导热系数作了对比、用相关公式”“1 计算了不同墙体的热阻，得出了农作物秸秆墙体 材料具有轻质、保温隔热以及吸音等特性，是一种理想的可用于室内或室外的建筑材料， 在中国具有广阔的发展前景。 有关研究5 ”采用平压法工艺制造麦秸墙体保温，研究结果表明：在麦秸墙体保温材 料的制造过程中，热压工艺的控制对产品的质量影响很大，其中，热压时间对秸秆墙体保 温材料的内结合强度、静曲强度、吸水厚度膨胀率影响较大，热压温度对麦秸墙体保温材 料的静曲强度、内结合强度影响显著，而对其它指标影响不显著；麦秸墙体保温材料的 导热系数随着其密度的增加而增加。 另有研究5 “3 得出，密度对轻质麦秸板的热学特性影响显著，密度在0 1 0 2 5 范围 内，随着密度增加，导热系数上升，导温系数下降( 图卜1 ) ；施胶量则对其热学性能无 显著影响( 图卜2 ) 。与现有的建筑保温材料相比，轻质麦秸板具有良好的保温隔热性能， 可以作为建筑材料代替传统的墙体材料及现有的保温材料。 h m0 0 1 6 董 o 1 4 。go 1 2 毫暑o 。l o 号名仉0 0 0 8 i 、o 0 0 0 6 矗o ，0 0 0 4 “ o 0 0 0 2 0 0 5o 1 0o 墙0 - 2 0o 2 s0 3 0 1 3 e m s i b g c a r a 图1 - - 1 板材密度对轻质麦秸板传热特性的影响 f i g 1 - 1e f f e c t so fd e n s i t yo nt h e r m a lt r a n s f e rp r o p e r t i e so fl d w s ，蝎i_直|， 暑=嚣宝苫。口i暑*毒 量 菲 l 要 舌 宝 毫 若二 圣 善、 墨 图卜2 施胶量对板材密度对轻质麦秸板传热特性的影响( 板材密度0 2 9 锄3 ) f i g o l 一2e f f e c t so fr e s i nc o n t e n to nt h e r m a l t r a n s f e rp r o p e r t i e so fl d w s ( p a n e ld e n s i t y0 2 9 血3 ) + 轻质溅 + 定向锚鞫板 扣半穿孔较詹鲆维板 。_ 一细气灌嶷土 + 暖声掘砖 o 一撬凝士f 木混拣面 一一砖( 辑割订 图1 - 3 轻质麦秸板与其他建筑材料吸声系数的比较 f i g 1 3c o m p a r i s o no f t h es o u n da b s o r p t i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e nl d w s a n do t h e r c o n s t r u c t i o nm a t e r i a l 此外，相关科技人员侧采用驻波管法研究了轻质麦秸板墙体材料的吸声性能，通过研 究可知，轻质麦秸板相对传统建筑材料具有良好的吸声性能，其吸声系数约为混凝土或粘 土砖的l o 倍左右，优于加气混凝土等轻质建筑材料，接近于传统吸声材料半穿孔软 质纤维板( 图卜3 ) 。轻质麦秸板对高频率声波的吸声能力较强。此外，由于麦秸本身存 9 在空腔，在1 0 0 0 - - 2 0 0 0 h z 声波的作用下，可能发生空腔共振，导致在该频率下的吸声系 数特别大。 1 3 研究内容及创新点 本项研究属于霍英东教育高等院校青年教师项目“轻质麦秸复合墙体环境功能性及协 调性研究”中的一部分，主要研究内容为： 轻质麦秸复合墙体单体热物理特性的研究：通过非稳态热流法测定轻质麦秸复合 墙体单体基本热物理量，研究厚度对轻质麦秸复合墙体单体的热物理特性的影响。 轻质麦秸复合墙体热物理特性的研究：通过用热流计法测定结构对轻质麦秸复合 墙体传热阻的影响，并与其他墙体进行比较。 轻质麦秸复合墙体示范建筑热物理特性的研究：对轻质麦秸复合墙体示范建筑与 普通钢筋混凝土结构的建筑进行现场测试，验算此示范建筑的隔热性能，及理论分 析热惰性指标。 前人对轻质麦秸复合墙体的研究主要集中在制造工艺及力学特性等方面，也有很少 一部分学者对轻质麦秸板及轻质麦秸复合墙体进行了热物理特性方面的研究，但大多都是 轻质麦秸复合墙体单体热物理特性的研究。 本研究的创新点是系统的研究并分析了轻质麦秸复合墙体单体的热物理特性，以及 结构对轻质麦秸复合墙体热物理特性的影响，并对轻质麦秸复合墙体建成的示范建筑进行 现场测试。研究的结果可为轻质麦秸复合墙体在建筑材料中的应用提供参考，为轻质麦秸 复合墙体的结构设计提供理论依据和实践经验。 2 轻质麦秸复合墙体单体热物理特性的研究 2 1 轻质麦秸复合墙体单体制造工艺 轻质麦秸复合墙体的单体是轻质麦秸板，它是以麦秸为原料，以异氰酸酯为胶粘剂 经过截断、施胶、热压等工序压制而成的。本实验中所用轻质麦秸板是在江苏盐城轻通 机械有限公司工业化生产线制造的，其生产工艺流程如图2 - 1 ：“”1 1 备料工序 图2 1 轻质麦秸复合墙体单体生产工艺流程图 f i g 2 - 1f l o w c h a r tf o rl o w - d e n s i t yw h e a ts t r a wb o a r d 麦秸来源于南京市郊，为当年收割。对松散的麦秸收购，采用打包的形式。新鲜麦秸 松散度较高，含水率约在3 0 以上，水分对麦秸捆的影响极大，以控制在2 0 左右为最好。 1 1 打包及切断后麦秸捆能自动散包，不会产生粘结发霉变质现象。“，含水率如超过了3 0 ， 则麦秸捆有发霉变质现象。新鲜麦秸在收购时，经过晾晒2 3 天后，其含水率能达到所 需要求。为了维持正常的连续生产需要贮备一定量的麦秸，采用农户贮存和工厂贮存相结 合的方式，这样以便于减小工厂的贮存场地，只要定期从农户中收购即可。 2 截断干燥工序 用切草机将麦秸切断成成3 0 - - 1 0 0 m m 长空心管状单元，麦秸在施胶前，需要干燥处 理。如果自然干燥充分，麦秸含水率 平衡含水率，即1 5 左右，使用时可不干燥。 3 筛选分离工序 由于生长环境不同，在秸秆中混有石块、金属、麦麸、动物粪便等杂物。通过筛选分 离工序将其去除，麦秸被送至料仓贮存，以保证前后工序的衔接和一些工艺参数的调整。 4 调胶施胶工序 从料仓出来的麦秸需送人拌胶机中进行施胶，由于麦秸外表面有一层蜡状物，在木质 人造板中使用的常规胶粘剂不适用于此类材料。为此，需选用特殊的胶粘剂m d i 胶。 由于施胶量很低 3 ，并且秸秆密度小、体积大，施胶不易均匀。所以为保证施胶均匀， 可以在胶内加适量稀释剂如水，充分搅拌，并且采用喷雾施胶。将调制好的m d i 胶粘剂经 定量后输入拌胶机，使之与秸秆均匀混合，然后再经皮带运输机运到铺装机贮料箱。 5 铺装预压工序 施胶后的麦秸被送入下一道工序，进行铺装成型。由于麦秸的重量较轻，松散系数小， 铺装后的板坯初强度较小，在运输过程中很容易造成边部的塌陷，使铺装好的板坯发生破 坏。因此，在铺装成型的流水线上采用垫板输送，以保证铺装后的板坯能完好地送入压机。 在送入压机前，板坯需经过预压，以便增加其初强度和减少压机的开档。 6 热压工序 由于麦秸墙体保温材料较厚，在热压过程中如采用常规的接触式传热方式加热，势必 造成热压时间过长，影响生产效率。采用喷蒸或高频加热( 见图2 2 ) ，则可以加快芯部 胶层的固化，使热压时间显著缩短。麦秸板密度很低，因此热压压力不需要太高：受m d i 胶固化特性影响，热压温度控制在1 6 0 。c 1 8 04 c ，热压时间为0 5 0 7 m i n m m 。为防止 热压时粘板，可采用聚四氟乙烯膜、脱模剂或护面纸将板坯与垫板隔开“。 2 图2 - 2 轻质麦秸板热压工艺 f i g 2 - 2h e a t - p r e s sp r o c e d u r eo fl o w - d e n s i t yw h e a ts t r a wb o a r d 7 冷却及后期处理 热压后的板子经卸板机卸出，进入冷却翻版即中冷却。运出的毛板经过纵横锯边机裁 成要求规格的板子，堆放，最后检验，分等，产品入苦。 2 2 轻质麦秸复合墙体单体热物理特性测定方案 2 2 1 轻质麦秸复合墙体单体热物理量指标的测定 本实验采用热脉冲法测定轻质麦秸复合墙体单体的热物理性质，热脉冲法是测定材料 热物理性质许多方法中的一种，它是测的材料短时间内温度和时间的数值，根据一维不稳 定导热微分方程求解得出材料的导温系数口，然后计算出与导热系数 、比热容c 、蓄热 系数s ，。 2 2 1 i 实验原理 对于一无限大平面的物体( 即只考虑在x 方向上的热传导) 其一维非稳态导热微分方 程的形式为： 一 等 掣一 在材料表面( x = 0 处) 作用个瞬息平面热源，则r 时间后材料的温度升高为： 。一! o ( x ，f ) = 警p4 “( ： j 2 c p 7 m t 式中：o ( x ，r ) 材料中某位置处温度升高，o ( x ，f ) = t ( x ，f ) 一r q 热流密度 f 加热时间 c 材料的比热容 p 材料的密度 口材料的导温系数 x 离开热源面的距离 _ 5 【l j 朱删热h 口1 日j 从u 芏7 l