秸秆建筑材料的物理特性及具体应用,建筑材料论文

秸秆建筑材料的物理特性及具体应用,建筑材料论文近些年来，每到夏季，长江流域一些城市由于农民燃烧秸秆的行为导致各种危害时有发生：南京、上海等地的天空变成蜡黄天，粉尘颗粒漫天，能见度很差；安徽频遭雾霾天气；扬州消防部门一天接到数十起麦田火灾；更有甚者因燃烧秸秆产生的烟雾造成驾驶员能见度降低而造成的交通事故也时有发生。所发生的一切让人不禁要问：这些秸秆除了燃烧还田之外，再也没有更好的处理办法了吗？其实不然，放眼别国，秸秆饲料、秸秆气化发电等新途径、新思路早已被科研人员所探究。在建筑领域，秸秆也已被作为建筑材料代替砖、木等常规材料加以利用，发挥其节能环保、隔音隔热等优点，这对建筑材料的可持续发展具有里程碑意义。秸秆是成熟农作物〔如谷类、豆类、薯类、油料类、麻类等〕在收获籽实后，茎叶〔穗〕等剩余部分的总称，是重要的可再生生物资源。我们国家是一个农业大国，伴随着每年产出大量农产品的同时，大量的农作物秸秆也被产出。据统计，我们国家每年出产的农作物秸秆量超过7亿t，但是其综合利用率还是很低，固然相继出台了多项政策来促进改善秸秆的利用率，但是由于种种原因，实际利用率仅占全国秸秆资源总量的30%左右，大量的秸秆资源仍被闲置，进而就地燃烧处理。其实，在我们国家建筑原材料过度消耗，供给日趋紧张的今天，合理利用现成的资源农作物秸秆这一可再生资源作为建筑材料，不失为一举几得的举措。更何况，随着全球低碳理念的崛起，人们的消费、审美理念也在悄然变化，农作物秸秆凭借低碳环保、亲近自然的特性，从石材、塑料等诸多主流建筑材料中脱颖而出，必然会成为将来建筑材料研究中的创新点。在人类历史上，人们早就有开场使用稻草、芦苇等材料建造房屋的先例。19世纪末，在美国西北部的内布拉斯加州的平原地区，受制于现地缺少建造房屋所需要必备材料〔包括木材、石块等〕，生活在那里的农民就尝试着把被废弃的农作物秸秆〔主要是稻草或麦秸秆〕紧紧捆扎、压制成砌块，好像砖块一样垒砌起来，建造了自个的临时住宅，这就是早期的内布拉斯加式秸秆建筑。随后人们发现这种用秸秆砌块建造的房屋不但坚固耐用，而且冬暖夏凉，隔声防潮效果好，且原料采集方便，建造成本低，因此逐步遭到了人们的追捧。从1886年第一座诞生于美国内布拉斯加州的秸秆建筑开场，到19世纪40年代，新秸秆技术的应用是秸秆建筑发展的第一个高速成长期。仅1915～1930年这短短的15年间，在内布拉斯加州就修建了大约70多座秸秆建筑，13处早期建造的秸秆建筑成功抵御了外界恶劣的自然环境〔高温、强风等〕得以保存；到了20世纪40年代，由于遭到混凝土等新型建筑材料和技术的影响，秸秆砌块建筑不再被人青睐，工艺技术也随之停滞不前；直到1970年末，随着绿色和环保理念的兴起，加上工艺技术水平的逐步成熟，秸秆建筑材料又重新遭到人们的重视，秸秆建筑又重新在美国各地开场建造，同时也流传到了中美洲、拉丁美洲、欧洲及大洋洲等国，深受各国人们喜欢[1]。进入20世纪90年代，随着DIY建筑行为的风行，使用秸秆建筑材料的热潮愈演愈烈的同时，研究人员也逐步把秸秆建材的研究转向材料生态学及乡土地域的振兴研究领域，对建筑的可持续发展与更新具有更深远的意义。1秸秆建筑材料的物理特性1.1成分接近木材判定农作物秸秆能否能够替代木材用于建筑，首先需要通过考察比对两者之间的成分含量。从表1中能够看出：影响板材性能的主要3大因素纤维素、木质素和戊聚糖的含量，农作物秸秆与木材以上3项的含量基本类似，尤其是麦秸和蔗渣的纤维素含量非常接近于木材。因而，从理论上讲，农作物秸秆是适宜代替木板用作建筑原料的[2]。1.2承载力强一般秸秆砖能够承受墙体工作面长度500kg/m2荷载〔近似等于1000kg/m2〕，如在建造之前做好预应力处理，秸秆砖作为建筑材料在物理承力方面完全能够胜任。1.3韧性高秸秆砖遭到外界静荷载时，会出现被压扁现象，一旦砖上的荷载被移除时，就会恢复原状。正是由于秸秆砖的这种高度的韧性，作为建筑材料的它对冲击荷载、周期性疲惫毁坏有很强的抵抗力，同时也具有良好的抗震性及抵御飓风性能。1.4隔音效果较好用秸秆制作的隔墙板材本身具有一定的厚度且容重较大，声波衰减较大，隔音效果比拟好，并且秸秆砖相比传统的黏土砖密度小，故在一定程度上吸收声音的能力大于传统的黏土砖。1.5隔热性高秸秆建筑能够到达节能建筑材料的标准，即年耗能量要求不大于15kWh/m2。比方规格200mm厚的秸秆墙板，其保温系数4倍于370mm黏土砖墙。事实上，正是由于秸秆材料出色的隔热性以及低廉的成本，人们经常将农作物秸秆材料制作成诸如隔热层及填充板，被用于保温性能差的房屋的密封隔热。1.6防潮性好干秸秆本身具有良好的吸湿性能，但为保证秸秆砖的硬度，其含水量应控制在低于15%，并设置防水层，在利用秸秆砖搭建时，为使潮气能够很好地向外扩散，可在内外表设置水蒸气隔离层，外外表处理时应保证水蒸气能够溢出，进而保证秸秆砖的枯燥。1.7防火性高秸秆本身极易燃烧，但是经过高密度压实之后，在其处于室内的面层用泥土抹灰，室外的面层用石灰抹灰之后，其防火等级可到达F90〔抗燃烧90min〕，属于防火性能良好的建筑材料。1.8防虫防鼠通过一系列的压实和加工后，秸秆板材的密度可达90kg/m3以上，可有效抵抗各种啮齿类动物的毁坏，更何况内层外层还有抹灰层〔厚度为单边3～6cm〕保卫，小动物要想突破防线可谓难上加难。这也是即便在年代长远的秸秆建筑中也没有发现虫害和鼠害，同时也没有寄生虫和白蚁存在的重要原因，充分证明了秸秆建筑的强度和构造可靠度是值得信赖的。2秸秆作为建筑材料的优点一般而言，作为一种建筑材料的最基本要求有下面几个方面：①技术性能要求。包括材料本身的隔热、隔音、耐潮、防腐以及安全、强度等众多特性；②工艺性要求。主要指作为材料工艺构造能否符合要求，例如能否便于加工制作，后续维修保养能否方便等等；③经济性要求。主要指材料的价格，包括原材料的成本控制、能否能够批量生产等。除了这3个基本要求之外，还能够从材料能否环保低碳，能否可持续等方面加以考量。2.1原料丰富每年我们国家出产秸秆就到达约7亿t，十分是在我们国家黄海、淮海和长江中下游水稻、小麦秸秆高产地区，是一种能够每年再生的常见资源，原料资源非常丰富，且不受地域限制，进而有效降低了其生产成本。2.2安全从上述对秸秆物理特性的分析得知，秸秆作为建筑材料，韧性强、承载力大、隔音、防潮、防虫防鼠，内外外表涂抹石灰和泥土的秸秆砖，能够抗燃烧90min。所以，秸秆作为建筑材料的强度和安全性是值得信赖的。2.3轻质秸秆砖及秸秆板材属于轻质材料，相等面积的秸秆板墙的重量不到黏土砖墙的1/10。据有关方面的统计数据，当前每平方米房屋建筑面积的建筑材料质量约为1200kg左右，如采用秸秆砖和复合墙体材料替代，其质量仅为80kg左右，大大减轻了房屋的整体质量，提高了建筑构造的抗震能力，增加了建筑物的安全系数。而且，建筑材料自重的减少，能够节约运输成本等基础费用，进而降低建筑造价。2.4标准定型模块我们通常都根据标准的尺寸制造秸秆砖或者秸秆板墙。只要这样，构件加工制作才可工业化，进而降低生产成本。而且，通过这些标准模块，房屋体系的平面及空间能够自由搭建，间隔墙拆装灵敏，可按需改变房间数量、大小及功能。除此之外，还有一个很重要的好处：标准化定型模块后，能够大大缩短工期。据揣测，标准件施工比传统施工工期缩短近1/3。2.5节能秸秆建筑材料的隔热保温性能优良，与传统砖混构造建筑材料相比，其保温系数几倍于黏土砖墙。由于秸秆材料的高隔热性能，使用秸秆材料的建筑每年可大大降低使用经过中的建筑能耗。研究表示清楚:在环境影响方面，与传统砖混构造房屋相比，使用秸秆材料的建筑总固有能耗改善了1/3，灰色能耗(指基于灰色系统理论，对能源消耗的变化特征、影响程度等因素的数量分析)改善了3/4，二氧化碳足迹改善了2/3，供热需求降低了1/2，制冷需求减少了1/4。2.6环保秸秆是一种每年再生的建筑材料，其取之于自然、用之于自然、消化于自然，对环境的毁坏、地球的负担相当小。一旦秸秆建筑发生解体，秸秆能够轻易地从其他建筑材料中剥离出来，自行消化，能够讲秸秆材料对环境没有负面影响。而且在能耗、温室气体排放等方面，秸秆材料的环保性也远优于砖混构造。2.7趣味运用秸秆材料自行动手建造房子可谓是最理想的一种方式。它不仅能够节约建造成本，秸秆材料的使用在一定程度上保证了材料的乡土性和原始性，向人们展示了你所建造的家的唯一性，这会给户主一家强烈的自豪感这是我们自个亲手建的房子！对所有介入者来讲，这也是一次令人兴奋的互动经过，是一项愉悦的社会体验。2.8回归自然的心里诉求在很长一段时间里，大机器制造之美一直成为人们的审美标准。随着时代的变迁，如今人们开场追求不规则、天然之美，崇尚手工制造以及加工天然建筑材料的技巧。机器生产出来的人工的、平整的外表不再符合这个时代的审美要求。天然建筑材料渐渐重新走进了人类的生活，并且愈加展现其独特的魅力。秸秆材料是天然农作物的代表产品，由于其不会对环境造成任何污染，也不会产生有毒有害危害〔只要使用得当〕，完全能够知足人们对自然回归的生理和心理需求，以及低碳环保可持续发展的理念。3急需解决的问题3.1原料的收集、运输和储存问题秸秆是一年生植物，季节性比拟强，因此原料的收集、运输和储存问题比拟突出。为了保证一条秸秆板生产线的顺利生产，需要大量的秸秆原料支撑。这就需要原料收集的持续性，为了维持持续的供应，原料收集地域范围的半径不宜过广，否则会大大增加运输时间及运输成本。除此之外，由于秸秆原料质轻、占地，给运输效率和储存质量都带来不利影响。国外普遍采用打包形式储存，将秸秆打成一定尺寸、重量约为1t的方包，便于运输和存放。另一方面，由于秸秆原料易燃、含水率等特性，还要考虑场地及其周围的环境，包括防火和排水等措施，给原料的储存带来了一定的难度。3.2社会对新型建材的认知度由于秸杆材料是新出现的产品，故当人们意识到自个的生活环境由秸秆原料建造时，不由自主会产生一种下意识的担忧：这种材料可靠哇？安不安全啊这些疑问都是对新兴事物所产生的正常反响。其实，实践证明：秸秆建筑材料的强度和构造可靠度是值得信赖的，我们大可不必忧虑。可能，这种新型的环保材料得到社会的接受和认可还需要一段经过，这就愈加要求社会包括媒体大力、正确的引导，并作好广告宣传工作，渐渐减少广大使用者的疑虑，进而认知并且认同这种新型材料。3.3控制原料成本，降低产品价格如今市场上无论秸秆砖和秸秆板墙的售价都比传统的土砖、人造板贵50％～300％，因而若想与这些传统的建材相竞争，价格也是最需要解决的问题之一。所以，我们除了通过合理的方式来控制原料成本之外，通过提高工艺技术来降低用料的量也是一个不错的选择。比方制造秸杆板采用异氰酸酯胶黏剂施胶的工艺，由于这种胶价格昂贵，为了控制成本，寻求怎样控制和降低施胶量的同时牢度没有弱化的新工艺技术，成为了这一产业持续发展的新课题。3.4国家及地方政策的支持和扶持由于秸秆建材的认知度低，且售价高，与传统的建材相比竞争力弱。但是秸秆是一种由太阳能、土壤中的水和矿物共同作用组成的绿色建筑原料，它零排放、无污染，对环境没有任何的负面影响。因而，国家及地方应在政策与资金上给予大力支持和扶持。就好像国家为了大力推进电动汽车的发展，科技部拟定了(电动汽车科技发展十二五专项规划〕条例，促进了这一朝阳产业的发展。所以，秸秆建材的发展，也需要国家相关政策的支持和扶持。3.5积极引进国外先进工艺秸秆建材在我们国家刚刚起步，十分是配套的工艺水准及生产设备都跟不上形式发展的需要。生产工艺的成熟度缺乏，稳定性弱，国产设备生产能力滞后。因而，应在加强我们国家本身联合研制开发的同时，多借鉴国外现成的经历体验，实行拿来主义。有能力的企业能够考虑请进来的方式方法，与外商合资建厂，引进先进工艺及设备，充分发挥我们国家宏大的秸秆资源优势，使秸秆建材生产逐步构成规模，进而走上一条不断发展创新的良性轨道。4秸秆在国内外建筑材料中的应用随着全球低碳理念的崛起，人们的消费、审美理念也在悄然变化，农作物秸秆凭借低碳环保、亲近自然的特性，从石材、塑料等诸多主流建筑材料中脱颖而出，成为当代设计材料应用研究中新的尝试点。2018年上海世博会万科馆，极具创意的麦垛建筑造型和麦秸板材外墙材料的创新应用，使得秸秆建筑第一次作为设计的主角为广大国人所熟知并津津乐道〔图1〕。2018年上海世博会万科馆的昵称是麦垛，它选用秸秆板作为构造材料，并以材料－构造－空间的推演为基础生成建筑形体。最终实现的设计通过自然材料(秸秆板)、自然采光、自然通风降温这几个方面表示出了对自然的尊重，唤起人们接受、欣赏、尊重自然的观念与自信心[3]。地震灾祸后人们发现：使用混凝土建造的房屋大多出现了坍塌情况，而木质桁架构造的房屋则更富有弹性，其在地震中的安全系数更高层次。在地震频发的巴基斯坦，人们开场建造秸秆房屋，这种建造方式方法是采用植物秸秆为原材料，把秸秆草砖放在黏土水泥围住的沙砾地基之上，主要作用是隔热而不是作为构造和承重组件；墙壁是用竹子制成的