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  秸稈無機聚合物墻板的物理特性及工藝技術研發

http://www.wgibu.tw   發布時間:2016.1.1  訪問1314次
 
 
  

秸稈無機聚合物墻板的物理特性及工藝技術研發

 

粉煤灰環保節能建材網:杜世永

 

摘要:闡述了秸稈無機礦物聚合材料的物理化學基礎,秸稈無機礦物聚合材料的強度、抗滲、抗凍、耐熱、耐化學侵蝕性能特點及研究開發秸稈無機聚合物節能內墻板、外墻板的成功案例、經濟效益和社會效益。介紹國際國內發展的情況和國內開發應用及展望。

關鍵詞:秸稈、秸稈無機礦物聚合材料、粉煤灰、磷石膏、鈣、硅離子、活性指數、質量系數、硅鈣比、摩爾比、相變太陽能蓄熱、活化、聚合反應、耐久性。

據環境保護部和中國氣象局遙感監測顯示,夏秋收期間京、津、冀地區和長江流域一些城市 秸稈集中焚燒,粉塵顆粒漫天,能見度很差,增加了部分區域霧霾天氣的嚴重程度。更有甚者因焚燒秸稈產生的煙霧造成飛機不能正常起飛和降落,機動車駕駛員能見度降低而造成的交通事故也時有發生。所發生的一切讓人不禁要問:這些“秸稈”除了焚燒還田之外,再也沒有更好的處理辦法了嗎?

工信部2015309號文件和發改委辦631號文件都明確指出“大力發展生物質建材”,“支持利用農作物秸稈、竹纖維、木屑等發展生物質建材”。“重點安排京、津、冀及周邊大氣污染防治重點地區秸秸利用項目”。

大力發展生物質建材,大綜利用農作物秸稈來生產建筑材料,發揮其節能環保、隔音隔熱等優點,這對建筑材料的可持續發展具有里程碑意義。

  秸稈是成熟農作物(如谷類、豆類、薯類、油料類、麻類等)在收獲籽實后,莖葉(穗)等剩余部分的總稱,是重要的可再生生物資源。我國是一個農業大國,伴隨著每年產出大量農產品的同時,大量的農作物秸稈也被產出。據統計,我國每年出產的農作物秸稈量超過7t,但是其綜合利用率還是很低,雖然政府相繼出臺了多項政策來促進改善秸稈的利用率,但是由于種種原因,實際利用率僅占全國秸稈資源總量的 30% 左右,大量的秸稈資源仍被閑置,進而就地焚燒處理。其實,在我國建筑原材料過度消耗,供應日趨緊張的今天,合理利用現成的資源——農作物秸稈這一可再生資源作為建筑材料,不失為一舉幾得的舉措。更何況,隨著全球低碳理念的崛起,人們的消費、審美理念也在悄然變化,農作物秸稈憑借低碳環保、親近自然的特性,從石材、塑料等眾多主流建筑材料中脫穎而出,必然會成為未來建筑材料研究中的創新點。

一、秸稈無機聚合物可以生產如下裝配式住宅、日光儲能農用大棚等必須的節能建材

1、秸稈相變太陽能蓄熱輕質節能內墻板、外墻板、屋面板等;

    2、秸稈無機聚合物自保溫內墻板、外墻板、屋面板;

3、秸稈磚和砌塊;

4、秸稈板材;

5、秸稈纖維保溫砂漿;

6、各種仿木建筑材料。

二、秸稈建筑材料的物理特性

1、強度高,耐久性優于硅酸鹽水泥制品。

秸稈無機礦物聚合材料的抗壓強度1d可達15MPa3d可達30MPa28d強度可達50MPa以上,其后期強度還會繼續增長。耐久性大大優于硅酸鹽水泥。

2、保溫隔熱性能優于蒸壓加氣混凝土和泡沫混凝土

秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板保溫隔熱性能優良,墻板的導熱系數低至 0.069 W/m·K,均可滿足普通保溫材料對導熱系數的要求。蒸壓加氣混凝土砌塊(0.100.18W/m·K),泡沫混凝土(0.080.27W/m·K)膨脹珍珠巖(0.1010.134W/m·K)。

    3、輕質抗震

秸稈無機聚合物自保溫節能墻板單位面積質量僅為紅磚墻的1/10秸稈擁有無可比擬的彈性,具有良好的抗震性能,無論是低層還是高層建筑均可使用,更適用于裝配式鋼架結構的住宅、別墅、廠房,來代替彩鋼板,性能更優越。

4防火、耐高溫性能優良

秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板熱穩定性測試結果表明,材料具有良好的耐高溫性能。經 600 ℃煅燒 120 min后,材料抗壓強度值仍有 15.94 MPa,過程中沒有出現抗壓強度急劇下降和垮塌現象。由 XRD 結果顯示,煅燒溫度在 800 ℃以下秸稈地質聚合物具有較穩定的礦物結構,超過 800 ℃后逐漸有霞石、銳鈦礦相產生。說明材料在 800 ℃以內具有熱穩定性能。熱重測試結果表明,在 250 ℃以內,地質聚合物對秸稈具有一定的保護作用。

5防水、抗滲性好

無機礦物聚合材料水化后空隙率與硅酸水泥相當,但其毛細孔率較低,凝膠孔的孔隙率較高,特別是其中孔徑大于2μm的毛細孔率僅為0.3%,而硅酸鹽水泥為6.2%,因而其抗滲性良好。無機礦物聚合膠凝材料的抗滲標號為S40以上,而硅酸鹽水泥僅為S2S12秸稈包裹在無機礦物聚合材料里面,因而防水抗滲性能很好。

6隔音效果較好

秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板內部為密閉微孔結構,具有阻隔聲音的傳遞及吸音雙重功能,可隔音40-52dB,吸音能力可達普通混凝土的5-6倍。

7、軟化系數高、抗凍性能好

由于秸稈無機礦物聚合材料的孔隙大多為膠孔,水不容易吸入,在海水中放置1年后,硅酸鹽水泥混凝土墻板強度較低,無機礦物聚合材料墻板強度反而提高。且孔內堿溶液的冰點低,開始凍脹破壞的最低溫度為-40℃,因此能耐上百次凍融循環。

8、成分接近木材

農作物秸稈的纖維素、木質素和戊聚糖的含量與木材的含量基本相似,尤其是麥秸和蔗渣的纖維素含量非常接近于木材。因此,從理論上說,農作物秸稈是適宜代替木材用作建筑原料的。

9、安裝加工性能好,施工速度快

秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板可鋸、可釘、可鉆、可任意切割,隨意制造建筑格局。提高了墻體的整體性能和抗震抗臺風性能。安裝簡單方便,比加氣混凝土砌塊和空心砌塊墻體快68倍以上,可大大縮短工期。

10、綜合成本低,經濟效益顯著

墻板表面平整度好,無需抹灰可直接裝修;墻體薄,可增加使用面積1015%以上;由于減輕梁柱和基礎荷載,施工快,周期短,比粘土磚、空心砌塊降低工程造價20%左右。

三、秸稈作為建筑材料的優點

作為一種建筑材料的最基本要求有以下幾個方面:

A技術性能要求。包括材料本身的隔熱、隔音、耐潮、防腐以及安全、強度等諸多特性;

B工藝性要求。主要指作為材料工藝結構能否符合要求,例如是否便于加工制作,后續維修保養是否方便等等;

C經濟性要求。主要指材料的價格,包括原材料的成本控制、是否可以批量生產等。除了這三個基本要求之外,還可以從材料是否環保低碳,是否可持續等方面加以考量。

1、原料豐富

每年我國出產秸稈就達到約7t,特別是在我國東北、新疆、黃海、淮海和長江中下游玉米、高梁、棉花、水稻、小麥秸稈高產地區,是一種可以每年再生的常見資源,原料資源非常豐富,且不受地域限制,從而有效降低了其生產成本。

  2、安全

  從上述對秸稈物理特性的分析得知,秸稈作為建筑材料,韌性強、承載力大、隔音、防潮、防蟲防鼠,以前部分地區的表面涂抹石灰和泥土的秸稈內外墻體,可以抗燃燒 90min。所以,秸稈作為建筑材料的強度和安全性是值得信賴的。

  3、輕質

  秸稈無機聚合物墻板屬于輕質材料,相等面積的秸稈板墻的重量不到黏土磚墻的 1/10。據有關方面的統計數據,目前每平方米房屋建筑面積的建筑材料質量約為 1 200kg 左右,如采用秸稈磚和復合墻體材料替代,其質量僅為 120kg 左右,大大減輕了房屋的整體質量,提高了建筑結構的抗震能力,增加了建筑物的安全系數。而且,建筑材料自重的減少,可以節約運輸成本等基礎費用,從而降低建筑造價。

  4、標準定型模塊

  我們通常都按照標準的尺寸制造秸稈無機聚合物墻板。只有這樣,構件加工制作才可工業化,從而降低生產成本。而且,通過這些標準模塊,房屋體系的平面及空間可以自由搭建,間隔墻拆裝靈活,可按需改變房間數量、大小及功能。

  此外,還有一個很重要的好處:標準化定型模塊后,可以大大縮短工期。據推測,標準件施工比傳統施工工期縮短近 1/3

    5、節能

  秸稈無機聚合物墻板的隔熱保溫性能優良,與傳統磚混結構建筑材料相比,其保溫系數幾倍于黏土磚墻。由于秸稈材料的高隔熱性能,使用秸稈材料的建筑每年可大大降低使用過程中的建筑能耗。

  研究表明:“在環境影響方面,與傳統磚混結構房屋相比,使用秸稈材料的建筑總固有能耗改善了1/3,灰色能耗(指基于灰色系統理論,對能源消耗的變化特征、影響程度等因素的數量分析)改善了3/4,二氧化碳足跡改善了2/3,供熱需求降低了1/2,制冷需求減少了一半”。

  6、環保

  秸稈是一種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,對環境的破壞、地球的負擔相當小。一旦秸稈建筑發生解體,秸稈可以輕易地從其他建筑材料中剝離出來,自行消化,可以說秸稈材料對環境沒有負面影響。而且在能耗、溫室氣體排放等方面,秸稈材料的環保性也遠優于磚混結構。

  7、趣味

運用秸稈無機聚合物墻板自行動手建造房子可謂是最理想的一種方式。它不僅可以節約建造成本,秸稈材料的使用在一定程度上保證了材料的鄉土性和原始性,向人們展示了你所建造的“家”的“獨一性”,這會給戶主一家強烈的“自豪感”——這是我們自己親手建的房子!對所有參與者來說,這也是一次令人興奮的互動過程,是一項愉悅的社會體驗。

  8、回歸自然的心里訴求

在很長一段時間里,“大機器制造之美”一直成為人們的審美標準。隨著時代的變遷,現在人們開始追求不規則、天然之美,崇尚手工制造以及加工天然建筑材料的技巧。機器生產出來的人工的、平整的表面不再符合這個時代的審美要求。天然建筑材料漸漸重新走進了人類的生活,并且更加展現其獨特的魅力。秸稈材料是天然農作物的代表產品,因為其不會對環境造成任何污染,也不會產生有毒有害危害(只要使用得當),完全能夠滿足人們對自然回歸的生理和心理需求,以及低碳環保可持續發展的理念。

四、秸稈無機聚合物自保溫節能墻板的工藝技術研發

近年來,隨著全球能源危機的日益加劇和我國建筑節能的大力推行,輕質、高強、耐久、防火、防水、防潮、抗沖擊、抗震、隔音、隔熱、綠色、環保、節能的多功能新型建筑材料越來越受到人們的重視,傳統的建筑材料亟待升級換代。我們將水稻秸稈摻入廢渣硅鋁基無機聚合物中,將其聚合成為一種新型多功能節能保溫建筑材料。為了研究秸稈廢渣硅鋁基無機聚合物是否能夠滿足節能保溫和防火安全的要求,我們對不同秸稈和廢渣的配合比材料進行了密度、孔隙率、導熱系數、抗壓強度測試和熱穩定性測試。

(一)、秸稈無機礦物聚合材料的研制

1、原材料及研制方法

11、主要原材料

    農作物秸稈:秸稈分別采用玉米、高梁、水稻、小麥秸稈;

    粉煤灰:內蒙古錫林郭勒電廠原灰;克什克騰大唐電廠原灰;廣西來賓電廠等原灰;重慶雙槐電廠原灰;成都熱電廠原灰;

    磷石膏:湖北宜化集團原狀磷石膏;四川什邡原狀磷石膏;四川龍蟒集團原狀磷石膏;重慶涪陵中化集團原狀磷石膏;湖北襄陽原狀磷石膏;

    高爐礦渣粉:武漢鋼鐵公司高爐礦渣;鞍山鋼鐵公司高爐礦渣;柳州鋼廠高爐礦渣;

偏高嶺土:焦作市煜坤礦業有限公司偏高嶺土;遼寧朝陽偏高嶺土。

磷礦渣:連云港某大堆場水排磷礦渣;貴州某公司原狀磷礦渣。

12、試制設備:

秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板DD-B1型平模成型機SL90SLC120型粉煤灰自保溫內外墻板立模機、SYH1型廢渣活化機、SJM1500輕骨料混凝土攪拌機、秸稈粉碎機、

粉煤灰渣建材制品養護機等。

13、試制過程:

按工藝要求將各原材料計量,送入廢渣活化機活化,活化后的混合料地面堆放陳化12小時,即配成粉煤灰基無機礦物聚合材料膠疑料;工藝要求將粉煤灰無機礦物聚合材料膠疑料、粉碎好的秸稈、外加劑等計量送入輕骨料混凝土攪拌機,配制成成型料,成型料分別送入DDP-B秸稈無機聚合物自自保溫墻板成型機、SL90SLC120型粉煤灰自保溫內外墻板立模機,制成秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板,然后將制品坯體分別送入養護室,由粉煤灰渣建材制品養護機向養護室提供熱空氣,進行循環養護18小時左右,出室自然養護3天即可進行檢驗。

14秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板配合比的設計參數:

由于各地的原材料化學成份和物理形態均不相同,特別是粉煤灰,由于煤的產地、品種不同,鍋爐的燃燒方式和溫度不同,粉煤灰的排放方式不同,所以粉煤灰的化學成份和物理形態也不相同,為北,粉煤灰基無機礦物聚合材料配合比差異很大,本次試制,根據各原材料的化學成份,共設計了秸稈無機聚合物自保溫節能內墻板、外墻板、屋面板、日光儲能農用大棚內外秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板等8種配合比。各原材料的主要配合比為:A:粉煤灰15-35%、脫硫石膏(或磷石膏)10-15%、高爐礦渣粉8-17%、偏高嶺土1-3%、秸稈6-18%B:粉煤灰20-40%、磷礦渣5-17%、磷石膏20-45%、高爐礦渣粉5-16%、偏高嶺土1-3%、秸稈6-18%。配合比設計應根據各地原材料的化學成份按粉煤灰基無機礦物聚合材料的工藝要求來進行化學平衡的調整。對原材料的主要要求參考:粉煤灰活性指數4.0以上、礦渣的質量系數1.0以上、各原材料的硅鈣比大于3.5以上、復合外加劑和各原材料的SiO2Na2O的摩爾比2.0。粉煤灰基無機礦物聚合材料抗壓強度和其他耐久性能都比較優良。

2、檢測結果

秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板的物理力學性能

檢驗標準:國標《建筑隔墻用保溫條板》GBT23450-2009

秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板檢測如下:

序號

檢驗項目

國家標準

檢驗結果

1

抗沖擊性能

沙袋沖5

6次無裂紋

2

抗彎承載/(板自重倍數)

1.5

2.4

3

抗壓強度/MPa

3.5

6.6

4

軟化系數

0.80

0.87

5

面秘度/(kg/ m2

9085120100150110

90621207515086

6

含水率/%

10

4.8

7

干燥收縮/MMM

0.6

0.3

8

空氣聲斗權隔聲量/dB

90351204015045

90381204315050

9

吊掛力/N

荷載1000N靜置24h,板面無寬度超過0.5毫米的裂縫

無裂紋

10

抗凍性b

不應出現可見的裂紋且表面無變化

合格

11

耐火極限/h

1

1.5

12

燃燒性能

A1A2

A1

13

傳熱系數/《W/(m2.K)》

2.0

1.3

14

lRa(內照指數)

1.0

0.3

15

Ir(外照指數)

1.0

0.5

 

五、秸稈無機礦物聚合材料研究開發應用現狀及展望

(一)、秸稈無機礦物聚合材料的發展歷程

在人類歷史上,人們早就有開始使用稻草、蘆葦等材料建造房屋的先例。

我國秸稈利用時間很早,也較普遍,早可追朔到唐朝以前,唐朝大詩人杜甫晚年曾在成都用秸稈和草修建茅房居住,后人尊稱為“杜甫草堂”。在民間,人們很早就用秸稈合泥作墻體,把秸稈綁扎固定起來作屋頂材料,這樣的房屋冬暖夏涼,很經濟,有些地方農村都還保存有過去蓋的秸稈房屋。

19世紀末,在美國西北部的內布拉斯加州的平原地區,受制于現地缺少建造房屋所需要必備材料(包括木材、石塊等),生活在那里的農民就嘗試著把被廢棄的農作物秸稈(主要是稻草或麥秸稈)緊緊捆扎、壓制成砌塊,如同磚塊一樣壘砌起來,建造了自己的臨時住宅,這就是早期的內布拉斯加式秸稈建筑。隨后人們發現這種用秸稈砌塊建造的房屋不但堅固耐用,而且冬暖夏涼,隔聲防潮效果好,且原料采集方便,建造成本低,因而逐漸受到了人們的追捧。

1886年第一座誕生于美國內布拉斯加州的秸稈建筑開始,到19世紀40年代,新秸稈技術的應用是秸稈建筑發展的第一個高速成長期。僅19151930年這短短的15年間,在內布拉斯加州就修建了大約70多座秸稈建筑,13處早期建造的秸稈建筑成功抵御了外界惡劣的自然環境(高溫、強風等)得以保留;到了20世紀40年代,由于受到混凝土等新型建筑材料和技術的影響,秸稈砌塊建筑不再被人青睞,工藝技術也隨之停滯不前;直到1970年末,隨著綠色和環保理念的興起,加上工藝技術水平的逐漸成熟,秸稈建筑材料又重新受到人們的重視,秸稈建筑又重新在美國各地開始建造,同時也流傳到了中美洲、拉丁美洲、歐洲及大洋洲等國,深受各國人們喜愛。

進入20世紀90年代,隨著DIY建筑行為的風行,使用秸稈建筑材料的熱潮愈演愈烈的同時,研究人員也逐步把秸稈建材的研究轉向材料生態學及鄉土地域的振興研究領域,對建筑的可持續發展與更新具有更深遠的意義。

(二)、國內秸稈無機礦物聚合材料開發應用及展望

科學技術的進步,資本的支持為秸稈無機礦物聚合材料的發展提供了良好的條件。秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板正是運用了這種高科技應運而生。由于秸稈無機聚合物自保溫節能內外墻板系列產品具有廣闊的應用空間,并且該產品的生產成本較低,產品性能優越等優點,必將導致該產品具有較強的市場競爭力。

秸稈,在被稱作優質的綠色材料加以綜合利用之前,一直被視作農業廢棄物。當焚燒不再作為主要處理方式時,它在建筑領域卻很好地發揮出了剩余價值,同時推動了一系列秸稈建筑的出現。秸稈建筑的發展歷經前工業時代、工業時代和后工業時代,不同背景影響下的秸稈建筑的風格特色不盡相同,在倡導發展可持續建筑的低碳時代,秸稈建筑無論從環境還是經濟角度上看,都具備諸多優勢,它廣闊的應用前景引起了人們的關注,因而世界范圍內掀起了關于秸稈建筑歷史和實踐研究的熱潮。隨著人們對秸稈建筑發展的認識與理解,有關秸稈材料的研究和建筑實踐活動正不斷取得巨大的進步。而當今愈來愈崇尚的環保節能型建材,從根本上改變我國建材工業發展中存在的高投人低產出、高消耗、高污染、低效益的粗放式生產方式,選擇資源節約型、污染最低型、質量效益型、科技先導型的發展方式,把建材的發展和資源利用、生態保護、污染治理有機地結合起來,這是21世紀我國建筑材料發展的戰略目標。所以我國建材行業未來發展戰略方向應該是:大力發展環保節能型建材,采用低能耗制造工藝和不污染環境的生產技術,盡量不使用含有對人體有害的、有機化學物質,兼顧可回收利用和循環生產,堅持走資源節約型和環境友好型的可持續發展道路。所以綜上所訴可知農作物秸稈從各方面來說都不失為未來一種理想的環保建材。

六、結束語
    建筑材料的環保節能是落實可持續發展和科學發展觀的重要政策。建材的環保節能不僅是一個經濟問題,更重要的是一個國家發展的戰略性問題。政府、媒體都有責任與義務去引導消費者,只有這樣我國環保節能型建筑的發展之路才能更加開闊。建設行政主管部門應強化監管力度,讓環保節能工作得到貫徹落實,使建筑真正達到降低能耗、節省開支、節約資源和環境友好的目的。建筑節能型社會,需要大家的努力和參與,讓健康、舒適、低能耗建筑在祖國大地蓬勃興起,造福人民,造福社會。

但是由于我們的研究開發工作還不夠系統深入,加上秸稈無機礦物聚合材料的原料來源廣、組成與性能差異大,使得秸稈無機礦物聚合材料的性能穩定性不夠,并且缺乏必要的國家標準和技術標準來規范秸稈無機礦物聚合材料的生產、設計和應用,使得秸稈無機礦物聚合材料在我國還沒有廣泛應用。我們將努力向同行的專家教授學習,進一步深入研究開發秸稈無機礦物聚合材料,使秸稈無機礦物聚合材料這種優質、高強的生態型建筑材料在我國得到更大發展。

 

 

參考文獻:

1、王思恭:分選粉煤灰的性能及應用.建筑技術開發.1991.(5).9

2、楊南如:堿膠凝材料的物理化學基礎《J.硅酸鹽學報.1996.2(24)

3、趙風清、倪文、王會君、劉洪杰:增鈣渣、礦渣制備生態型膠凝材料現代化工.2006.(S2):335-337

4、金漫彤、孫燁、陳林偉:秸稈地質聚合物復合材料保溫性能研究

5、陳亮:秸稈地聚合物保溫性及環境穩定性的初步研究

6、余飛、朱祥、朱鼎:秸稈相變材料板材的制備研究

7、萬亞麗:秸稈定形相變材料的應用基礎研究

8、汪向紅:相變儲能節能墻體材料的研究

 

                             

 

                             

 

                             

 

 
 
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