秸秆建筑材料的应用及研究进展

2024年3月18日发(作者：殳)

第

50

卷第

4

期

2021

年

4

月

应用化工

Applied

Chemical

Industry

Vol.

50

No.

4

Apr.

2021

秸秆建筑材料的应用及研究进展

肖力光

，

丁艳波

(

吉林建筑大学材料科学与工程学院

，

吉林长春

130118)

摘要:综述了国内外秸秆在建筑材料中的应用及研究进展

，

重点介绍了秸秆砖

、

秸秆人造板材(使用胶黏剂和不

使用胶黏剂)和秸秆水泥基复合材料等

3

种秸秆建筑材料的性能及特点

,

并对秸秆建筑材料目前存在的共性问题

提出了展望

。

秸秆建筑材料性能优异

，

成本低廉

，

大力发展秸秆建筑材料

，

对于资源循环利用

、

环境保护和行业发

展具有重要意义

。

关键词:秸秆;秸秆建筑材料;秸秆砖;秸秆人造板材;秸秆水泥基复合材料

中图分类号:

TU016

文献标识码:

A

文章编号

：

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

随着科技与经济的飞速发展

,

人们对于环境的

间使用发现与其他建筑材料的功能相比并没有差

别

，

建筑物的结构十分稳定

。

大力发展秸秆建材

，

解

决了秸秆综合利用问题

，

防止了秸秆燃烧产生的雾

霾危害

，

具有显著的经济效益和社会效益

。

保护越来越重视

,

在建筑中应用

“

绿色建材

”

意义重

大

。

“

绿色建材

”

具有生产工艺洁净

、

对工业农业的

废弃物充分利用

、

对环境无污染等特点

。

另外方面,

据计算

，

我国每年的秸秆产量为

10.4

亿

t,

水稻

、

小

麦

、

玉米的秸秆产量合计约占全国秸秆总产量的

2

国外秸秆建筑材料研究及应用进展

人类使用秸秆作为建筑材料的历史悠久

,

人们

2/3

⑴

。

我国大约一半的秸秆产量分布在东部农业

区,东部农业区大约占我国土地面积的

1/5,

秸秆总

产量以华东最高

，

其次是华中

、

东北和西南⑵

，我国

最开始使用的自然资源作为建筑材料的是草秆

、

芦

苇等⑷

。

19

世纪末在美国的西北生活的农民

，

由于

经济落后

,

各种生活物资都十分缺少

,

当然也包括盖

房子的材料

。

大多数的材料都需要从远方用牲畜运

送

。

在当地农作物资源十分丰富

，

美国每年的秸秆

的产量和

400

万间

200

m?

以秸秆为主要建筑材料的

对农作物秸秆的回收再利用的研究具有重要意义

。

1

秸秆建筑材料的意义

秸秆建材是指以农作物秸秆为主要原材料

，

添

加辅助材料和强化材料

，

按照一定的配比,通过物

理

、

化学或两者结合的方式

，

形成具有特殊功能和结

房子用的秸秆量相等⑸

。

人们开始把目光转向废

弃的秸秆

，

用很多草的茎部打包成大块状

，

像使用木

材和石头一样

,

把一大块一大块的草秆堆砌起来

,

盖

成房子的形状

，

供人们居住

。

在

1884

年的美国

，第

构特点的建筑材料的统称⑶

。

秸秆建材具有无辐

射

、

无污染

、

无毒害的众多优点

，

经过人们的长时

收稿日期

=2020-03-26

修改稿日期

=2020-05-12

基金项目

：

“

十三五”

国家重点研发计划

(2018YFD1101001)

作者简介:肖力光

(1962

-

)

，

男

，

吉林长春人

，

吉林建筑大学二级教授，

博士

，

博士生导师

，

长期从事新型建筑材料领域的

研究

。

电话

：

0431

-

84566235

,E

-

mail

：

xlg627@

163.

com

通讯联系人:丁艳波

(1996

-

)

，

女

，

在读硕士研究生

。

第

4

期

肖力光等:秸秆建筑材料的应用及研究进展

1143

1

次使用堆砌的秸秆建造的一座住宅

，

该建筑位于

内布拉斯加州⑷

。

使用秸秆作为建筑材料的建筑

可以很好的保温

，

具有传热系数小的特点

，

而且十分

结实

，

有良好的吸声效果

，

住在秸秆建筑里面的人感

到十分舒适

。

为后来使用该建筑材料的发展提供了

良好的基础

。

1993

年,

Bou-Ali

等对秸秆砖进行了力学实验,

通过绘图

，

结果表明

，

秸秆砖的抗压能力随秸秆砖密

度的增大而增加⑺

。

Blum

进行了秸秆砖的载荷实

验

,

发现载荷越大

，

砖弯曲的越严重

，

载荷卸载后

，

弯

曲并不能完全恢复,仅恢复

1/2

剧

。

Don

Stephen

通

过秸秆砖载荷实验,证明了实验方法不同

，

得出的结

果差异很大⑼

。

从

1884

年第

1

座使用秸秆作为建筑材料的建

筑建成到

20

世纪

40

年代

，

秸秆建筑材料以它优良

的使用性能加之人们对其的青睐

，

使它迎来了蓬勃

发展的时期何

。

在美国内布拉斯加州越来越多的

人们选择建造以秸秆为原料的建筑

。

不仅是用来居

住的房子

，

还有用来办公的建筑

。

使用秸秆的建筑

开始兴起

。

在当下

，

世界各地都开始使用秸秆建材

技术

。

1990

年初,利用秸秆制作板材的工艺在国外诞

生,称为人造板

。

人们对秸秆建材的开发有了新的

进展

。

1905

年

，

使用黏合剂与麦秆制造出了人造

板⑴

］

。

在

20

世纪

40

年代

，

美国

、

英国一些科学家

又利用大麦秆

、

油菜秆

、

棉花秆中加入锯末

，

制造出

了质量更高的人造板材问

。

1970

年

，

联合国构造

集会

，

将人造板材的质料扩大到利用秸秆

。

国外最

开始使用醛树脂作为制造秸秆人造板材的黏结

剂,但是成本很高

,

经过研究人员的探索发现秸秆表

面含有蜡质类物质

，

所以采用混合黏结剂制造秸秆

板问

。

Han

利用蒸煮的方法,将秸秆在胶合前进行

蒸煮

，

再和

JR

醛树脂胶结合

,

结果显示:预先将秸秆

进行蒸煮处理

，

可以使秸秆与醛树脂胶更好的

胶合刚

O

人们不仅制造了秸秆人造板材,又将秸秆加入

到水泥基中复合材料

，

探究其对水泥基材料的一系

列性能影响

。

zhang

把水泥和秸秆制作成复合材

料

，

探究了弹性模量与载荷的关系

，

载荷越大

，

秸秆

水泥的复合材料的弹性模量越大⑴

］。

将秸秆纤维

与水泥复合制成秸秆草砖

Emma

Boghossian

等口句研

究了亚麻纤维对混凝土塑性收缩的影响

，

选取不同

长度的亚麻纤维

，

测定其对试件收缩的影响

，结果显

示加入了亚麻纤维

，

明显抑制了试件的收缩

。

在

21

世纪初

，

Martello

L

S

等将蔬菜茎纤维加入到瓦片

中

，

通过测定温度的变化,发现其保温性能良好

”

］

O

Bouhicha

M

和

Aouissi

F

对加入未经处理的秸

秆的混凝土试块和经过处理的秸秆的混凝土试块进

行耐久性实验

,

含有经过处理的秸秆的试块吸水率

更小

，

说明使用防水剂等聚合物处理秸秆有提高混

凝土耐久性的能力

U"

。

Agueda

A

等又对秸秆板的

阻燃性进行了研究

,

通过使用阻燃剂和未使用阻燃

剂的秸秆板的燃烧速度

，

可以得出加了阻燃剂的秸

秆板完全符合国家标准

「

闵

。

英国一个质检公司对

秸秆建筑进行了

2

h

火灾实验,结果显示:用草砖为

材料的建筑符合防火性能测试口

°

〕

。

又因为秸秆纤

维不紧密

，

对水的运输及储存更有利

，使秸秆砖建筑

具有一定的防水性如

。

随着经济的发展

,

人们开始将更多的视野转向

科学研究

,

对建筑材料的性能要求越来越高

,将秸秆

加入到水泥基中

,

作为一种增强材料应运而生

,

越来

越多的国家将此作为研究的热点

［

切

。

可以更好的

利用资源

,

尤其对于盛产农作物的国家

,

省去了对秸

秆的回收,节省了资源

。

在经济与资源共享的时代

背景下

，

对于秸秆在水泥中的应用

，

有很好的发展

前景

。

3

国内秸秆建筑材料研究及应用进展

中国作为农业大国

,

利用秸秆作为建筑材料在

中国已经有几千年的时间。

最开始使用茅草捆成小

捆搭在房屋顶上

，

用来防雨

。

这是中国最开始的关

于秸秆作为建筑材料的利用

。

像古代诗人陈与义在

诗歌

《

茅屋

》

中所描写的那样:

“

茅屋年年破,春风岁

岁来

”

，

由此可以看出只是单一的

，

无加工的直接利

用秸秆作为建筑材料的建筑易损坏

,

使用寿命短

,

需

要经常维修

。

到了民国时期

，

人们开始以泥土制作

成砖

，

堆砌成墙,在这样的墙表面覆盖上草秆

，

高粱

秆,芦苇等

，

然后涂抹上黄泥,加固

。

到了

20

世纪

80

年代

,

开始出现把捣碎了的秸秆与黄泥混合

,之

后晒干

，

得到砖块,用来建造房屋血

］。

这是我国用

秸秆制作人造板材的开端

。

最初的研究是以废弃的

甘蔗渣作为原料

,

采用湿法制作的硬质板材,接着我

国一些研究单位开始使用稻壳

、

玉米秸秆

、

麦秸秆等

制作与研究

。

近年来

，

绿色建筑材料与可循环经济

受到广泛认可

，

秸秆建筑材料得到了很好的推广

。

受到了广泛的研究

，

当前我国的秸秆建筑材料主要

有以下几种:秸秆砖

、

秸秆人造板材

（

分为使用胶黏

剂和不使用胶黏剂

）

、

秸秆水泥基复合材料

。

3.1

秸秆砖

秸秆砖是指用秸秆打包机器将秸秆整理打包

,

使原本松散的秸秆变密实,再切割成砖块

,

堆砌起来

用秸秆砖建造住宅則

。

秸秆砖具有很多优良的品

质

，

例如硬度高

，

可以承受一定的载荷

。用秸秆砖建

1144

应用化工

第

50

卷

造的房屋环境舒适

，

减少外界噪音

，

深受人们的

喜爱

。

隋明锐阐述了秸秆砖的生产工艺

，

收集

、

压实

、

捆扎

、

切割

、

贮藏;以及秸秆砖的性能,每米墙体可以

承受

500

kg

的载荷

，

隔声隔热,使用寿命长;通过计

算普通砖的成本

，

可以用小麦秸秆为原料的秸秆砖

代替红砖在河南等地凶

。

杨青松等少

］

按照美国材料实验协会标尺

,

计算

出玉米秸秆草砖为节约能源的材料

。

并且通过热成

像仪测定

,

秸秆草砖与普通砖进行对比

,

发现秸秆草

砖的传热能力更小

。

赵文兰等

「

27

］

进行了秸秆砖在砌体中的收缩实

验,在自然条件下

，

养护

42

t,

以砂浆硬度

、

龄期、

约

束条件作为变量

，

得出秸秆砖在自然条件下的体积

变化规律

，

得出秸秆砖块的体积变化公式

。

对以后

秸秆在建筑中的使用有重要作用

。

孙国松等

［

28

］

通过对水稻秸秆草砖的受压性能

实验

,

并与其他的文献进行对比

,

得到弹性和压缩侧

的稻草和稻草砖装载表面积

，

初始密度

,

大小和位置

的承载力的模量是相关的

,

并且得出了稻草秸秆砖

的极限承重能力公式

。

王晓峰等迦

］

按照实验测出不同配比的秸秆砖

块的导热系数

，

得出结论:秸秆砖块的含水率对导热

系数的影响

，

含水率小

，

导热系数越小

。

可以很好的

保存建筑物中的热量

，

在水泥砂浆或者黏土中添加

秸秆

,

能够明显的提升该建筑的保温效果

。

随着国家大力倡导应用节能型材料

,

提倡秸秆

的再利用

，

越来越多的企业与高校致力于秸秆的再

利用研究

，

因为秸秆砖的价格低廉

,

保温效果良好

,

深深的受人们喜爱

。

3.2

人造秸秆板材

人造秸秆板材是指秸秆历经一系列的加工

，

成

型的板材

。

按照加工工艺可以将人造秸秆板材分为

两种:使用胶黏剂胶合和无胶胶合

。

使用胶黏剂胶

合的加工工艺:把秸秆粉碎

，

再添加异氤酸酯进行碾

压成型

，

另一种是将秸秆利用机械加工成纤维

,

使用

JK

醛树脂为胶黏剂

，经过热压,形成一种一定密度的

人造秸秆板

；

无胶胶合工艺:利用秸秆自身性质

,

采

用一定的加工工艺

,

如高温高压

,

使其自交结

,

再热

压成板材

。

3.2.1

使用胶黏剂的人造秸秆板材的研究

2007

年

8

月

16

日

，

零境界健康板被万华生态板业股份有

限公司展示推出

，

得到了不同的反响

，

同时

，由中国

轻工业联合会

、

中国环境保护产业协会

、中国石油和

化学工业协会联合主办的

“

新型秸秆应用技术推广

会议

”

召开,推广秸秆板⑶

］

。

张洋等⑶

］

通过测定麦秸板与两种胶黏剂的胶

合程度

,

异氤酸酯

(

MDI

)

和

JR

醛树脂

(UF),

研究了

黏合剂与秸秆表面的黏合机理

，即相接触的表面自

由能较高

,

润湿性优良

,

还开发了专用的黏结剂

。

刘利亚等卩

2

］

通过装修时使用的不同胶黏剂

，

将

不同种类的胶黏剂分组

，

随着时间测定室内产生甲

醛的浓度

，

结果表明

，

使用脉醛树脂和酚醛树脂两种

不同的胶黏剂

，

以腺醛树脂为黏结剂的人造板材会

产生更多的甲醛

，

污染环境

。

左迎峰等少

］

使用自主研发的胶黏剂

,

黏结杨木

单板与秸秆板

，

总结了胶黏剂的用量

、

加工使得温

度

、

时间

、

压力对复合结构材物理力学性能的影响规

律,进一步总结和提升实验手段

，

并得出在一定条件

下,产品性能优于单一的板材

。

孟艺玮等⑶

］

把玉米秸秆人造板材应用在建筑

中

，

并确定其影响传热量的

4

个因素

，

即用胶量

、

秸

秆碎含水量

、

板材厚度及容重

,

通过不同因素组合形

式

，

确定每种方案下

，

玉米秸秆板的导热系数

。

得出

在容重

0.76

g/cn?,

秸秆板厚

11.

8

cm,

碎秸秆湿度

12.1%

，

施胶量

12%

时,玉米秸秆板保温效果最好

。

3.2.2

无胶胶合的人造秸秆板材的研究曹忠荣

等

「

旳通过对板材中的组分改变

,

在板材的制作中成

分的变化

，

讨论了无胶胶合的机理

。

得出结论:在板

材的制作过程中

，

部分水解的纤维素半纤维素水解

出单糖和游离单糖与其他物质发生反应

,

生成糠醛

类化合物

。

降解的木质素和有糠醛类化合物反应生

成聚合物树脂

,

并且利于板材的胶合

，

在板材中发生

的纤维水解和木质素的降解都对板材的自胶合

有利

。

阳金龙等胱

］

对秸秆进行了超临界预处理

，

将秸

秆在

388

T

的超临界水中反应

21

s,

得到了最大低

聚糖转化率

，

为以后的秸秆板材自交结提供了研究

思路

。

郁舒兰等网对秸秆板材的研究现状加以总

结

,

又根据秸秆板的性能特点提出了对于此工业生

产的方法

，

经过论证,提出了工业生产的可行性

。

徐剑莹等网将无胶胶合的热成型方法一共分

成了

3

种形式:普通热压法

、

蒸汽爆破预处理法和喷

蒸热压法

，

并且探讨了每种方法的研究进展

，

对秸秆

的无胶胶合技术提出了展望

。

吴磊⑻以麦秸为原料

，

无黏结剂

，

利用官能团

对麦秸前体木质素和纤维素进行功能化

，

以过氧化

氢为引发剂

，

制备出与木材物理性质相似的非木质

麦秸板

。

之后对其进行力学性能测试

，

得出该人造

板材符合国家标准的结论

。

秸秆人造板材的出现

，

使秸秆的回收与处理又

增加了一个途径

，

如何使使用的胶黏剂污染更小和

第

4

期

肖力光等:秸秆建筑材料的应用及研究进展

1145

无胶胶合工艺的优化

,

是我们需要研究的问题

。

3.3

秸秆水泥基复合材料

秸秆水泥基复合材料是指将经过一系列处理的

秸秆纤维加入到水泥基体中

，

秸秆作为增强材料

，增

加了水泥的耐久性能和力学性能

，

同时也解决了秸

秆利用的问题

。

肖力光等

「

40

］

通过对秸秆纤维水泥基复合材料

的基体相

,

界面相

,

复合效果等进行观察

，

得出结论:

在界面剂的作用下,秸秆与水泥基复合材料效果

优良

。

马欣⑷

］

将不同质量的粉煤灰和服醛树脂加入

到秸秆水泥基复合材料中

，

对吸水率和软化系数进

行测定

。

总结出际醛树脂与粉煤灰的加入质量对水

泥基复合材料吸水率的影响

，

得出结论:在指定的区

间内

，

，

增加粉煤灰和服醛树脂的掺量

，

材料吸水率

降低,耐水性增强

。

王晓燕等⑷

］

为了提高秸秆与水泥基的界面结

合能力，

将秸秆纤维用

NaOH

溶液进行浸泡

，

通过实

验

，

探究了溶液浓度

，

浸泡时间对秸秆纤维与水泥基

的界面结合的影响,并且得出结论:质量分数为

4%

的

NaOH

溶液改性处理

24

h

时

，

秸秆质量损失率较

大

，

可以减缓其对水泥的缓凝作用

。

此改性处置秸

秆与水泥拌合的胶砂试样的强度有所提高

。

经过

SEM

测试

，

发现修改后的小麦秸秆与水泥胶体结合

情况较好。

经过碱处理的秸秆

，

有效的提升了与水

泥基界面结合的能力

。

陈国新等⑷

］

以棉花秸秆为加强相

，

水泥和砂作

为基体相

，

采用碱处理和接枝处理两种不同界面处

理的方法

，

测试和分析棉花秸秆水泥基复合材料的

力学性能

，

结果表明,棉秆经过

1.5%

-2.0%

的碱

液浓度

,24

~

28

h

浸泡

，

制作的秸秆水泥基复合材

料具有优良的力学性能

。

韩旭

］

⑷通过

3

种不同配比的小麦秸秆水泥保

温砖的保温性能实验

，

得出结论:小麦秸秆通过化学

添加剂的作用可以有很好的黏结作用

，

水泥基体中

加入小麦秸秆有优良的保温性能

。

因为秸秆本身的

保温性，

砖内又有一定数量的尺寸很小

、

狭长的小

孔

，

使空气在砖体内的流动性很差,发生热传递困

难

，

因此农作物秸秆再生保温砖的保温效果显著

。

4

总结与展望

本文总结了国内外秸秆建筑材料的种类

,

加工

工艺及研究进展

，

利用秸秆生产的建筑材料

，性能优

越

，

市场前景广阔

。

大力发展秸秆建材

，

解决了秸秆

综合利用问题

，

防止了秸秆燃烧产生的雾霾危害

，

具

有显著的经济效益

、

社会效益和环境效益

，

秸秆建筑

材料的工业化生产技术

、

制备工艺

、

配方优化

、

性能

提升技术及配套设备是进一步急需解决的问题

，秸

秆建筑材料具有良好的发展前景

。

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