秸秆混凝土复合砌块传湿特性试验研究

范军 ，董磊 ，侯少丹 ，刘福胜 ，胡玉秋 ，宋计勇

（1.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018；2.山东天润热电设计院有限公司，山东 济南 250022）

0 引言

黄淮海5省市农作物秸秆资源理论数量达到2.4×108t，可收集量达到2.1×108t，数量巨大[1]。农民随意丢弃和露天焚烧秸秆的现象造成资源浪费和空气污染，成为雾霾天气的重要污染源之一[2-3]。农作物秸秆不仅来源丰富、价格低廉、还具有良好的保温性能，可以作为的建造房屋、温室等的墙体材料，实现秸秆的资源化利用[4－7]。农作物秸秆是一种多孔性材料，为天然植物纤维，具有较强的吸水性能和调湿性能[8]。围护结构湿迁移对室内热环境及空调负荷具有重要的影响，许多学者开展了墙体湿传递的研究[9－11]。山东农业大学开展了秸秆夹心自保温混凝土砌块的相关研究[12-13]，所研制的砌块能够达到节能率65%规范对于寒冷地区外墙传热系数的要求。对该砌块及所砌墙体进行传湿特性的试验研究，将为调湿建筑材料研发拓展思路，为改善建筑湿环境提供新方法，并可为进一步理论研究及实际应用提供试验依据。

1 秸秆混凝土复合砌块的制作

1.1 原材料

水泥：P·C32.5，中联水泥有限公司；砂：细度模数 3.0，泰安汶河粗砂；细石：5～10 mm，泰安道朗石料厂；粉煤灰：Ⅲ级，泰安市热电公司，细度（45 μm方孔筛筛余）23.2%，烧失量11.2%，三氧化硫含量0.57%，需水量比95%；石膏：β型半水石膏，山东省泰安市宏利石膏加工有限公司；秸秆压缩块：秸秆粉碎长度小于10 mm后，将石膏、水与小麦秸秆按照质量比 2∶1∶1.4 冷压制成。

1.2 制作工艺

先制作混凝土空心砌块，其长×宽×高＝390 mm×240 mm×190 mm。然后再制作秸秆压缩块，其长×宽×高＝340 mm×30 mm×190 mm和160 mm×80 mm×190 mm两种规格，用秸秆压缩块填入混凝土空心砌块孔中制成秸秆混凝土复合砌块。如图1所示。

图1 秸秆混凝土复合砌块实物

2 秸秆压缩块的湿传递试验

2.1 秸秆压缩块自然干燥（放湿）试验

刚制作完成的秸秆压缩块湿度很大，需要在24～30℃，相对湿度为40%～65%的通风处自然干燥24～30 d，自然干燥试验结果见图2。

图2 秸秆压缩块自然干燥曲线

由图2可以看出，前6 d秸秆压缩块水分挥发较快，挥发了接近25%，后20 d挥发较慢，自然干燥完成后秸秆压缩块的挥发率为37%。

2.2 秸秆压缩块的一维等温吸湿试验

试验采用的小麦秸秆压缩块试件尺寸为145 mm×125 mm×155 mm。将该试件145 mm×125 mm的2个面裸露，其余4个面用铝箔纸包裹密封，使得湿度的传递沿着裸露的2个面的方向（一维）进行。该试件沿着155 mm的1/2长度位置和距离裸露表面1/3长度位置分别放置1个湿度传感器，与SM1610B多通道湿度采集仪相连。

将试件放置于52℃的烘箱中烘干，然后将试件放置于温度恒为20℃的KCl饱和溶液上方的密闭空间中（相对湿度恒为84.3%），设置每2 h采集试件内的相对湿度1次，相对湿度-时间变化曲线如图3所示。

图3 秸秆压缩块一维等温吸湿曲线

由图3可以看出，试验开始后的24 h，秸秆压缩块的传湿迅速，1/2长度处相对湿度为69.3%，1/3长度处相对湿度为75%，这是因为最开始秸秆压缩块是干燥的，与环境的相对湿度差别大，湿度传递的驱动势差大，湿传递较迅速。试验24 h后传湿较慢，这是因为随着内部相对湿度的增大，湿传递驱动势差减小造成湿传递速度也减小。由于在湿分传递过程中存在湿传递阻力，因此1/2长度处相对湿度比1/3长度处相对湿度小些。试验48h后，1/2长度处相对湿度达到了80.6%，1/3长度处相对湿度达到了83.5%。

2.3 秸秆压缩块在恒温恒湿环境中的吸放湿试验

试验按 GB/T 20312—2006/ISO 12571∶2000《建筑材料及制品的湿热性能吸湿性能的测定》进行。采用的测试仪器有：JA21002电子天平，精度0.01 g；THP-F-225可程式恒温恒湿试验箱，精度±0.5℃；101FAB-2型电热鼓风干燥箱，精度±1℃。

将自然环境中干燥后的秸秆压缩块放入烘箱（温度设置为52℃）内烘至恒重，称取质量并记录试验结果。然后将秸秆压缩块放入20℃的恒温箱中，恒温箱相对湿度依次设定为（35%-50%-65%-80%-95%），记录下各个湿度下的平衡含湿量，得到等温平衡吸湿曲线。然后再将恒温箱相对湿度依次设定为（95%-80%-65%-50%-35%），记录下各个湿度下平衡含湿量，得到等温平衡放湿曲线，见图4。

图4 秸秆压缩块等温吸放湿曲线

由图4可以看出，环境相对湿度≥65%时，秸秆压缩块的含湿量急剧增加，迅速吸湿，阻止环境相对湿度的提高；当环境相对湿度≤50%时，小麦秸秆块含湿量急剧降低，迅速放湿，阻止环境相对湿度的降低。可见秸秆压缩块有很强的调湿能力，能将环境相对湿度稳定在50%～65%区间范围内。

3 秸秆混凝土复合砌块墙体的整体传湿

秸秆混凝土复合砌块墙整体传湿采用的测试仪器有：墙体热湿耦合试验台，温度0～100℃之间设定，精度±0.5℃，相对湿度30%～95%之间设定，精度±2%；sht15温湿度传感器，测温精度为±0.3%，测湿精度为±2%；SM1610B多通道湿度采集仪；板式热流计，精度±5%。

试验台钢垫梁上按照一顺一丁砌筑砌块墙体，表面用10 mm厚M5级水泥砂浆抹平。墙体与钢垫梁周边空隙用聚苯板及发泡剂密实填充。墙体砌筑完成后，放置1个月，待墙体充分干燥后再进行相关试验。试验墙体构造见图5。

图5 试验墙体

在墙体中设置湿度传感器，路径是从热箱侧到冷箱侧为测点1～7，见图6。

图6 试验测点布置

试验过程中，控制冷箱墙体一侧的环境条件不变（温度为10℃，相对湿度为40%）；热箱一侧的温度呈阶跃性变化（30℃～35℃～40℃），相对湿度保持75%不变，分别记为工况1、工况2、工况3。按照试验条件得到不同工况下墙体内部各测点的含湿量和相对湿度曲线，如图7所示。

图7 墙体内部各测点的相对湿度和含湿量

由图7可以得到：整个墙体的传湿在各个工况下都是沿着含湿量高的测点1传向含湿量低的测点7。由于测点4位于厚的秸秆压缩块的中心，含湿量从测点3到测点4的过程中曲线较缓，说明了由于秸秆压缩块的吸湿作用，造成了传湿阻力大，故曲线较缓。同理，相对湿度在各种工况下测点3到测点4的过程中出现了大幅度的下降，测点4到测点5的过程中又出现了大幅度的升高，同样是因为测点4位于厚秸秆压缩块的中心，秸秆压缩块的吸湿作用使得该处的相对湿度能够维持在某一数值范围内。

4 结论

（1）秸秆压缩块具有很好的调湿的能力，能将环境相对湿度稳定在50%～65%区间范围内。

（2）秸秆混凝土复合砌块墙体具有湿度调节能力，能够调节房间的湿度，利于房间舒适性环境的营造。

[1] 方放，李想，石祖梁，等.黄淮海地区农作物秸秆资源分布及利用结构分析[J].农业工程学报，2015，31（2）：228-234.

[2] 石祖梁，杨四军，常志州，等.秸秆产生利用现状调查与禁烧面临难点分析——以江苏省某乡镇为例[J].农业资源与环境学报，2014，31（2）：103－109.

[3] 刘丽华，蒋静艳，宗良纲.秸秆燃烧比例时空变化与影响因素——以江苏省为例[J].自然资源学报，2011，26（9）：1535－1545.

[4] 黄红英，武国峰，孙恩惠，等.秸秆块墙体日光温室在苏北地区应用效果试验[J].农业工程学报，2014，30（14）：170-178.

[5] Aciu C，Nicoleta C.Use of agricultural products and waste in the building materials industry[J].Proenvironment Promediu，2013，6（15）：472－478.

[6] 罗利江，彭力，鲍安红.适宜重庆农村建筑的复合秸秆墙砖尺寸研究[J].西南大学学报（自然科学版），2014，36（6）：220-223.

[7] 陈国新，王佳慧，陈亮亮.棉花秸秆水泥基砌块材料的基本力学性能[J].材料科学与工程学报，2014，32（6）：868-871.

[8] Carfrae J，Wilde P D，Littlewood J，et al.Development of a cost effective probe forthelongterm monitoringofstraw bale buildings[J].Building and Environment，2011，46（1）：156－164.

[9] 张华玲，刘朝，付祥钊.多孔墙体湿分传递与室内热湿环境研究[J].暖通空调，2006，36（10）：29-34.

[10] 王莹莹，刘艳峰，刘加平.湿迁移对墙体传热的影响分析[J].土木建筑与环境工程，2012，34（6）：110-114.

[11] 薛纪辉.外保温墙体传湿试验及模拟研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[12] 王宏斌，范军，刘福胜，等.夹心秸秆混凝土砌块试点建筑墙体保温性能试验研究[J].新型建筑材料，2013（1）：52-54.

[13] 吴聪，刘福胜，范军，等.工字型自保温混凝土夹心秸秆砌块墙体热工性能研究[J].混凝土，2015（6）：127-130.