玉米秸秆在建筑材料中的应用研究

刘 宁

(江苏师范大学,江苏 徐州 221116)

近几年，随着“绿色建材”概念的提出，越来越多的废弃物被开发并应用于建筑材料中，如粉煤灰、矿渣等工业废弃物以及煤矸石等矿业废弃物已经非常常见，不仅变废为宝，更起到了绿色节能的目的。我国作为农业大国，每年的玉米秸秆产量在1.2亿t左右，仅次于美国[1]。但长期以来，玉米秸秆仅作为畜牧业饲料的原料、液化发生灶的原料以及粉碎后用于食用菌的栽培等，用量都不大。过量的玉米秸秆迫使农民不得不采取焚烧的处理方法，成为非常严重的大气污染问题。

玉米秸秆具有丰富的天然纤维，具有比强度高、长径比大、比面积大、密度低等特点，不仅可以作为增强材料，还可以改善墙体的保温、隔热性能等，如果应用于建筑领域，不仅可以增加消耗量，保护环境，又可以降低工程造价。

1 玉米秸秆的增强作用

玉米秸秆能够作为增强材料最主要的原因在于含有大量纤维，纤维的阻裂效应[2]可以阻止胶凝材料内部细小裂纹的生长与扩散。在中国北方的部分地区，尝试将玉米秸秆粉碎后，作为草砖的原料，增强砖的抗裂性能，取得了非常好的效果。但是在使用过程中，需要注意纤维的预处理、纤维的掺量、纤维的长度等因素。玉米秸秆内部含有多戊糖、纤维素、半纤维素等，在碱性环境下，多戊糖容易溶出形成单糖，与Ca2+形成糖酸钙，阻碍水化反应，使水化不充分，强度降低。因此在掺入前必须考虑纤维的预处理方式。纤维掺量较小时，阻裂效应不够明显，会绕开纤维出现裂缝，掺量较大或纤维较长时，容易产生“抱团”现象，分散不够均匀，形成薄弱区。

许晴等[3]将玉米秸秆粉碎后，放入60 ℃热碱溶液中进行24 h浸泡处理，并将处理后的玉米秸秆作为水泥的增强材料，制成绿色建筑复合材料，从纤维长度和纤维掺量两个因素，研究复合材料物理力学性能。试验中发现，长度为2 mm的短纤维的增强效果最为显著，因为短纤维在水泥胶凝材料中的分散性最好，能够堵塞基体中的毛细孔道，防止产生泌水、离析等现象，使水化更充分，强度较高。当玉米秸秆掺量为1%时，复合材料的吸水率最低，比未处理时降低了1.27%。吴其胜等[4]在脱硫建筑石膏粉中掺入不同用量(掺量分别为0，1%，2%，3%，4%，5%)的玉米秸秆纤维，制成复合材料。试验中发现，当掺量为3%时，抗压强度和抗折强度分别出现峰值，达到了14.9 MPa和6.4 MPa。

2 玉米秸秆的保水增稠作用

砂浆是建筑工程中非常重要的一种基础材料，良好的保水性可以改善砂浆的可操作性和稠度，可减少硬化前泌水、硬化后收缩、开裂现象[5]。干混砂浆常用的保水增稠材料是纤维素醚，因保水率好、粘聚力高而被广泛使用，但有较强的引气作用，掺量过大会造成干混砂浆收缩大、容易开裂，且造价较高，使其发展受到局限。玉米秸秆在工业提取半纤维素的同时会产生副产品，即改性玉米秸秆纤维素，这种材料粗糙多孔，吸水溶胀，可以吸收大量水分，从而起到保水作用，且可以形成三维立体结构，提高砂浆的流变性，改善施工性能和硬化体的性质。谢慧东[6]用改性玉米秸秆纤维素代替部分纤维素醚作为保水增稠材料，试验中发现，当改性玉米秸秆纤维素掺量占保水增稠材料的20%，30%，40%时，保水率和抗压强度均有所提高，其中掺量为30%时，保水效果最好，与单加纤维素醚之比达到110%。7 d和28 d抗压强度比随改性玉米秸秆纤维素的掺量增加而增大，当掺量为40%时，7 d和28 d抗压强度比分别达到88.5%和82.3%。通过对砂浆试件进行SEM分析(见图1，图2)，单加纤维素醚的砂浆试件结构较疏松，孔隙率较大，生成的硅酸钙凝胶呈薄膜状，而掺入30%改性玉米秸秆纤维素时，结构较致密，孔隙率小，硅酸钙凝胶呈纤维簇状。因此，适量的改性玉米秸秆纤维素代替纤维素醚既可以提高砂浆的工作性和力学性能，又可以降低工程造价。

3 玉米秸秆的保温隔热作用

热量的传递有热传导、对流传热和辐射传热三种方式，目前使用较广泛的保温隔热材料大都是利用热传导的方式，即采用多孔材料，利用空气的导热系数低，达到保温隔热的目的。玉米秸秆能够有保温特性的原因主要有两个：一是本身是多孔结构，孔隙内部含有大量空气，由于空气的导热系数较低，可以在很大程度上阻碍热量的传递；二是因为玉米秸秆的多纤维特点，当热量的传递方向与纤维方向垂直时，可以形成纤维和空气的多层阻碍效应(见图3)[7]，起到保温隔热的作用。

对于玉米秸秆的保温隔热性能，在实验和实践中也得到验证。将玉米秸秆掺入氯氧镁水泥制成复合材料，经研究，当玉米秸秆的掺入量为20%时，复合材料的导热系数为0.236 W/(m·K)，密度为912 kg/m3，28 d抗压强度、抗折强度分别为9.12 MPa，5.72 MPa[8]。山东临沂沂水县大岭村用玉米秸秆草砖作为墙体材料建造了一处占地78 m3的草砖房进行实践性研究，利用德国红外热成像仪对同一地点、同一时间及阳光照射下的普通房屋和草砖房进行红外热像拍照，结果显示，同样条件下，普通房屋的外墙温度为5.8 ℃～5.9 ℃，而草砖房的外墙温度为2.6 ℃～2.7 ℃，二者相差3.2 ℃[9]，保温隔热效果显著。

4 结语

1)玉米秸秆具有多纤维、轻质多孔的构造特点，在建筑工程中可以起到增强、保水增稠、保温隔热的作用。2)玉米秸秆因为多戊糖的存在，因此在使用过程中要注意预处理方式，降低对水泥材料的缓凝作用。3)玉米秸秆在使用时要根据所发挥的作用不同选择不同的用量。4)尽量使用短纤维，减少“抱团”现象。