秸秆混凝土砌块的试验及应用研究

张喜明 何子璇 宁淑嫔

（吉林建筑大学市政与环境工程学院 吉林长春 130118）

0 引言

2017年我国北方城镇供暖能耗为2.01亿tce（吨标准煤），占建筑能耗的21%，外墙传热耗热量约占整体围护结构的28%以上，建筑保温水平提高和生物质能源方式占比提高均可使供暖能耗降低［1-2］。我国城镇供热热源中仍有超过一半是各类锅炉，煤炭燃烧排放大量的NOx、SO2、CO2等气体以及细颗粒物，造成大气环境质量急剧下降［3］。国家生态环境部提出在“十四五”期间继续将单位GDP二氧化碳排放下降率作为一个指标，加快低碳技术的推广应用和低碳产业发展［4］。

生物质能源是唯一以燃料形式使用的零碳能源，将来应该在我国能源利用上占比达到 10%以上［5］。吉林省内丰富的秸秆资源和大量的供暖能源需求共存，大量的秸秆被丢弃焚烧，秸秆资源利用率仅为70%［6-7］。秸秆块导热系数小承载能力相对比较差，将其填充于抗压强度大的混凝土空心砌块之中，形成秸杆混凝土复合砌块，在增加墙体保温性能的同时使秸秆这种农业废料得到了充分利用［8-9］，可广泛用于城镇。

为制作满足一定抗压强度和节能性好的秸秆混凝土砌块，研究中把秸秆碱化压块并加入矿渣水泥混凝土、掺入粉煤灰的普通硅酸盐混凝土和普通硅酸盐混凝土后制作成不同的秸秆混凝土砌块，对其性能及应用进行分析比较，计算秸秆混凝土砌块在墙体保温方面节约的能量及少向大气排放的污染物质量。证明其达到了废弃资源利用与优化房屋保温功能减小能耗的作用，实现建筑和自然的和谐共生。

1 材料与方法

1.1 样品制备

由于砌块主要是在建筑中起支撑及保温的作用，因此对其做抗压测试与导热性能测试。据GB/T2542—2003《砌墙砖试验方法》，空心砖的孔洞总面积占其所在砖面积的百分率称为空心砖的孔洞率，一般应在15%以上。因此设计的秸秆混凝土砌块孔洞部分表面积占比分别为 0.2、0.25、0.3、0.35、0.45。 据GB/T50081—2002《普通混凝土力学性能测试方法标准》，秸秆混凝土砌块尺寸大小定为150 mm×150 mm×150 mm。

抗压测试的试块一共45块：普通硅酸盐水泥秸秆混凝土砌块、矿渣水泥秸秆混凝土砌块、粉煤灰水泥秸秆混凝土砌块3种砌块按照5种孔洞率分别制作3块，并且做好标记。例如3块孔洞率为20%的普通硅酸盐水泥混凝土砌块分别标记为P1.1-20%、P1.2-20%、P1.3-20%。导热性能测试的试块一共12块：普通硅酸盐水泥混凝土砌块、粉煤灰水泥混凝砌块、矿渣水泥混凝土砌块、秸秆块4种材料块每样3块，同样做好标记。

样品制备流程图如图1所示，采用碱化的方式将玉米秸秆、熟石灰、水这3种材料按照2∶1.4∶1的配合比制成5种不同大小的秸秆块。据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，采用的是符合一般工程要求的C30强度等级 （30 MPa≤抗压强度≤35 MPa）作为混凝土配合比的依据，3种混凝土分别是普通硅酸盐水泥、掺入粉煤灰的普通硅酸盐水泥、矿渣水泥混凝土。据JGJ28—86《粉煤灰在混凝土和砂浆中应用技术规程》，在普通硅酸盐水泥混凝土中粉煤灰的取代率不能超过15%，通过大量的文献阅读参考选取10%为取代率。参考JGJ55—2011《混凝土配合比设计手册》和文献［10］来配制矿渣水泥混凝土。其中矿渣水泥的材料占比为：粉煤灰∶矿渣硅酸盐水泥熟料∶矿渣∶石膏=45∶42∶8∶5。 3 种混凝土材料的配合比如表 1 所示。

表1 不同混凝土所需原材料配合比

1.2 试验设计与方法

抗压测试选用型号为JES-2000A型的压力试验机，此压力试验机的最大试验力为2000 kN，精度等级为1级，导热性能试验选用JTRG-Ⅲ导热测试仪，2台试验设备见图2。

抗压测试步骤：（1）检查压力试验机的精度，并确定其破坏荷载量程为20%～80%。（2）将压力板的上下面擦拭干净后，把试块的中心与压力板面的中心对齐放在下压力板上。（3）对试块进行强度等级为C30的挤压测试时，选取的加荷速度为0.5～0.8 MPa/s。（4）在试块接近破坏时，停止调整压力试验机的油门。当试件破坏后记录试验机所显示的测试值并整理。

秸秆块是以一个整体夹在混凝土砌块中，所以在进行导热系数测试时对秸秆块和混凝土分别测试。导热性能测试步骤：（1）将制作好的试块放入100℃烘箱中进行烘干处理，直至试块的质量不再发生变化。（2）待烘干后的试块冷却至室温后将试块放置在设置的冷板温度为0℃，热板温度为50℃的导热测试仪中进行测试。（3）待测试数据稳定后，做好记录并整理。

2 结果与讨论

2.1 试验结果分析

经抗压试验得到测试结果，整理后如图3。

由图3可知，当秸秆块表面积占比为20%、25%时，3种材料的混凝土砌块都符合强度等级为C30的墙体抗压要求。当秸秆表面积占比为30%时，矿渣水泥混凝土砌块同样符合其墙体抗压要求。当秸秆表面积占比为35%、40%、45%时，测得抗压强度均小于30 MPa，不符合其墙体抗压要求。

经导热性能测试，得到测试结果并且计算当大小为150 mm×150 mm×150 mm时不同种类试块的导热热阻，整理后如表2；通过此试验数据计算可得出孔洞率为0.25时，大小为150 mm×150 mm×150 mm各种秸秆混凝土砌块的平均导热系数和平均热阻，整理后如表3。

表2 不同种类试块的平均导热系数及平均热阻

表3 同尺寸不同种类砌块的平均导热系数及平均热阻

由表2、表3可知，试块中的导热系数由小到大依次是秸秆块、矿渣水泥混凝土块、粉煤灰水泥混凝土块和普通硅酸盐水泥混凝土块。相同尺寸下导热系数从小到大依次为秸秆块、矿渣水泥秸秆混凝土块、粉煤灰水泥秸秆混凝土块、矿渣水泥混凝土块、粉煤灰水泥混凝土砌块、普通硅酸盐水泥秸秆混凝土块、普通硅酸盐水泥混凝土块。加入秸秆块后形成的秸秆混凝土砌块导热系数均变小，秸秆混凝土砌块热阻均大于普通硅酸盐水泥混凝土砌块热阻。

2.2 在建筑节能中的应用

以长春市住宅为例，取室外计算温度、室内计算温度分别为-23、20 ℃，外墙要求的最小传热阻为 0.824 （m2·K）/W［11］。表2和表3的数据经式（1）计算并证明普通硅酸盐水泥混凝土砌块和秸秆混凝土砌块建筑外墙时传热阻均大于0.824 （m2·K）/W，符合规范。据2019年吉林省统计年鉴，2018年长春新开工建筑为247.80万m2，约7成为住宅，则新建住宅面积为173.46万m2。住宅工程中外墙面积一般占建筑面积的0.62～0.71，本文取 0.65，则住宅外墙面积为 112.75万 m2。由式（2）、式（3）可计算4种混凝土砌块建筑外墙的基本耗热量，整理后如表4。

式中：R0、Ri、Re、R 分别为墙体传热热阻、内表面换热阻、外表面换热阻、墙体热阻、围护结构最小传热阻，（m2·K）/W，其中Ri、Re取值分别为 0.11、0.04（m2·K）/W［12］，R 取值见表 5 和表 6；Q 为外墙基本耗热量，W；K 为墙体传热系数，W/（m2·K）；A 为外墙面积，m2，取值为 1 127 500 m2。 tR、t0分别为冬季室外设计温度、冬季室内温度，℃，取值见上文；ɑ为温差修正系数，取值为 1.00［11］。

表4 4种混凝土砌块建筑外墙的基本耗热量

标准煤的热值为每千克29 307 kJ，长春市供暖期为169天。长春市新建住宅全部应用3种秸秆混凝土砌块比普通硅酸盐水泥混凝土砌块在供暖期中节约的能量以标准煤为度量单位进行比较，整理后如表5。

表5 应用3种秸秆混凝土砌块所节约能量

根据国家发改委提供的数据，工业锅炉每燃烧一吨标准煤，就产生 CO22 620 kg，SO28.5 kg，NOx 7.4 kg。 在保温性能方面少产生污染物的量如表6。

表6 在保温性能方面少产生气体的量 单位：t

3 结论

（1）抗压测试表明：符合强度等级C30的墙体抗压要求的砌块孔洞率为0.2、0.25的3种材料的秸秆混凝土砌块和孔洞率为0.3的矿渣水泥秸秆混凝土砌块。

（2）导热性能测试及计算表明：当孔洞率为0.25时，不同种类的秸秆混凝土砌块的平均导热系数从小到大依次为普通硅酸盐水泥秸秆混凝土砌块、粉煤灰水泥秸秆混凝土砌块、矿渣水泥秸秆混凝土砌块。

（3）以长春市为例，城镇新建住宅外墙材料采用孔洞率为0.25的矿渣水泥秸秆混凝土砌块、粉煤灰水泥秸秆混凝土砌块、普通硅酸盐水泥秸秆混凝土砌块，供暖期会节约能量分别约为 2 239.68、2 086.19、672.75 tce，少向空气中释放 CO2、SO2、NOx 的质量分别平均约为 5 867.96、19.04、16.57 t，5 465.82、17.73、15.44 t，1 762.61、5.72、4.98 t，相比得出应用矿渣水泥秸秆混凝土砌块最节能环保。