农作物秸秆在工程建设中的应用研究

杨 锐, 叶 枝, 孙鹏轩, 张婉婷

(1.安徽交通职业技术学院,安徽 合肥 230051;2.安徽省七星工程测试有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

农作物秸秆是农作物收获果实后的剩余物,常见的有棉花秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆等。作为农业大国,我国的农作物秸秆资源非常丰富,通常情况下,农作物秸秆除了被加工成饲料喂养牲畜,大部分都被粉碎还田或者直接焚烧掉[1],既浪费资源,又污染环境。

农作物秸秆作为一种绿色产品,是不可多得的天然资源,因此只要利用好,就能变废为宝,达到节能减排的效果。同时农作物秸秆作为一种次要的剩余物,价格低廉,因此,对其加以利用后会降低产品或材料的成本,经济节约,发展持续,对社会、经济发展都具有重要的意义。

经研究发现,农作物秸秆中的纤维含量很高,因此,可以将农作物秸秆代替钢筋、土工织物等作为一种加筋材料。例如,用秸秆作为抗拉材料来固化土体,可以起到加筋的作用,进而提高土体的抗剪强度、抗拉强度以及其上构造物的稳定性;将农作物秸秆在混凝土中杂乱分布,当混凝土产生裂缝时,杂乱分布的纤维就会阻止裂缝扩大。

1 农作物秸秆应用于工程建设中的优点

如何合理、有效地利用秸秆,减少资源浪费,降低环境污染,是各行各业义不容辞的责任。近几年,农作物秸秆在工程建设领域的利用也越来越广泛,主要是因为农作物秸秆应用于工程建设中时有以下优点。

1.1 资源丰富、可以再生

近年来,我国农作物种植总面积呈逐年增长态势,2021年约为25.3亿亩。因此,农作物秸秆的来源非常广泛,常见的农作物秸秆有棉花秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆等。另外,农作物每年都会种植,有的作物甚至一年种植多季,因此,农作物秸秆年年都有,属于可再生资源,并且对环境友好,属于绿色资源。如果农作物秸秆可以大量用于工程建设中,势必能提高秸秆资源的利用效率,减少焚烧量,进而起到保护生态环境的作用。

1.2 变废为宝、降低成本

随着农村能源消费结构的调整,开始出现大量过剩的秸秆,农民为处理这些秸秆,通常采用焚烧的方式,严重污染大气环境。为此,政府部门虽然大力宣传环保政策,并出台相应的禁烧奖励措施,但收效甚微,违规焚烧的现象仍然屡禁不止。如果将农作物秸秆用于工程建设中,相当于将废弃物变成了一种建筑材料,而且成本低廉,进而会降低整个工程的造价。

1.3 富含纤维、抗拉防裂

农作物秸秆中富含纤维,而且是一种天然纤维。小麦秸秆等农作物秸秆的纤维素含量见表1。当棉秸秆含水率在20%～40%时,其抗拉强度随含水率的增大而增大,抗拉强度值集中在26.5 MPa[3];杨北方等[4]通过试验发现小麦秸秆的抗拉强度约为20 MPa,见表2。将农作物秸秆应用于土体中可以起到加筋作用;又因其纤维结构呈现密集丝絮状,将其应用于建筑工程中可以提高抗震性,也可以减少墙体开裂。[5]

表1 秸秆纤维的化学组成[2]

表2 麦秸秆拉伸试验表[4]

1.4 轻质高强、保温隔音

农作物秸秆内部呈空心管状,与传统的混凝土、石、砖相比,自重较轻。同时农作物秸秆的热阻值很高,例如稻草纤维墙体的热阻值约为普通砌体墙体的28倍,因此使用稻草纤维墙体可以提升建筑的保温效果。同时,在保温效果同样的时候,稻草纤维墙体又比普通墙体自重小,农作物秸秆还能削弱其震动效果的作用,其隔音效果更强,因此,稻草纤维墙体建筑居住舒适性更佳。农作物秸秆将会成为未来高强轻质混凝土的新型添加剂[5]。

2 农作物秸秆在建筑工程中的应用

2.1 秸秆草砖

从20世纪90年代开始,我国就开始了对农作物秸秆草砖的研究。因其保温性能好,冬天以农作物秸秆草砖墙体建造的房屋的能源效率比普通建筑高约70%,采暖费比普通建筑减少了50%[5]。

唐小宝等[6]研制了一种可填充墙体的新型草砖,其与防火材料结合良好,而且可恢复能力强,抗震性能好。杨青松等[7]用玉米秸秆为主要原材料制作草砖并在华北地区建造了草砖房,因为草砖房没有形成规模,建设成本高4.4%,但是草砖房传热慢,保温隔热性能好。

农作物秸秆草砖房屋结构形式主要有承重型、非承重型及混合型3种,见表3。

表3 秸秆草砖房屋结构形式分类[7]

2.2 秸秆纤维混凝土

秸秆纤维混凝土就是将秸秆纤维掺入混凝土中制成的建筑材料。农作物秸秆中的纤维具有良好的韧性和拉伸性,且在混凝土中杂乱分布,因此,当混凝土产生裂缝时,杂乱分布的纤维就会改善混凝土中的力场分布,阻止裂缝扩大。同时秸秆纤维的成本低,因此利用秸秆纤维混凝土可以降低工程造价。谷悦等[8]研究了油菜秸秆纤维混凝土的抗冻性能,结果表明,当油菜秸秆纤维长度为15～20 mm、体积掺量为0.2%时,混凝土的抗冻性能最佳,并研究了油菜秸秆纤维混凝土的使用寿命。曾哲等[9]研究了油菜秸秆纤维混凝土的保温性能,结果表明,油菜秸秆掺入量越大,导热系数越小,保温性能越好。张文俊等[10]研究了油菜秸秆纤维混凝土的抗碳化性能,结果表明,掺入秸秆后,水泥浆体的内部孔隙结构产生了变化,使得混凝土的碳化深度减小,抗碳化性能提高。秸秆纤维混凝土作为一种新型墙体结构,其抗碳化性能、抗裂性能、保温性能等都得到了提高。

2.3 秸秆混凝土砌块

苏有文等[11]设计了一种空心率为25%的秸秆混凝土空心块,该种空心块与普通的混凝土空心块相比,掺加6%水稻秸秆的空心块导热系数降低71%,且掺丝状水稻秸秆的空心块保温隔热性能优于掺杆状水稻秸秆的空心块。木合塔扎尔白克·苏力唐等[12]研究了掺和麦秸秆、粗砂的立方体土坯试件的受压破坏规律,得到了最优强度的改性材料掺和体积比。

除此之外,还有不少关于秸秆灰混凝土的研究,比如将适量的小麦秸秆灰掺入混凝土中,可以提高其早期强度;将不超过5%的油菜秸秆灰掺入混凝土中,混凝土的抗拉性能基本不变。[13]

3 农作物秸秆在岩土工程中的应用

3.1 在地基加固方面的应用

盐渍土是盐土、盐化土、碱土及碱化土壤的统称。盐渍土地基的盐胀性、溶陷性及腐蚀性等会对工程造成危害,因此要对盐渍土地基进行处置,以提高地基承载力。随着沿海地区的大开发,地基处理及加固技术变得尤为重要,特别是滨海盐渍土、软土等。我国有大量的农作物的废弃物,如油菜秸秆、棉花秸秆、小麦秸秆、水稻秸秆等,已经有很多学者将农作物秸秆作为加筋材料用于地基加固,并取得了相应成果。相关研究表明,因水稻秸秆、玉米秸秆等中具有和硬木材相似的化学成分,用于工程建设后可减少硬木消耗。在地基土体中加入农作物秸秆后,其抗剪强度明显提高。如果先将小麦秸秆用氢氧化钠溶液进行预处理,然后用于加固滨海盐渍土,可以很好地改良盐渍土碱性,并使土体的承载力大幅度提高。[14]

除此之外,G.A.Sano,C.Franco等[15]用菠萝纤维作颗粒土的增强剂,研究后发现,用菠萝纤维加筋的土体强度比原状土有所提高。

3.2 在基坑支护方面的应用

基坑支护的目的是保证基坑周边环境的安全及地下结构物正常施工。在基坑支护工程中,大多数情况下会使用钢筋锚杆,但是在地下结构物施工结束后,钢筋锚杆会被回填土掩埋,造成资源浪费,提高施工成本。因此,于一凡等[16]提出了竹筋锚拉板桩墙基坑临时支护的新技术,通过软件分析发现,竹筋的存在可以保证板桩墙的自立稳定性。陈家冬等[17]分析了竹筋喷锚技术的设计、施工、节点构造技术,并进行了工程实例验证,结果表明,竹筋喷锚技术可以降低施工成本,充分利用天然资源。除此之外,其他学者也研究了竹筋土钉墙在软土地区基坑支护中的应用技术[18]。

4 农作物秸秆在道路工程中的应用

4.1 在路基中的应用

对于路基土体,Mahipal Singh等[19]分别对椰子壳纤维加固路基粉质砂土与人造纤维加固路基粉质砂土进行了试验研究及对比分析,结果表明,用椰子壳纤维加固的路基粉质砂土抗压强度比人造纤维加固的土体抗压强度更高。因此,椰子壳纤维用来加固地基,可以减少路基变形。王剑烨[20]采用玄武岩纤维和玉米秸秆纤维对京台高速某路段的路基粉土进行土质改良,通过对纤维基本物理力学性质测试和对纤维加筋土的三轴抗剪强度试验,研究了纤维长度、掺量等对土体强度及应力应变特性的影响。研究结果表明,玉米秸秆加筋后的粉土与素土相比,黏聚力增幅为100%,三轴剪切破坏形态较为完整,与素土的斜截面破坏不同。同时,通过三轴试验得到掺加玉米秸秆纤维的最佳长度为2 cm,最佳掺量为2%。

4.2 在边坡中的应用

对于路基边坡,如果边坡稳定性较差,那么当其受到外荷载作用导致下滑力增大超过抗滑力后,边坡就会发生失稳破坏,主要表现为整体剪切滑移。为了保持边坡的稳定状态,通常的做法是提高边坡土体的抗剪强度,将农作物秸秆作为筋材加入土体中就可以达到这个目的。李龙[21]在研究稻草加筋土的无侧限抗压强度试验的基础上,还制作了边坡模型并进行了试验研究,结果表明,当荷载不断增大时,稻草加筋土边坡位移小于素土边坡位移,加筋土能够提高土体强度,很好地抵抗土体变形,增加边坡的整体稳定性。李骞等[22]为有效解决高寒地区开挖边坡冻融侵蚀严重、生态修复等难题,测试了不同掺量的秸秆纤维加筋固化土的渗透性、抗剪强度和抗冻融性等,结果表明,加入改性材料和秸秆纤维后,降低了土体渗透性,增加了土体的黏聚力,内摩擦角基本保持不变。也有学者将秸秆编织物用于河流护岸,用于防止边坡的冲刷[23]。由此可见,将农作物秸秆用于路基边坡中是可行的。

4.3 在路面中的应用

对于路面结构,李承峰[24]研究了秸秆纤维生物沥青混合料路用性能,将不同含量的秸秆纤维掺入沥青混合料中,结果表明,秸秆纤维生物沥青混合料的高温路用性能较普通沥青混合料显著改善。陈梓宁[25]通过玉米秸秆纤维吸附沥青质试验,分析了不同掺量下玉米秸秆纤维吸附沥青质的能力,以及单位质量玉米秸秆纤维对不同沥青种类中沥青质的吸附效果。结合吸附动力学以及吸附等温线模型,揭示了玉米秸秆纤维吸附沥青质的动态三阶段吸附机制。赖硕荣[26]研究了一种满足沥青路面应用的改性水稻秸秆纤维,并对改性前后的纤维微观形貌、吸湿性、沥青吸持性能、化学成分变化和热稳定性进行对比分析,并对水稻秸秆纤维AC-16 沥青混合料路用性能和微观作用机制进行了研究,结果表明,改性水稻秸秆纤维可以提升沥青路面材料力学性能。由此可见,将来源广泛的可再生农作物秸秆用于沥青路面是可行的,不仅能改善沥青路面的使用性能,还能实现废物利用,并有助于生态环境保护。

5 结束语

科学技术迅猛发展,以农作物秸秆为材料的新型建材越来越受到人们的青睐。农作物秸秆作为一种绿色、可再生的环境友好型资源,其来源广泛、隔热性好、成本低廉、前景广阔,无论是在建筑工程的应用方面还是岩土工程、道路工程的应用方面,都还有很多路要走,还有很多难关需要攻克。把农作物秸秆变废为宝,不断改进工艺、不断开发新材料,是农作物秸秆应用的重要发展方向,是实现可持续发展战略的重要方向。