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  秸秆无机聚合物墙板的物理特性及工艺技术研发

http://www.fajc.com.cn   发布时间:2016.1.1  访问1323次
 
 
  

秸秆无机聚合物墙板的物理特性及工艺技术研发

 

粉煤灰环保节能建材网:杜世永

 

摘要:阐述了秸秆无机矿物聚合材料的物理化学基础,秸秆无机矿物聚合材料的强度、抗渗、抗冻、耐热、耐化学侵蚀性能特点及研究开发秸秆无机聚合物节能内墙板、外墙板的成功案例、经济效益和社会效益。介绍国际国内发展的情况和国内开发应用及展望。

关键词:秸秆、秸秆无机矿物聚合材料、粉煤灰、磷石膏、钙、硅离子、活性指数、质量系数、硅钙比、摩尔比、相变太阳能蓄热、活化、聚合反应、耐久性。

据环境保护部和中国气象局遥感监测显示,夏秋收期间京、津、冀地区和长江流域一些城市 秸秆集中焚烧,粉尘颗粒漫天,能见度很差,增加了部分区域雾霾天气的严重程度。更有甚者因焚烧秸秆产生的烟雾造成飞机不能正常起飞和降落,机动车驾驶员能见度降低而造成的交通事故也时有发生。所发生的一切让人不禁要问:这些“秸秆”除了焚烧还田之外,再也没有更好的处理办法了吗?

工信部2015309号文件和发改委办631号文件都明确指出“大力发展生物质建材”,“支持利用农作物秸秆、竹纤维、木屑等发展生物质建材”。“重点安排京、津、冀及周边大气污染防治重点地区秸秸利用项目”。

大力发展生物质建材,大综利用农作物秸秆来生产建筑材料,发挥其节能环保、隔音隔热等优点,这对建筑材料的可持续发展具有里程碑意义。

  秸秆是成熟农作物(如谷类、豆类、薯类、油料类、麻类等)在收获籽实后,茎叶(穗)等剩余部分的总称,是重要的可再生生物资源。我国是一个农业大国,伴随着每年产出大量农产品的同时,大量的农作物秸秆也被产出。据统计,我国每年出产的农作物秸秆量超过7亿t,但是其综合利用率还是很低,虽然政府相继出台了多项政策来促进改善秸秆的利用率,但是由于种种原因,实际利用率仅占全国秸秆资源总量的 30% 左右,大量的秸秆资源仍被闲置,进而就地焚烧处理。其实,在我国建筑原材料过度消耗,供应日趋紧张的今天,合理利用现成的资源——农作物秸秆这一可再生资源作为建筑材料,不失为一举几得的举措。更何况,随着全球低碳理念的崛起,人们的消费、审美理念也在悄然变化,农作物秸秆凭借低碳环保、亲近自然的特性,从石材、塑料等众多主流建筑材料中脱颖而出,必然会成为未来建筑材料研究中的创新点。

一、秸秆无机聚合物可以生产如下装配式住宅、日光储能农用大棚等必须的节能建材

1、秸秆相变太阳能蓄热轻质节能内墙板、外墙板、屋面板等;

    2、秸秆无机聚合物自保温内墙板、外墙板、屋面板;

3、秸秆砖和砌块;

4、秸秆板材;

5、秸秆纤维保温砂浆;

6、各种仿木建筑材料。

二、秸秆建筑材料的物理特性

1、强度高,耐久性优于硅酸盐水泥制品。

秸秆无机矿物聚合材料的抗压强度1d可达15MPa3d可达30MPa28d强度可达50MPa以上,其后期强度还会继续增长。耐久性大大优于硅酸盐水泥。

2、保温隔热性能优于蒸压加气混凝土和泡沫混凝土

秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板保温隔热性能优良,墙板的导热系数低至 0.069 W/m·K,均可满足普通保温材料对导热系数的要求。蒸压加气混凝土砌块(0.100.18W/m·K),泡沫混凝土(0.080.27W/m·K)膨胀珍珠岩(0.1010.134W/m·K)。

    3、轻质抗震

秸秆无机聚合物自保温节能墙板单位面积质量仅为红砖墙的1/10秸秆拥有无可比拟的弹性,具有良好的抗震性能,无论是低层还是高层建筑均可使用,更适用于装配式钢架结构的住宅、别墅、厂房,来代替彩钢板,性能更优越。

4防火、耐高温性能优良

秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板热稳定性测试结果表明,材料具有良好的耐高温性能。经 600 ℃煅烧 120 min后,材料抗压强度值仍有 15.94 MPa,过程中没有出现抗压强度急剧下降和垮塌现象。由 XRD 结果显示,煅烧温度在 800 ℃以下秸秆地质聚合物具有较稳定的矿物结构,超过 800 ℃后逐渐有霞石、锐钛矿相产生。说明材料在 800 ℃以内具有热稳定性能。热重测试结果表明,在 250 ℃以内,地质聚合物对秸秆具有一定的保护作用。

5防水、抗渗性好

无机矿物聚合材料水化后空隙率与硅酸水泥相当,但其毛细孔率较低,凝胶孔的孔隙率较高,特别是其中孔径大于2μm的毛细孔率仅为0.3%,而硅酸盐水泥为6.2%,因而其抗渗性良好。无机矿物聚合胶凝材料的抗渗标号为S40以上,而硅酸盐水泥仅为S2S12秸秆包裹在无机矿物聚合材料里面,因而防水抗渗性能很好。

6隔音效果较好

秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板内部为密闭微孔结构,具有阻隔声音的传递及吸音双重功能,可隔音40-52dB,吸音能力可达普通混凝土的5-6倍。

7、软化系数高、抗冻性能好

由于秸秆无机矿物聚合材料的孔隙大多为胶孔,水不容易吸入,在海水中放置1年后,硅酸盐水泥混凝土墙板强度较低,无机矿物聚合材料墙板强度反而提高。且孔内碱溶液的冰点低,开始冻胀破坏的最低温度为-40℃,因此能耐上百次冻融循环。

8、成分接近木材

农作物秸秆的纤维素、木质素和戊聚糖的含量与木材的含量基本相似,尤其是麦秸和蔗渣的纤维素含量非常接近于木材。因此,从理论上说,农作物秸秆是适宜代替木材用作建筑原料的。

9、安装加工性能好,施工速度快

秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板可锯、可钉、可钻、可任意切割,随意制造建筑格局。提高了墙体的整体性能和抗震抗台风性能。安装简单方便,比加气混凝土砌块和空心砌块墙体快68倍以上,可大大缩短工期。

10、综合成本低,经济效益显著

墙板表面平整度好,无需抹灰可直接装修;墙体薄,可增加使用面积1015%以上;由于减轻梁柱和基础荷载,施工快,周期短,比粘土砖、空心砌块降低工程造价20%左右。

三、秸秆作为建筑材料的优点

作为一种建筑材料的最基本要求有以下几个方面:

A技术性能要求。包括材料本身的隔热、隔音、耐潮、防腐以及安全、强度等诸多特性;

B工艺性要求。主要指作为材料工艺结构能否符合要求,例如是否便于加工制作,后续维修保养是否方便等等;

C经济性要求。主要指材料的价格,包括原材料的成本控制、是否可以批量生产等。除了这三个基本要求之外,还可以从材料是否环保低碳,是否可持续等方面加以考量。

1、原料丰富

每年我国出产秸秆就达到约7亿t,特别是在我国东北、新疆、黄海、淮海和长江中下游玉米、高梁、棉花、水稻、小麦秸秆高产地区,是一种可以每年再生的常见资源,原料资源非常丰富,且不受地域限制,从而有效降低了其生产成本。

  2、安全

  从上述对秸秆物理特性的分析得知,秸秆作为建筑材料,韧性强、承载力大、隔音、防潮、防虫防鼠,以前部分地区的表面涂抹石灰和泥土的秸秆内外墙体,可以抗燃烧 90min。所以,秸秆作为建筑材料的强度和安全性是值得信赖的。

  3、轻质

  秸秆无机聚合物墙板属于轻质材料,相等面积的秸秆板墙的重量不到黏土砖墙的 1/10。据有关方面的统计数据,目前每平方米房屋建筑面积的建筑材料质量约为 1 200kg 左右,如采用秸秆砖和复合墙体材料替代,其质量仅为 120kg 左右,大大减轻了房屋的整体质量,提高了建筑结构的抗震能力,增加了建筑物的安全系数。而且,建筑材料自重的减少,可以节约运输成本等基础费用,从而降低建筑造价。

  4、标准定型模块

  我们通常都按照标准的尺寸制造秸秆无机聚合物墙板。只有这样,构件加工制作才可工业化,从而降低生产成本。而且,通过这些标准模块,房屋体系的平面及空间可以自由搭建,间隔墙拆装灵活,可按需改变房间数量、大小及功能。

  此外,还有一个很重要的好处:标准化定型模块后,可以大大缩短工期。据推测,标准件施工比传统施工工期缩短近 1/3

    5、节能

  秸秆无机聚合物墙板的隔热保温性能优良,与传统砖混结构建筑材料相比,其保温系数几倍于黏土砖墙。由于秸秆材料的高隔热性能,使用秸秆材料的建筑每年可大大降低使用过程中的建筑能耗。

  研究表明:“在环境影响方面,与传统砖混结构房屋相比,使用秸秆材料的建筑总固有能耗改善了1/3,灰色能耗(指基于灰色系统理论,对能源消耗的变化特征、影响程度等因素的数量分析)改善了3/4,二氧化碳足迹改善了2/3,供热需求降低了1/2,制冷需求减少了一半”。

  6、环保

  秸秆是一种每年再生的建筑材料,其取之于自然、用之于自然、消化于自然,对环境的破坏、地球的负担相当小。一旦秸秆建筑发生解体,秸秆可以轻易地从其他建筑材料中剥离出来,自行消化,可以说秸秆材料对环境没有负面影响。而且在能耗、温室气体排放等方面,秸秆材料的环保性也远优于砖混结构。

  7、趣味

运用秸秆无机聚合物墙板自行动手建造房子可谓是最理想的一种方式。它不仅可以节约建造成本,秸秆材料的使用在一定程度上保证了材料的乡土性和原始性,向人们展示了你所建造的“家”的“独一性”,这会给户主一家强烈的“自豪感”——这是我们自己亲手建的房子!对所有参与者来说,这也是一次令人兴奋的互动过程,是一项愉悦的社会体验。

  8、回归自然的心里诉求

在很长一段时间里,“大机器制造之美”一直成为人们的审美标准。随着时代的变迁,现在人们开始追求不规则、天然之美,崇尚手工制造以及加工天然建筑材料的技巧。机器生产出来的人工的、平整的表面不再符合这个时代的审美要求。天然建筑材料渐渐重新走进了人类的生活,并且更加展现其独特的魅力。秸秆材料是天然农作物的代表产品,因为其不会对环境造成任何污染,也不会产生有毒有害危害(只要使用得当),完全能够满足人们对自然回归的生理和心理需求,以及低碳环保可持续发展的理念。

四、秸秆无机聚合物自保温节能墙板的工艺技术研发

近年来,随着全球能源危机的日益加剧和我国建筑节能的大力推行,轻质、高强、耐久、防火、防水、防潮、抗冲击、抗震、隔音、隔热、绿色、环保、节能的多功能新型建筑材料越来越受到人们的重视,传统的建筑材料亟待升级换代。我们将水稻秸秆掺入废渣硅铝基无机聚合物中,将其聚合成为一种新型多功能节能保温建筑材料。为了研究秸秆废渣硅铝基无机聚合物是否能够满足节能保温和防火安全的要求,我们对不同秸秆和废渣的配合比材料进行了密度、孔隙率、导热系数、抗压强度测试和热稳定性测试。

(一)、秸秆无机矿物聚合材料的研制

1、原材料及研制方法

11、主要原材料

    农作物秸秆:秸秆分别采用玉米、高梁、水稻、小麦秸秆;

    粉煤灰:内蒙古锡林郭勒电厂原灰;克什克腾大唐电厂原灰;广西来宾电厂等原灰;重庆双槐电厂原灰;成都热电厂原灰;

    磷石膏:湖北宜化集团原状磷石膏;四川什邡原状磷石膏;四川龙蟒集团原状磷石膏;重庆涪陵中化集团原状磷石膏;湖北襄阳原状磷石膏;

    高炉矿渣粉:武汉钢铁公司高炉矿渣;鞍山钢铁公司高炉矿渣;柳州钢厂高炉矿渣;

偏高岭土:焦作市煜坤矿业有限公司偏高岭土;辽宁朝阳偏高岭土。

磷矿渣:连云港某大堆场水排磷矿渣;贵州某公司原状磷矿渣。

12、试制设备:

秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板DD-B1型平模成型机SL90SLC120型粉煤灰自保温内外墙板立模机、SYH1型废渣活化机、SJM1500轻骨料混凝土搅拌机、秸秆粉碎机、

粉煤灰渣建材制品养护机等。

13、试制过程:

按工艺要求将各原材料计量,送入废渣活化机活化,活化后的混合料地面堆放陈化12小时,即配成粉煤灰基无机矿物聚合材料胶疑料;工艺要求将粉煤灰无机矿物聚合材料胶疑料、粉碎好的秸秆、外加剂等计量送入轻骨料混凝土搅拌机,配制成成型料,成型料分别送入DDP-B秸秆无机聚合物自自保温墙板成型机、SL90SLC120型粉煤灰自保温内外墙板立模机,制成秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板,然后将制品坯体分别送入养护室,由粉煤灰渣建材制品养护机向养护室提供热空气,进行循环养护18小时左右,出室自然养护3天即可进行检验。

14秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板配合比的设计参数:

由于各地的原材料化学成份和物理形态均不相同,特别是粉煤灰,由于煤的产地、品种不同,锅炉的燃烧方式和温度不同,粉煤灰的排放方式不同,所以粉煤灰的化学成份和物理形态也不相同,为北,粉煤灰基无机矿物聚合材料配合比差异很大,本次试制,根据各原材料的化学成份,共设计了秸秆无机聚合物自保温节能内墙板、外墙板、屋面板、日光储能农用大棚内外秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板等8种配合比。各原材料的主要配合比为:A:粉煤灰15-35%、脱硫石膏(或磷石膏)10-15%、高炉矿渣粉8-17%、偏高岭土1-3%、秸秆6-18%B:粉煤灰20-40%、磷矿渣5-17%、磷石膏20-45%、高炉矿渣粉5-16%、偏高岭土1-3%、秸秆6-18%。配合比设计应根据各地原材料的化学成份按粉煤灰基无机矿物聚合材料的工艺要求来进行化学平衡的调整。对原材料的主要要求参考:粉煤灰活性指数4.0以上、矿渣的质量系数1.0以上、各原材料的硅钙比大于3.5以上、复合外加剂和各原材料的SiO2Na2O的摩尔比2.0。粉煤灰基无机矿物聚合材料抗压强度和其他耐久性能都比较优良。

2、检测结果

秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板的物理力学性能

检验标准:国标《建筑隔墙用保温条板》GBT23450-2009

秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板检测如下:

序号

检验项目

国家标准

检验结果

1

抗冲击性能

沙袋冲5

6次无裂纹

2

抗弯承载/(板自重倍数)

1.5

2.4

3

抗压强度/MPa

3.5

6.6

4

软化系数

0.80

0.87

5

面秘度/(kg/ m2

9085120100150110

90621207515086

6

含水率/%

10

4.8

7

干燥收缩/MMM

0.6

0.3

8

空气声斗权隔声量/dB

90351204015045

90381204315050

9

吊挂力/N

荷载1000N静置24h,板面无宽度超过0.5毫米的裂缝

无裂纹

10

抗冻性b

不应出现可见的裂纹且表面无变化

合格

11

耐火极限/h

1

1.5

12

燃烧性能

A1A2

A1

13

传热系数/《W/(m2.K)》

2.0

1.3

14

lRa(内照指数)

1.0

0.3

15

Ir(外照指数)

1.0

0.5

 

五、秸秆无机矿物聚合材料研究开发应用现状及展望

(一)、秸秆无机矿物聚合材料的发展历程

在人类历史上,人们早就有开始使用稻草、芦苇等材料建造房屋的先例。

我国秸秆利用时间很早,也较普遍,早可追朔到唐朝以前,唐朝大诗人杜甫晚年曾在成都用秸秆和草修建茅房居住,后人尊称为“杜甫草堂”。在民间,人们很早就用秸秆合泥作墙体,把秸秆绑扎固定起来作屋顶材料,这样的房屋冬暖夏凉,很经济,有些地方农村都还保存有过去盖的秸秆房屋。

19世纪末,在美国西北部的内布拉斯加州的平原地区,受制于现地缺少建造房屋所需要必备材料(包括木材、石块等),生活在那里的农民就尝试着把被废弃的农作物秸秆(主要是稻草或麦秸秆)紧紧捆扎、压制成砌块,如同砖块一样垒砌起来,建造了自己的临时住宅,这就是早期的内布拉斯加式秸秆建筑。随后人们发现这种用秸秆砌块建造的房屋不但坚固耐用,而且冬暖夏凉,隔声防潮效果好,且原料采集方便,建造成本低,因而逐渐受到了人们的追捧。

1886年第一座诞生于美国内布拉斯加州的秸秆建筑开始,到19世纪40年代,新秸秆技术的应用是秸秆建筑发展的第一个高速成长期。仅19151930年这短短的15年间,在内布拉斯加州就修建了大约70多座秸秆建筑,13处早期建造的秸秆建筑成功抵御了外界恶劣的自然环境(高温、强风等)得以保留;到了20世纪40年代,由于受到混凝土等新型建筑材料和技术的影响,秸秆砌块建筑不再被人青睐,工艺技术也随之停滞不前;直到1970年末,随着绿色和环保理念的兴起,加上工艺技术水平的逐渐成熟,秸秆建筑材料又重新受到人们的重视,秸秆建筑又重新在美国各地开始建造,同时也流传到了中美洲、拉丁美洲、欧洲及大洋洲等国,深受各国人们喜爱。

进入20世纪90年代,随着DIY建筑行为的风行,使用秸秆建筑材料的热潮愈演愈烈的同时,研究人员也逐步把秸秆建材的研究转向材料生态学及乡土地域的振兴研究领域,对建筑的可持续发展与更新具有更深远的意义。

(二)、国内秸秆无机矿物聚合材料开发应用及展望

科学技术的进步,资本的支持为秸秆无机矿物聚合材料的发展提供了良好的条件。秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板正是运用了这种高科技应运而生。由于秸秆无机聚合物自保温节能内外墙板系列产品具有广阔的应用空间,并且该产品的生产成本较低,产品性能优越等优点,必将导致该产品具有较强的市场竞争力。

秸秆,在被称作优质的绿色材料加以综合利用之前,一直被视作农业废弃物。当焚烧不再作为主要处理方式时,它在建筑领域却很好地发挥出了剩余价值,同时推动了一系列秸秆建筑的出现。秸秆建筑的发展历经前工业时代、工业时代和后工业时代,不同背景影响下的秸秆建筑的风格特色不尽相同,在倡导发展可持续建筑的低碳时代,秸秆建筑无论从环境还是经济角度上看,都具备诸多优势,它广阔的应用前景引起了人们的关注,因而世界范围内掀起了关于秸秆建筑历史和实践研究的热潮。随着人们对秸秆建筑发展的认识与理解,有关秸秆材料的研究和建筑实践活动正不断取得巨大的进步。而当今愈来愈崇尚的环保节能型建材,从根本上改变我国建材工业发展中存在的高投人低产出、高消耗、高污染、低效益的粗放式生产方式,选择资源节约型、污染最低型、质量效益型、科技先导型的发展方式,把建材的发展和资源利用、生态保护、污染治理有机地结合起来,这是21世纪我国建筑材料发展的战略目标。所以我国建材行业未来发展战略方向应该是:大力发展环保节能型建材,采用低能耗制造工艺和不污染环境的生产技术,尽量不使用含有对人体有害的、有机化学物质,兼顾可回收利用和循环生产,坚持走资源节约型和环境友好型的可持续发展道路。所以综上所诉可知农作物秸秆从各方面来说都不失为未来一种理想的环保建材。

六、结束语
    建筑材料的环保节能是落实可持续发展和科学发展观的重要政策。建材的环保节能不仅是一个经济问题,更重要的是一个国家发展的战略性问题。政府、媒体都有责任与义务去引导消费者,只有这样我国环保节能型建筑的发展之路才能更加开阔。建设行政主管部门应强化监管力度,让环保节能工作得到贯彻落实,使建筑真正达到降低能耗、节省开支、节约资源和环境友好的目的。建筑节能型社会,需要大家的努力和参与,让健康、舒适、低能耗建筑在祖国大地蓬勃兴起,造福人民,造福社会。

但是由于我们的研究开发工作还不够系统深入,加上秸秆无机矿物聚合材料的原料来源广、组成与性能差异大,使得秸秆无机矿物聚合材料的性能稳定性不够,并且缺乏必要的国家标准和技术标准来规范秸秆无机矿物聚合材料的生产、设计和应用,使得秸秆无机矿物聚合材料在我国还没有广泛应用。我们将努力向同行的专家教授学习,进一步深入研究开发秸秆无机矿物聚合材料,使秸秆无机矿物聚合材料这种优质、高强的生态型建筑材料在我国得到更大发展。

 

 

参考文献:

1、王思恭:分选粉煤灰的性能及应用.建筑技术开发.1991.(5).9

2、杨南如:碱胶凝材料的物理化学基础《J.硅酸盐学报.1996.2(24)

3、赵风清、倪文、王会君、刘洪杰:增钙渣、矿渣制备生态型胶凝材料现代化工.2006.(S2):335-337

4、金漫彤、孙烨、陈林伟:秸秆地质聚合物复合材料保温性能研究

5、陈亮:秸秆地聚合物保温性及环境稳定性的初步研究

6、余飞、朱祥、朱鼎:秸秆相变材料板材的制备研究

7、万亚丽:秸秆定形相变材料的应用基础研究

8、汪向红:相变储能节能墙体材料的研究

 

                             

 

                             

 

                             

 

 
 
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