CN105948657A - 一种农作物秸秆再生保温砖及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种农作物秸秆再生保温砖及其制备方法，所述农作物秸秆再生保温砖由以下重量份数的原料制成，小麦秸秆20～25份，化学添加剂0.2～0.5份，骨料90～180份，水60～80份，以及水泥，其中，水灰比0.6～0.8。还包括农作物秸秆再生保温砖的制备方法。本发明之农作物秸秆再生保温砖具有良好的早强性、砖体密实性，导热系数、保温隔热；同时，利用农作物秸秆秸秆制备保温建筑材料，不但成本低廉、性能好，而且减少了环境污染，可减少粘土砖的使用，节约土地，增加收入农民，产生良好的社会效益和经济利益。

Description

一种农作物秸秆再生保温砖及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种再生保温砖及其制备方法，具体涉及一种农作物秸秆再生保温砖及其制备方法。

背景技术

农作物秸秆是成熟农作物茎叶(穗)部分的总称，通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油菜、棉花、甘蔗和其它农作物(通常为粗粮)在收获籽实后的剩余部分。它是由光合作用形成的细胞壁物质，在形成过程中秸秆中的C、H、O组成了一系列的有机物质，包括纤维素、木质素、半纤维素、脂肪、蛋白质等高分子聚合物以及些许水分。其中，纤维素类物质是植物细胞壁的主要组成成分，它是由D-葡萄糖基通过β-(1,4)苷键连接起来的线型高分子聚合物，起骨架作用，是提供植物纤维力学性质的主要成分。它包括木质素、纤维素等，可使秸秆具有纤维增强作用。秸秆中的无机盐用灰分表示，由硅酸盐和其他少许微量元素组成，含量大约为6％左右。农作物成熟后，秸秆中的维生素差不多被全部破坏，因此，秸秆中所含的维生素很少。当前，农作物秸秆利用主要以农民、农业和农村利用为主，利用率低，且以焚烧方式作为主要处理手段的现象日益突出。同时，秸秆焚烧既产生了大量浓重的烟雾，造成严重的大气污染。因此，改革传统落后的秸秆利用方式，如何解决秸秆的合理去向、有效利用问题显得尤为紧迫。

现阶段，我国资源的利用现状表现为：一方面，城市化进程的推进促使各行各业加大资源的开采力度,特别是非可再生资源的采掘,其中又以建筑行业为甚。近几年,每年我国城乡建房不少于10亿平方米,需要各种隔墙材料大约20亿平方米。其中,实心粘土砖年使用量为7000亿块左右,生产耗煤约占全国总能耗量的25％,生产企业占地约335501万平方米,毁田7337万平方米。其次，我国社会总能耗的近50％是建筑领域的耗能，而建筑围护外墙及屋面的耗能又占建筑耗能的60％。建筑节能特别是外墙体的保温节能，是节能减排的重中之重。因此，需要优质新型墙体材料来替代黏土砖，从而解决黏土砖毁占耕地、能耗高的难题。

农作物秸秆作为一种可再生的新型建筑材料，若能将其制备成农作物秸秆再生保温砖应用于建筑墙体，不仅有助于提高建筑物的保温隔热效果，改善农民的居住环境，而且取材方便、加工简单，可节约大量砖、砂、石、灰等传统建筑材料，缓和材料供需和材料运输的矛盾，在一定程度上缓解了我国森林资源、土地资源等问题，保护环境、节约能源、解决了资源、经济和环境的矛盾，必将具有显著的社会价值和经济价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种农作物秸秆再生保温砖及其制备方法。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种农作物秸秆再生保温砖，由以下重量份数的原料制成，农作物秸秆20～25份(优选24份)，化学添加剂0.2～0.5份(优选0.34份)，骨料90～180份(优选180份)，水60～80份(优选80份)，以及水泥，其中，水灰比0.6～0.8(优选0.8)。

进一步，农作物秸秆选自长度为10～20mm的小麦秸秆。

进一步，所述化学添加剂是由硼酚、混合硼砂和五氯酚钠按照质量比为1:1.5配制而成，无味，对人体无害功能，且防霉变、防虫、防腐，主要是建筑材料的防腐剂。

进一步，所述骨料选自河砂或河砂和石粉的混合物。

进一步，所述河沙选自平均粒径为0.25mm以下的细砂，平均粒径为0.25～0.35mm的中砂或平均粒径为0.5mm以上的粗砂。

进一步，所述水泥为复合硅酸盐水泥。

本发明进一步解决其技术问题采用的技术方案是，一种农作物秸秆再生保温砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)粉碎：将晾晒后的小麦秸秆粉碎成长度为10～20mm；

(2)和料：先将粉碎的小麦秸秆、化学添加剂和水按顺序和剂量加入搅拌机，搅拌5～8min，再加入水泥、骨料搅拌10～15min；

(3)成型、养护：将步骤(2)中搅拌均匀的料浆加入到制砖模具中振动成型，待成型8～10h后拆模，在自然条件下养护25～28天，即成。

本发明之农作物秸秆再生保温砖具有良好的早强性、砖体密实性，导热系数、保温隔热；同时，利用农作物秸秆秸秆制备保温建筑材料，不但成本低廉、性能好，而且减少了环境污染，可减少粘土砖的使用，节约土地，增加收入农民，产生良好的社会效益和经济利益。

附图说明

图1为ZⅡ早期强度与28天的关系。

图2为ZⅡ回归分析关系式。

图3为ZⅢ早期强度与28天的关系。

图4为ZⅢ回归分析关系式。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步加以说明。

1、原料

小麦秸秆选用周口市郊区的小麦秸秆；农作物秸秆的纤维素分子有结晶区和非结晶区，分子在结晶区内排列有序，很紧密；而在非结晶区内，分子排列无序，娇松散，称为无定形区。纤维的强度视结晶部分的比例而定；纤维的膨润能力等视无结晶部分的含量而定。小麦秸秆主要由纤维素、木素和聚戊糖组成，无机成分仅占18％，它们主要由钙、钾、铝、铁、钠、和二氧化硅等化合物组成，其中二氧化硅为主要成分。可见，小麦秸秆的无定形部分含量较少，具有较强的抗拉性。麦秸杆外表面组织致密，积聚着大量的SiO₂和栓质细胞，纤维素、半纤维素较少，对细菌侵入有一定的防护作用，且很平滑，表面一层蜡状物的主要成分为饱和烃族化合物及其衍生物、高级脂肪酸等，麦秸杆内表面组织疏松、翘皮较多，其主要半纤维素、木质素及果胶等成分组成。小麦秸秆的横断面呈蜂窝状，中层和内层主要是木素、纤维素和半纤维素，组织较为疏松，细胞排列不够紧密，利于胶液的湿润、扩散和渗透。小麦秸秆在潮湿状态下易受到霉菌、细菌等微生物的侵蚀，破坏小麦秸秆结构，导致腐烂，使小麦秸秆丧失强度。因此，小麦秸秆使用前须将其晾晒，以手掰其杆易断为准。

水泥选用周口水泥厂生产的P·C复合硅酸盐水泥，水泥的抗压强度、抗折强度、体积安定性、标准稠度用水量、细度、密度等有关指标均符合《通用硅酸盐水泥》(GB175-2007)标准；

化学添加剂是由硼酚、混合硼砂和五氯酚钠按照质量比为1:1.5配制而成；

河砂：细砂(细度模数1.6～2.2)，平均粒径0.25mm以下；中砂(细度模数2.3～3.0)，平均粒径为0.25～0.35mm；粗砂(细度模数3.1～3.7)，平均粒径为0.5mm以上；

石粉为石头的粉末。

实施例1

1、农作物秸秆再生保温砖的试验配比

采用三种不同组成成分的农作物秸秆再生保温砖配合比，将三种不同配合比的农作物秸秆再生保温砖，分别编号ZⅠ、ZⅡ、ZⅢ，组成成分含量和水灰比如表1所示，其中，小麦秸秆、添加剂、粗砂、中砂、细砂、石粉、水的百分含量均是以水泥的质量为基准，组成成分中骨料和水是变量，小麦秸秆、添加剂和水泥添加量不变。

表1-农作物秸秆再生保温砖配合比

2、农作物秸秆再生保温砖的制备：

(1)粉碎：将晾晒后的小麦秸秆放入LG-450型多功能粉草机，粉草机主轴转速2800V/min，铡草效率300～600kg/h，将其粉碎成长度为10～20mm。

(2)和料：先将粉碎的小麦秸秆、化学添加剂和水按顺序和剂量加入搅拌机，搅拌5分钟后，再加入水泥、河砂或石粉搅拌15分钟，这种加料方式可以搅拌均匀。试验表明，若所有材料同时倒入搅拌机搅拌，水和添加剂遇到水泥、小麦秸秆等极易形成秸秆块或小泥团等，很难搅拌均匀。

(3)振动成型：振动成型采用YLT5-20型混凝土砌块成型机，料仓下料口可根据砖型调节大小并且仓门口可控制开合避免漏料，当下料口填充完毕后，需要对上表面抹平，同时撒上少量的粉碎的小麦秸秆，防止成型后振动器抬起会粘料，对砖造成破坏；强制布料机与主机一体提高稳定性，布料平台升降调节方便，采用旋转强制下料具有搅拌功能布料均匀；料车采用卡轨结构，在布料时料车不易抬起避免漏料保证彩砖面层的外观质量；采用砌块机专用振动电机可长期频繁起动经久耐用；采用独特振动连接方式和同步振动箱把激振力完全传递在振动台上激振动强大缩短成型周期，可比现有技术中的成型周期缩短近一半，从而使制品密实效果更好。

(4)养护：农作物秸秆再生保温砖成型后，直接运往场地晾晒，成型8h后直接码垛，在自然条件下养护28天。

3、结果分析

(1)农作物秸秆再生保温砖抗压强度分析

表1-农作物秸秆再生保温砖自然养护28天抗压强度

根据《烧结保温砖和保温砌块》GB 26538—2011抗压强度要求，将表1的计算结果进行强度指标评定，可判断ZⅡ、ZⅢ为MU3.5级标准砖。因此，秸秆用于砖在工程中应用结构上完全符合要求。

(2)农作物秸秆再生保温砖早期强度与自然养护28天强度关系式

调整农作物秸秆再生保温砖的配合比时，需要知道其早期强度与28天强度的关系。因此，若能建立农作物秸秆再生保温砖早期强度与自然养护28天强度的关系方程式，就可通过早期强度推定其28天强度。农作物秸秆再生保温砖ZⅡ、ZⅢ的早期强度与自然养护28天的强度值见表2。

表2-农作物秸秆再生保温砖早期强度与自然养护28天强度

首先分析农作物秸秆再生保温砖ZⅡ早期强度(7天)与自然养护28天强度的关系，图1为ZⅡ早期强度(7天)与自然养护28天强度关系的散点图，通过回归分析有指数，对数、移动平均等不同的关系式，经过比较，用多项式表示其相关性最好,即纵坐标为自然养护28天的抗压强度，横坐标为早期抗压强度，相关性系数为0.908，其回归分析关系式如图2所示。通过此关系式可由农作物秸秆再生保温砖ZⅡ早期强度推算其自然养护28天的强度值。

其次分析农作物秸秆再生保温砖ZⅢ早期强度(14天)与自然养护28天强度的关系，图3为ZⅢ早期强度(14天)与自然养护28天强度关系的散点图，通过回归分析有指数，对数、移动平均等不同的关系式，经过比较，几种表示的相关性相差不大，这里选择以幂的形式为例表示其关系式，即纵坐标为自然养护28天的抗压强度，横坐标为早期抗压强度，相关性系数为0.895，其回归分析关系式如图4所示。通过此关系式可由农作物秸秆再生保温砖ZⅢ早期强度推算其自然养护28天的强度值。

(3)农作物秸秆再生保温砖抗折强度分析

表3-农作物秸秆再生保温砖水中浸泡24天的抗折强度及折压比

科学折压比可以防止砌体过早的产生裂缝，建议折压比是试件的抗折强度均值与其相应的抗压强度的比值，参照《墙体材料应用统一技术规范》(GB50574-2010)关于承重砖折压比的规定。由表3可知，三种配合比的农作物秸秆再生保温砖的折压比都略高，对增强作用的本质来说,可提高农作物秸秆再生保温砖的韧性、抗裂性和抗冲击强度，而秸秆不但起到了保温作用,而且还起到了纤维增强作用。若将此砖用于2～3层建筑，砌墙砖不承受或承受很小的荷载，砖的抗折性能不会对砌体应用产生不利影响。

(4)农作物秸秆再生保温砖冻融性能分析

砖在吸水饱和后，当温度降至冰点，材料内部的水分就会结冰，且体积增大9％，内部会产生膨胀力，在其内部应力作用下，材料表面就会出现剥落、裂纹等破坏现象。当温度上升时，这种应力会消失，如此反复冻融循环，材料内部结构遭到破坏，最终导致材料质量的损失和强度的下降。对于农作物秸秆再生保温砖，它的抗冻性是衡量其耐久性的一个重要参数，而反映冻融性能的指标为冻融后质量损失率和冻融后抗压强度损失率，具体分析如表4所示。

表4-农作物秸秆再生保温砖冻融试验结果

参照《烧结保温砖和保温砌块》(GB 26538-2011)、《烧结普通砖》(GB 5101-2003)中规定：冻融试验后，每块砖样质量损失率最大不得超过2％，强度损失率≤25％，且不允许出现掉皮、分层、缺棱掉角等冻坏现象，冻后裂纹长度符合规定。由表4可知，三种配合比农作物秸秆再生保温砖的抗冻性均能达到上述标准的规定。

(5)砖的含水率、吸水率、饱和系数

砖的含水率可以改变砖的体积，砌体使用过程中所处的环境和砖上墙时的含水率等因素对砌体的干燥收缩影响较大。砖在砌体中的初始含水率由砖上墙时的含水率决定，砖的平衡含水率受砌体使用环境的湿度大小的影响，从而影响墙体的干缩。

砌体的吸水率是影响砌体耐久性的主要因素，砌体吸入水分过多，会使砌体受到严重的霜冻，也会导致可溶盐渗出，浸蚀含有波兰特水泥材料和砂浆。砖的含水率还影响墙体的强度、保温隔热性能。

测得三种配合比的农作物秸秆再生保温砖的含水率，吸水率、饱和系数如表5、6、7所示。

表5-ZⅠ的含水率、吸水率、饱和系数

表6-ZⅡ的含水率、吸水率、饱和系数

表7-Ⅲ的含水率、吸水率、饱和系数

通过对比相关标准，判断农作物秸秆再生保温砖基本符合《烧结保温砖和保温砌块》(GB 26538-2011)中的相关规定。其中农作物秸秆再生保温砖的常温水浸泡24h吸水率基本符合粉煤灰保温砖和保温砌块(FB)、淤泥保温砖和保温砌块(YNB)、其他固体废弃物保温砖和保温砌块(QGB)的要求，饱和系数全部满足四种保温砖和保温砌块的规定。

砖在浸水时，水分首先通过大量与相通的连通孔和半径较大的空隙快速进入砖内部，多为大毛细孔水和自由水，当这两种孔被水充满后，水会向较小的凝胶孔、封闭孔、毛细孔转移，而农作物秸秆再生保温砖孔隙率较大再加上内部秸秆吸水性强。因此，吸水率较大于其他类型砖。

(6)农作物秸秆再生保温砖干燥收缩分析

墙体的失水干燥收缩和外界环境的温度变化引起的变形被普遍认为是造成墙体开裂的主要原因，其中以墙体失水干燥和温度降低的组合变形最为不利。美国砌体规范认为，虽然墙体的干燥收缩是由砂浆和砖共同组成，但是砌墙砖占主要部分，因此墙体的收缩可以用砖的干燥收缩值来评估。

砌墙砖的干燥收缩机理在于：砖在干燥过程中，毛细孔水的蒸发使得毛细孔内部水面下降，弯月面的曲率增大，进而导致毛细孔壁所受的表面张力增大，毛细孔内便形成毛细管收缩应力，进而使砖不断收缩，体积变小。通过干燥收缩试验，农作物秸秆再生保温砖干燥收缩值如表8所示。

表8-农作物秸秆再生保温砖干燥收缩值

对比不同砖的干燥收缩范围，参见表9.由表8可知，农作物秸秆再生保温砖的干燥收缩值相对较大。

表9-不同砖对于干燥收缩值的要求

产品名称	干缩范围
		蒸压灰砂砖	0.392-0.427
德国蒸压灰砂砖	0.365-0.383
		空心蒸压灰砂砖	0.432-0.436
蒸压粉煤灰砖	0.966-1.036
		蒸养粉煤灰砖	1.011
蒸压页岩渣砖	0.74-0.83
		蒸养页岩渣砖	1.20-1.51
非烧结粘土砖	1.37-3.01
		烧结粘土砖	0.1以内
非烧结粘土空心砖	1.47-1.89
		水泥珍珠岩砖	3.10

初步判断干燥收缩值偏大的原因在于砖吸水膨胀较大。吸水膨胀机理在于：砖在浸水饱和时，砖中的粗孔和大毛细孔迅速吸水，当砖吸水饱和后，内部颗粒间的拆开压力增大和水对孔壁的持续挤压会造成孔径幅度和颗粒间增加而容纳更多的水，再加上秸秆在砖内分布较为广泛，同时秸秆纤维吸水能力较强，造成砖继续吸水形成过饱和状态，加剧膨胀。

(7)农作物秸秆再生保温砖导热系数的分析

通过CD—DR3030型导热系数测定仪测得的ZⅠ、ZⅡ两种配合比的农作物秸秆再生保温试样的导热系数。ZⅠ、ZⅡ两种配合比的农作物秸秆再生保温试样平均导热系数结果见表10。

表10-农作物秸秆再生保温试样平均导热系数

由表10可知，ZⅠ、ZⅡ两种配合比的农作物秸秆再生保温试样的导热系数均小于0.12λ，W/m·K，再则小麦秸秆是不连续、空心、质轻的多孔材料，以上特性使得小麦秸秆具有良好的天然保温性能。农作物秸秆再生保温砖将秸秆粉碎成10～20mm长度，经过高压后，砖内的麦秸之间较密实，其空隙很小、狭长且均匀分布，不存在较大的空气层，空隙间的对流换热很小，其影响可以忽略不计。在自然温度下的农作物秸秆再生砖，虽然内外表面存在温差，但是内部温差较小，辐射导热的影响也很小。由此可知，农作物秸秆再生砖的传热过程主要是热传导模式。当热量传递的时候，空隙间大量空气流动性差，使得热量难以通过空气传递，其传热以空气导热为主，具有良好的绝热特性，因此农作物秸秆再生保温砖的保温效果明显。

目前，常用的墙体材料基本导热系数如表11所示。

表11-常用墙体材料导热系数

通过与表11比较分析得出，农作物秸秆再生保温砖的导热系数小于加气混凝土、钢筋混凝土、蒸压粉煤灰砖砌体等墙体材料，而普通混凝土和普通砖内部结构有孔隙且贯通，空气流动性大，热量可以通过空气传递出去，使得温度迅速降低。因此，在砖中加入定量的秸秆，能够很好的提高砖的保温隔热效果。

(8)农作物秸秆再生保温砖经济性及社会效益分析

表12-不同墙体材料热阻(含保温层)

由表12可知，农作物秸秆再生保温砖传热阻比其他墙体材料热阻大很多，其保温隔热功能强。因此，其功能价格就相对较低，该墙体材料更经济。

若在农作物秸秆再生保温砖上涂抹一层普通型的水泥基复合保温砂浆，对比常用的挤塑聚苯板(XPS)和聚氨酯等保温材料，如表13所示。

表13-不同保温材料热阻

由表13可可知，在农作物秸秆再生保温砖上涂抹一层普通型的水泥基复合保温砂浆，比常用的挤塑聚苯板(XPS)和聚氨酯等保温材料的热阻大，其保温隔热功能强，功能价格就相对较低，该墙体材料更经济。根据试验调查，农作物秸秆再生保温砖砌墙后抹一层保温砂浆，比聚苯板的保温造价每平方低35元左右，同时XPS和聚氨酯的使用寿命为25年，保温砂浆的寿命可达70以上与建筑物寿命同步。

综上，根据《砌墙砖试验方法》(GBT 2542-2012)分别测定了抗压强度，抗折强度、冻融性能、含水率、吸水率、饱和系数等物理力学性能，通过试验分析可以得出：三种配合比农作物秸秆再生保温砖基本满足《烧结保温砖和保温砌块》(GB 26538-2011)的要求；通过冻融试验，三种配合比农作物秸秆再生保温砖的质量损失率和抗压强度损失率均能符合标准的规定；吸水率和饱和系数符合《烧结保温砖和保温砌块》(GB 26538-2011)的要求；干燥收缩值虽然较高，但是《烧结保温砖和保温砌块》(GB 26538-2011)中并未对其有所规定。因此，农作物秸秆再生保温砖基本符合《烧结保温砖和保温砌块》(GB26538-2011)中的各项规定，应用于工程上是基本可行的。

Claims (8)

1.一种农作物秸秆再生保温砖，其特征在于，由以下重量份数的原料制成，农作物秸秆20～25份，化学添加剂0.2～0.5份，骨料90～180份，水60～80份，以及水泥，其中，水灰比0.6～0.8。

2.根据权利要求1所述的农作物秸秆再生保温砖，其特征在于，由以下重量份数的原料制成，小麦秸秆24份，化学添加剂0.34份，骨料180份，水80份，水灰比0.8。

3.根据权利要求1或2所述的农作物秸秆再生保温砖，其特征在于，所述农作物秸秆选自长度为10～20mm的小麦秸秆。

4.根据权利要求1或2所述的农作物秸秆再生保温砖，其特征在于，所述化学添加剂是由硼酚、混合硼砂和五氯酚钠按照质量比为1:1.5配制而成。

5.根据权利要求1或2所述的农作物秸秆再生保温砖，其特征在于，所述骨料选自河砂或河砂和石粉的混合物。

6.根据权利要求5所述的农作物秸秆再生保温砖，其特征在于，所述河沙选自平均粒径为0.25mm以下的细砂，平均粒径为0.25～0.35mm的中砂或平均粒径为0.5mm以上的粗砂。

7.根据权利要求1或2所述的农作物秸秆再生保温砖，其特征在于，所述水泥为复合硅酸盐水泥。

8.一种如权利要求1～7之一所述的农作物秸秆再生保温砖的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)粉碎：将晾晒后的小麦秸秆粉碎成长度为10～20mm；

(2)和料：先将粉碎的小麦秸秆、化学添加剂和水按顺序和剂量加入搅拌机，搅拌5～8min，再加入水泥、骨料搅拌10～15min；

(3)成型、养护：将步骤(2)中搅拌均匀的料浆加入到制砖模具中振动成型，待成型8～10h后拆模，在自然条件下养护25～28天，即成。