吳薇 田立娟 韓誠武 郭勇 薛春梅 張躍華

摘要 [目的]研究稻草磚整體力學(xué)性能以及阻燃性能，確定綜合性價比適合的工藝條件。[方法] 以黑龍江稻草秸稈為原料，采用正交試驗設(shè)計方法，研究北方民居改性阻燃防腐強化稻草磚工藝參數(shù)，包括硅酸鈉水溶液、硅酸鹽水泥、無水硫酸鈣、工業(yè)硫酸銅添加量對該稻草磚的性能影響，并進行力學(xué)性質(zhì)與阻燃性的測試。[結(jié)果]改性阻燃稻草磚最優(yōu)化工藝條件為：硅酸鈉水溶液添加量為3.6%，硅酸鹽水泥添加量為16%，無水硫酸鈣添加量為5.0%，硫酸銅添加量為4%，在實際操作工藝中，硫酸銅的添加量可以降低為2%，這樣既可以降低成本，又可以降低對環(huán)境污染的壓力。 [結(jié)論]研究可為改性阻燃強化稻草磚這種新型墻體材料在我國北方農(nóng)戶中推廣使用提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 稻草磚;去硅化;靜曲強度;防火性

中圖分類號 S216.2;TU528.0 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A ?文章編號 0517-6611（2015）03-206-03

Study on Technique of Using Modification and Fire Retardant to Enhance Straw Brick in Northern China

WU Wei¹， TIAN Lijuan¹， HAN Chengwu¹， ZHANG Yuehua²，3* et al

（1. College of Life Science， Jiamusi University， Jiamusi， Heilongjiang 154007; 2. College of Science， Jiamusi University， Jiamusi， Heilongjiang 154007; 3. Institute of Applied Microorganism， Jiamusi University， Jiamusi， Heilongjiang 154007）

Abstract [Objective] To study the overall mechanical properties of rice straw brick and fire retardant properties， determine optimal technique conditions. [Method] With Heilongjiang rice straw as raw material， using orthogonal test desigm method， parameters of using modified fire retardant to enhance rice straw brick in northern China were studied， including effects of sodium silicate aqueous solution， portland cement， anhydrous calcium sulfate， industrial copper sulfate dosage on performance of straw brick， mechanical properties and fire retardant property was determined. [Result] The optimal conditions are： sodium silicate aqueous solution 3.6%， portland cement 16%， anhydrous calcium sulfate 5.0%， copper sulfate 4%. In practical operation， 2% copper sulfate not only reduce cost， but also reduce the pressure of environment pollution. [Conclusion] The study can provide reference basis for extension of modified fire retardant enhancing straw brick in farmers of northern China.

Key words Straw bricks; Go silicified; MOR; Fire retardant

基金項目 黑龍江省佳木斯大學(xué)科技研究項目重點課題（sz2009011）。

作者簡介 吳薇（1981- ），女，山東菏澤人，講師，從事應(yīng)用微生物學(xué)研究。*通訊作者，副教授，博士，從事應(yīng)用微生物學(xué)研究。

收稿日期 20141120

以黑龍江稻草等農(nóng)業(yè)廢棄物的綜合利用及發(fā)展生態(tài)建筑為研發(fā)背景，針對在稻草磚推廣中稻草磚房所常見一些難題，如在墻體的底層返潮霉變、防火性能欠佳、墻體易于變形、時間長出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致墻體結(jié)構(gòu)提前失效等;以未加處理的稻草磚為研究目標(biāo)，探究其吸濕規(guī)律;以改性阻燃稻草磚為研究對象，對稻草磚的2 h吸水厚度膨脹率（2HTS）、靜曲強度（MOR）、內(nèi)結(jié)合強度（IB）和彈性模量（MOE）進行測定，并對稻草磚阻燃性能進行檢測。同時，根據(jù)以往的研究結(jié)果，以新型墻體材料稻草磚的優(yōu)勢為研究熱點，考察東北高寒地區(qū)應(yīng)用稻草磚構(gòu)建農(nóng)村節(jié)能生態(tài)住宅。我國作為具有高度農(nóng)業(yè)化的農(nóng)業(yè)大國，每年廢棄的農(nóng)作物秸稈類物質(zhì)可達(dá)到10億t，其中70%為稻草和麥稈^[1]。由于我國提出保護耕地措施始于20世紀(jì)90年代，本著保護環(huán)境、熱愛環(huán)境、建立節(jié)約型社會，節(jié)約能源的初衷，推動綠色環(huán)保的墻材推廣^[2]，將常規(guī)稻草磚用防菌劑處理，從而克服了當(dāng)雨水侵入時，使發(fā)腐、發(fā)霉的稻草磚承壓強度降低，稻草磚填充墻體時由于彈性模量小，強度不足，導(dǎo)致墻體經(jīng)常出現(xiàn)裂縫，受到雨水的噴濺，誘發(fā)微生物滋生等問題;既解決了墻體等部位的潮濕問題，又使改性稻草磚整體機械性能有效提高^[3]。推廣使用改性阻燃強化稻草磚這種新型墻體材料，可以大幅度地節(jié)約土地資源、減少煤炭的消耗，因而可以保護環(huán)境資源，對我國農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義^[4]。

1 材料與方法

1.1 材料

選取自黑龍江省綏濱縣北崗隔年稻草原材料，經(jīng)過自然風(fēng)干干燥，含水量經(jīng)過測定在14%～23%。利用哈爾濱船舶機械廠生產(chǎn)的B100型稻草打包機將稻草秸稈經(jīng)疊放整齊加壓成型后，用規(guī)格為12號鍍鋅鐵絲緊緊捆綁，其規(guī)格分別為長度60、70、80和90 cm、高度均為36 cm、厚度均為45 cm，重量為20～36 kg的稻草磚塊，成品稻草磚承重壓力約為1 900 kg/m²，密度為300～340 kg/m³，備用。

無水硫酸鈣：市售，原產(chǎn)地為安徽省馬鞍山市;325號水泥，制造商為黑龍江省樺南縣東方水泥廠;硅酸鈉水溶液，原產(chǎn)地為遼寧省海城市大橋村，工業(yè)硫酸銅，原產(chǎn)地為遼寧省沈陽市雙葉化工有限公司;其他輔料均為市售。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計。

硅酸鈉水溶液、325號水泥、無水硫酸鈣和工業(yè)硫酸銅的添加量由預(yù)試驗的結(jié)果確定施加范圍;試驗中各個因素均采用L₉（3⁴）正交試驗法進行試驗，因素水平設(shè)計見表1，試驗設(shè)計中每組試驗均重復(fù)5次。

1.2.2 試驗工藝流程。

試驗稻草磚樣品的密度為300～340 kg/m³，按照預(yù)備試驗數(shù)據(jù)設(shè)計;無水硫酸鈣∶市售325號水泥∶硅酸鈉水溶液和工業(yè)硫酸銅以不同配比成糊漿，利用模具將稻草磚外層固定，使混合糊漿將稻草磚塊表面涂覆一層外罩，硬化、干燥后，依據(jù)試驗現(xiàn)場環(huán)境溫度，確定固化數(shù)天，然后進行裁邊、修整。有關(guān)稻草磚力學(xué)性能的測試標(biāo)準(zhǔn)，參照GB/T4897.3標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定進行，試驗共選取4個相關(guān)因子試驗，因素如下：稻草磚2 h時內(nèi)吸水體積膨脹率（2HTS）、靜曲強度（MOR）、稻草磚內(nèi)結(jié)合強度（IB）以及稻草磚彈性模量（MOE）共4個指標(biāo)進行測定。

依據(jù)試驗以及行業(yè)要求，稻草磚阻燃性能檢測標(biāo)準(zhǔn)參照ISO566020025進行;采用錐形量熱儀等測試方法進行熱釋放量的檢測;依據(jù)稻草磚樣品的受熱釋放熱的速率接近值（pkHRR）、稻草磚加熱后熱釋放峰值出現(xiàn)時間的測量（peak time，PT）、初燃時間（Beginning of burning time，EBT）來評價改性阻燃稻草磚各個添加成分組合的阻燃效果。為了使試驗時外加熱源溫度更接近實際工況條件下火情現(xiàn)場溫度工況^[3]，可以調(diào)整錐形量熱儀的平均熱輻射功率輸出，使其輻射范圍在30～50 kW/m²，與之相對應(yīng)的是對稻草磚樣品相應(yīng)的輻射溫度為750～790 ℃。

表1 正交試驗因素水平

%

水平因素硅酸鈉比例 混凝土比例無水硫酸鈣比例

1284

2377

34610

2 結(jié)果與分析

2.1 稻草磚樣品2 h吸水厚度膨脹率（2HTS）

由圖1（a）可見，隨著硅酸鈉水溶液（SSS），水泥（UF）和無水硫酸鈣（FR）添加劑量的增加，稻草磚2 h吸水膨脹率（2HTS）平均值呈現(xiàn)先上升而后呈下降的曲線趨勢。在數(shù)據(jù)變化的趨勢中，影響最為顯著的添加劑（SSS）是對樣品稻草磚2HTS影響的平均值。當(dāng)SSS添加量由1%提高至4%時，其稻草磚2HTS吸水膨脹率平均值較SSS添加量為3.2%時，同標(biāo)準(zhǔn)值相比降低了39.9%～42.1%。其余添加劑在預(yù)試驗中對稻草磚的吸水膨脹率影響值較小，因此忽略不計。

2.2 靜曲強度（MOR）

由圖1（b）可以看出，隨著添加劑硅酸鈉水溶液（SSS）添加劑量比例的逐步增加，稻草磚靜曲強度（MOR）平均值呈明顯上升趨勢。其原因是：硅酸鈉水溶液中游離NCO離子官能團的數(shù)量增加，導(dǎo)致其與稻草磚中相互接觸的纖維表面之間膠合時的膠合點同步增加，因此提高了稻草磚纖維間的結(jié)合力;添加劑水泥添加量的增加，稻草磚MOR的平均值呈現(xiàn)先低后高、再降低的趨勢，其原因是由于添加劑中金屬離子存在，阻礙了稻草纖維之間的有硅酸鈉水溶液膠合稻草纖維間聯(lián)接力，從而使稻草纖維之間的聯(lián)接力被弱化，同時由于添加劑中某些金屬鹽等形成化合物絡(luò)

圖1 各個處理對樣品力學(xué)性能平均值指標(biāo)的影響

合水化物，導(dǎo)致預(yù)混料中結(jié)合的硅酸鈉水溶液提前凝結(jié)，對稻草磚的靜曲強度產(chǎn)生下降作用。

2.3 內(nèi)結(jié)合強度（IB）

由圖1（c）可知，添加劑硅酸鈉水溶液（SSS）比例達(dá)到2.2%時，樣品稻草磚內(nèi)結(jié)合強度（IB）達(dá)到0.36 MPa，沒有達(dá)到國標(biāo)GB/T 4897.3-2003的要求;當(dāng)添加劑SSS的添加比值由2.2%提高至3.0%時，稻草磚IB平均值又開始提高;而當(dāng)SSS添加劑的添加量達(dá)到4.0%時，稻草磚的IB平均值達(dá)到0.53 MPa。添加劑無水硫酸鈣水溶液的劑量對稻草磚內(nèi)結(jié)合強度提高影響可以忽略不計。隨著FR添加量的增加，稻草磚IB平均值呈現(xiàn)開始為上升趨勢，而隨著劑量的增加，IB值呈現(xiàn)下降的趨勢。

硅酸鈉水溶液添加量是決定稻草磚內(nèi)結(jié)合強度的主要因素。硅酸鈉水溶液的加入量增加了稻草纖維間的膠合機率，導(dǎo)致稻草纖維間的結(jié)合概率增加，從而使纖維膠合性能顯著改善。由表2可見，各工藝因子對稻草磚IB的影響順序為：SSS>FR>UF。

表2 方差分析結(jié)果

因素

彈性模量FSig

靜曲強度FSig

內(nèi)結(jié)合強度FSig

吸水膨脹率FSig

初燃時間FSig

放熱峰值FSig

SSS25.9870.03711.2300.08120.0130.05448.2320.0200.6340.6121.8600.356

UF6.6170.1290.2320.8161.5980.0412.0100.3380.0760.9300.5730.635

FR26.0120.0367.1120.1265.3010.1599.9800.0920.056 40.6410.1340.876

2.4 彈性模量（MOE）

依據(jù)圖1中所示結(jié)果歸納如下：同其他配方相比，添加4%硅酸鈉水溶液（SSS）的稻草磚的彈性模量平均值達(dá)0.399 MPa，其形成機理是添加劑硅酸鈉溶液會在水環(huán)境中電離，pH明顯升高，破壞了稻草纖維表面的蠟質(zhì)，致使稻草莖稈間的膠合能力顯著增加^[4]。當(dāng)添加劑FR添加劑量從4.5%增加到8.1%時，樣品稻草磚的彈性模量的變化呈現(xiàn)上升勢頭，并當(dāng)添加劑劑量達(dá)到7%，呈現(xiàn)平臺期;當(dāng)FR添加量繼續(xù)增加，直至到11%，彈性模量呈現(xiàn)顯著下降趨勢。原因是其金屬離子部分電離，H+濃度上升，導(dǎo)致纖維間結(jié)合強度降低，從宏觀表現(xiàn)上也可以觀察到稻草磚的膠合強度顯著降低^[5]。

在試驗中可以觀察到，隨著硅酸鈉水溶液添加量的增加，稻草磚中鄰近纖維之間的膠合點隨之逐漸增多，因而導(dǎo)致稻草磚靜曲強度和內(nèi)結(jié)合強度得到顯著提升，同時既降低了稻草磚的2 h吸水厚度膨脹率，又促使稻草磚的外在幾何尺寸的穩(wěn)定性得到了增加。

圖2 不同添加劑處理對稻草磚樣品的阻燃性能影響

2.5 阻燃參數(shù)試驗

由圖2（a）、圖2（c）可見，試驗樣品稻草磚的熱釋放曲線中，峰值出現(xiàn)的時間（peak time）以及稻草磚樣品明火燃燒開始時間（TTI）同硅酸鈉水溶液（SSS）添加劑量呈正相關(guān)，試驗樣品熱釋最高閾值（峰值）（peak time）的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)為先增長后下降的趨勢。添加劑硅酸鈉水溶液（SSS）添加量比例為總量的3.4%時，燃燒熱熱釋放峰值出現(xiàn)在24.0 s，明火出現(xiàn)時間在36.6 s。添加劑UF和FR添加量的增加和稻草磚熱釋放峰值出現(xiàn)時間、明火點燃時間的平均水平均呈先緩慢提高而后到平臺期，最后顯著下降趨勢。優(yōu)化的工藝參數(shù)為：SSS硅酸鈉水溶液添加量為4%，水泥添加量為17%，F(xiàn)R添加量為10%。

2.6 優(yōu)化工藝條件的討論

該研究的最終目的是將改性稻草磚的吸水厚度膨脹率（2HTS）、靜曲強度（MOR）、內(nèi)結(jié)合強度（IB）、彈性模量（MOE）、阻燃性能等指標(biāo)綜合考量，還要兼顧各種添加劑的市場價格，以及未來稻草磚報廢后對環(huán)境影響的壓力等諸多因素。從阻燃性能的角度來考量，應(yīng)該選擇的點火時間和峰值熱釋放時間長，峰值熱釋放速率較低的工藝條件。基于以上試驗數(shù)據(jù)以及綜合因素，以及現(xiàn)場施工工藝的操作性需求，在滿足稻草磚各項性能的綜合的基礎(chǔ)上，選擇添加劑硅酸鈉水溶液（SSS）添加量為3.6%，水泥添加量為16%，無水硫酸鈣（UF）添加量為5.0%，阻燃抗菌添加量硫酸銅（FR）為4%的工藝條件為經(jīng)濟、可行的優(yōu)化配方工藝。

3 結(jié)論

采用堿性硅酸鈉溶液對稻草表面進行硅化處理，對改善稻草磚同硅酸鈉水溶液的膠合性能有顯著作用，并能提高其硬化強度、扭曲強度。

SSS硅酸鈉水溶液添加量對稻草磚MOE、MOR、IB、2HTS有顯著影響，而UF和FR對該4項性能的影響較小。隨著SSS硅酸鈉水溶液添加量的增加，稻草磚MOE、MOR、IB平均值顯著提高。

FR添加劑的加入劑量的增加，導(dǎo)致稻草磚的峰值熱釋放速率的平均值降低，這是由于添加劑組分的存在降低了秸稈的熱釋放速率。

綜合中試結(jié)果，改性阻燃稻草磚最優(yōu)化工藝條件為：硅酸鈉水溶液添加量為3.6%，硅酸鹽水泥添加量為16%，無水硫酸鈣添加量為5.0%，F(xiàn)R硫酸銅添加量為4%。在實際操作工藝中，硫酸銅添加量可降為2%，這樣既可降低成本，又可減少對環(huán)境的污染。

作為一種新型綠色環(huán)保秸稈磚，該墻體材料具有以下特點：可有效保護自然資源，對環(huán)境污染影響較小，可減少碳排放量;阻燃改性稻草磚具有重量輕，良好的抗扭強度，有一定的耐沖擊性和耐火性，調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，無放射性等優(yōu)點^[8]。生產(chǎn)改性阻燃稻草磚可以回收再利用農(nóng)業(yè)廢棄物，有效地保護了環(huán)境，完全具備綠色墻體材料的特點，是未來的墻體材料發(fā)展的主要方向，滿足社會發(fā)展，建設(shè)能源節(jié)約型社會的需求^[7]，對探索農(nóng)村循環(huán)經(jīng)濟，可持續(xù)的發(fā)展模式，都具有非常顯著的影響^[8]。同時，采用秸稈作為一種新型綠色環(huán)保建材，也是人類回歸自然，保護環(huán)境，探索人類進入良性循環(huán)的有益探索。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2015年

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