農(nóng)作物秸稈在工程建設(shè)中的應(yīng)用研究

楊 銳, 葉 枝, 孫鵬軒, 張婉婷

(1.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,安徽 合肥 230051;2.安徽省七星工程測(cè)試有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)作物收獲果實(shí)后的剩余物,常見的有棉花秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、水稻秸稈等。作為農(nóng)業(yè)大國(guó),我國(guó)的農(nóng)作物秸稈資源非常豐富,通常情況下,農(nóng)作物秸稈除了被加工成飼料喂養(yǎng)牲畜,大部分都被粉碎還田或者直接焚燒掉[1],既浪費(fèi)資源,又污染環(huán)境。

農(nóng)作物秸稈作為一種綠色產(chǎn)品,是不可多得的天然資源,因此只要利用好,就能變廢為寶,達(dá)到節(jié)能減排的效果。同時(shí)農(nóng)作物秸稈作為一種次要的剩余物,價(jià)格低廉,因此,對(duì)其加以利用后會(huì)降低產(chǎn)品或材料的成本,經(jīng)濟(jì)節(jié)約,發(fā)展持續(xù),對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要的意義。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)作物秸稈中的纖維含量很高,因此,可以將農(nóng)作物秸稈代替鋼筋、土工織物等作為一種加筋材料。例如,用秸稈作為抗拉材料來(lái)固化土體,可以起到加筋的作用,進(jìn)而提高土體的抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及其上構(gòu)造物的穩(wěn)定性;將農(nóng)作物秸稈在混凝土中雜亂分布,當(dāng)混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí),雜亂分布的纖維就會(huì)阻止裂縫擴(kuò)大。

1 農(nóng)作物秸稈應(yīng)用于工程建設(shè)中的優(yōu)點(diǎn)

如何合理、有效地利用秸稈,減少資源浪費(fèi),降低環(huán)境污染,是各行各業(yè)義不容辭的責(zé)任。近幾年,農(nóng)作物秸稈在工程建設(shè)領(lǐng)域的利用也越來(lái)越廣泛,主要是因?yàn)檗r(nóng)作物秸稈應(yīng)用于工程建設(shè)中時(shí)有以下優(yōu)點(diǎn)。

1.1 資源豐富、可以再生

近年來(lái),我國(guó)農(nóng)作物種植總面積呈逐年增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),2021年約為25.3億畝。因此,農(nóng)作物秸稈的來(lái)源非常廣泛,常見的農(nóng)作物秸稈有棉花秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈、水稻秸稈等。另外,農(nóng)作物每年都會(huì)種植,有的作物甚至一年種植多季,因此,農(nóng)作物秸稈年年都有,屬于可再生資源,并且對(duì)環(huán)境友好,屬于綠色資源。如果農(nóng)作物秸稈可以大量用于工程建設(shè)中,勢(shì)必能提高秸稈資源的利用效率,減少焚燒量,進(jìn)而起到保護(hù)生態(tài)環(huán)境的作用。

1.2 變廢為寶、降低成本

隨著農(nóng)村能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的調(diào)整,開始出現(xiàn)大量過(guò)剩的秸稈,農(nóng)民為處理這些秸稈,通常采用焚燒的方式,嚴(yán)重污染大氣環(huán)境。為此,政府部門雖然大力宣傳環(huán)保政策,并出臺(tái)相應(yīng)的禁燒獎(jiǎng)勵(lì)措施,但收效甚微,違規(guī)焚燒的現(xiàn)象仍然屢禁不止。如果將農(nóng)作物秸稈用于工程建設(shè)中,相當(dāng)于將廢棄物變成了一種建筑材料,而且成本低廉,進(jìn)而會(huì)降低整個(gè)工程的造價(jià)。

1.3 富含纖維、抗拉防裂

農(nóng)作物秸稈中富含纖維,而且是一種天然纖維。小麥秸稈等農(nóng)作物秸稈的纖維素含量見表1。當(dāng)棉秸稈含水率在20%～40%時(shí),其抗拉強(qiáng)度隨含水率的增大而增大,抗拉強(qiáng)度值集中在26.5 MPa[3];楊北方等[4]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)小麥秸稈的抗拉強(qiáng)度約為20 MPa,見表2。將農(nóng)作物秸稈應(yīng)用于土體中可以起到加筋作用;又因其纖維結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)密集絲絮狀,將其應(yīng)用于建筑工程中可以提高抗震性,也可以減少墻體開裂。[5]

表1 秸稈纖維的化學(xué)組成[2]

表2 麥秸稈拉伸試驗(yàn)表[4]

1.4 輕質(zhì)高強(qiáng)、保溫隔音

農(nóng)作物秸稈內(nèi)部呈空心管狀,與傳統(tǒng)的混凝土、石、磚相比,自重較輕。同時(shí)農(nóng)作物秸稈的熱阻值很高,例如稻草纖維墻體的熱阻值約為普通砌體墻體的28倍,因此使用稻草纖維墻體可以提升建筑的保溫效果。同時(shí),在保溫效果同樣的時(shí)候,稻草纖維墻體又比普通墻體自重小,農(nóng)作物秸稈還能削弱其震動(dòng)效果的作用,其隔音效果更強(qiáng),因此,稻草纖維墻體建筑居住舒適性更佳。農(nóng)作物秸稈將會(huì)成為未來(lái)高強(qiáng)輕質(zhì)混凝土的新型添加劑[5]。

2 農(nóng)作物秸稈在建筑工程中的應(yīng)用

2.1 秸稈草磚

從20世紀(jì)90年代開始,我國(guó)就開始了對(duì)農(nóng)作物秸稈草磚的研究。因其保溫性能好,冬天以農(nóng)作物秸稈草磚墻體建造的房屋的能源效率比普通建筑高約70%,采暖費(fèi)比普通建筑減少了50%[5]。

唐小寶等[6]研制了一種可填充墻體的新型草磚,其與防火材料結(jié)合良好,而且可恢復(fù)能力強(qiáng),抗震性能好。楊青松等[7]用玉米秸稈為主要原材料制作草磚并在華北地區(qū)建造了草磚房,因?yàn)椴荽u房沒(méi)有形成規(guī)模,建設(shè)成本高4.4%,但是草磚房傳熱慢,保溫隔熱性能好。

農(nóng)作物秸稈草磚房屋結(jié)構(gòu)形式主要有承重型、非承重型及混合型3種,見表3。

表3 秸稈草磚房屋結(jié)構(gòu)形式分類[7]

2.2 秸稈纖維混凝土

秸稈纖維混凝土就是將秸稈纖維摻入混凝土中制成的建筑材料。農(nóng)作物秸稈中的纖維具有良好的韌性和拉伸性,且在混凝土中雜亂分布,因此,當(dāng)混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí),雜亂分布的纖維就會(huì)改善混凝土中的力場(chǎng)分布,阻止裂縫擴(kuò)大。同時(shí)秸稈纖維的成本低,因此利用秸稈纖維混凝土可以降低工程造價(jià)。谷悅等[8]研究了油菜秸稈纖維混凝土的抗凍性能,結(jié)果表明,當(dāng)油菜秸稈纖維長(zhǎng)度為15～20 mm、體積摻量為0.2%時(shí),混凝土的抗凍性能最佳,并研究了油菜秸稈纖維混凝土的使用壽命。曾哲等[9]研究了油菜秸稈纖維混凝土的保溫性能,結(jié)果表明,油菜秸稈摻入量越大,導(dǎo)熱系數(shù)越小,保溫性能越好。張文俊等[10]研究了油菜秸稈纖維混凝土的抗碳化性能,結(jié)果表明,摻入秸稈后,水泥漿體的內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了變化,使得混凝土的碳化深度減小,抗碳化性能提高。秸稈纖維混凝土作為一種新型墻體結(jié)構(gòu),其抗碳化性能、抗裂性能、保溫性能等都得到了提高。

2.3 秸稈混凝土砌塊

蘇有文等[11]設(shè)計(jì)了一種空心率為25%的秸稈混凝土空心塊,該種空心塊與普通的混凝土空心塊相比,摻加6%水稻秸稈的空心塊導(dǎo)熱系數(shù)降低71%,且摻絲狀水稻秸稈的空心塊保溫隔熱性能優(yōu)于摻桿狀水稻秸稈的空心塊。木合塔扎爾白克·蘇力唐等[12]研究了摻和麥秸稈、粗砂的立方體土坯試件的受壓破壞規(guī)律,得到了最優(yōu)強(qiáng)度的改性材料摻和體積比。

除此之外,還有不少關(guān)于秸稈灰混凝土的研究,比如將適量的小麥秸稈灰摻入混凝土中,可以提高其早期強(qiáng)度;將不超過(guò)5%的油菜秸稈灰摻入混凝土中,混凝土的抗拉性能基本不變。[13]

3 農(nóng)作物秸稈在巖土工程中的應(yīng)用

3.1 在地基加固方面的應(yīng)用

鹽漬土是鹽土、鹽化土、堿土及堿化土壤的統(tǒng)稱。鹽漬土地基的鹽脹性、溶陷性及腐蝕性等會(huì)對(duì)工程造成危害,因此要對(duì)鹽漬土地基進(jìn)行處置,以提高地基承載力。隨著沿海地區(qū)的大開發(fā),地基處理及加固技術(shù)變得尤為重要,特別是濱海鹽漬土、軟土等。我國(guó)有大量的農(nóng)作物的廢棄物,如油菜秸稈、棉花秸稈、小麥秸稈、水稻秸稈等,已經(jīng)有很多學(xué)者將農(nóng)作物秸稈作為加筋材料用于地基加固,并取得了相應(yīng)成果。相關(guān)研究表明,因水稻秸稈、玉米秸稈等中具有和硬木材相似的化學(xué)成分,用于工程建設(shè)后可減少硬木消耗。在地基土體中加入農(nóng)作物秸稈后,其抗剪強(qiáng)度明顯提高。如果先將小麥秸稈用氫氧化鈉溶液進(jìn)行預(yù)處理,然后用于加固濱海鹽漬土,可以很好地改良鹽漬土堿性,并使土體的承載力大幅度提高。[14]

除此之外,G.A.Sano,C.Franco等[15]用菠蘿纖維作顆粒土的增強(qiáng)劑,研究后發(fā)現(xiàn),用菠蘿纖維加筋的土體強(qiáng)度比原狀土有所提高。

3.2 在基坑支護(hù)方面的應(yīng)用

基坑支護(hù)的目的是保證基坑周邊環(huán)境的安全及地下結(jié)構(gòu)物正常施工。在基坑支護(hù)工程中,大多數(shù)情況下會(huì)使用鋼筋錨桿,但是在地下結(jié)構(gòu)物施工結(jié)束后,鋼筋錨桿會(huì)被回填土掩埋,造成資源浪費(fèi),提高施工成本。因此,于一凡等[16]提出了竹筋錨拉板樁墻基坑臨時(shí)支護(hù)的新技術(shù),通過(guò)軟件分析發(fā)現(xiàn),竹筋的存在可以保證板樁墻的自立穩(wěn)定性。陳家冬等[17]分析了竹筋噴錨技術(shù)的設(shè)計(jì)、施工、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造技術(shù),并進(jìn)行了工程實(shí)例驗(yàn)證,結(jié)果表明,竹筋噴錨技術(shù)可以降低施工成本,充分利用天然資源。除此之外,其他學(xué)者也研究了竹筋土釘墻在軟土地區(qū)基坑支護(hù)中的應(yīng)用技術(shù)[18]。

4 農(nóng)作物秸稈在道路工程中的應(yīng)用

4.1 在路基中的應(yīng)用

對(duì)于路基土體,Mahipal Singh等[19]分別對(duì)椰子殼纖維加固路基粉質(zhì)砂土與人造纖維加固路基粉質(zhì)砂土進(jìn)行了試驗(yàn)研究及對(duì)比分析,結(jié)果表明,用椰子殼纖維加固的路基粉質(zhì)砂土抗壓強(qiáng)度比人造纖維加固的土體抗壓強(qiáng)度更高。因此,椰子殼纖維用來(lái)加固地基,可以減少路基變形。王劍燁[20]采用玄武巖纖維和玉米秸稈纖維對(duì)京臺(tái)高速某路段的路基粉土進(jìn)行土質(zhì)改良,通過(guò)對(duì)纖維基本物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)試和對(duì)纖維加筋土的三軸抗剪強(qiáng)度試驗(yàn),研究了纖維長(zhǎng)度、摻量等對(duì)土體強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變特性的影響。研究結(jié)果表明,玉米秸稈加筋后的粉土與素土相比,黏聚力增幅為100%,三軸剪切破壞形態(tài)較為完整,與素土的斜截面破壞不同。同時(shí),通過(guò)三軸試驗(yàn)得到摻加玉米秸稈纖維的最佳長(zhǎng)度為2 cm,最佳摻量為2%。

4.2 在邊坡中的應(yīng)用

對(duì)于路基邊坡,如果邊坡穩(wěn)定性較差,那么當(dāng)其受到外荷載作用導(dǎo)致下滑力增大超過(guò)抗滑力后,邊坡就會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞,主要表現(xiàn)為整體剪切滑移。為了保持邊坡的穩(wěn)定狀態(tài),通常的做法是提高邊坡土體的抗剪強(qiáng)度,將農(nóng)作物秸稈作為筋材加入土體中就可以達(dá)到這個(gè)目的。李龍[21]在研究稻草加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,還制作了邊坡模型并進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,當(dāng)荷載不斷增大時(shí),稻草加筋土邊坡位移小于素土邊坡位移,加筋土能夠提高土體強(qiáng)度,很好地抵抗土體變形,增加邊坡的整體穩(wěn)定性。李騫等[22]為有效解決高寒地區(qū)開挖邊坡凍融侵蝕嚴(yán)重、生態(tài)修復(fù)等難題,測(cè)試了不同摻量的秸稈纖維加筋固化土的滲透性、抗剪強(qiáng)度和抗凍融性等,結(jié)果表明,加入改性材料和秸稈纖維后,降低了土體滲透性,增加了土體的黏聚力,內(nèi)摩擦角基本保持不變。也有學(xué)者將秸稈編織物用于河流護(hù)岸,用于防止邊坡的沖刷[23]。由此可見,將農(nóng)作物秸稈用于路基邊坡中是可行的。

4.3 在路面中的應(yīng)用

對(duì)于路面結(jié)構(gòu),李承峰[24]研究了秸稈纖維生物瀝青混合料路用性能,將不同含量的秸稈纖維摻入瀝青混合料中,結(jié)果表明,秸稈纖維生物瀝青混合料的高溫路用性能較普通瀝青混合料顯著改善。陳梓寧[25]通過(guò)玉米秸稈纖維吸附瀝青質(zhì)試驗(yàn),分析了不同摻量下玉米秸稈纖維吸附瀝青質(zhì)的能力,以及單位質(zhì)量玉米秸稈纖維對(duì)不同瀝青種類中瀝青質(zhì)的吸附效果。結(jié)合吸附動(dòng)力學(xué)以及吸附等溫線模型,揭示了玉米秸稈纖維吸附瀝青質(zhì)的動(dòng)態(tài)三階段吸附機(jī)制。賴碩榮[26]研究了一種滿足瀝青路面應(yīng)用的改性水稻秸稈纖維,并對(duì)改性前后的纖維微觀形貌、吸濕性、瀝青吸持性能、化學(xué)成分變化和熱穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析,并對(duì)水稻秸稈纖維AC-16 瀝青混合料路用性能和微觀作用機(jī)制進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,改性水稻秸稈纖維可以提升瀝青路面材料力學(xué)性能。由此可見,將來(lái)源廣泛的可再生農(nóng)作物秸稈用于瀝青路面是可行的,不僅能改善瀝青路面的使用性能,還能實(shí)現(xiàn)廢物利用,并有助于生態(tài)環(huán)境保護(hù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展,以農(nóng)作物秸稈為材料的新型建材越來(lái)越受到人們的青睞。農(nóng)作物秸稈作為一種綠色、可再生的環(huán)境友好型資源,其來(lái)源廣泛、隔熱性好、成本低廉、前景廣闊,無(wú)論是在建筑工程的應(yīng)用方面還是巖土工程、道路工程的應(yīng)用方面,都還有很多路要走,還有很多難關(guān)需要攻克。把農(nóng)作物秸稈變廢為寶,不斷改進(jìn)工藝、不斷開發(fā)新材料,是農(nóng)作物秸稈應(yīng)用的重要發(fā)展方向,是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要方向。