楊驍麗 周定國(guó)

輕型木結(jié)構(gòu)是北美常見(jiàn)的房屋建造方式,具有節(jié)能環(huán)保、建造快捷、設(shè)計(jì)靈活、耐久舒適等特點(diǎn),尤其在抗震性能上有其他建筑構(gòu)造形式不可比擬的優(yōu)越性。隨著我國(guó)住宅建筑熱的持續(xù)升溫和汶川大地震的發(fā)生,輕型木結(jié)構(gòu)已成為重點(diǎn)推廣的建筑技術(shù)之一,成為建造別墅和低層住宅的環(huán)保選擇,我國(guó)于2004年也頒布了相應(yīng)的《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》。盡管這種住宅目前在中國(guó)相對(duì)來(lái)說(shuō)價(jià)格要高一些,但其市場(chǎng)已經(jīng)越來(lái)越大。填充在輕型木結(jié)構(gòu)的墻體木骨架中間的隔熱保溫非承重墻體,一般采用聚苯乙烯泡沫塑料或者玻璃纖維棉等難以降解的化工材料制成。同時(shí),農(nóng)作物秸稈這種古老的隔熱保溫墻體材料在我國(guó)每年就地焚燒造成的環(huán)境污染形式嚴(yán)峻,僅靠政府采用強(qiáng)令手段建立法規(guī)來(lái)禁止難以收效?，F(xiàn)行的一些秸稈利用技術(shù)效率低下,經(jīng)濟(jì)效益差,投入產(chǎn)出不合算,目前還是主要依靠國(guó)家政策補(bǔ)貼進(jìn)行推廣[1],因此需要從工業(yè)方式尋找秸稈的出路。由于秸稈自身的可再生、易得、空腔、質(zhì)輕、抗鼠蟻、耐腐蝕等特性,在人類歷史上很早就被用作建筑隔熱保溫材料[2]。如果能發(fā)揮秸稈本身這種優(yōu)異的建筑材料特性,無(wú)疑能為其綜合利用找到一條新的出路,也能為輕型木結(jié)構(gòu)在中國(guó)的推廣鋪墊一條符合中國(guó)實(shí)際情況的道路。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

麥秸來(lái)自南京市郊,為當(dāng)年收割,含水率為12%～14%,其各部位的纖維形態(tài)和化學(xué)成分見(jiàn)表1,表2[3]。

表1 麥秸的纖維形態(tài)

試驗(yàn)用異氰酸酯膠粘劑由中國(guó)林化所試驗(yàn)車間生產(chǎn),為深棕色液體。粘度為450 MPa·s,貯存期為1年～2年,價(jià)格為14元/kg,有效成分為40%。

1.2 試驗(yàn)方法

麥秸稈隔熱保溫墻體的制造工藝如下:

麥秸→切斷成4 cm～6 cm的整稈→料倉(cāng)→施膠→鋪裝→預(yù)壓→熱壓→冷卻→鋸裁→堆放→調(diào)濕→檢驗(yàn)。

根據(jù)2007年加拿大木業(yè)協(xié)會(huì)編寫(xiě)的《中國(guó)輕型木結(jié)構(gòu)房屋建筑施工指南》[4],用于墻骨柱的規(guī)格材尺寸根據(jù)GB 50005木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范,規(guī)格材截面尺寸為寬40 mm×高90 mm或140 mm±2 mm,長(zhǎng)度不超過(guò)4.9 m,木結(jié)構(gòu)墻龍骨柱間距規(guī)范為300 mm,400 mm,500 mm,上限值為 600 mm(如果面板尺寸為 1 220 mm×2 440 mm,該值為610 mm),樓層高度上限值為 3.6 m。因此,秸稈隔熱保溫墻體的厚度均在(90～140)mm±2 mm,寬300 mm,400 mm,500 mm,高上限為3.6 m。

表2 麥秸的化學(xué)成分 %

1.3 分析儀器及測(cè)驗(yàn)條件

導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)定建筑材料保溫隔熱性能的重要指標(biāo),對(duì)于合理選材具有十分重要的意義,因此對(duì)此進(jìn)行測(cè)定是十分必要的。測(cè)定建筑材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法可分為兩大類:穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。兩類方法的各種形式各有特點(diǎn)和適用條件,不同材料根據(jù)自身的特性和使用條件可選用不同的方法測(cè)定。根據(jù)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱原理建立起來(lái)的方法,在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)很成熟。20世紀(jì)80年代末,我國(guó)已參照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)制定了一系列國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在此實(shí)驗(yàn)中導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試采用北京東方奧達(dá)儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的,根據(jù)GB 10295研制的單試樣雙熱流計(jì)式JW-Ⅲ型熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀,采用了智能化的測(cè)量。此儀器使用方便,在測(cè)量中減少了人為帶來(lái)的誤差。

2 結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試結(jié)果分析

由于JW-Ⅲ型熱流計(jì)式導(dǎo)熱儀所能放入的試件厚度最大限為67 mm,按實(shí)際的在輕型木結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的麥秸墻體尺寸制作的樣件,無(wú)法放入儀器設(shè)備內(nèi)進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試。為了更好地研究麥秸墻體的保溫性能,我們制作了兩塊比實(shí)際應(yīng)用的墻體厚度要薄一些,但是能放入儀器中進(jìn)行測(cè)試的樣件,通過(guò)對(duì)這兩塊厚度和密度不同的樣件的導(dǎo)熱性能對(duì)比,推測(cè)在實(shí)際中應(yīng)用麥秸隔熱保溫墻體的導(dǎo)熱性能。樣件A1和A2長(zhǎng)300 mm×寬300 mm,施膠量同為 3%,密度則分別為0.4 kg/m3和0.3 kg/m3,厚度分別為40 mm和60 mm,然后分別對(duì)A1,A2進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)的測(cè)試。測(cè)得結(jié)果見(jiàn)表3,表4。

表3 A1樣件導(dǎo)熱系數(shù)

表4 A2樣件導(dǎo)熱系數(shù)

麥秸隔熱保溫墻體與目前輕型木結(jié)構(gòu)中常用的幾種隔熱保溫墻體材料(GB 10294-88)的熱工性能的對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 熱工性能對(duì)比

導(dǎo)熱系數(shù)是評(píng)定建筑材料保溫隔熱性能的重要指標(biāo),導(dǎo)熱系數(shù)越小,材料的保溫隔熱性能越好。通常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0.23 W/(m·K)的材料稱為絕熱材料。把表3,表 4進(jìn)行比較,可以得出結(jié)論:密度為0.3 g/cm3,厚度為6 cm的麥秸墻體比密度為0.4 g/cm3,厚度為4 cm的稻草板保溫性能要好。由表5可見(jiàn),麥秸隔熱保溫墻體性能可以與國(guó)標(biāo)常用外墻隔熱保溫墻體媲美,是一種輕質(zhì)的保溫材料。

2.2 秸稈隔熱保溫墻體的工藝特點(diǎn)及影響因素

本研究采用平壓法制造秸稈隔熱保溫墻體,首先對(duì)收購(gòu)來(lái)的麥秸進(jìn)行含水率的調(diào)整,用切草機(jī)將其加工成40 mm～60 mm長(zhǎng)的秸稈單元,同時(shí)去除較細(xì)的碎料和塵土,加工后的麥秸被送至料倉(cāng)貯存,以保證前后工序的銜接和一些工藝參數(shù)的調(diào)整。從料倉(cāng)出來(lái)的麥秸送入拌膠機(jī)中進(jìn)行施膠,由于麥秸的表面有層蠟狀物,為此選用異氰酸酯膠粘劑。施膠后的麥秸放入?？蜻M(jìn)行鋪裝,將脫模墊紙放于板坯的上下表面,鋪裝完后放入熱壓機(jī)預(yù)壓,以增加其初強(qiáng)度及表面強(qiáng)度,然后放入高頻壓機(jī)進(jìn)行第二次平壓,加強(qiáng)板坯芯部膠層固化。

在麥秸隔熱保溫墻體的制作過(guò)程中,熱壓工藝的控制對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大,熱壓時(shí)間和溫度是兩個(gè)十分重要的參數(shù)。在一定的熱壓時(shí)間區(qū)域內(nèi),隨著時(shí)間的延長(zhǎng),膠粘劑固化充分且麥秸本身結(jié)構(gòu)上的親水基因遭到破壞,因而吸水厚度膨脹率隨著熱壓時(shí)間增加而降低,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和靜曲強(qiáng)度也隨之提高。但是熱壓時(shí)間過(guò)長(zhǎng),膠粘劑過(guò)度固化,膠結(jié)能力下降,吸水厚度膨脹率大,內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度和靜曲強(qiáng)度也有所減弱。熱壓溫度如果過(guò)高,易使得麥秸纖維發(fā)生降解和膠粘劑過(guò)分固化,溫度過(guò)低會(huì)使得膠粘劑不能很好的固化從而導(dǎo)致墻體強(qiáng)度不夠。因此,熱壓時(shí)間和溫度這兩個(gè)參數(shù)的選擇要確保板坯芯層達(dá)到正常固化所需要的溫度,又不至于達(dá)到致使板坯溫度過(guò)高導(dǎo)致破壞的程度。

麥秸隔熱保溫墻體的熱工性能與其密度密切相關(guān),由圖1可見(jiàn),麥秸隔熱保溫墻體的導(dǎo)熱系數(shù)隨著它密度的減小而減小,熱阻值隨密度的減小而增大。因此材料的導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于它的空隙率,其空隙率越大,密度越小。材料的導(dǎo)熱系數(shù)主要取決于它的固體物質(zhì)性質(zhì)以及材料內(nèi)部空隙的熱交換規(guī)律。麥秸隔熱保溫墻體的導(dǎo)熱系數(shù)是其內(nèi)部固態(tài)物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和空隙中空氣導(dǎo)熱系數(shù)的平均值,由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低,所以麥秸隔熱保溫墻體的密度越小,其空隙率就越大,使得該材料整體的導(dǎo)熱系數(shù)降低。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)以上研究可以得出農(nóng)作物剩余物麥秸隔熱保溫墻體材料具有良好的熱工性能,熱壓工藝的控制對(duì)這種制品的質(zhì)量影響很大,經(jīng)由適當(dāng)?shù)臒釅汗に囍圃斐龅柠溄崭魺岜貕w可以作為輕型木結(jié)構(gòu)的填充墻體使用,是理想的環(huán)保墻材,有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,符合國(guó)家鼓勵(lì)發(fā)展節(jié)能、節(jié)地、利廢的新型墻體材料的政策方向。推廣麥秸隔熱保溫墻體材料,是把發(fā)展新墻材與資源綜合利用和保護(hù)生態(tài)環(huán)境相結(jié)合,走與資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的循環(huán)經(jīng)濟(jì)、綠色之路,在中國(guó)具有廣闊的發(fā)展前景。

[1]周定國(guó).面向21世紀(jì)的農(nóng)作物秸稈工業(yè)[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000(5):1-4.

[2]赫爾諾特·明克,弗里德曼·馬爾克.秸稈建筑[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007:9-12.

[3]張大同.小麥草各部位纖維形態(tài)和化學(xué)組成分析[J].中國(guó)造紙,1990(8):16-21.

[4]加拿大木業(yè)協(xié)會(huì).中國(guó)輕型木結(jié)構(gòu)房屋建筑施工指南[M].上海:上海龍覺(jué)圖文制作有限公司,2007:4-8.

[5]周定國(guó),張 洋.麥秸/硬石膏板復(fù)合墻體的研究[J].人造板通訊,2005,12(7):36-38.