王曉峰 曹寶珠

(吉林建筑工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長春 130118)

全國各地的新農(nóng)村示范區(qū)多為單層磚瓦房，其主要承重結(jié)構(gòu)仍采用粘土磚，不足以體現(xiàn)社會主義新農(nóng)村建設(shè)的現(xiàn)代化特點(diǎn).同時，我國農(nóng)村傳統(tǒng)建筑的保溫和環(huán)保性能較差，尤其是寒冷地區(qū)冬季采暖能耗過多，對環(huán)境的壓力越來越大.低層建筑秸稈草磚住宅，對我省農(nóng)村地區(qū)的環(huán)保、節(jié)能具有重要的意義.秸稈草磚由一年生農(nóng)作物秸稈壓縮而成，具有較好的耐久性能和保溫性能.目前，農(nóng)村秸稈除少量用作牲畜飼料外，大多付之一炬，既造成能源的浪費(fèi)又嚴(yán)重污染環(huán)境，若將其壓縮后用于新型農(nóng)村住宅建設(shè)中，能大大改善房屋的保溫性能，在東北嚴(yán)寒地區(qū)其保溫效果更為顯著.

1 試驗研究

1.1 試驗方法

本課題的試驗方法采用DRY－300F型導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，對秸稈草磚，秸稈混凝土磚，秸稈泥土磚的熱工性能進(jìn)行研究，測試時取主板溫度55℃，冷板溫度35℃.測量時間3 h.記錄測試結(jié)果.

工作原理:DRY—300F雙平板導(dǎo)熱儀在熱平衡狀態(tài)下的穩(wěn)定導(dǎo)熱.熱板的作用使熱板加熱后，熱能只能單方向傳導(dǎo)，即由熱板向冷板方向傳導(dǎo).由于有兩個冷板，因此，熱能向正反兩個方向平行傳輸.當(dāng)有試件在熱板和冷板之間時，熱能由熱板通過試件向冷板方向傳輸.熱板加熱器產(chǎn)生的熱量為:

式中，U為加在加熱器兩端的電壓;I為通過加熱器的電流.

如果用R表示加熱器的電阻，則加熱器產(chǎn)生的熱量為:

根據(jù)熱傳輸理論分析，材料的導(dǎo)熱系數(shù)與材料的厚度成正比，與加在熱面到冷面的溫度差成反比.

將上式從冷面到熱面進(jìn)行積分，在理想條件下可得到:

式中，H為平板材料的厚度;t2為熱板溫度;t1為冷板溫度;k為積分常數(shù).

根據(jù)方程(2)和(4)，可得到材料導(dǎo)熱系數(shù)方程:

方程(5)就是導(dǎo)熱系數(shù)方程，其中k是儀器常數(shù).

在雙平板導(dǎo)熱儀器中，常數(shù)k=1，同時，由于有兩個相同試件和兩個冷板，因此方程(5)改寫為:

方程(6)就是DRY－300F雙平板導(dǎo)熱儀基本計算方程.在計算過程中，再測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)過程中，可以得到正確的結(jié)果.

1.2 試塊的制作

試驗采用的秸稈含水率為6.1%(秸稈的公定含水率為10%;秸稈含水率最高限度為25%)，無發(fā)霉、腐爛現(xiàn)象.秸稈草磚尺寸為300 mm×300 mm，標(biāo)準(zhǔn)厚度為20 mm最大可以達(dá)到50 mm.秸稈草磚尺寸要符合測試設(shè)備對試件的要求.

秸稈的形狀復(fù)雜無規(guī)律，秸稈間的空隙很大，受壓后秸稈變形較大，放置一段試件就會發(fā)生變形.秸稈草磚結(jié)構(gòu)具有一定的可恢復(fù)性.鐵的導(dǎo)熱系數(shù)是40×1.163 W/(m·k)，具有良好的導(dǎo)熱性能，對試驗的影響可忽略.由以上原因分析，制作此模具(見圖1).模具上下表面分別用300 mm×300 mm×1 mm鐵板，四周用10 mm木條，鐵板與木條用螺絲連接，中間空心部分填充秸稈(見圖2).

圖1 秸稈草磚模具實體

圖2秸稈草磚模具草圖

圖3 中的秸稈泥土磚B 1，B 2分別按秸稈300g和黏土4000 g(質(zhì)量比1∶13)，加入定量的水，攪拌均勻，混合制作而成.然后放入300 mm×300 mm

×30 mm的木模中，待成型后拆模，放到通風(fēng)處.圖4中的秸稈混凝土磚A 1，A 2分別是按秸稈150 g和水泥3000 g(質(zhì)量比1∶20)加入適量的水混合而成的.

圖3 秸稈泥土磚B 1和B 2

圖4 秸稈混凝土磚A 1和A 2

2 試驗結(jié)果與分析

秸稈草磚、秸稈混凝土磚及秸稈泥土磚的導(dǎo)熱系數(shù)結(jié)果見表1.

表1中不同磚試件的導(dǎo)熱系數(shù)都小于0.23 W/(m·k)，均滿足保溫材料的要求.秸稈作為磚試件中的材料起到了重要作用.秸稈即農(nóng)作物的莖桿，本身材質(zhì)疏松，稈壁密度低，是管壁狀、空心、不連續(xù)、質(zhì)輕的多孔材料[1].秸稈具有封閉型的薄壁空腔結(jié)構(gòu)，節(jié)間空腔內(nèi)充滿空氣.秸稈草磚是將秸稈剪成2 mm～3 mm長度，均勻、密實的放入秸稈草磚模具內(nèi)而成.秸稈草磚內(nèi)的秸稈之間較密實，其空隙很小且狹長.秸稈草磚中秸稈間形成了厚厚的秸稈聚合層.秸稈草磚的傳熱過程是由熱傳導(dǎo)模式控制，當(dāng)熱量傳遞時，秸稈聚合層中大量的空氣很難流動，使得熱量較難通過空氣傳遞.不流動的空氣是熱的不良導(dǎo)體，因此，秸稈保溫效果明顯.

表1 不同磚試件的導(dǎo)熱系數(shù)

由試件1與試件2的導(dǎo)熱系數(shù)做比較可以得出:秸稈草磚烘干狀態(tài)下的導(dǎo)熱系數(shù)比自然狀態(tài)下的小6.5%.含水率是影響導(dǎo)熱系數(shù)的重要因素.自然狀態(tài)下秸稈草磚含有一定量的水份，含水率大于烘干狀態(tài)下的秸稈草磚.熱傳導(dǎo)過程中秸稈受熱，水份由液態(tài)變成氣態(tài)(水蒸氣)，通過秸稈空腔與秸稈之間空隙揮發(fā)出去，吸收一部分熱能，加速了熱能的流失，不利于保溫.所以秸稈含水率越小，則它的導(dǎo)熱系數(shù)越小，保溫性能越好.

由試件1與試件3，4的導(dǎo)熱系數(shù)做比較可以得出:秸稈草磚(自然)的導(dǎo)熱系數(shù)比秸稈泥土磚的導(dǎo)熱系數(shù)少29.54%，秸稈草磚(自然)的導(dǎo)熱系數(shù)比秸稈混凝土磚的導(dǎo)熱系數(shù)少20.55%.秸稈節(jié)間空腔基本呈圓柱形，秸稈之間空隙大.秸稈與黏土(水泥)混合后，秸稈的結(jié)構(gòu)破環(huán)呈現(xiàn)橢圓形或片狀，秸稈之間的孔隙被黏土(水泥)填充，孔隙間空氣減少，存儲的熱量減少，保溫性能下降.所以秸稈草磚的保溫性能高于秸稈泥土磚及秸稈混凝土磚.

目前，常用墻體材料基本導(dǎo)熱特性參數(shù):加氣混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為0.22 W/(m·k)，普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)為1.51 W/(m·k)，石膏板的導(dǎo)熱系數(shù)為0.33 W/(m·k)，普通磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.81 W/(m·k)，抹面層的導(dǎo)熱系數(shù)為0.87 W/(m·k)[2].與表1比較分析得出:秸稈泥土磚的導(dǎo)熱系數(shù)小于普通磚，秸稈混凝土磚的導(dǎo)熱系數(shù)小于普通混凝土.秸稈泥土磚和秸稈混凝土磚中，秸稈空腔結(jié)構(gòu)內(nèi)充滿不流動的空氣.空氣能存儲熱量，起到保溫效果.而普通磚和普通混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)有孔隙，孔隙間貫通，空氣具有一定的流動性，熱量通過空氣傳遞出去，使溫度迅速降低.所以，泥土和水泥中分別加入定量的秸稈，可以提高秸稈泥土磚和秸稈混凝土磚的保溫效果.

3 結(jié)論

通過對秸稈草磚的含水率及不同配比秸稈磚試件的導(dǎo)熱系數(shù)研究得出:

(1)含水率是影響秸稈草磚導(dǎo)熱系數(shù)的重要因素，含水率越小、導(dǎo)熱系數(shù)越小，保溫效果越好;

(2)秸稈本身具有保溫隔熱的性能.黏土和水泥中分別加入定量的秸稈，可以提高不同配比秸稈磚試件的保溫效果;

(3)秸稈草磚的保溫性能高于秸稈泥土磚及秸稈混凝土磚.秸稈草磚(自然)的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)，是普通磚的1/7，普通混凝土的1/12.秸稈草磚把秸稈作為保溫材料使用，能明顯提高建筑的保溫性能，符合可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排的要求.

[1]傅志前.不同密度的麥秸磚墻導(dǎo)熱系數(shù)試驗研究[J].山東建筑材料學(xué)報，2012，15(2):289－292.

[2]周曉燕，李 健，周定國.輕質(zhì)麥秸復(fù)合墻體傳熱特性模擬評價[J].林業(yè)科學(xué)，2007，43(2):89－95.