吳薇 田立娟 韓誠(chéng)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?xún)r(jià)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(yàn)設(shè)計(jì)方法，研究北方民居改性阻燃防腐強(qiáng)化稻草磚工藝參數(shù)，包括硅酸鈉水溶液、硅酸鹽水泥、無(wú)水硫酸鈣、工業(yè)硫酸銅添加量對(duì)該稻草磚的性能影響，并進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)與阻燃性的測(cè)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(wú)水硫酸鈣添加量為5.0%，硫酸銅添加量為4%，在實(shí)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(duì)環(huán)境污染的壓力。 [結(jié)論]研究可為改性阻燃強(qiáng)化稻草磚這種新型墻體材料在我國(guó)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(qiáng)度;防火性

中圖分類(lèi)號(hào) S216.2;TU528.0 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A ?文章編號(hào) 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(xiàng)目 黑龍江省佳木斯大學(xué)科技研究項(xiàng)目重點(diǎn)課題（sz2009011）。

作者簡(jiǎn)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(duì)在稻草磚推廣中稻草磚房所常見(jiàn)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(shí)間長(zhǎng)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(duì)象，對(duì)稻草磚的2 h吸水厚度膨脹率（2HTS）、靜曲強(qiáng)度（MOR）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）和彈性模量（MOE）進(jìn)行測(cè)定，并對(duì)稻草磚阻燃性能進(jìn)行檢測(cè)。同時(shí)，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(shì)為研究熱點(diǎn)，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(guó)作為具有高度農(nóng)業(yè)化的農(nóng)業(yè)大國(guó)，每年廢棄的農(nóng)作物秸稈類(lèi)物質(zhì)可達(dá)到10億t，其中70%為稻草和麥稈^[1]。由于我國(guó)提出保護(hù)耕地措施始于20世紀(jì)90年代，本著保護(hù)環(huán)境、熱愛(ài)環(huán)境、建立節(jié)約型社會(huì)，節(jié)約能源的初衷，推動(dòng)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(shí)，使發(fā)腐、發(fā)霉的稻草磚承壓強(qiáng)度降低，稻草磚填充墻體時(shí)由于彈性模量小，強(qiáng)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(wèn)題;既解決了墻體等部位的潮濕問(wèn)題，又使改性稻草磚整體機(jī)械性能有效提高^[3]。推廣使用改性阻燃強(qiáng)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(hù)環(huán)境資源，對(duì)我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)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(guò)自然風(fēng)干干燥，含水量經(jīng)過(guò)測(cè)定在14%～23%。利用哈爾濱船舶機(jī)械廠生產(chǎn)的B100型稻草打包機(jī)將稻草秸稈經(jīng)疊放整齊加壓成型后，用規(guī)格為12號(hào)鍍鋅鐵絲緊緊捆綁，其規(guī)格分別為長(zhǎng)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(wú)水硫酸鈣：市售，原產(chǎn)地為安徽省馬鞍山市;325號(hào)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(yáng)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(yàn)設(shè)計(jì)。

硅酸鈉水溶液、325號(hào)水泥、無(wú)水硫酸鈣和工業(yè)硫酸銅的添加量由預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果確定施加范圍;試驗(yàn)中各個(gè)因素均采用L₉（3⁴）正交試驗(yàn)法進(jìn)行試驗(yàn)，因素水平設(shè)計(jì)見(jiàn)表1，試驗(yàn)設(shè)計(jì)中每組試驗(yàn)均重復(fù)5次。

1.2.2 試驗(yàn)工藝流程。

試驗(yàn)稻草磚樣品的密度為300～340 kg/m³，按照預(yù)備試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì);無(wú)水硫酸鈣∶市售325號(hào)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(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，確定固化數(shù)天，然后進(jìn)行裁邊、修整。有關(guān)稻草磚力學(xué)性能的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，參照GB/T4897.3標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)共選取4個(gè)相關(guān)因子試驗(yàn)，因素如下：稻草磚2 h時(shí)內(nèi)吸水體積膨脹率（2HTS）、靜曲強(qiáng)度（MOR）、稻草磚內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）以及稻草磚彈性模量（MOE）共4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定。

依據(jù)試驗(yàn)以及行業(yè)要求，稻草磚阻燃性能檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)參照ISO566020025進(jìn)行;采用錐形量熱儀等測(cè)試方法進(jìn)行熱釋放量的檢測(cè);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(shí)間的測(cè)量（peak time，PT）、初燃時(shí)間（Beginning of burning time，EBT）來(lái)評(píng)價(jià)改性阻燃稻草磚各個(gè)添加成分組合的阻燃效果。為了使試驗(yàn)時(shí)外加熱源溫度更接近實(shí)際工況條件下火情現(xiàn)場(chǎng)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(duì)應(yīng)的是對(duì)稻草磚樣品相應(yīng)的輻射溫度為750～790 ℃。

表1 正交試驗(yàn)因素水平

%

水平因素硅酸鈉比例 混凝土比例無(wú)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(jiàn)，隨著硅酸鈉水溶液（SSS），水泥（UF）和無(wú)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(shì)。在數(shù)據(jù)變化的趨勢(shì)中，影響最為顯著的添加劑（SSS）是對(duì)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(shí)，其稻草磚2HTS吸水膨脹率平均值較SSS添加量為3.2%時(shí)，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(yàn)中對(duì)稻草磚的吸水膨脹率影響值較小，因此忽略不計(jì)。

2.2 靜曲強(qiáng)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(qiáng)度（MOR）平均值呈明顯上升趨勢(shì)。其原因是：硅酸鈉水溶液中游離NCO離子官能團(tuán)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(shí)的膠合點(diǎn)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(shì)，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(shí)由于添加劑中某些金屬鹽等形成化合物絡(luò)

圖1 各個(gè)處理對(duì)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(duì)稻草磚的靜曲強(qiáng)度產(chǎn)生下降作用。

2.3 內(nèi)結(jié)合強(qiáng)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(shí)，樣品稻草磚內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度（IB）達(dá)到0.36 MPa，沒(méi)有達(dá)到國(guó)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(shí)，稻草磚IB平均值又開(kāi)始提高;而當(dāng)SSS添加劑的添加量達(dá)到4.0%時(shí)，稻草磚的IB平均值達(dá)到0.53 MPa。添加劑無(wú)水硫酸鈣水溶液的劑量對(duì)稻草磚內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度提高影響可以忽略不計(jì)。隨著FR添加量的增加，稻草磚IB平均值呈現(xiàn)開(kāi)始為上升趨勢(shì)，而隨著劑量的增加，IB值呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

硅酸鈉水溶液添加量是決定稻草磚內(nèi)結(jié)合強(qiáng)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(jī)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(jiàn)，各工藝因子對(duì)稻草磚IB的影響順序?yàn)椋篠SS>FR>UF。

表2 方差分析結(jié)果

因素

彈性模量FSig

靜曲強(qiáng)度FSig

內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度FSig

吸水膨脹率FSig

初燃時(shí)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(jī)理是添加劑硅酸鈉溶液會(huì)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(shí)，樣品稻草磚的彈性模量的變化呈現(xiàn)上升勢(shì)頭，并當(dāng)添加劑劑量達(dá)到7%，呈現(xiàn)平臺(tái)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(shì)。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(qiáng)度降低，從宏觀表現(xiàn)上也可以觀察到稻草磚的膠合強(qiáng)度顯著降低^[5]。

在試驗(yàn)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(diǎn)隨之逐漸增多，因而導(dǎo)致稻草磚靜曲強(qiáng)度和內(nèi)結(jié)合強(qiáng)度得到顯著提升，同時(shí)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(duì)稻草磚樣品的阻燃性能影響

2.5 阻燃參數(shù)試驗(yàn)

由圖2（a）、圖2（c）可見(jiàn)，試驗(yàn)樣品稻草磚的熱釋放曲線中，峰值出現(xiàn)的時(shí)間（peak time）以及稻草磚樣品明火燃燒開(kāi)始時(shí)間（TTI）同硅酸鈉水溶液（SSS）添加劑量呈正相關(guān)，試驗(yàn)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(zhǎng)后下降的趨勢(shì)。添加劑硅酸鈉水溶液（SSS）添加量比例為總量的3.4%時(shí)，燃燒熱熱釋放峰值出現(xiàn)在24.0 s，明火出現(xiàn)時(shí)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(shí)間、明火點(diǎn)燃時(shí)間的平均水平均呈先緩慢提高而后到平臺(tái)期，最后顯著下降趨勢(shì)。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(qiáng)度（MOR）、內(nèi)結(jié)合強(qiáng)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(chǎng)價(jià)格，以及未來(lái)稻草磚報(bào)廢后對(duì)環(huán)境影響的壓力等諸多因素。從阻燃性能的角度來(lái)考量，應(yīng)該選擇的點(diǎn)火時(shí)間和峰值熱釋放時(shí)間長(zhǎng)，峰值熱釋放速率較低的工藝條件?；谝陨显囼?yàn)數(shù)據(jù)以及綜合因素，以及現(xiàn)場(chǎng)施工工藝的操作性需求，在滿足稻草磚各項(xiàng)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(wú)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(jì)、可行的優(yōu)化配方工藝。

3 結(jié)論

采用堿性硅酸鈉溶液對(duì)稻草表面進(jìn)行硅化處理，對(duì)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(qiáng)度、扭曲強(qiáng)度。

SSS硅酸鈉水溶液添加量對(duì)稻草磚MOE、MOR、IB、2HTS有顯著影響，而UF和FR對(duì)該4項(xiàng)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(wú)水硫酸鈣添加量為5.0%，F(xiàn)R硫酸銅添加量為4%。在實(shí)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(duì)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(diǎn)：可有效保護(hù)自然資源，對(duì)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(qiáng)度，有一定的耐沖擊性和耐火性，調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度，無(wú)放射性等優(yōu)點(diǎn)^[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(hù)了環(huán)境，完全具備綠色墻體材料的特點(diǎn)，是未來(lái)的墻體材料發(fā)展的主要方向，滿足社會(huì)發(fā)展，建設(shè)能源節(jié)約型社會(huì)的需求^[7]，對(duì)探索農(nóng)村循環(huán)經(jīng)濟(jì)，可持續(xù)的發(fā)展模式，都具有非常顯著的影響^[8]。同時(shí)，采用秸稈作為一種新型綠色環(huán)保建材，也是人類(lèi)回歸自然，保護(hù)環(huán)境，探索人類(lèi)進(jìn)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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