秸秆环保建材的发展历史

2019-03-15  来自: 互联网 浏览次数:37

  秸秆是农作物收割后的残余资源,作为建材使用历史悠久。早在1886年美国内布拉斯加州就有了秸秆建筑。其后秸秆建筑经历了两个发展高峰期。在第 一个高峰期,1905年德国将麦秸和胶黏剂混合制成板材;1920年美国路易安那州建立了蔗渣制板生产厂;1915~1930年间,仅在内布拉斯加州就修建了70多座秸秆砖住宅。但从20世纪40年代 开始,由于受到二战后人口增长和混凝土等新型建筑材料和技术的影响,人们对秸秆建筑的重视程度有所降低。然而随着环保节能理念的加强,秸秆建筑又逐渐被人们所重视。以1970年联合国工业发展组织主持召开的非木质人造板学术讨论会为契机,秸秆建材迎来第二个发展高峰期。从20世纪90年代 开始,以美国Primeboard公司、加拿大Isoboard公司和英国Compak公司3大秸秆板生产巨头为代表的国外秸秆板厂商建立了产量很大的生产线,有的年产量甚至可达25万m3。秸秆建筑在发展中国家也有广泛的应用。自1997年开始蒙古就修建了100多座的草砖建筑。

  我国作为农业大国,秸秆资源丰富。但有关秸秆建材的开发应用起步较晚—始于20世纪70年代。80年代我国兴建了一批秸秆人造板生产企业,建设了十几条生产线,但由于生产技术不成熟和设备落后等原因,多数已经停产。90年代在引进国外先进技术的基础上,在中国林科院、南京林业大学和东北林业大学等带领下,建造了几条生产线8。但直到2000年,秸秆人造板生产线寥寥 无几,且几乎都需购买国外的设备和技术。

  1998年秸秆砖建筑进入中国市场,1999年中国与安泽国际救援协会合作,开展了节能秸秆砖建筑示范项目。进入21世纪后,秸秆建材才在我国迎来真正的高速发展期。四川国栋集团建成一条产量5万m3的生产线;2006年6月我国首条自主研发和装配的秸秆板连续生产线投产;2009年10月,全球首条定向结构麦秸板(OSSB)生产线在我国开工。目前,我国已建成年产1.5万、5万m3的秸秆板生产线10余条,经营厂家200多家,初步形成了秸秆人造板产业。秸秆砖建筑产业也蒸蒸日上,目前为止已建成700多套住房和3所小学。

  1.秸秆类型与成分

  我国秸秆的种类主要有水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆和棉花秆。其中玉米秸秆产量多,水稻秸秆和小麦秸秆应用广。国外还有对葡萄秸秆、荨麻杆、洋麻杆等用作建筑材料的研究。据报道,秸秆的微观结构比木质纤维更为复杂,有各种各样的大小、形状、类型不一的细胞。秸秆主要的化学成分和木材一样都是纤维素、半纤维素和木质素,但与木材相比,纤维素和木质素含量较低且含有蜡状表皮层和大量的无机硅。

  2.建筑行业的能耗与排放

  联合国环境规划署的统计数据表明,全球总能耗的30%~40%由建筑行业产生,建筑业排放的温室气体约占全球总量的36%。与世界平均水平相比,欧美发达国家的建筑行业碳排放所占比例更高,美国由于建设所产生的碳排放超过了国内总量的40%,英国则更是达到了50%。

  目前我国的年均碳排放量已经超过100亿吨,占世界首位,2009年我国提出到2020年单位GDP碳排放量下降40%~45%的目标。采用节能环保的新型建筑材料取代传统的高能耗高排放建材无疑是实现这一目标的有力措施。

  3.自然资源的不平衡性

  木材一直以来被作为建筑材料而广泛使用,但我国的木材资源情况并不乐观。第七次全国森林资源清查表明,我国现有林地面积只有全球平均水平的2/3,排在世界第139位;人均森林面积不足世界人均占有量的1/4;人均森林蓄积只有世界人均占有量的1/7,我国现有森林资源的年合理供给量为2.2亿,仅占需求量的40%。

  另一方面,由于我国是农业大国,农作物秸秆资源非常丰富。2008年全国秸秆产量便已达到8.4亿吨,随着我国农业的发展,秸秆产量呈逐年增加的态势。目前常见的处理方式有制作饲料、直接焚烧、生产沼气、作肥料、作为工业原料等,但利用率较低,且生产成本较高。

  看秸秆如何变废为宝?原来秸秆还可以这样用!!

  1.秸秆人造板

  秸秆人造板主要可以分为秸秆定向板、秸秆刨花板和秸秆纤维板3大类。秸秆纤维板是采用热磨的方法将秸秆分离成纤维,施加脲醛树脂或酚醛树脂后经热压而成的一种产品。秸秆纤维板的优势是解决了因使用异氰酸脂胶黏剂而导致成本增大的问题。但热磨工艺较为复杂,应用不多。

  2.秸秆砌块

  秸秆砌块可分为两类:由秸秆捆扎而成和与无机胶凝材料复合而成的无机胶凝材料基秸秆砌块

  无机胶凝材料基秸秆砌块

  无机胶凝材料基秸秆砌块是将秸秆和无机胶凝材料混合制成的一种砖材,其生产成本大于秸秆草砖,但有更 好的力学性能和抗腐蚀性能,与传统的砖材相比保温性、吸声性等更 好,凸显秸秆的优势。有植物纤维石膏渣空心砌块、秸秆硫铝酸盐水泥砌块、秸秆氯氧镁水泥砌块、氢氧化镁秸秆保温砖等多种复合材料。

  3.秸秆瓦

  秸秆瓦的生产与秸秆板大致相同,秸秆板的工艺技术和研究成果大都可以应用在秸秆瓦上,不同点是两者的生产模具不同。秸秆瓦表面有弧度和沟槽,密度因位置而异。压制过程中在弧面与平面拐角处易产生裂缝,因此在秸秆瓦与模具的设计中应尽量减少生硬的拐角,在沟槽处均采用带有弧度的连接。

  秸秆建材的特点与优势

  1.隔热、隔音、节能性好

  据Goodhew和Griffiths的研究,秸秆板材的导热系数只有0.067W/m·K,低于正在开发的新型自保温加气混凝土在实验室里达到的指标(0.07W/m·),且这类混凝土的力学性能不及秸秆板材。利用秸秆制作的墙体材料的导热系数也只有0.13~0.19W/m2·K。侯国艳等指出秸秆板材的传热与导热是砖墙的1/3~1/20;某种植物秸秆外墙保温板采用了多层空气对流结构作为隔热手段,其墙体热阻系数相当于1.3m厚红砖墙的系数。因此是开发天 然隔热功能材料理想的原材料之一。同时,由于秸秆内部疏松多孔,在纤维表面间又存在一 定的空隙,使得声波在空隙中多次反射损耗声波能量,从而具相当好的隔音效果。

  不仅如此,由不同部位秸秆生产的板材在性能上差异不大,从而边角料和废弃的秸秆建材可充分回收利用、达到无渣排放和循环再生利用及其节能的目的。例如Khadijeh Azizi等将废弃的板材碎片再和秸秆混合生产的建材有很好的物理、力学特性。建筑构件破碎后的颗粒具有良好的弹性和硬度,可用于建筑构件的填充与生产,也可用于道路施工中。

  此外,秸秆建材在生产和运输过程中的能耗也比传统建材低很多。报道生产每一平方米秸秆建材用电0.5度,用水1.2L,用燃料还不到1g;由于无需使用大型机械,用电、用水很少;使用后回收采取粉碎法,每平方米耗电不超过0.3度。秸秆密度小,以板材为例,若用轻质板材制造的复合墙体代替传统墙体,则运输质量可以降低90%,而汽车质量每下降10%油耗可以降低8%。因此使用轻型的秸秆建材也可以降低运输过程中的能耗。

  2.抗震防火性能好

  同样是由于密度低、再加上秸秆建材纤维多、静曲强度高、抗冻融性好及平面垂直抗拉强度较大等物理性质,由秸秆建材建成的建筑物可以在很大程度上降低其在地震中所受到的损害。这是由于在地震发生时轻质的秸秆具有良好的弹性和延性,其建筑在冲击波的作用随之摆动,不易发生建材碎裂破坏或建筑物倒塌现象。至于防火性,由于秸秆建筑产品紧密压实,再加上秸秆自身二氧化硅的含量非常高、导热系数低等原因,秸秆建材具有良好的防火性。稻秸秆单层耐火极限可达1h以上。同时,由于采用纯 天 然材料,在燃烧过程中不会产生有毒气体,**降低了火灾中排放有毒有害气体的潜在风险。

  3.环保护林、有害物质含量少

  通过积极推广秸秆建材可以保护森林和土壤资源。据报道,假设每年有10%的秸秆用于生产人造板,就可生产5583万m3人造板,取代约1.7亿m3木材,相当于每年使230万hm2的森林不被砍伐,达到有效保护森林资源的作用。另据统计我国每年大约需要7000亿块红砖,毁坏良田0.8万hm2,若能利用各种秸秆材料代替传统红砖,就可有效保护土壤资源。

  秸秆作为建材开发后,还可以减少秸秆燃烧所造成的环境危害。秸秆焚烧会产生大量的碳氧化物、硫氧化物及粉尘,造成严重的空气污染,危害人体健康,甚至还会造成陆路空路交通事故、触发森林火灾。2001-2011年间,江苏省由秸秆焚烧所造成空气污染的天数平均为11~25d,根据相应数据,绘制各年份夏秋季秸秆焚烧影响天数和污染天数比例的图线如图1所示,可见焚烧秸秆确实是雾霾问题的诱因之一。另据报道焚烧秸秆还会降低土壤肥力,焚烧秸秆后土壤有机质从1.48%减少到1.24%,土壤微生物超八成死亡。

  此外,目前流行的建材普遍含有甲醛、苯等有害物质。秸秆本身不含任何有毒有害物质,在生产过程中除了添加少量胶黏剂几乎不含任何人工合成的化学成分。若研发无胶黏剂建材则可做到完全无害化。再加上秸秆建材的施工采用的是干式作业,全过程噪音、渣土、灰尘污染少。可见秸秆建材既可以解决森林资源锐减、秸秆焚烧污染等环境问题,又能提供环保的建筑用材,确实是一种绿色环保的建筑材料。

  4.应用广泛施工便捷、经济效益好

  秸秆建材产品的应用领域十分广泛。它可用于生产隔板、装饰板、保温墙体、防水板、砖体、吊顶、地板甚做到标准化设计、生产和施工。即容易实现构件定型化、制造工厂化、施工装配化和产品系列化,具有施工便捷,利于缩短工期等优点。不仅如此,而且开发秸秆建材的经济性还体现在如下3个方面:(1)秸秆产量巨大且可再生、生产周期短。

  以江苏省为例,2011年秸秆总产量为3969.3万吨,其中有近1000万吨未合理利用。秸秆因资源十分丰富,价格也相对低廉。据调查,原料收购价仅为70~100元/吨,将原料粉碎成碎料后售价为150~200元/吨,远低于建筑用原木的收购价;(2)秸秆硬度低,破碎时采用一般的破碎机械即可,可降低生产成本;(3)秸秆多产自农村地区,开发秸秆建材使得秸秆高效利用,与焚烧、回填等传统处理方式相比,提高了秸秆的附加价值,并能推动相应产业链,促进地区经济发展。又据报道开发秸秆建材的经济效益大于秸秆发电和气化。因此,开发隔热和环保的功能秸秆建材不论在社会效益还是经济效益都具有很好的发展前景。

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