吴薇 田立娟 韩诚武 郭勇 薛春梅 张跃华

摘要 [目的]研究稻草砖整体力学性能以及阻燃性能，确定综合性价比适合的工艺条件。[方法] 以黑龙江稻草秸秆为原料，采用正交试验设计方法，研究北方民居改性阻燃防腐强化稻草砖工艺参数，包括硅酸钠水溶液、硅酸盐水泥、无水硫酸钙、工业硫酸铜添加量对该稻草砖的性能影响，并进行力学性质与阻燃性的测试。[结果]改性阻燃稻草砖最优化工艺条件为：硅酸钠水溶液添加量为3.6%，硅酸盐水泥添加量为16%，无水硫酸钙添加量为5.0%，硫酸铜添加量为4%，在实际操作工艺中，硫酸铜的添加量可以降低为2%，这样既可以降低成本，又可以降低对环境污染的压力。 [结论]研究可为改性阻燃强化稻草砖这种新型墙体材料在我国北方农户中推广使用提供参考依据。

关键词 稻草砖;去硅化;静曲强度;防火性

中图分类号 S216.2;TU528.0  文献标识码 A  文章编号 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

基金項目 黑龙江省佳木斯大学科技研究项目重点课题（sz2009011）。

作者简介 吴薇（1981- ），女，山东菏泽人，讲师，从事应用微生物学研究。*通讯作者，副教授，博士，从事应用微生物学研究。

收稿日期 20141120

以黑龙江稻草等农业废弃物的综合利用及发展生态建筑为研发背景，针对在稻草砖推广中稻草砖房所常见一些难题，如在墙体的底层返潮霉变、防火性能欠佳、墙体易于变形、时间长出现裂缝，导致墙体结构提前失效等;以未加处理的稻草砖为研究目标，探究其吸湿规律;以改性阻燃稻草砖为研究对象，对稻草砖的2 h吸水厚度膨胀率（2HTS）、静曲强度（MOR）、内结合强度（IB）和弹性模量（MOE）进行测定，并对稻草砖阻燃性能进行检测。同时，根据以往的研究结果，以新型墙体材料稻草砖的优势为研究热点，考察东北高寒地区应用稻草砖构建农村节能生态住宅。我国作为具有高度农业化的农业大国，每年废弃的农作物秸秆类物质可达到10亿t，其中70%为稻草和麦秆^[1]。由于我国提出保护耕地措施始于20世纪90年代，本着保护环境、热爱环境、建立节约型社会，节约能源的初衷，推动绿色环保的墙材推广^[2]，将常规稻草砖用防菌剂处理，从而克服了当雨水侵入时，使发腐、发霉的稻草砖承压强度降低，稻草砖填充墙体时由于弹性模量小，强度不足，导致墙体经常出现裂缝，受到雨水的喷溅，诱发微生物滋生等问题;既解决了墙体等部位的潮湿问题，又使改性稻草砖整体机械性能有效提高^[3]。推广使用改性阻燃强化稻草砖这种新型墙体材料，可以大幅度地节约土地资源、减少煤炭的消耗，因而可以保护环境资源，对我国农村经济的发展具有重要的现实意义^[4]。

1 材料与方法

1.1 材料

选取自黑龙江省绥滨县北岗隔年稻草原材料，经过自然风干干燥，含水量经过测定在14%～23%。利用哈尔滨船舶机械厂生产的B100型稻草打包机将稻草秸秆经叠放整齐加压成型后，用规格为12号镀锌铁丝紧紧捆绑，其规格分别为长度60、70、80和90 cm、高度均为36 cm、厚度均为45 cm，重量为20～36 kg的稻草砖块，成品稻草砖承重压力约为1 900 kg/m²，密度为300～340 kg/m³，备用。

无水硫酸钙：市售，原产地为安徽省马鞍山市;325号水泥，制造商为黑龙江省桦南县东方水泥厂;硅酸钠水溶液，原产地为辽宁省海城市大桥村，工业硫酸铜，原产地为辽宁省沈阳市双叶化工有限公司;其他辅料均为市售。

1.2 方法

1.2.1 试验设计。

硅酸钠水溶液、325号水泥、无水硫酸钙和工业硫酸铜的添加量由预试验的结果确定施加范围;试验中各个因素均采用L₉（3⁴）正交试验法进行试验，因素水平设计见表1，试验设计中每组试验均重复5次。

1.2.2 试验工艺流程。

试验稻草砖样品的密度为300～340 kg/m³，按照预备试验数据设计;无水硫酸钙∶市售325号水泥∶硅酸钠水溶液和工业硫酸铜以不同配比成糊浆，利用模具将稻草砖外层固定，使混合糊浆将稻草砖块表面涂覆一层外罩，硬化、干燥后，依据试验现场环境温度，确定固化数天，然后进行裁边、修整。有关稻草砖力学性能的测试标准，参照GB/T4897.3标准中的规定进行，试验共选取4个相关因子试验，因素如下：稻草砖2 h时内吸水体积膨胀率（2HTS）、静曲强度（MOR）、稻草砖内结合强度（IB）以及稻草砖弹性模量（MOE）共4个指标进行测定。

依据试验以及行业要求，稻草砖阻燃性能检测标准参照ISO566020025进行;采用锥形量热仪等测试方法进行热释放量的检测;依据稻草砖样品的受热释放热的速率接近值（pkHRR）、稻草砖加热后热释放峰值出现时间的测量（peak time，PT）、初燃时间（Beginning of burning time，EBT）来评价改性阻燃稻草砖各个添加成分组合的阻燃效果。为了使试验时外加热源温度更接近实际工况条件下火情现场温度工况^[3]，可以调整锥形量热仪的平均热辐射功率输出，使其辐射范围在30～50 kW/m²，與之相对应的是对稻草砖样品相应的辐射温度为750～790 ℃。

表1 正交试验因素水平

%

水平因素硅酸钠比例 混凝土比例无水硫酸钙比例

1284

2377

34610

2 结果与分析

2.1 稻草砖样品2 h吸水厚度膨胀率（2HTS）

由图1（a）可见，随着硅酸钠水溶液（SSS），水泥（UF）和无水硫酸钙（FR）添加剂量的增加，稻草砖2 h吸水膨胀率（2HTS）平均值呈现先上升而后呈下降的曲线趋势。在数据变化的趋势中，影响最为显著的添加剂（SSS）是对样品稻草砖2HTS影响的平均值。当SSS添加量由1%提高至4%时，其稻草砖2HTS吸水膨胀率平均值较SSS添加量为3.2%时，同标准值相比降低了39.9%～42.1%。其余添加剂在预试验中对稻草砖的吸水膨胀率影响值较小，因此忽略不计。

2.2 静曲强度（MOR）

由图1（b）可以看出，随着添加剂硅酸钠水溶液（SSS）添加剂量比例的逐步增加，稻草砖静曲强度（MOR）平均值呈明显上升趋势。其原因是：硅酸钠水溶液中游离NCO离子官能团的数量增加，导致其与稻草砖中相互接触的纤维表面之间胶合时的胶合点同步增加，因此提高了稻草砖纤维间的结合力;添加剂水泥添加量的增加，稻草砖MOR的平均值呈现先低后高、再降低的趋势，其原因是由于添加剂中金属离子存在，阻碍了稻草纤维之间的有硅酸钠水溶液胶合稻草纤维间联接力，从而使稻草纤维之间的联接力被弱化，同时由于添加剂中某些金属盐等形成化合物络

图1 各个处理对样品力学性能平均值指标的影响

合水化物，导致预混料中结合的硅酸钠水溶液提前凝结，对稻草砖的静曲强度产生下降作用。

2.3 内结合强度（IB）

由图1（c）可知，添加剂硅酸钠水溶液（SSS）比例达到2.2%时，样品稻草砖内结合强度（IB）达到0.36 MPa，没有达到国标GB/T 4897.3-2003的要求;当添加剂SSS的添加比值由2.2%提高至3.0%时，稻草砖IB平均值又开始提高;而当SSS添加剂的添加量达到4.0%时，稻草砖的IB平均值达到0.53 MPa。添加剂无水硫酸钙水溶液的剂量对稻草砖内结合强度提高影响可以忽略不计。随着FR添加量的增加，稻草砖IB平均值呈现开始为上升趋势，而随着剂量的增加，IB值呈现下降的趋势。

硅酸钠水溶液添加量是决定稻草砖内结合强度的主要因素。硅酸钠水溶液的加入量增加了稻草纤维间的胶合机率，导致稻草纤维间的结合概率增加，从而使纤维胶合性能显著改善。由表2可见，各工艺因子对稻草砖IB的影响顺序为：SSS>FR>UF。

表2 方差分析结果

因素

弹性模量FSig

静曲强度FSig

内结合强度FSig

吸水膨胀率FSig

初燃时间FSig

放热峰值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 弹性模量（MOE）

依据图1中所示结果归纳如下：同其他配方相比，添加4%硅酸钠水溶液（SSS）的稻草砖的弹性模量平均值达0.399 MPa，其形成机理是添加剂硅酸钠溶液会在水环境中电离，pH明显升高，破坏了稻草纤维表面的蜡质，致使稻草茎秆间的胶合能力显著增加^[4]。当添加剂FR添加剂量从4.5%增加到8.1%时，样品稻草砖的弹性模量的变化呈现上升势头，并当添加剂剂量达到7%，呈现平台期;当FR添加量继续增加，直至到11%，弹性模量呈现显著下降趋势。原因是其金属离子部分电离，H+浓度上升，导致纤维间结合强度降低，从宏观表现上也可以观察到稻草砖的胶合强度显著降低^[5]。

在试验中可以观察到，随着硅酸钠水溶液添加量的增加，稻草砖中邻近纤维之间的胶合点随之逐渐增多，因而导致稻草砖静曲强度和内结合强度得到显著提升，同时既降低了稻草砖的2 h吸水厚度膨胀率，又促使稻草砖的外在几何尺寸的稳定性得到了增加。

图2 不同添加剂处理对稻草砖样品的阻燃性能影响

2.5 阻燃参数试验

由图2（a）、图2（c）可见，试验样品稻草砖的热释放曲线中，峰值出现的时间（peak time）以及稻草砖样品明火燃烧开始时间（TTI）同硅酸钠水溶液（SSS）添加剂量呈正相关，试验样品热释最高阈值（峰值）（peak time）的表现形式呈现为先增长后下降的趋势。添加剂硅酸钠水溶液（SSS）添加量比例为总量的3.4%时，燃烧热热释放峰值出现在24.0 s，明火出现时间在36.6 s。添加剂UF和FR添加量的增加和稻草砖热释放峰值出现时间、明火点燃时间的平均水平均呈先缓慢提高而后到平台期，最后显著下降趋势。优化的工艺参数为：SSS硅酸钠水溶液添加量为4%，水泥添加量为17%，FR添加量为10%。

2.6 优化工艺条件的讨论

该研究的最终目的是将改性稻草砖的吸水厚度膨胀率（2HTS）、静曲强度（MOR）、内结合强度（IB）、弹性模量（MOE）、阻燃性能等指标综合考量，还要兼顾各种添加剂的市场价格，以及未来稻草砖报废后对环境影响的压力等诸多因素。从阻燃性能的角度来考量，应该选择的点火时间和峰值热释放时间长，峰值热释放速率较低的工艺条件。基于以上试验数据以及综合因素，以及現场施工工艺的操作性需求，在满足稻草砖各项性能的综合的基础上，选择添加剂硅酸钠水溶液（SSS）添加量为3.6%，水泥添加量为16%，无水硫酸钙（UF）添加量为5.0%，阻燃抗菌添加量硫酸铜（FR）为4%的工艺条件为经济、可行的优化配方工艺。

3 结论

采用碱性硅酸钠溶液对稻草表面进行硅化处理，对改善稻草砖同硅酸钠水溶液的胶合性能有显著作用，并能提高其硬化强度、扭曲强度。

SSS硅酸钠水溶液添加量对稻草砖MOE、MOR、IB、2HTS有显著影响，而UF和FR对该4项性能的影响较小。随着SSS硅酸钠水溶液添加量的增加，稻草砖MOE、MOR、IB平均值显著提高。

FR添加剂的加入剂量的增加，导致稻草砖的峰值热释放速率的平均值降低，这是由于添加剂组分的存在降低了秸秆的热释放速率。

综合中试结果，改性阻燃稻草砖最优化工艺条件为：硅酸钠水溶液添加量为3.6%，硅酸盐水泥添加量为16%，无水硫酸钙添加量为5.0%，FR硫酸铜添加量为4%。在实际操作工艺中，硫酸铜添加量可降为2%，这样既可降低成本，又可减少对环境的污染。

作为一种新型绿色环保秸秆砖，该墙体材料具有以下特点：可有效保护自然资源，对环境污染影响较小，可减少碳排放量;阻燃改性稻草砖具有重量轻，良好的抗扭强度，有一定的耐冲击性和耐火性，调节室内湿度，无放射性等优点^[8]。生产改性阻燃稻草砖可以回收再利用农业废弃物，有效地保护了环境，完全具备绿色墙体材料的特点，是未来的墙体材料发展的主要方向，满足社会发展，建设能源节约型社会的需求^[7]，对探索农村循环经济，可持续的发展模式，都具有非常显著的影响^[8]。同时，采用秸秆作为一种新型绿色环保建材，也是人类回归自然，保护环境，探索人类进入良性循环的有益探索。

安徽农业科学                         2015年

参考文献

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[2] 姜海峰，敖翔.土地资源的保护促进砖瓦行业向新型墙体材料转变[J].砖瓦，2011（12）：31-32.

[3] 姜伟，刘功良.改性复合稻草砖的综合性能分析与应用[J].建筑节能，2010（6）：54-56.

[4] 张跃华，罗志文，岳丽红，等.稻草砖的改性防腐防潮试验与应用[J].农业与技术，2013（3）：199-200.

[5] 白波.阻燃型秸秆家具饰面板材生产工艺研究[D].哈尔滨：东北林业大学，2008.

[6] 李国梁，贾贞，张士成.碱液处理对稻秸表面及稻草砖性能的影响[J].林业科技，2008，33（3）：48-50.

[7] 韩冰.我国绿色墙材将如何发展[J].建筑，2007（2）：47-49.

[8] 薛占海.生态环境产业研究[D].西安：西北大学，2008.