环境友好型替代性材料稻壳在国内建筑行业的研究进展与应用

王凯英，王显利

(北华大学汽车与建筑工程学院，吉林吉林 132013)



环境友好型替代性材料稻壳在国内建筑行业的研究进展与应用

王凯英，王显利*

(北华大学汽车与建筑工程学院，吉林吉林 132013)

稻壳为大宗农业废料，是近年来新兴的重要替代性材料，具有满足建筑需要的重要特性如建筑隔热、隔声、低密度、多孔性等。在国内大量文献的基础上对稻壳水泥基材料的力学性能、耐久性能、保温隔热性能等进行了总结和分析，并指出了存在问题，以期为国内稻壳水泥基材料的深入研究和工程应用提供参考和借鉴。

稻壳；水泥基材料；性能；应用

随着全球性人口的急剧增长，对建筑物的高舒适性和低成本性提出了更高层次的需求。正是由于这一需求，出现了可持续建筑的理念，与环境相接合，其目的是减少能耗、减少污染、保护环境、提高生产力等。围绕这一目标，近年来世界各地都在着力研究和发展利废、节能、轻质、高强的多功能环境友好型替代性材料。稻壳为大宗农业废料，是稻谷加工过程中的主要副产品，是近年来新兴的重要替代性材料，具有满足建筑需要的重要特性如建筑隔热、隔声、低密度、多孔性，此外含有SiO2，具有火山活性，能增加材料的强度和耐久性。稻壳不仅具有良好的韧性，还具有一定的强度，且稻壳颗粒均匀，粒度适中，湿润后体积不膨胀，易于压实，有利于拌和均匀和提高混合料的密实度。因而稻壳可用于轻质保温稻壳板、砌块或砖、水泥制品、保温砂浆、涂料、合成树脂，以及应用于建筑的其他材料[1]。

1 稻壳的形态结构及组成

稻壳呈薄壳状，长约 5 mm，宽约 2.5～5.0 mm，厚不到0.5 mm。稻壳纤维短小，平均长度只有0.3 mm。稻壳真实密度为720 kg/m3，自然堆积密度仅 83～160 kg/m3，未磨碎稻壳摩擦力大，热传导率 0.057 W/(m·K)，磨碎后稻壳热传导率为 0.067 W/(m·K)[2-3]。

稻壳是一种木质纤维素原料，其化学组成：粗纤维35.5%～45.0%，木质素21.0%～22.0%，多聚戊糖16.0%～22.0%，灰分13.0%～22.0%，水分7.5%～16.0%，粗蛋白质2.5%～3.0%，乙醚浸出物0.7%～1.3%。稻壳含有的二氧化硅以网络状分布其中，起着骨架作用，木质素、纤维素等填充在网络中。稻壳的结构从外向内分为外皮层、纤维层、纤管形成层、薄壁细胞层以及内表层 4 部分[4]。图1A显示，稻壳的外表面有大量排列整齐的锥形突起，可提高界面粘结强度；从图1B可知，稻壳内壁较光滑，横断面是孔道结构，这种结构正是稻壳质轻、比表面积大的原因；比较图1A和图1B可知，稻壳内表面比其外表面和横断面要光滑而且有明显的细长纤维。

2 稻壳水泥基材料的研究进展

2.1 轻质稻壳砂浆哈尔滨工业大学的陈睿等以稻壳、普通硅酸盐水泥、砂、粉煤灰、水为原材料，加入一定量的外加剂，研制了可作为墙体材料的轻质高强、保温隔声的新型建筑节能材料——稻壳砂浆，对密度、强度、导热系数等性能进行了研究。研究表明，水泥材料的密度一般约为 3 000 kg/m3，稻壳砂浆的密度约为水泥的1/2，稻壳的加入使水泥材料的密度大幅度降低，与水泥材料相比，稻壳砂浆的抗压强度和抗折强度均有一定的提高。稻壳的添加使得稻壳砂浆的导热系数明显减小，其导热系数仅为水泥材料导热系数(0.9 W/(m·K))的1/2～1/3，远低于其他常用墙体材料的导热系数，如普通混凝土导热系数为1.51 W/(m·K)，普通红砖导热系数为 0.81 W/(m·K)，两者的密度分别为2 300 kg/m3和1 800 kg/m3。与普通墙体材料比，稻壳砂浆具有较好的保温性能[5-6]。

哈尔滨工业大学的赵琦等用水泥、砂、稻壳和水拌制而成稻壳砂浆，采用尺寸为 150 mm×150 mm×150 mm试块，进行稻壳砂浆的抗压强度与弹性模量试验。试验计算结果得到，稻壳砂浆试块的抗压强度标准值为 13.33 MPa，抗压强度设计值为 9.5 MPa，弹性模量为 2.1×104MPa[7]。

2.2 稻壳轻质混凝土20世纪90年代开始，交通部公路科学研究所的高汉忠等研究较便宜的室内外轻混凝土保温材料——稻壳水泥混凝土，以稻壳为骨料，水泥为胶结剂，107胶作增强剂的混凝土材料，对密度、导热系数、抗压、抗折强度、抗冻性进行了研究。研究表明，稻壳混凝土的密度在0.8～1.3 kg/m3范围内变动；保温性能好，导热系数为0.23 W/(m·K)左右；抗压强度8～15 MPa(试验平均强度12.6 MPa)，抗折强度2～6 MPa((试验平均强度4.9 MPa)，二者比值通常可达2～3。与抗压强度相比，其抗折强度相对高于用砂石做骨料的混凝土。稻壳混凝土抗冻性能好，在-20 ℃经25次冻融后其试件均无变化[8]。

孙树斌等以含CaO量为18%～22%的增钙粉煤灰70%、水泥30%、粉煤灰粗渣、稻壳和经外表面处理的憎水膨胀珍珠岩等材料为主原料，在硫铝酸盐-硫酸盐复合激发-膨胀剂的作用下，以湿排灰中产生的粗渣作为集料，无需加入砂、石配制成增钙粉煤灰-稻壳轻混凝土，在常温下养护生产新型墙体材料，具有良好的轻质性能及保温性能，其强度可达20 MPa以上，具有较强的实用性能[9]。

2.3 稻壳轻质水泥基材料哈尔滨工业大学的王明江等研制了一种用稻壳、石屑、粉煤灰等工、农业废料结合少量水泥制作的新型轻质水泥基材料。研究了稻壳掺量、稻壳预处理方式、制作工艺等对稻壳水泥基材料(Cement-based Rice Husk Materials，简称 CRHM)物理力学性能和耐久性能的影响。稻壳掺量在0～8%逐渐增加时，CRHM的抗压强度随之大幅度下降，体积密度下降近1/3；稻壳掺量为4%时，体积密度为1 618 kg/m3，较为理想。 随着稻壳掺量的增加，CRHM 冻融试验质量损失，强度损失逐渐变大。预处理方式表面喷水，陈化12 h对提高CRHM抗压强度效果最好，表面喷有机硅烷水溶液，60 ℃烘干对提高CRHM抗冻性效果最好[10]。

2.4 稻壳混凝土

2.4.1稻壳作为骨料对混凝土性能的影响。西北农林科技大学的谢琼等以水泥、石子、砂、稻壳、108胶、水、减水剂配制稻壳混凝土渠道衬砌材料，对各种工程性能进行了系统的研究。研究表明，水灰比、稻壳掺量、稻壳粒径、耦合剂对混凝土的抗压强度影响比较显著，随着水灰比的增大，稻壳水泥混凝土抗压强度不断减小；随着稻壳掺量的增加，其抗压强度不断降低；随着稻壳粒径的增大，稻壳混凝土的抗压强度呈现出先增大后减小的变化规律；稻壳耦合剂在改善稻壳混凝土的黏结性能方面起着很大的作用。随着稻壳掺量的增加，稻壳混凝土的表观密度逐渐降低，在稻壳掺量增加到 13%时，其减小的速度明显放缓，稻壳混凝土的表观密度已经达到轻集料混凝土的范围。稻壳由于孔隙率较大，稻壳水泥混凝土的抗渗性能比较差，随着稻壳掺量和水灰比的增大，混凝土的相对渗透系数逐渐增大；稻壳水泥混凝土的强度损失率随着稻壳掺量和水灰比的增大而逐渐增大，因而稻壳水泥混凝土的水灰比不宜过大。试验表明，稻壳水泥混凝土的水灰比和稻壳掺量越小，其质量损失率就越小。稻壳具有丰富纤维素、多孔性、低导热系数，普通混凝土掺入稻壳后，混凝土的导热系数有大幅度的降低，约为普通混凝土导热系(1.8 W/(m·K))的14%～20%[11-15]。

西北农林科技大学的刘长东等用水泥、稻壳、粗骨料、细骨料、粉煤灰、水、108胶、减水剂等配制稻壳混凝土渠道衬砌材料，进行了性能的系列研究。单因素对稻壳混凝土的力学性能影响由大到小依次为水灰比、稻壳掺量、粉煤灰掺量。随着各因素的增大，其抗压强度值呈现出先增大后减小的趋势。为了同时满足混凝土的力学性能和导热性能，粉煤灰掺量为20%，稻壳掺量为10%，水灰比为0.4时为最佳配合比。通过对混凝土抗渗性能主效应分析，得到混凝土抗渗性能的影响因素顺序：水灰比>稻壳质量分数>粉煤灰质量分数；粉煤灰-稻壳混凝土的相对渗透系数随着粉煤灰质量分数和稻壳质量分数的增大呈现出先减小后增大的抛物线的变化趋势，随着水灰比的增大呈现出一直增大的线性变化的规律。研究表明在不降低混凝土导热系数的前提下，在稻壳混凝土中掺入粉煤灰后确实能提高稻壳混凝土的抗渗性能。影响稻壳混凝土抗冻性的影响因素顺序为稻壳掺量>粉煤灰掺量>水灰比[16-18]。

2.4.2稻壳磨成粉作为外掺料对混凝土性能的研究。沈阳建筑大学的田悦把稻壳磨成粉以外掺料的形式掺入混凝土中，用普通硅酸盐水泥、水、粗集料、细集料配制C30混凝土。通过改变稻壳粉的掺量研究C30 混凝土的抗压强度、抗折强度、抗冻性能及抗渗性能。研究表明在掺量5%～10%的情况下，稻壳粉对混凝土的抗压和抗折强度早期影响不大，后期影响显著，但在掺量10%时较掺量为5%及8%时，C30混凝土的抗压、抗折强度有所降低；在掺量5%～10%的情况下，稻壳粉能明显提高混凝土的抗冻性；在掺量5%～10%的情况下，稻壳粉对混凝土的抗渗性有一定的影响，能够提高C30混凝土的抗渗性，当掺入8%时影响尤为显著[19]。

3 工程应用展望

稻壳是一种具有一定的韧性、多孔性、低密度、耐高温以及质地粗糙的高分子天然有机材料。将稻壳回收加工并资源化利用，制备现今社会所需要的各种建筑材料制品，不仅减少了环境污染，而且减少了对自然资源的浪费。目前应该将稻壳应用的重点放在原状或粉碎稻壳方面。工业上将稻壳稍加处理后，配合水泥或石膏等胶凝材料，制备出阻燃性能符合有关要求的稻壳保温砂浆，或者各种轻质稻壳保温板材、砌块或砖制品。稻壳混凝土一定能为建筑保温节能行业做出应有贡献。

3.1 稻壳砂浆及稻壳水泥基材料应用利用稻壳作为砂浆的原料之一，既充分利用了常被作为废弃物堆积的生物质材料，避免了环境的污染，又降低了墙板的生产造价。稻壳砂浆和稻壳水泥基材料价格低廉，抗压强度较高，导热系数小，具有良好的保温隔热性能，可视为物理力学性能良好的轻质保温材料，都可作为新型墙体材料，适用于建筑领域的节能型墙体材料和密闭性好的围护结构。稻壳砂浆能够满足相关规范标准对建筑材料物理力学性能的要求，满足住宅、学校和医院建筑的一级隔声标准要求，耐火极限及燃烧性能满足相关防火设计规范的要求，适用于9层及9层以下的住宅，单层、多层以及高层工业建筑，耐火等级为一级的非承重外墙[6]。

3.2 稻壳混凝土应用稻壳轻质混凝土作为节能建筑墙体具有更好的保温隔热性能，可以成为新型节能墙体材料。大量纤维的存在使稻壳可用于轻质保温稻壳板、砌块或砖制品的生产。但是稻壳中的糖类对水泥的水化有抑制作用，需要研究更加成熟的方法提取出不利于水泥水化的组分或者加入某种添加剂削弱这种作用[20]。在墙体、农田渠道衬砌及节能建筑中也开始采用了稻壳混凝土。

3.3 稻壳-水泥复合材料应用稻壳-水泥复合材料作为一种新型的建筑材料，国内外都有研究，可用于非承重墙的隔板、装饰材料、简易房等[12，21]。

4 结语

稻壳水泥基材料是利废、节能、轻质、高强的多功能环境友好型替代性材料，在建筑工程中有着广阔的应用空间，同时也解决了稻壳农业废弃物处理的难题。然而，目前稻壳混凝土的研究及应用仍处于初级阶段，还存在很多问题，用稻壳、粉煤灰替代骨料、水泥用量对稻壳混凝土的抗压强度、弹性模量、表观密度、抗渗性能、抗冻性能、抗收缩性能以及导热系数的影响规律等等还需深入研究。因此进一步系统地研究稻壳水泥基材料的配合比设计和各种性能，能为稻壳水泥基材料的广泛应用提供重要的理论依据，并进一步扩大应用范围。

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Research Progress and Application of Cement-based Materials Containing Rice Husk

WANG Kai-ying, WANG Xian-li*

(Automotive and Architectural Engineering College of Beihua University, Jilin, Jilin 132013)

Rice husk as vast agricultural residue is emerging as an importantly alternative building material, which is characterized by thermal insulation, sound insulation, low density, and porosity. Based on domestic literatures, the paper reviews the studies on mechanical properties, durability and insulation of cement-based materials containing rice husk, identifies the existing insufficiency. The results are helpful for the further study on cement-based materials containing rice husk at home and engineering practice.

Rice husk; Cement-based materials; Properties; Application

吉林省教育厅科学技术研究项目(2013176)；国家级大学生创新项目(2014023)。

王凯英(1977- )，女，吉林永吉人，副教授，硕士，从事新型建筑材料研究。*通讯作者，副教授，博士，从事功能型建材研究。

2014-12-17

S 181.3

A

0517-6611(2015)04-249-03