一种秸秆基轻质建筑复合材料及其制备和应用

1.本发明属于建筑材料技术领域，涉及轻质的、绿色的建筑材料，特别涉及一种秸秆基轻质建筑复合材料及其制备和应用。


背景技术：

2.秸秆是一种具有多层结构的多孔材料，在提供良好热性能的同时，其多孔性使材料能够与周围潮湿空气交换水蒸气，调节相对湿度的波动。因此，促进农作物秸秆合理开发及利用具有重要的现实意义。
3.目前，关于秸秆建筑用材的相关研究多种多样。按照秸秆成分在复合材料中的占比主要可分为两类。一种是秸秆作为添加剂，经改性后加入到建筑材料基体中用于提高建筑材料力学性能。另一种是以秸秆碎料或粉末作为主要成分，通过使用各类胶粘剂和添加剂共同混合制备而成。这类材料使用的胶粘剂主要可分为合成树脂胶粘剂、生物胶粘剂和无机胶粘剂三类。合成树脂胶粘剂如酚醛树脂、脲醛树脂、异氰酸酯等通常存在甲醛释放、成本较高等问题。生物胶粘剂如淀粉、蛋白等在胶合强度上存在较大缺陷。而广泛使用的无机胶粘剂如氯氧镁、硅酸盐固化时间较长，并且易受潮产生翘曲变形。


技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种秸秆基轻质建筑复合材料及其制备和应用，以农作物秸秆为主要原料，建筑石膏为粘结剂，在充分利用废弃秸秆资源的同时，有效降低生产成本，并保证其优良的力学性能。所制备的秸秆基轻质建筑材料具有低密度、低成本、低导热以及可回收等特点，并有助于节能建筑的建设。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种秸秆基轻质建筑复合材料，由秸秆碎料、石膏粉末和水组成，以重量计，秸秆碎料与石膏粉末的比例为1:0.9-1.1。
7.在一个实施例中，所述秸秆为水稻秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、玉米秸秆、高梁秸秆中的一种或几种，初始含水率小于12％；所述石膏为脱硫建筑石膏。
8.在一个实施例中，所述秸秆碎料，按照秸秆长度分为《1cm、1-3cm、3-5cm三类，根据建筑物高度和所需材料保温、保湿需求选择不同秸秆长度配比，具体涉及建筑墙高和所处气候环境。
9.本发明还提供了所述秸秆基轻质建筑复合材料的制备方法，采用冷压成型与自然养护法，包括以下步骤：
10.步骤(1)，取总用水量的一部分喷洒于秸秆碎料中，将秸秆碎料预打湿；
11.步骤(2)，将剩余用水量与石膏粉末混合，搅拌均匀制备石膏浆体；
12.步骤(3)，将所述石膏浆体与预打湿的秸秆碎料搅拌均匀得到压模混合料；
13.步骤(4)，将所述压模混合料装入模具并放置在压力机上，经冷压成型、自然养护，制得秸秆基轻质建筑复合材料。
14.在一个实施例中，所述总用水量根据水膏质量比1.0-1.2计算得出。
15.在一个实施例中，所述步骤(1)，取总用水量的20％-25％喷洒于秸秆碎料中。
16.在一个实施例中，所述步骤(1)，先将秸秆放入破碎机中打碎，得到不同长度秸秆碎料，按照秸秆长度分为《1cm、1-3cm、3-5cm三类，然后将秸秆碎料按照不同长度配比混合均匀；所述步骤(2)，搅拌速度为60-80r/min，搅拌时间45-60s；所述步骤(3)，搅拌速度为60-80r/min，搅拌时间45-60s。
17.在一个实施例中，所述步骤(4)，根据所需材料尺寸大小，选择合适的模具，控制压力大小为0.6-1.0mpa，并保压10-20min，解除压力后在室温下放置8-15min后脱膜，自然养护3-7d。
18.本发明所述秸秆基轻质建筑复合材料能够用于制备绿色建筑保温材料，在具体应用中，可根据墙体高度选择不同秸秆长度配比，其中较小秸秆填充较大秸秆之间的空隙，提高复合材料的密实度，从而可以承受更大的墙体高度。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.(1)所用废弃物秸秆来源广泛，制作成本低，同时提高了秸秆的利用率。另外，秸秆内部丰富的孔隙结构提供了良好的热性能。
21.(2)通过控制秸秆碎料粗细度配比，根据不同使用条件制备不同密度等级的复合材料。
22.(2)采用石膏作为粘结剂制备轻质建筑复合材料，同时还可以起到吸湿防潮、防火阻燃的效果。
23.(3)所制备的秸秆基轻质建筑复合材料工艺简单，易于操作，具有较好的保温隔热效果，同时可以自然地调节建筑内部空气的湿度，提高居住舒适度。
附图说明
24.图1为秸秆基轻质建筑复合材料的制备方法示意图。
25.图2为秸秆基轻质建筑复合材料的吸附-解析等温线图。
具体实施方式
26.为使本发明所要解决的技术问题、技术方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合具体实施例对本发明作进一步描述。
27.如前所述，现有将秸秆用于建材时，若将其作为添加剂加入到基体中，虽可提高建筑材料力学性能，但是用量较少，难以规模应用。而将其作为主要成分时，所使用的胶粘剂或存在污染，或成本较高，或胶合强度不足，或固化时间较长，总之，难以满足实际需求。
28.由此，本发明首先提供了一种秸秆基轻质建筑复合材料，由秸秆碎料、石膏粉末和水组成，其中以重量计，秸秆碎料与石膏粉末的比例为1:0.9-1.1，例如，以重量份计，秸秆50份时，石膏可为45-55份，水一般可为45-66份。也即，在该复合材料中，秸秆含量极高，作为了主要成分，此时，石膏粉末作为了胶粘剂，同时也是另一种主要成分。
29.在现有技术中，石膏在建材领域主要用于作隔墙、天花板或墙衬等。本发明中，将其用作胶粘剂，一方面，其吸湿性大，能很好地与天然纤维结合，另一方面，其质轻，强度较高，导热系数低，可调节室内温、湿度，同时又是天然a级防火材料，因而与天然纤维结合所
得的复合材料特别适用于绿色建筑保温材料。
30.本发明的实施例中，秸秆可为水稻秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、玉米秸秆、高梁秸秆中的一种或几种，其初始含水率小于12％；石膏则可为脱硫建筑石膏。
31.也即，本发明不限定秸秆的种类，常见的秸秆均适用于本发明。但是其初始含水率不能过高，这是由于含水率过高时容易产生霉烂，也不利于成型。同时，本实施例中选择脱硫建筑石膏，其原因在于其具备较好的胶凝性，且低碳环保。
32.本发明的实施例中，秸秆碎料由秸秆粉碎制取，按照秸秆长度，共分为《1cm、1-3cm、3-5cm三类，在具体使用时，可根据建筑物高度和所需材料保温、保湿需求选择不同秸秆长度配比，具体根据墙高推算出最底部材料不发生破坏时所应具备的抗压强度，同时根据环境所需的保温、保湿需求选择材料密实度大小及尺寸类型。
33.本发明秸秆基轻质建筑复合材料可采用冷压成型与自然养护法制备，如图1所示，主要包括以下步骤：
34.步骤(1)，取总用水量的一部分喷洒于秸秆碎料中，将秸秆碎料预打湿。
35.本步骤的主要目的是，通过将秸秆碎料预打湿，使得秸秆表面吸收一定量水分，更好的与石膏浆体混合。
36.本步骤所述总用水量，是指全部的外加水量，可根据水膏质量比1.0-1.2的合适范围计算得出。一般地，取总用水量的20％-25％，即可满足本步骤的要求。
37.本步骤所述秸秆碎料，可依前述，为三类不同长度秸秆碎料。具体地，先将秸秆放入破碎机中打碎，并按照秸秆长度划分，并根据需要，将秸秆碎料按照不同长度配比混合均匀。
38.步骤(2)，将剩余用水量与石膏粉末混合，搅拌均匀制备石膏浆体。
39.示例地，搅拌速度可以为60-80r/min，搅拌时间可以为45-60s。也即，不到1min即可完成搅拌。
40.本步骤的目的是制备合适浓度的、与预打湿的秸秆碎料适配的石膏浆体，以供下一步骤使用。
41.步骤(3)，将所述石膏浆体与预打湿的秸秆碎料搅拌均匀得到压模混合料。
42.示例地，搅拌速度可以为60-80r/min，搅拌时间可以为45-60s。也即，不到1min即可完成搅拌。
43.步骤(4)，将所述压模混合料装入模具并放置在压力机上，经冷压成型、自然养护，制得秸秆基轻质建筑复合材料。
44.在具体应用中，可根据所需材料尺寸大小，选择合适的模具，控制压力大小为0.6-1.0mpa，并保压10-20min，解除压力后在室温下放置8-15min后脱膜，自然养护3-7d。
45.显然，上述制备过程操作简便，成本较低。
46.利用本发明的秸秆基轻质建筑复合材料制备绿色建筑保温材料时，可根据墙高推算出最底部材料不发生破坏时所应具备的抗压强度，从而选择不同秸秆长度配比，其中较小秸秆填充较大秸秆之间的空隙，提高复合材料的密实度，从而可以承受更大的墙体高度。容易理解，此处，较小、较大，指的是“相对”的概念，例如，1-3cm的秸秆，相对于《1cm的秸秆，是“较大”，而相对于3-5cm的秸秆，则是“较小”。所得材料，具有良好的保温隔热、吸湿防潮、阻燃防火等性能，同时也能满足可承受自身重量的力学性能要求。
47.示例地，以秸秆长度《1cm的秸秆碎料为第一类，以秸秆长度1-3cm的秸秆碎料为第二类，以秸秆长度3-5cm的秸秆碎料为第三类，则，以质量计：
48.当第一类、第二类和第三类的比例为1:3:1时，所得材料可用于4m高墙体；
49.当第一类、第二类和第三类的比例为3:1:1时，所得材料可用于6m高墙体。
50.如下是本发明的几个具体制备和应用实施例。
51.实施例1
52.一种秸秆基轻质建筑复合材料及其制备方法，包括如下步骤：
53.(1)收集小麦秸秆1200g，将其晾干至含水率小于12％后，加入到秸秆粉碎机中进行粉碎，得到三类不同尺寸的秸秆碎料，分别为《1cm、1-3cm和3-5cm。
54.(2)分别取打碎后《1cm秸秆200g，1-3cm秸秆600g，3-5cm秸秆200g置于搅拌器内将其混合均匀。
55.(3)称取总用水量1100g，其中，取220g水用于秸秆预打湿，均匀喷洒于混合秸秆碎料中。
56.(4)称取脱硫建筑石膏粉末1000g，将剩余880g水与石膏粉末混合，并搅拌均匀；搅拌速度为60r/min，搅拌时间60s。
57.(5)将石膏浆体倒入预打湿秸秆碎料中，以60r/min的速度搅拌45s得到压模混合料。
58.(6)将制备好的混合料铺装到300mm
×
300mm
×
100mm的模具中，控制压力大下为0.6mpa，保压10min，解除压力后在室温下放置15min后脱膜，压制成型后复合材料尺寸为300mm
×
300mm
×
50mm，在自然条件下养护3d得所述秸秆基轻质建筑复合材料。
59.(7)测试该复合材料的抗压强度为0.032mpa；密度为0.31g/cm3；导热系数为0.051w/(m
·
k)；经可燃性能测试判定该复合材料的防火等级为gb 8624b1级，具有较好的阻燃作用；通过吸附-解吸实验，证明该复合材料为高吸湿材料，具有良好的吸湿性能，如图2所示。
60.基于该性能，复合材料可用于4m高墙体下，有较好保温、保湿需求的建筑材料中。
61.实施例2
62.一种秸秆基轻质建筑复合材料及其制备方法，包括如下步骤：
63.(1)收集大麦秸秆1200g，将其晾干至含水率小于12％后，加入到秸秆粉碎机中进行粉碎，得到三类不同尺寸的秸秆碎料，分别为《1cm、1-3cm和3-5cm。
64.(2)分别取打碎后0-1cm秸秆600g，1-3cm秸秆200g，3-5cm秸秆200g置于搅拌器内将其混合均匀。
65.(3)称取总用水量1000g，其中，取250g水用于秸秆预打湿，均匀喷洒于混合秸秆碎料中。
66.(4)称取脱硫建筑石膏粉末1000g，将剩余750g水与石膏粉末混合，并搅拌均匀；搅拌速度为60r/min，搅拌时间60s。
67.(5)将石膏浆体倒入预打湿秸秆碎料中，以80r/min的速度搅拌45s得到压模混合料。
68.(6)将制备好的混合料铺装到300mm
×
300mm
×
100mm的模具中，控制压力大下为0.6mpa，保压15min，解除压力后在室温下放置10min后脱膜，压制成型后复合材料尺寸为
300mm
×
300mm
×
50mm，在自然条件下养护3d得所述秸秆基轻质建筑复合材料。
69.(7)测试该复合材料的抗压强度为0.063mpa；密度为0.37g/cm3；导热系数为0.062w/(m
·
k)；经可燃性能测试判定该复合材料的防火等级为gb 8624b1级，具有较好的阻燃作用；通过吸附-解吸实验，证明该复合材料为高吸湿材料，具有良好的吸湿性能，如图2所示。
70.基于该性能，复合材料可用于6m高墙体下，有一般保温、保湿需求的建筑材料中。
71.实施例3
72.一种秸秆基轻质建筑复合材料及其制备方法，包括如下步骤：
73.(1)收集水稻和玉米秸秆各300g，将其晾干至含水率小于12％后，加入到秸秆粉碎机中进行粉碎，得到三类不同尺寸的秸秆碎料，分别为《1cm、1-3cm和3-5cm。
74.(2)分别取打碎后《1cm秸秆100g，1-3cm秸秆300g，3-5cm秸秆100g置于搅拌器内将其混合均匀。
75.(3)称取总用水量546g，其中，取120g水用于秸秆预打湿，均匀喷洒于混合秸秆碎料中。
76.(4)称取脱硫建筑石膏粉末455g，将剩余426g水与石膏粉末混合，并搅拌均匀；搅拌速度为70r/min，搅拌时间50s。
77.(5)将石膏浆体倒入预打湿秸秆碎料中，以60r/min的速度搅拌50s得到压模混合料。
78.(6)将制备好的混合料铺装到400mm
×
200mm
×
100mm的模具中，控制压力大下为0.8mpa，保压20min，解除压力后在室温下放置12min后脱膜，压制成型后复合材料尺寸为400mm
×
200mm
×
30mm，在自然条件下养护7d得所述秸秆基轻质建筑复合材料。
79.(7)测试该复合材料的抗压强度为0.026mpa，在3m高墙体的正常使用条件下，可以满足承受材料自重要求；密度为0.29g/cm3；导热系数为0.042w/(m
·
k)；经可燃性能测试判定该复合材料的防火等级为gb 8624b1级，具有较好的阻燃作用；通过吸附-解吸实验，证明该复合材料为高吸湿材料，具有良好的吸湿性能，如图2所示。
80.基于该性能，复合材料可用于3m高墙体下，有较好保温、保湿需求的建筑材料中。

技术特征：
1.一种秸秆基轻质建筑复合材料，其特征在于，由秸秆碎料、石膏粉末和水组成，以重量计，秸秆碎料与石膏粉末的比例为1:0.9-1.1。2.根据权利要求1所述秸秆基轻质建筑复合材料，其特征在于，所述秸秆为水稻秸秆、小麦秸秆、大麦秸秆、玉米秸秆、高梁秸秆中的一种或几种，初始含水率小于12％；所述石膏为脱硫建筑石膏。3.根据权利要求1所述秸秆基轻质建筑复合材料，其特征在于，所述秸秆碎料，按照秸秆长度分为<1cm、1-3cm、3-5cm三类，根据建筑物高度和所需材料保温、保湿需求选择不同秸秆长度配比，具体涉及建筑墙高和所处气候环境。4.权利要求1所述秸秆基轻质建筑复合材料的制备方法，其特征在于，采用冷压成型与自然养护法，包括以下步骤：步骤(1)，取总用水量的一部分喷洒于秸秆碎料中，将秸秆碎料预打湿；步骤(2)，将剩余用水量与石膏粉末混合，搅拌均匀制备石膏浆体；步骤(3)，将所述石膏浆体与预打湿的秸秆碎料搅拌均匀得到压模混合料；步骤(4)，将所述压模混合料装入模具并放置在压力机上，经冷压成型、自然养护，制得秸秆基轻质建筑复合材料。5.根据权利要求4所述秸秆基轻质建筑复合材料的制备方法，其特征在于，所述总用水量根据水膏质量比1.0-1.2计算得出，取总用水量的20％-25％喷洒于秸秆碎料中。6.根据权利要求4所述秸秆基轻质建筑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)，先将秸秆放入破碎机中打碎，得到不同长度秸秆碎料，按照秸秆长度分为<1cm、1-3cm、3-5cm三类，然后将秸秆碎料按照不同长度配比混合均匀；所述步骤(2)，搅拌速度为60-80r/min，搅拌时间45-60s；所述步骤(3)，搅拌速度为60-80r/min，搅拌时间45-60s。7.根据权利要求4所述秸秆基轻质建筑复合材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)，根据所需材料尺寸大小，选择合适的模具，控制压力大小为0.6-1.0mpa，并保压10-20min，解除压力后在室温下放置8-15min后脱膜，自然养护3-7d。8.权利要求1所述秸秆基轻质建筑复合材料在制备绿色建筑保温材料中的应用。9.根据权利要求8所述应用，其特征在于，根据墙体高度选择不同秸秆长度配比，其中较小秸秆填充较大秸秆之间的空隙，提高复合材料的密实度。10.根据权利要求9所述应用，其特征在于，以秸秆长度<1cm的秸秆碎料为第一类，以秸秆长度1-3cm的秸秆碎料为第二类，以秸秆长度3-5cm的秸秆碎料为第三类，则，以质量计：当第一类、第二类和第三类的比例为1:3:1时，用于4m高墙体；当第一类、第二类和第三类的比例为3:1:1时，用于6m高墙体。

技术总结
本发明涉及一种秸秆基轻质建筑复合材料及其制备方法，属于绿色建筑保温材料领域。所制备的复合材料以废弃农作物秸秆为主要原料，将秸秆碎料按照长度分为三类，通过不同的粗细度配比将秸秆碎料混合，然后倒入石膏浆体搅拌均匀得到压模混合料，最后经冷压成型制备而成。该秸秆基轻质建筑复合材料操作简便，制作成本较低，且具有良好的保温隔热、吸湿防潮、阻燃防火等性能，同时满足可承受自身重量的力学性能要求。性能要求。性能要求。


技术研发人员：陈畅 房立童 武艳文
受保护的技术使用者：西安建筑科技大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/4