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植物纤维墙体材料的发展现状以及前景展望
RSS 打印 复制链接 发布时间:2014-01-17 16:39:41

摘 要:  简要介绍了植物纤维墙体材料的发展状况,阐述了其对建材业节能环保的重要意义,并对植物纤维墙体材料的应用前景进行了展望。

关键词: 植物纤维;墙体材料;节能环保
21世纪以来,保护环境以及合理、高效地开发与利用资源已成为世界瞩目的热点。在我国,随着工业化和城镇化的快速发展,作为典型资源依赖型工业的房屋建筑业在推动国民经济迅猛发展的同时,由于消耗大量的资源能源,迫使其继续发展受到制约。各类建筑在其建造和使用过程中直接消耗的能源占全社会总能耗的近30%[1]。而墙体材料又是建材业的重要组成部分,其产值接近建材工业总产值的1/3,耗能占建材工业总耗能的1/2左右,因此,加速发展节能利废的新型墙体材料,不仅是调整建材工业能源结构的重要措施,而且对改善建筑功能,节约土地具有十分重要的意义。此外,使用新型墙体材料,能提高建筑中的能效,降低能耗,是我国高速发展国民经济的根本需要和实现住宅产业现代化和加快城镇化建设的基本要求。
我国作为农业大国,随着农业连年丰收,秸秆产量也大幅度上升,产量大约为6.5亿t/年[2]。农作物废料秸秆等的处理已成为社会问题,除了少部分被当作饲料、肥料等开发利用外,大部分被付之一炬,不仅浪费资源,而且严重危害了自然生态环境。因此,废弃农作物的综合利用意义重大。植物纤维墙体材料的诞生恰好解决了废弃农作物的利用问题,同时又适应了国家建设节能型社会的需求,促进了可循环经济的发展,加快了我国高效、低价、环保、实用的节能建筑产品的研发和应用。
1 植物纤维墙体材料的特点及来源
植物纤维墙体材料是以植物纤维为原材料的一种新型节能环保生态建筑材料。其特点主要表现在:①原材料可以再生、废弃且无害。②节能利废,改善环境。生产该类材料将尽可能减少矿产资源的过度利用,降低生产能耗,并可大量利用农业废弃物作原料,减少由于对其处理处置不当而引发的环境污染。③节约土地。既不毁地(田)取土作原料,又可增加建筑物的使用年限。④可实行清洁化生产。在生产过程中,减少废渣、废水、废气的排放,大幅度降低噪音,实现较高的自动化程度。⑤可再生利用。产品达到其使用寿命后,可再生利用而不污染环境。
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植物纤维来源广泛,可分为棉纤维、麻纤维、棕纤维、木纤维、竹纤维、草纤维。而用于墙体材料的植物纤维主要来源于木材、竹材和谷壳、秸秆、棉杆、高粱杆、甘蔗渣、玉米芯、花生壳等农作物废弃物。目前,利用农业废弃物生产的主要墙体材料包括麦秸均质板(图1)、纸面草板、植物纤维水泥板、麦秸人造板和秸秆镁质水泥轻质板等。
2 植物纤维墙体材料的发展状况
2.1 国内植物纤维墙体材料的发展状况 
与国外相比,我国对植物纤维墙体材料的研究起步较晚。20世纪80~90年代,利用蔗渣制造硬质纤维板、刨花板的工厂体系在我国南方逐步出现。随着我国建筑业的革新与进步以及建筑节能工作的深入开展,环保利废型墙体材料的生产和应用出现了快速增长的良好局面。以麦秸、稻秸、棉秆等非木质材料作为原料生产制造墙体材料的技术与工艺已成为国内多所科研院校致力研究的项目课题。其间制造出的刨花板和中纤板的物理力学性能可以达到国家有关人造板的标准技术指标。我国广西、广东和福建地区也是植物纤维的盛产地,许多学者就植物纤维增强水泥基复合材料的开发进行了探索。章希胜等[3-5]研制开发了价格低廉、防渗防漏、性能优异的植物纤维水泥复合板,取得了良好的经济效益。针对内含钢渣的植物纤维增强水泥基复合材料,李国忠等[6]探讨了其基体结构和界面状况对材料性能的影响。近年来,随着建材产品结构合理化以及先进生产技术的传入与发展,国内涌现出大批生产秸秆板材的厂家,其产品市场逐步由国内拓展到海外[7]。植物纤维墙体材料开始稳步发展。
2.2 国外植物纤维墙体材料的发展状况 
国外植物纤维墙体材料的发展由来已久,草砖建房技术在北美已有百年历史。早在20世纪初就出现了利用秸秆加工生产人造板材的技术;1920年美国路易安那州建立了蔗渣制板厂[8];英国Compak设备公司最早开始研究采用麦秸和稻草作为板材原料,经过10年努力,成功制造出性能高于木质刨花板的Com-pak板;波兰天然纤维研究所利用亚麻、黄麻和大麻的下脚料、甘蔗渣、芦苇秆、棉秆、香草根、油菜秆、麦秸等外加锯末为原料,制造出高质量的人造板。目前,全球已有20余个国家开办了以农作物为原料的人造板生产厂家,美国和加拿大超过50%。其中,美国PRIML BOARD公司,加拿大ISOBORD公司生产线产量均在10万和20万m3以上;美国的麦秸板全年产量约为1 600万m3 [9]。
由于保护森林资源和维护生态平衡的需要,各国开始致力于开发非木材植物纤维建筑材料。自20世纪80年代以来,利用非木质植物纤维增强水泥基材料的研究和利用成为不少发展中国家致力研发的热点。由于作为水泥基增强材料的天然植物纤维,使用较多的是只经过粗加工或未加工的原料,如稻草、芦苇、棕榈叶、竹子等,因此发展中国家从经济的角度考虑,特别注意开发这方面的资源,主要研究本国盛产的植物纤维。印度政府于1993年4月实施了一项禁止将实木用于建筑的法律,旨在推广以农业废弃物,如棉花秆、甘蔗渣、豆秸和稻秸为原料的廉价的建房材料。埃及盛产棕榈树,20世纪90年代中期,埃及科学家选择以资源丰富的棕榈叶为研究对象,进行了棕榈树叶纤维增强混凝土材料的研究,通过试验得出,棕榈树叶纤维混凝土材料的实用可行性,并且发现由于棕榈树叶独特的内部结构,经过水泥溶液浸泡,其纤维变得更加稠密,使得经过水泥溶液浸泡的棕榈树叶纤维增强混凝土的抗拉强度比未经水泥溶液浸泡的抗拉强度高[10]。
近年来,一些发达国家的科研单位,也配合发展中国家进行非木质植物纤维增强水泥基材料的研究,并且取得了一定的进展[11]。目前,世界不少国家已经生产与应用非木质植物纤维增强水泥基材料。据美国ACI544委员会的报告[12],全球约有40个国家有可能将该材料应用于建筑物中。具有百年历史的澳大利亚的JamesHardie公司,专业从事植物纤维水泥制品研制,1981年起开始生产压蒸式木纤维增强水泥,并将该项技术推广至美国以及亚洲与非洲的某些国家[13]。迄今为止,其植物纤维水泥制品遍布全球,前景良好。
3 植物纤维墙体材料的优势
3.1 来源广泛、节约能源、保护环境 
植物纤维墙体材料以来源广泛的农作物废料秸秆等作为原材料,不失为一种变废为宝、节约资源的有效措施。其低廉的建筑造价符合我国基本国情及产业政策。在避免对木、竹材等资源过度开发利用的同时,为废弃农作物的合理利用提供了有效的方法与途径,使秸秆等农作物废料引发的环境生态问题的根本解决成为可能。
3.2 性能较好、实用性强 
植物纤维墙体材料是在国家推行墙材改革,出台禁用粘土砖政策后,出现的性能较好、实用性较强的产品之一。其性能与粘土砖接近,且舒适性高,使用后能再次回收或自然降解为环境消纳物质,对生态环境几乎无影响。为墙材改革的平稳过渡和未来高性能住宅的发展做出了有益的探索。
3.3 施工安装便捷,缩短建筑工期,降低建筑成本及能耗 
植物纤维墙体材料安装便捷,可按图制作,按号拼装,砌体和保温的全部工作可一次完成,与建筑框架同时施工,按序跟进,同时完工,打破了我国建筑长工期、跨年度施工的传统模式。并且将可能实现建筑轻体化、高能化、省地化。
3.4 实现建材生产的低耗高产 
以植物纤维外墙保温板为例,在生产成本中,该墙体材料耗电0.142 kW /m2,耗水1.5L/m2,不用lg燃料,电和水的成本为1元/m2。与其他墙体保温材料相比,其产出量与能耗比极低。植物纤维在使用中的节能效益很高。如,200mm规格的该墙板与370 mm规格的粘土砖墙相比,其保温系数高出粘土砖墙4倍,取暖热耗降低4倍,取暖成本减少4倍,每年可节省大量的能源消耗,减少取暖支出[14]。
4 植物纤维增强水泥基材料的发展前景
(1)随着高层建筑的增多及国家保护耕地相关法规的出台和建筑本身节能要求的不断提高,我国住宅墙体建设将逐渐杜绝使用实心红砖。同时,一些建材因其自身缺陷将逐渐退出市场。以石膏墙板、粉煤灰墙板为例,由于这2种产品的强度低、容易潮霉,一般2~3年即自行返潮解体,在南方地区尤为严重,因此,这些建材产品已逐渐被建筑商所淘汰。墙材市场对像植物纤维这种新型墙体材料的需求存在巨大空间。植物纤维新型墙材以其轻质、高强、保温性能好、吸水率低、抗冻融性能高等优点和诸多特性,势必产生巨大的经济效益和社会效益,成为未来墙体市场发展的主流。
(2)作为世界上农作物秸秆纤维产量丰富的国家,我国很有必要对植物纤维建筑材料加以研究与探讨,以开拓对农业废弃物资源的利用领域。同时,秸秆等农业废弃物作为可再生资源,符合节能、可持续发展的要求,将其作为墙体材料原料也不失为节能利废,有效处置农业废弃物的途径,而且发挥了农村资源优势,增加了农民收入。采用秸秆等农业废弃物作为墙体材料的原料,开辟了新的原材料来源,缓解了各地发展墙体材料资源短缺的矛盾,更推动了各地墙材工业的发展,促进了墙材产品结构的变革。同时,随着墙材品种的增加,也将有力地推动房屋结构的变革和观念的更新,促进建筑产业化的实现。节能利废型植物纤维墙体材料作为新型绿色环保建筑材料,将具有广阔的工程应用前景和巨大的市场潜力,并且对于今后的国计民生有着深远的意义。
5 结语
随着人们对节能及环境问题的广泛重视,研制新型环保墙体材料已成为建筑业的发展趋势,建筑墙体材料必须更新换代,采用新型墙体材料势在必行。植物纤维新型墙体材料由于其本身具备的极为突出的优势,不仅符合未来建筑材料需求的方向,而且符合国家发展循环经济,建设环境友好型与资源节约型社会的重大战略方向,同时顺应了世界环境保护的主流趋势,势必在建材发展市场中占有重要的一席之地。
参考文献
[1]王铁宏,史殿臣,王玉普,等.加快推进节能省地环保新型墙体体系的应用———对黑龙江省推广应用节能省地环保新型墙体体系情况的调研与思考[J].墙体革新与建筑节能,2009(3):17-19.
[2]高祥照,马文奇,马常宝,等.中国作物秸秆资源利用现状分析[J].华中农业大学学报,2002,21(3): 242-247.
[3]章希胜.植物水泥防渗漏面板研制[J].中国建筑防水,1998(2):13-14.
[4]邹惟前.植物纤维水泥复合板的性能应用[J].墙体革新与建筑节能,1996(1):32-37.
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[6]李国忠,于衍真.植物纤维增强水泥基复合材料的性能研究[J].硅酸盐通报,1997(3):42-45.
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[8]李延军,高建民.我国秸秆人造板研究近况及发展前景[J].建筑人造板,2002(1):3-5.
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[11] SAVASTANO JRH,WARDENPG,COURTSR SP.Potentialofalterna-tive fiber cements as buildingmaterials for developing areas[J].CementandConcreteComposites,2003,25:585-592.
[12] ACI Committee 544. FiberReinforced Concrete[C].Detroi,t USA:ACI544, 1997: IR-96.
[13]沈荣喜.国际纤维水泥制品的百年回顾与中国纤维水泥制品发展方向探讨[J].混凝土与水泥制品,2002(S1):65-71.
[14]孙成建,侯国艳.植物纤维建材在我国的实用性和广泛性[J].中国建材科技,2006,87(3):39-40,65.
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