从“废物”到宝藏，秸秆纤维混凝土的逆袭之路

我国作为农业大国，每年产生各类农作物秸秆达9亿t，居世界秸秆产量之首。目前，除了少量秸秆被用于造纸、发电、食用菌种植和动物饲料外，大部分秸秆被就地焚烧，造成了严重的空气污染，引发了一系列生态环境问题。因此，寻求秸秆的合理处置方式得到了社会越来越多的关注。已有研究结果表明，秸秆可以作为掺合料掺入到水泥混凝土中，制成硅酸盐水泥制品应用于建筑材料领域。秸秆纤维混凝土具有自重轻、保温隔热性能好、节能环保等优点。此外，与无机纤维材料如碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等相比，秸秆纤维的造价低，经济性显著。采用秸秆纤维混凝土制成的砌块砌筑墙体可以节约冬季采暖成本，降低CO ₂ 排放，这对于冬季室外温度低、供暖期长的北方地区来说具有显著的经济和环保意义。秸秆是一种可再生资源，提高秸秆的回收利用率符合我国的可持续发展战略，具有重要的社会意义和研究价值。

      本文主要介绍秸秆的预处理方式，总结秸秆纤维混凝土的力学、热工、耐久和抗冲击性能，指出秸秆纤维混凝土在实际应用中存在的问题，提出相应改进措施，并对秸秆纤维混凝土在我国建筑材料领域的发展前景进行展望。

●秸秆的种类及化学成分

我国秸秆资源丰富、分布广泛，不同地区的秸秆种类存在差异。例如，南方地区的秸秆种类主要是水稻秸秆、甘蔗秸秆、麻类植物秸秆；北方地区的秸秆种类主要是麦秸秆、玉米秸秆、黄豆秸秆、高粱秸秆；西北地区（如新疆）盛产棉花，秸秆种类主要是棉花秸秆。虽然不同地区的秸秆种类不同，但秸秆的主要化学成分大体相近，主要由纤维素、半纤维素、木质素构成秸秆杆茎的不同层。其中，纤维素 是由葡萄糖组成的糖单元聚合物； 半纤维素是一种无晶体的聚合物，主要成分是多种聚糖单元，较易溶于水并发生水解； 木质素是芳香族聚合物和苯基丙烷单体构成的非晶体混合物，热稳定性差，不溶于水但易溶于有机溶液。 秸秆的刚度和强度主要取决于细胞壁中纤维素的含量，同时也与秸秆内部蜂窝状的结构形态有关。 麦秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆的主要化学成分见表1。

●秸秆的预处理方式

秸秆掺到混凝土中后，秸秆中的纤维素和半纤维素中的小分子戊聚糖易水解成葡萄糖、半乳糖等糖类物质，这些糖类物质在碱性环境中会进一步转化为糖酸，与混凝土中的游离钙离子结合生成糖酸钙，包裹在水泥颗粒表面，阻碍水泥进一步水化，造成混凝土强度降低，甚至影响成型。此外，秸秆表面十分光滑，这是由于秸秆表面细胞矿质化和角质化，从而在秸秆表面形成一层由高级脂肪醇和高级脂肪酸组成的酯类致密蜡状物，影响秸秆与基体之间的黏结，且在受外力作用时秸秆容易拉脱、拔出，从而导致混凝土的强度降低。因此，将秸秆应用到混凝土中时，有必要对秸秆进行预处理，以改善秸秆与基体之间的黏结性能，缓解糖类物质对水泥水化的缓凝和阻凝作用。

目前，常见的秸秆预处理方式有碱溶液处理、酸溶液处理、热水处理、聚合物乳液处理等。碱溶液处理、酸溶液处理和热水处理是通过破坏纤维素中的醚键和酯键，分离出木质素、半纤维素、戊聚糖等物质，使其溶解于酸、碱溶液或水中，从而降低其对水泥水化的缓凝和阻凝作用。此外，碱溶液处理、酸溶液处理和热水处理可以破坏秸秆表面的蜡质层，使纤维束分解为细小的纤维单元，从而使秸秆表面变得粗糙，此时，水泥或其他胶凝材料可以渗透到秸秆内部形成“胶钉”，从而提高水泥基材料整体的抗压强度。

      刘一星等采用热水蒸煮、浓度5%的HCl溶液浸泡、浓度5%的Na ₂ CO ₃ 溶液浸泡对麦秸秆进行预处理，结果表明，采用Na ₂ CO ₃ 溶液浸泡和热水蒸煮能有效减少麦秸秆中的阻凝成分，提高秸秆纤维水泥基材料的性能。何春霞等采用热水浸泡、浓度2%的草酸溶液浸泡、浓度2%的NaOH溶液浸泡处理麦秸秆，结果表明，不同处理方法均可以提高麦秸秆的拉伸强度和弹性模量，其中，浓度2%的NaOH溶液浸泡处理的效果最好，秸秆表面的角质层几乎全部溶解破裂，纤维变得粗糙疏松。唐迪等用浓度为1%~8%的NaOH溶液浸泡水稻秸秆，结果表明，随着浸泡时间的增长，水稻秸秆逐渐软化，24 h后趋于稳定，适宜软化时间为20~24 h，适宜的NaOH溶液浓度在2%~5%。

聚合物乳液处理是通过浸泡在秸秆表面形成一层保护膜，阻隔戊聚糖类、木质素等物质渗入凝胶材料中。此外，由于秸秆中的羟基具有很强的亲水性和强极性，会大量吸水影响混凝土的水胶比，而聚合物乳液形成的致密保护膜可以阻止秸秆吸收水分。侯贵华等用SD-800改性苯丙乳液、SD-528硅丙乳液、SD-5681氟硅乳液对水稻秸秆进行表面成膜处理，结果表明，与未处理的水稻秸秆相比，经聚合物乳液处理后的水稻秸秆的吸水率大幅降低，其中，质量分数为50%的SD-800改性苯丙乳液的处理效果最好，可使水稻秸秆的吸水率降低32%。姜欢采用石蜡乳液、明胶乳液、皂化松香乳液和二甲基硅油对水稻秸秆进行表面改性处理，结果表明，明胶乳液的处理效果最好，经明胶乳液处理后的水稻秸秆具有较好的弹性和延性，吸水率显著降低。

综上，聚合物乳液处理虽然可以显著改善秸秆的吸水性能，但会造成秸秆的体积和密度增大，且聚合物乳液的价格一般较高。因此，综合考虑经济性和操作难易程度，建议采用NaOH溶液浸泡的方法对秸秆进行预处理。

●秸秆纤维混凝土性能的影响因素研究现状

力学性能

严亮等将麦秸秆粉碎成粉末，研究了麦秸秆的掺量对水泥基材料性能的影响，结果表明，随着麦秸秆掺量的增加，试件的抗压强度逐渐降低。吴晓艳等通过正交试验研究了水稻秸秆的长度、直径和掺量对泡沫混凝土抗压强度的影响，结果表明，秸秆长度对抗压强度的影响程度最大，秸秆掺量次之，秸秆直径的影响不大；其中，随着秸秆长度的增加，混凝土抗压强度下降，秸秆的适宜掺量为2%。

      王晓燕等研究了麦秸秆预处理方式对胶砂力学性能的影响，结果表明，与对照组（未处理麦秸秆）相比，在胶砂中掺入3%的经浓度为4%的NaOH溶液浸泡24 h的麦秸秆，可使胶砂的抗压强度提高2.21倍，抗折强度提高3.58倍。

      耿睿等分别将油菜秸秆、玉米秸秆、水稻秸秆以丝状和粉状两种形态掺入到混凝土中，研究了秸秆的种类和形态对混凝土力学性能的影响，结果表明，粉状秸秆的分散均匀性优于丝状秸秆，与丝状秸秆相比，掺粉状秸秆混凝土的力学性能较好，秸秆种类对混凝土的性能影响不大。陈登等研究了秸秆的种类和形态对混凝土性能的影响，结果表明，粉状秸秆对抗压强度的降低幅度较丝状秸秆小，油菜秸秆对抗压强度的降低幅度略低于玉米秸秆和麦秸秆。

      综上，秸秆的掺量、尺寸、预处理方式、种类和形态等均对秸秆纤维混凝土的力学性能有一定影响，其中，秸秆种类的影响不大。在实际应用时，可根据工程具体要求，选择合适尺寸和掺量的秸秆，同时，建议对秸秆进行碱溶液浸泡后再使用。

热工性能

秸秆内部存在蜂窝状的孔洞，且秸秆中的木质素、纤维素等物质均为热的不良导体。因此，推测秸秆纤维混凝土比普通混凝土具有更好的保温隔热性能。

      杨凯将不同粒径和掺量的粉状水稻秸秆掺入到混凝土空心砌块中，采用热流计法测试了试件的导热系数和热阻，结果表明，随着水稻秸秆掺量的增加，试件的热阻增大，此外，秸秆的粒径越小，其在混凝土中分布越均匀，试件的热阻越大，保温隔热性能越好。苏有文等设计了一种新型秸秆混凝土空心砌块，空心率为25%，研究了水稻秸秆掺量（1%~6%）和形态对试件热工性能的影响，结果表明，与不掺秸秆的试件相比，掺6%水稻秸秆试件的导热系数降低了71%，且掺丝状水稻秸秆试件的保温隔热性能比掺杆状水稻秸秆试件的保温隔热性能好。马千里研究了蓖麻秸秆的掺量（7%~19%）对混凝土砌块热工性能的影响，结果表明，随着蓖麻秸秆掺量的增加，试件的热阻增大，传热系数逐渐减小，保温隔热性能提高。

耐久性能

混凝土的耐久性能主要指随着时间的推移，混凝土组成材料不可避免地发生劣化，影响混凝土的强度和使用功能。对于秸秆纤维混凝土来说，秸秆在混凝土的碱性环境中会逐渐脆化，从而对混凝土的耐久性能产生不利影响。针对这一问题，国内外学者进行了大量研究。MOHR等认为，水泥基材料中的Ca(OH) ₂ 是造成植物纤维脆化的主要原因，可以通过向混凝土中掺入矿粉、偏高岭土和硅灰的方式，降低胶凝材料的碱度，从而提高混凝土的耐久性能。MARCO等研究发现，向混凝土中掺入辅助凝胶材料，例如，用硅灰代替部分水泥，可以显著降低水泥基体的碱度。

      综上，在制备秸秆纤维混凝土时，可以向混凝土中掺入适量矿物掺合料或辅助胶凝材料，以降低基体碱度，延缓秸秆的老化，从而提高秸秆纤维混凝土的耐久性能。

抗冲击性能

秸秆在混凝土破坏时可以起到拉结的作用，提高混凝土的延性，减缓混凝土开裂，从而增强混凝土的抗冲击性能。目前，我国还没有统一的混凝土抗冲击性能的试验规程和衡量指标，主要借鉴美国混凝土学会（ACI）提出的落重法设计试验。

      包惠明等研究了剑麻秸秆纤维混凝土的抗冲击性能，以试件表面出现第一条肉眼可见的裂缝时所消耗的冲击能量来表征剑麻秸秆纤维混凝土的抗冲击能力，结果表明，试件承受的冲击能量部分可被剑麻秸秆所吸收，随着剑麻秸秆掺量的增加，试件的抗冲击性能提高，当剑麻秸秆的掺量为6 kg/m ³ 时，试件的抗冲击次数提高了约36%。李超飞等研究了水稻秸秆的掺量和形态对混凝土抗冲击性能的影响，结果表明，随着水稻秸秆掺量的增加，试件的抗冲击次数增多，此外，粉状水稻秸秆比杆状水稻秸秆对混凝土抗冲击性能的提升效果更好。

●秸秆纤维混凝土在应用中存在的问题

抗压强度不足

目前，大部分研究结果表明，在混凝土中掺入秸秆会导致混凝土的抗压强度出现一定程度的下降，且下降幅度基本与秸秆掺量成正比。究其原因，一方面，秸秆中的木质素、半纤维素、戊聚糖等物质的水化产物对水泥水化有阻凝和缓凝的作用；另一方面，秸秆是一种中空多孔的植物纤维，本身强度较低，用其制成的水泥混凝土制品的整体抗压强度随之降低。

      解决上述问题的方式除了对秸秆进行预处理之外，还可以在秸秆纤维混凝土中复掺适量的无机纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维等，无机纤维材料由于强度较高，可以在一定程度上改善秸秆对混凝土抗压强度的不利影响。此外，无机纤维材料的尺寸都远小于秸秆的尺寸，能够更有效地实现填充微孔的作用，从而提高混凝土抗压强度。

耐腐蚀性能较差

由于混凝土内部呈碱性环境，无论是秸秆还是无机纤维材料，其长期处于碱性环境中都会发生脆化，进而影响混凝土的耐久性能。可采取以下措施 改善秸秆和无机纤维材料的耐腐蚀性能： ①用碱溶液对秸秆进行预处理，无机纤维材料可以采选用耐碱纤维； ②选用碱度较低的硫铝酸盐水泥替代普通硅酸盐水泥，但要注意成本问题； ③向混凝土中掺入矿物掺合料或辅助胶凝材料，如粉煤灰、硅灰等，但需注意其掺量，以免造成混凝土抗压强度下降。

和易性较差

秸秆中存在大量的孔洞和亲水性羟基，导致秸秆纤维混凝土在拌和过程中会大量吸水，不利于秸秆均匀分散，影响混凝土搅拌成型。针对这一问题，可以从成型工艺入手，例如，调整加料顺序和搅拌时间，采用分层振捣、加压振捣、人工翻拌等方法成型试件。此外，利用粉煤灰的滚珠效应，可以在混凝土中掺入适量的粉煤灰来改善混凝土的和易性。

●结语与展望

（1）秸秆纤维混凝土具有劈裂抗拉强度高、延性好、抗冲击性能强、保温隔热性能好等优点。但是，目前秸秆纤维混凝土在我国的推广应用较少，主要原因在于其抗压强度较低，承重能力有限，只能用于隔墙和其他非承重构件。今后，需研究合适的生产工艺和配合比，探索生产制造适用于一至二层建筑承重墙体的秸秆纤维混凝土砌块。

      （2）针对秸秆纤维混凝土，目前我国还没有制定统一的设计、施工规范，还需通过大量的试验研究和理论分析，总结秸秆纤维混凝土的各项原材料性能和施工技术，为秸秆纤维混凝土的进一步推广应用提供参考。

（3）秸秆作为可再生资源，在我国分布十分广泛，将秸秆应用到混凝土中不仅可以提高秸秆的资源化利用率，而且可以改善秸秆焚烧造成的环境污染问题，实现人与自然的和谐发展。