建筑填充类含菌复合材料的试验研究.pdf

现有建筑填充材料主要通过烧结、蒸压、水化等工艺制成，整个生命周期消耗能源、污染环境、难以降解，由菌丝复合生成的填充类材料可替代现有建筑填充材料。基于此对新型建筑含菌复合材料的塑造试验进行了设计、筛选、测试、分析，比选出真菌类生物复合材料的成型试验方案。试验表明，试件变形量为1 0%时，培养期在2、3周时的试件抗压强度分别可达到0.7 3、1.6 9 MPa；试件尺寸为5 cm立方体比7 cm立方体强度提高了30%5 0%，透气性可明显提高菌丝生长和试件强度；增加材料的含砂量可提高试件强度，但过高的含砂量反而降低了掺合料之间的黏聚力，使其强度降低。关键词：真菌菌丝；建筑填充材料；菌丝砖；真菌复合材料中图分类号：TU528.01Abstract:The existing building flling materials are mainly made by sintering,autoclave,hydration and other processes.The whole lifecycle consumes energy,pollutes the environment,and is dfficult to degrade.The filling materials generated by the mycelium composite canreplace the existing building filling materials.Based on this,the molding test of the new building composite material containing fungi wasdesigned,screened,tested and analyzed,and the molding test scheme of the fungal biological composite material was selected.The testshows that when the deformation of the specimen is 10%,the compressive strength of the specimen at 2 weeks and 3 weeks can reach0.73 MPa and 1.69 MPa respectively.The strength of the 5 cm cube is 30%50%higher than that of the 7 cm cube,and the permeabilitycan significantly improve the mycelial growth and the strength of the specimen.Increasing the sand content of the material can improve thestrength of the specimen,but too high sand content reduces the cohesion between the admixtures and reduces its strength.Key words:fungal hyphae;building filling materials;mycelium brick;fungal composite materials文献标志码：AMolding mechanism and test scheme of fungal composites filled in buildingsHUANG Teng,LI Dajun,HOU Hongchao3(1.Yantai Huada Agricultural Cold Logistics Co.,Ltd.,Yantai 265500,China;2.Investment Project Construction Service Center of Yantai Government,Yantai 264000,China;3.Beijing CCCC Qiaoyu Science and Technoligy Co.,Ltd.,Beijing 100020,China)文章编号：1 0 0 2-35 5 0(2 0 2 3)0 6-0 0 40-0 50引言建筑工程中依然在大量使用较为传统的工程材料和施工工艺，这种建筑方式已不再符合“节能减排”这一基本国策，耗能型材料呕需环保型材料进行替代；由真菌菌丝作为“黏结剂”的生物复合材料具有环保、节能、可降解的材料特性，对于真菌菌丝的复合材料的研究，近几年主要是针对缓冲材料、保温材料、包装材料上的应用，对于在建筑填充类材料上的应用较少。目前，国内学者主要针对真菌菌丝复合材料的物理力学性能、吸附性能 2-4、保温性能 5-、隔声性能 7 进行了分析，邹栋利用一种真菌菌丝体，将秸秆与园林废弃物原料固结在一起,培养出力学性能良好、导热系数较低的新型材料8，何娟通过改变菌丝复合材料界面属性，提高了复合收稿日期：2 0 2 2-0 3-0 8基金项目：国家自然科学基金（5 1 9 7 8 32 2）40板材内结合力强度 9。国外研究发现，菌丝体复合材料具有泡沫状机械性能和高吸水性叫,菌丝体的纤维网络所组成的材料具有一定强度叫，也具有吸声的性能 1 2-1 4;M.R.Islam发现菌丝体网状结构其具有高度不均匀的微观属性，表现出强烈的非线性力学行为和应变软化,JonesMitchell对菌丝体生物质复合材料的热降解和燃烧特性进行了测量和分析 6。菌丝复合材料在保温、隔声、阻燃、抗压性能方面具有一定的建筑材料属性，本试验将通过对复合材料的方案比选和成型机理进行分析,对不同掺合料和不同配合比下的含菌复合材料开展试验探索研究。1与现有建筑填充材料的比较现有的建筑填充材料主要包括：黏土烧结砖，蒸压灰砂砖,加气混凝土砖等。在当前的公共建筑与民用建筑中，主要是用于框架结构和剪力墙结构的非承重填充墙，起到间隔、围护、保温的作用。1.1现有建筑填充材料的主要缺陷1.1.1黏土烧结砖黏土烧结砖的缺点：毁田取土、能耗大、块体小、施工效率低、砌体自重大，抗震性差等端；砖面易出现盐析、膨胀、剥落、爆裂等现象，这些现象降低砌体强度，影响着建筑的质量。1.1.2蒸压灰砂砖蒸压灰砂砖的缺点：极其不稳定的收缩性，在出炉的3d内会有大幅度收缩，直至6 0 d后才逐渐稳定；容易受环境温度和湿度的变化再次重新开裂、破碎、收缩。1.1.3加气混凝土砖其表观密度较小,有一定的隔热性，因其抗压强度低，多用于非承重墙和隔墙，在受潮、风化、冻融的部位使用容易开裂，脆性较大韧性较小,在磕碰、冲击、振动后易破碎。1.2含菌材料与现有建材生产与施工1.2.1 现有加气混凝土填充材料与含菌复合填充材料的生产技术蒸压加气混凝土砌块使用水泥作为主要的凝结剂，在各种原料掺和、搅拌、砌筑、切割后，需要8 1 0 1 0 5 Pa蒸汽压，蒸汽温度控制在1 7 5 2 0 5 之间持续1 0 h左右才可制成产品；无论是原料的制取还是砌块的蒸压生产都是一个高耗能高污染的过程。相比于蒸压加气混凝土砌块，含菌填充材料使用木屑、秸秆、砂石作为原材料，制备过程中原料先经过光学紫外线照射杀菌，在温度2 5、湿度6 0%的环境中培养2 3周，产品成型经3h、6 5 烘干灭活后即可使用；整个生产过程仅消耗较少的能量，菌丝培养生长过程对环境无污染、无病害、无耗能。1.2.2现有加气混凝土填充材料与含菌复合填充材料的施工工艺加气混凝土材料制成统一尺寸规格的砌块，砌筑时用一定强度等级的混合砂浆砌筑黏结，墙体砌筑完成后还要甩浆、挂网、抹灰，最后再进行墙体表面装饰，工序比较繁琐,周期相当漫长。含菌复合填充材料可生产出体积较大的块材，它不像蒸压加气混凝土砌块容易破碎断裂，含菌材料整体具有较强的韧性，可根据施工需求个性的设计块材的形状和尺寸；生产含菌材料成品的模具比较简易廉价，为满足施工需求提供了极大的生产便利；施工时可以使用生物质胶进行黏结拼装成型，拼装作业完成后，即可进行墙体表面装饰；施工过程节省人力物力，缩短施工周期。1.3含菌建筑填充材料的社会价值1.3.1循环利用含菌材料利用农作物秸秆、木屑、生活食物残渣作为原料，材料生命期全过程无化学试剂；不需用掺加其他耗能材料，只需室温培养，可循环利用，越是经过循环破碎的下脚料越利于菌丝生长，因为其中有适宜菌丝体生长的有机环境,并且在前周期的培育过程中内部有机料经过了菌丝酶的降解，在重复培育的过程中更容易被菌丝体吸和收利用。1.3.2生产周期蒸压加气混凝土填充材料生产周期较短一般只需要1 d时间，但产品需待龄期2 8 d后才可使用，在使用前2 d需浇水湿润，砌筑施工完成后还需要墙体灰缝凝固沉降1 4d以后才能进行墙顶塞缝和装饰施工，即使如此长周期的施工工艺下依然很难避免墙体开裂现象的出现。含菌复合填充材料生产周期为2 3周，在材料灭活后即可使用，可进行整面墙体或者大体块的成品加工，成品制成后可直接安装使用，大大缩短施工工期，简化施工工艺。1.3.3适用环境含菌填充材料是由木质有机物与砂石无机物复合而成，在生产、运输、吊装、搬运过程中不易损坏断裂；材料密实度可调，可为建筑框架减少承重，拆装方便；材料的物理性质可控，可满足墙体保温、隔热、隔声、防火、防水、防潮等不同的功能需求。2含菌复合材料的特性与应用2.1含菌复合材料的物理特点2.1.1压实与密度根据在成型过程中压实程度的不同分为弱、较弱、较强、强的四级压实程度，形成4种不同密度等级的复合材料；压实程度的强弱制成不同密度的墙体，密度大小可以根据木屑、砂石的掺和量以及菌丝生长周期来调节 1 8。2.1.2防火与防潮复合材料中掺加砂石等不燃性材料，经过培养压制成型后材料可达到难燃标准;在材料表面涂刷有机类界面剂,可以隔绝空气和水分,减少冷热气体的交换,避免形成传热的冷桥9。2.1.3保温与隔声复合材料成型后，表面布满一定厚度的菌丝膜，材料内部有菌丝充填其中，菌丝在灭活后呈现出木质属性,具有较好的隔热性能。含菌材料内部的木屑与砂石之间存在着细小空隙，菌丝分布生长，充满整个空隙，起到一定隔声的作用，如图1 所示；含菌材料内部有多种材质掺和而成，声波在不同的界面上进行快速的转换、反射,起到衰减声波的作用 2 0 。图1 菌丝充填在砂与木屑中2.2含菌复合材料的力学特点材料中的砂不像在混凝土中那样经过水泥的硬化胶41结成为一个高强度的整体，含菌复合材料中，菌丝将砂粒、木屑“黏结”在一起，材料既有木质材料的韧性，又具有无机材料的硬度。菌丝本身有植物的属性,因此含菌材料更具有韧性；当材料破坏时菌丝体首先被拉断，砂颗粒之间接触面积较少，不会形成像单粒砂那样硬度的材料，但是砂在材料中起到了骨架作用，使得材料有一定的抗压强度，降低了材料的可压缩性,增加了材料的脆性 2 1-2 。2.3含菌复合材料的应用方向2.3.1可替代现有的墙体填充材料与现有墙体填充材料相比，含菌复合材料能够节约生产成本，缩短加工周期，降低环境负担，简化施工工艺，减少劳动负荷；材料表面涂刷有机类界面剂，防止材料风化降解；是一种方便快捷、安全环保的新型建筑填充材料。2.3.2可用于临时设施的围护结构替代彩钢板房、水泥板房、钢木板房中的板材，板材可随意拆装、便于运输、移动方便，拼装成的活动房稳定耐久性强,材料不易破损，增加周转次数。在临时设施中高强度的含菌材料可用作承重抗压结构，低强度的含菌材料可用作围护分隔结构。2.3.3可用于治沙工程中的固沙板治沙工程旨在防止沙漠化，保护农田、牧场、交通路线和居民点不受沙流侵害，含菌固沙板可以因地取材，使用菌丝作为“黏结剂”将散沙固结成板材或者块材，平铺在沙丘和沙质地表面，固定风力吹扬形成的流沙，减少地表水分蒸发，还不会像化学试剂那样使地表密不透气、污染环境，再结合种植树木、栽培浇灌，可实现防风固沙目的；含菌固沙板在长期的室外环境中也会慢慢降解，最终可转化成为有机肥,促进植物根系生长 2 3-2 4。3含菌复合材料的成型机理3.1菌丝体的生物特性菌丝在适宜的培养基中萌发,菌丝体细胞吸收材料中的碳源、氮源、维生素、矿物元素等营养成分，通过分解、吸收、合成、代谢、转化完成菌丝体的繁殖生长；菌丝体是丝状的组织结构,在植物基质的内部和黏有淀粉液砂粒的表面生长，不断的分枝蔓延,相互连接缠绕,形成菌丝束和菌丝团;菌丝的生长需要适宜的温度、湿度、氧含量、酸碱度和光照环境，并对生长环境的洁净度要求较高，避免其他杂菌的感染。3.2无机料的物理特性砂中一般含有少量泥土，应将其冲洗干净，泥土的粒径较小，容易阻塞菌丝在砂之间的生长空隙；砂粒的主要成分是二氧化硅，质地坚硬，但是大量的砂粒组合在一起便是“一盘散沙”，具有整体流变性，无法发挥单个颗粒的强度;砂石的化学性能稳定,很难发生化学反应，只有在强碱强酸或高温下才可反应；砂也是极其常见和廉价的材料，适合作为含菌材料的掺合料。3.3复合料的黏结方式发酵过的木屑与有机溶液浸润的砂均匀搅拌，菌丝在木屑内部和表面生长，不断蔓延直至充满整个试件，形成42致密的菌丝体网络；砂粒在试验前经有机溶液浸润，会使充斥在木屑中的菌丝体吸附在砂粒表面,在砂粒与砂粒空隙、砂粒与木屑空隙间形成围绕和包裹的网络，菌丝在材料中起到“黏结剂 的作用,使其黏结称为一个整体 2 5 。4含菌复合材料的制备与试验4.1试验原料及制备4.1.1母种筛选选择灵芝菌接种培养基，菌丝具有洁白、粗壮、浓密、整齐的特性，菌丝对外部环境要求较低，生命力强，在外部环境变化的刺激下不容易出菇。4.1.2原料制备木屑选用直径为2 mm的杨木颗粒，发酵2 4h后进行高压湿热灭菌；砂选用2 mm粒径颗粒，经过高压湿热灭菌后与有机溶液掺和并充分浸润；玻璃丝和水都是经过高温灭菌处理后，再与其他掺合料混合使用。4.2试验设备及环境4.2.1设备器械HZQ-Q气浴恒温温振荡器、LS-B50L型立式压力蒸汽灭菌器、LRH-250-A型生化培养箱、干燥箱、筛分机、万能压力试验机、超净工作台、紫外线灯。4.2.2消毒灭菌在接种接种前,现将试验熏蒸杀菌；培养室在使用前利用30 W紫外线灯照射1 h，进行紫外线消毒杀菌；在试验员进出培养室时,对培养室空间喷洒7 5%酒精杀菌，以免带人杂菌，保证培育环境清洁。4.2.3避光环境光照对菌丝体有一定的抑制作用，还容易刺激子实体原基形成长,诱导出菇,在菌丝培养的过程中要进行避光处理。4.3试验过程4.3.1菌丝接种首先将母菌接种到制作好的PDA培养液中，经过静放、震荡，直至清澈通明的培养液中出现大量悬浮的菌丝球，培养好的菌丝液放置备用；其次将木屑、砂、有机溶液等原材料充分拌合，分层压实装填到试模中；最后将菌丝液注射到试件中，放置培养。4.3.2成型培养接种好的试件保持与外界空气和水分交换，同时避免杂菌污染；温度控制在2 8 左右，环境湿度控制在6 5%左右，并维持一定的氧浓度;培养室内保持紫外线杀菌,与外界形成一道杀菌屏障;培养周期一般在2 3周，当有出菇现象时立即停止培养，转至烘干箱，调至6 5 烘干3h;待试件放?后涂刷有机类界面剂,避免水分侵人，隔绝空气,防止风化和降解。4.3.3力学试验试件力学试验过程参照蒸压加气混凝士砌块标准GB119682006、蒸压加气混凝土性能试验方法GB/T119692008。测量试件上下表面尺寸，计算出受压面面积，以2 mm/s的速度连续均匀加载，直至试件破坏，记录破坏时变形及荷载，压力试验机与试件如图2 所示。(a)材料试验前状态图2 材料试验状态5?含菌复合材料的试验分析(1)材料合成：细砂、玻璃丝经有机溶液浸润后，使其表面沾满有机溶液，便于菌丝生长过程中吸附、缠绕在其表面,形成与木屑的“黏结”;木屑填充其中的主要作用是：作为菌丝生长的培养基，提供充足的营养，成为菌丝网状分布的连接点和补给点。(2)压实程度：在成型过程中使用贯入器压实拌合料，根据落锤锤距和贯击次数的不同分为弱、较弱、较强、强的四级压实程度，4种密度等级的材料。（3)强度计算：材料的强度取变形量为1 0%时的应力，在应变超过2 0%会时材料会出现较大变形，仍未出现断裂现象，如图3所示；当竖向应变超过40%后，才会出现试块第一批木屑有机溶液细砂玻璃丝压实比强度(C10%)试件/%1.11001.2801.3501.4701.550(2)玻璃丝的掺入并没有明显改变试件强度，主要是因为玻璃丝表面光滑，菌丝体很难握裹缠绕玻璃丝，在试件受力变形过程中很容易被抽离出，不能形成“连接”作用，如试件1.3与1.5，如图4所示。5.2第二批试件分析（1)第一批试件的培养周期为3周,第二批试件的培养周期为2 周，两次试验对比明显看出第二批试件强度较低,菌丝的培养时间直接影响着试件的强度。在菌丝生长不充分的情况下，各试件的强度并没有较大差距，见表2。(2)在第二批试验中，试件在应变为5%与1 0%时求出的弹性模量相差较大，与第一批试验相比第二批试件过早第二批木屑有机溶液细砂玻璃丝压实比强度(C10%)试件/%2.1302.2402.3302.4852.5352.655(b)材料试验后状态表1 第一批试件配合比及物理性能/%/%一01010153520一1035/%/%56555510601505601035图3大应变下的材料状态破裂现象。试验分三批进行,第一批试验主要针对增强纤维与含砂量对材料的性能影响,第二批试验主要研究有机溶液、生长周期对材料的强度影响，第三批试验主要是侧重试件尺寸、压实强度对材料的影响。5.1第一批试件分析（1)木屑掺量的增加会提高复合材料的强度，但是纯木屑材料的强度反而会降低，因而适当的含砂量可以改善材料的强度，提高材料硬度，如试件1.1、1.2、1.3，见表1。强度(C10%)弹性模量(C5%)%程度/(kPa/(kg/m)1弱弱一较强10较弱5较强表2 第二批试件配合比及物理性能/%程度/(kPa/(kg/m)一较强一较弱较强一较弱一较强一较弱弹性模量(C10%)/kPa/MPa5.011.354.481.690.940.621.170.490.940.613第一批试件:1 5%应变-1.1组2-1.2组.1.3组1.4组-1.5组00.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.120.14 0.16图4第一批试件应力-应变曲线的进入了塑性变形,这也是主要因为菌丝体生长不充分所致，如图5 所示。强度(C10%)/kPa1.070.730.870.510.870.611.730.580.830.601.120.61/MPa13.5013.6016.9016.206.206.404.906.806.106.8011应变弹性模量(C10%)/MPa7.305.106.105.806.006.10弹性模量(C5%)/MPa12.407.608.608.6010.609.60430.80第二批试件：1 5%应变0.700.600.500.400.300.200.100图5 第二批试件应力-应变曲线5.3第三批试件分析(1)3.1、3.3、3.5 试件为7 cm立方体试块，3.2、3.43.6 试件为5 cm立方体试块，后者的抗压强度要高于前者，主要第三批木屑有机溶液细砂玻璃丝压实比强度(C10%)试件/%3.1453.2453.3403.4403.5353.6351.20r第三批试件：1 5%应变1.00一1 组-2组0.80.3组edN/上4组0.60上5组0.40一6 组0.2000.020.040.060.080.100.120.140.16图6 第三批试件应力-应变曲线(1)在试件应变达到1 0%时,最高抗压强度为1.6 9 MPa，外力卸载后有较好的弹性恢复能力;在应变达到40%时,试件产生塑性应变不可恢复；材料抵抗局部变形能力较弱，在劈裂时断面呈现外延变形,具有较小的硬度和较高的韧性。(2)菌丝体干燥后虽然有较高的抗拉强度，但纯菌丝整体硬度较差，因此有机料与砂骨料应建立最优配合比,才能复合出力学性能更好的材料；当材料的压实度高、细骨料多时，菌丝生长空间减小，反而会使材料整体失去“黏聚力”，更容易引起材料的塑性应变。(3)菌丝的生长周期直接影响着材料强度，在表观上菌丝膜厚度相同的情况下继续培养，菌丝体依然会在内部扩散生长、加密变粗；材料内部环境较为封闭，透气性较差，更需要长周期的培育；适当的材料培养尺寸和孔隙率可改善材料的透气性，有助于菌丝体的蔓延生长，增强复合材料的抗压强度。(4)增强纤维不能明显改善试件强度,在生长过程中菌丝体对纤维有一定握裹作用，在烘干灭活后，失活的菌丝体因干燥收缩与增强纤维部分脱离，不能起到很好的握裹作用，下一步可以对生物纤维材料进行试验研究。综上，含菌复合材料具有建筑填充材料的基本特性,经44是因为体积较小，除受尺寸效应的影响外，更主要的是试件尺寸较小，透气性较好，菌丝向内部生长更为充分，表现出较强的“胶结力”，试件强度较高，见表3。1组-2组3组-.4组5组一6 组0.050.10应变/%/%94594595095014501450应变（2)第二批试验与第三批试验的培养周期均为2 周，第三批试件的压实程度要高于第二批试件，但是抗压强度并没有明显提高，反而相较于第二批试验有所降低，主要是因为较高的压实程度压缩了生长空间,阻碍了菌丝体的0.15扩散生长，如图6 所示。6结论采用对比试验的方法，对含菌复合材料的物理力学性能进行了研究，取得了以下主要结论：表3第三批试件配合比及物理性能强度(C10%)/%程度/(kPa/(kg/m)1强1强1强1强1强1强弹性模量（C10%)/kPa/MPa0.690.610.920.850.530.540.830.840.380.410.440.45过遂选和优化后，可以在非承重构件部位替代现有的建筑填充材料。另外，材料含砂量是影响试件强度重要因素，有待进一步细化研究。参考文献：1 夏慧敏,张显权.真菌菌丝-木屑复合材料的物理力学性能一以灵芝菌、木耳菌为例 J东北林业大学学报,2 0 1 8,46(4)：6 3-6 6.2 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