Rice hulls in construction/vi

Vỏ trấu là một vật liệu độc đáo trong tự nhiên. Chúng chứa khoảng 20% ​​silica opal kết hợp với một lượng lớn polyme cấu trúc phenyl propanoid gọi là lignin. Chất thải nông nghiệp dồi dào này sở hữu tất cả các đặc tính mà người ta mong đợi ở một số vật liệu cách nhiệt tốt nhất. Thử nghiệm ASTM gần đây do R&D Services của Cookville, Tennessee thực hiện cho thấy vỏ trấu không dễ bắt lửa hoặc âm ỉ, chúng có khả năng chống thấm nước và phân hủy do nấm mốc rất cao, chúng không dẫn nhiệt tốt, chúng không có mùi hoặc phát ra khí, và chúng không ăn mòn đối với nhôm, đồng hoặc thép. Ở trạng thái thô và chưa qua chế biến, vỏ trấu là vật liệu cách nhiệt loại A hoặc loại I, và do đó, chúng có thể được sử dụng rất tiết kiệm để cách nhiệt cho các khoang tường, sàn và mái của một ngôi nhà siêu cách nhiệt làm từ vỏ trấu. Bài báo này cũng giải thích cách cấu trúc của một ngôi nhà như vậy có thể được tạo ra từ nhiều loại sản phẩm gỗ kỹ thuật có nguồn gốc từ vỏ mía.

Khi tự nhiên quyết định cách đóng gói một hạt gạo, bà đã bao bọc bó chất dinh dưỡng nhỏ bé này bằng thứ thường được gọi là "opal sinh học". ^{[ 1 ]} Cấu trúc hóa học của vỏ trấu, chứa silica vô định hình liên kết với nước, rất giống với opal, và điều này mang lại cho vỏ trấu một số đặc tính khá đáng kinh ngạc. Chúng ta chưa bao giờ tìm thấy một sản phẩm phụ của ngũ cốc nào có hàm lượng protein và carbohydrate khả dụng thấp như vậy, nhưng đồng thời lại có hàm lượng chất xơ thô, tro thô và silica cao như vậy. ^{[ 2 ]} Trong tất cả các sản phẩm phụ của ngũ cốc, vỏ trấu có tỷ lệ chất dinh dưỡng tổng thể dễ tiêu hóa thấp nhất (dưới 10%). ^{[ 3 ]}

Vỏ trấu chứa khoảng 20% ​​silica opal kết hợp với một lượng lớn polyme cấu trúc phenyl propanoid gọi là lignin. Tỷ lệ silica cao như vậy rất bất thường trong tự nhiên, ^{[ 4 ]} và sự pha trộn chặt chẽ giữa silica và lignin này khiến vỏ trấu không chỉ chống lại sự thấm nước và phân hủy nấm mà còn chống lại những nỗ lực tốt nhất của con người để xử lý nó. Vì lúa được trồng trên mọi lục địa trừ Nam Cực, vì nó chỉ đứng thứ hai sau lúa mì về diện tích và sản lượng trên toàn thế giới, ^{[ 5 ]} và vì vỏ trấu chiếm trung bình khoảng 20% ​​trọng lượng thô của lúa sau khi thu hoạch, ^{[ 6 ]} nên hành tinh của chúng ta cuối cùng có rất nhiều chất cặn có vảy này.

Hơn 100.000.000 tấn vỏ trấu được tạo ra mỗi năm trên toàn thế giới. ^{[ 7 ]} Năm 1995, Hoa Kỳ sản xuất khoảng 1.260.000 tấn vỏ trấu ^{[ 8 ]} tại khoảng 50 nhà máy ^{[ 9 ]} nằm ở Louisiana, Texas, Arkansas, Missouri, Mississippi, Florida và California. Vì hầu hết các nhà máy đều lưu trữ gạo thô và chế biến hàng ngày nên vỏ trấu khô tươi có sẵn quanh năm. Vì vỏ trấu không phân hủy sinh học hoặc cháy dễ dàng nên đôi khi chúng được cung cấp miễn phí.

Vỏ trấu thường được bán với giá khoảng 6 đô la/tấn, mặc dù một nhà máy cho biết họ đã bán vỏ trấu với giá từ 2 đến 20 đô la mỗi tấn. ^{[ 10 ]}

Vỏ trấu là một vật liệu đóng gói rất cứng và mài mòn, bao gồm hai nửa lồng vào nhau. Nó bao bọc không gian nhỏ còn lại sau khi xay xát hạt gạo, và khi ở gần vô số vỏ trấu khác, nó tạo thành một rào cản nhiệt có thể so sánh với các vật liệu cách nhiệt tuyệt vời. ^{[ 11 ]} Các thử nghiệm về điện trở nhiệt trên toàn bộ vỏ trấu gạo cho thấy giá trị R lớn hơn 3,0 trên mỗi inch. ^{[ 12 ]} Nếu giá trị R của vỏ trấu gạo thuận lợi như vậy, tại sao chúng lại không được sử dụng rộng rãi để cách nhiệt cho các công trình dân dụng và thương mại? ^{[ 13 ]}

Có lẽ các nhà khoa học và kỹ sư của chúng ta chỉ tập trung vào việc tạo ra các vật liệu và sản phẩm có thể được dán nhãn và tiếp thị như là sản phẩm độc quyền. Có lẽ việc sử dụng vỏ trấu làm vật liệu cách nhiệt không đủ sức khơi gợi trí tưởng tượng khoa học hay thương mại. Nhưng tại sao lại tập trung vào các sản phẩm nhân tạo khi các vật liệu tự nhiên lại dồi dào? Chắc chắn phải có một lý do sâu xa và rõ ràng nào đó khiến vỏ trấu thô không phù hợp để làm vật liệu cách nhiệt.

Vỏ trấu có cháy được không? Có, chúng có thể cháy, nhưng rất khó, như Eldon Beagle đã từng giải thích một cách tao nhã:

“Cấu trúc sắp xếp đặc biệt dạng bó ống hút silica-cellulose của vỏ trấu tạo ra một vật thể không cháy hoặc thậm chí không tỏa nhiệt theo cách giống với bất kỳ chất hữu cơ nào. Những cấu trúc hình ống nhỏ có đỉnh silica này mang lại khả năng chống cháy vốn có. Thường thì chúng bịt kín và ngăn chặn quá trình cháy hoàn toàn, đồng đều cần thiết để thu được sản phẩm cuối cùng mong muốn.” ^{[ 14 ]}

Bất cứ ai từng thử châm lửa vào trấu lúa rời rạc đều hiểu chúng khó cháy đến mức nào. Vì không khí không thể lưu thông tự do qua đống trấu để cung cấp oxy cần thiết cho quá trình cháy nhanh, nên chúng không dễ cháy và cháy sạch. Khối lượng riêng của trấu lúa rời rạc tương tự như rơm bó, và bất cứ ai từng thử đốt một bó rơm đều hiểu vấn đề liên quan đến lượng oxy sẵn có. Nhưng chỉ đơn giản là sự sẵn có của oxy không giải thích được tất cả.

Như chúng ta đã lưu ý ở trên, tỷ lệ silica opal cao trong vỏ trấu là rất bất thường so với các vật liệu thực vật khác, và một số nhà khoa học cho rằng trong quá trình đốt vỏ trấu, tro silica có thể tạo thành một "kén" ngăn oxy tiếp cận carbon bên trong. Các nhà khoa học khác suy đoán rằng, vì silica và carbon có thể liên kết một phần ở cấp độ phân tử, nên silicon carbide được hình thành trong quá trình đốt cháy ở nhiệt độ cao, và sự hiện diện của loại gốm chịu nhiệt này cản trở quá trình đốt cháy dễ dàng của vỏ trấu. ^{[ 15 ]} Một số nhà khoa học khác lại cho rằng ở nhiệt độ nhất định, liên kết phân tử giữa silica và carbon trong vỏ trấu thực sự được tăng cường, do đó ngăn cản quá trình đốt cháy hoàn toàn và đồng đều của vỏ trấu. ^{[ 16 ]} Trong bất kỳ trường hợp nào, ngay cả khi chúng ta đốt được một đống vỏ trấu, chúng ta thấy rằng nó có xu hướng cháy âm ỉ hơn là bốc cháy.

Vỏ trấu có khả năng chống cháy và tự dập tắt ở nhiệt độ thông thường. Một que diêm đang cháy, khi ném vào một đống vỏ trấu thường sẽ cháy hết mà không tạo ra ngọn lửa tự duy trì trong vỏ trấu. ^{[ 17 ]}

Vật liệu cách nhiệt cellulose thông thường cần phải bổ sung một lượng lớn chất chống cháy và chống cháy âm ỉ. Nồng độ các hóa chất chống cháy và chống cháy âm ỉ (như axit boric, natri borat, amoni sulfat, nhôm sulfat, nhôm trihydrat, mono- hoặc di-amoni photphat) trong vật liệu cách nhiệt cellulose thông thường có thể đạt tới 40% theo trọng lượng. ^{[ 18 ]} Những hóa chất này rất đắt tiền để mua và chuẩn bị, và sợi cellulose phải trải qua quá trình chuẩn bị rộng rãi để tiếp nhận chúng.

Điều đáng ngạc nhiên là vỏ trấu không cần chất chống cháy hoặc chất chống cháy âm ỉ. Thiên nhiên đã ban tặng cho sản phẩm phế thải nông nghiệp này tất cả các đặc tính cháy cần thiết để vượt qua Thử nghiệm Lưu lượng Bức xạ Quan trọng (ASTM C739/E970-89), Thử nghiệm Cháy Âm ỉ (ASTM C739, Mục 14) và Thử nghiệm Đặc tính Cháy Bề mặt (ASTM E84). Thử nghiệm gần đây do R&D Services thực hiện cho thấy Lưu lượng Bức xạ Quan trọng (CRF) trung bình là 0,29 W/cm2, tổn thất khối lượng khi cháy âm ỉ từ 0,03% đến 0,07%, Chỉ số Lan truyền Ngọn lửa (FSI) là 10 và Chỉ số Phát triển Khói (SDI) là 50. Vì các quy định xây dựng của Hoa Kỳ yêu cầu FSI là 25 hoặc thấp hơn và SDI là 450 hoặc thấp hơn, chúng ta thấy rằng vỏ trấu dễ dàng vượt qua các thử nghiệm này. Ở trạng thái thô và chưa qua chế biến, vỏ trấu là vật liệu cách nhiệt Loại A hoặc Loại I.

Tất cả các vật liệu hữu cơ sẽ hấp thụ hoặc giải phóng độ ẩm cho đến khi chúng đạt trạng thái cân bằng với độ ẩm tương đối của không khí xung quanh. Nồng độ silica opal cao trên bề mặt ngoài của vỏ trấu cản trở sự truyền ẩm từ khí quyển vào vỏ trấu. Ngoài ra, từ 2,1% đến 6,0% vỏ trấu bao gồm một loại biopolyester gọi là cutin, ^{[ 19 ]} kết hợp với sáp do cây lúa sản xuất, tạo thành một rào cản rất khó thấm nước. Thiên nhiên sử dụng một số chiến lược rất hiệu quả để bảo vệ hạt gạo khỏi nước và độ ẩm cao thường liên quan đến việc trồng trọt và sinh trưởng của cây này.

Do đó, các nghiên cứu được thực hiện trên vỏ trấu ở 25°C cho thấy hàm lượng ẩm cân bằng của vỏ trấu ở độ ẩm tương đối 50% ở mức 10% hoặc thấp hơn, trong khi ở độ ẩm tương đối 90%, hàm lượng ẩm cân bằng của vỏ trấu vẫn ở mức 15% hoặc thấp hơn. ^{[ 20 ]} Một thử nghiệm hấp thụ hơi ẩm (ASTM C739, Phần 12) do R&D Services thực hiện cho thấy trọng lượng chỉ tăng 3,23%. Con số này thấp hơn nhiều so với hàm lượng ẩm cần thiết để duy trì sự phát triển của nấm mốc.

Tiêu chuẩn ASTM về vật liệu cách nhiệt cellulose yêu cầu thử nghiệm khả năng chống nấm mốc trong 28 ngày (xem mục 10 của ASTM C1497, ASTM C1338, mục 6.6 của ASTM C1149 hoặc mục 11 của ASTM C739). Tuân theo các tiêu chuẩn này, R&D Services đã cấy năm loài nấm khác nhau lên vỏ trấu và vỏ trấu đã vượt qua các thử nghiệm mà không cần thêm thuốc diệt nấm hoặc bất kỳ hóa chất nào khác.

Nồng độ silica opal cao trên bề mặt ngoài của vỏ trấu cũng tạo nên độ cứng hiệu quả của vỏ trấu ở mức xấp xỉ giá trị tương tự như opal (6 trên thang Mohs). ^{[ 21 ]} Tuy nhiên, do sự hiện diện của lignin bên trong vỏ trấu, độ cứng này được làm dịu đi bởi tính linh hoạt và đàn hồi. Vì vỏ trấu cứng nhưng vẫn đàn hồi, nó chống lại sự lún và nén tốt hơn nhiều so với giấy báo vụn. Sự lún của vật liệu cách nhiệt cellulose trong khoang tường có thể làm giảm chiều cao lắp đặt của nó tới 25%. Vì lý do này, người ta thường phải ổn định vật liệu cách nhiệt cellulose bằng polyvinyl axetat hoặc chất kết dính acrylic. Không cần bất kỳ hợp chất ổn định nào trong số này đối với vỏ trấu, nếu được rung hoặc đóng gói chắc chắn vào khoang tường.

Thông thường, vỏ trấu rời rạc có góc nghỉ khoảng 35 độ. ^{[ 22 ]} Nhưng một khi được đóng chặt vào khoang tường, các đầu nhỏ, cạnh và lông của chúng đan xen vào nhau để đạt được góc nghỉ âm. Do sự liên kết đặc biệt này của vỏ trấu dưới áp lực nhẹ, chúng ổn định một cách rất đồng đều và không thể lún thêm nữa. Ngoài ra, vì không cần thêm chất chống cháy, thuốc diệt nấm hoặc bất kỳ hóa chất nào khác vào vỏ trấu, R&D Services đã xác định rằng sinh khối lành tính và ổn định này không phát ra mùi khó chịu (ASTM C739). Tương tự, R&D Services đã xác định rằng vỏ trấu không ăn mòn nhôm, đồng hoặc thép (ASTM C739, Mục 9).

Với vỏ trấu, chúng ta không cần tham gia vào quá trình khai thác hoặc sản xuất gây ô nhiễm không khí, ô nhiễm nước hoặc xói mòn. ^{[ 23 ]} Với vỏ trấu, chúng ta không cần tham gia vào quá trình sản xuất làm cạn kiệt nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch của chúng ta (như với polystyrene, ^{[ 24 ]} polyisocyanurate và vật liệu cách nhiệt polyurethane). Với vỏ trấu, chúng ta không sử dụng các hóa chất gốc clo như phosgene, propylene chlorohydrin ^{[ 25 ]} hoặc bất kỳ chất chlorofluorocarbon nào làm suy giảm tầng ozone. ^{[ 26 ]} Với vỏ trấu, chúng ta không sử dụng urê formaldehyde, và chắc chắn không sử dụng phenol formaldehyde được sử dụng trong hầu hết các vật liệu cách nhiệt sợi thủy tinh. ^{[ 27 ]} Với vỏ trấu, chúng ta không phải lo lắng về sự kích ứng hoặc khả năng gây ung thư của bụi và sợi. ^{[ 28 ]} Hơn nữa, những người bị nhạy cảm hóa chất cấp tính không phải lo lắng về khí thải liên quan đến chất kết dính trong vật liệu cách nhiệt dạng tấm, mực in trên báo tái chế hoặc VOC được giải phóng từ vật liệu cách nhiệt dạng bọt. ^{[ 29 ]} Vì vỏ trấu không cần phải xé nhỏ, nghiền bằng búa, làm tơi, làm xơ, kết dính hoặc ổn định nên chúng chắc chắn có ít năng lượng tích hợp hơn nhiều so với vật liệu cách nhiệt cellulose ở những nơi có sẵn vỏ trấu. ^{[ 30 ]} Vì vỏ trấu không dễ cháy nên chúng không cần chất chống cháy hoặc chất chống cháy âm ỉ, và vì chúng rất dai và bền nên không có gì ngăn cản việc sử dụng và tái chế chúng nhiều lần.

Có lẽ chi phí đáng kể nhất liên quan đến việc sử dụng vỏ trấu là chi phí vận chuyển. Ở mật độ khối lượng khoảng 9 lbs/ft³ ^{[ 31 ] ,} vỏ trấu rời có thể được vận chuyển với chi phí gần bằng rơm bó. Tuy nhiên, để giảm chi phí vận chuyển, vỏ trấu có thể được nén đến 25 lbs/ft³ ^mà không làm mất đi tính đàn hồi của chúng. ^{[ 32 ]} Chúng dễ dàng trở lại mật độ ban đầu sau khi lực nén được loại bỏ. Nhưng để vận chuyển vỏ trấu một cách kinh tế, không cần thiết phải nén vỏ trấu đến mật độ 25 lbs/ft³ ^. Ở mật độ chỉ 14,50 lbs/ft³ ^, một xe moóc tiêu chuẩn dài 53 feet đạt được hiệu quả vận chuyển tối ưu ở trọng lượng tối đa cho phép là 24 tấn. Nếu với mật độ vận chuyển này, chúng ta trả phí vận tải trung bình là 1,45 đô la mỗi dặm, thì chi phí vận chuyển một tấn trấu gạo đi quãng đường 250, 500, 750, 1000, 1250 và 1500 dặm tương ứng sẽ là khoảng 15 đô la, 30 đô la, 45 đô la, 60 đô la, 75 đô la và 90 đô la (xem biểu đồ bên dưới).

Với mật độ lắp đặt là 9 lbs/ft³ ^, một tấn vỏ trấu sẽ cách nhiệt được 222 ft² ^của một khoang tường dày 12 inch. Do đó, chi phí vận chuyển trên mỗi ft² ^trên cùng khoảng cách này lần lượt là $0,07, $0,14, $0,20, $0,27, $0,34 và $0,41 (xem biểu đồ tiếp theo).

Những người sống cách các nhà máy xay xát gạo chưa đến 200 dặm sẽ khó có thể biện minh cho việc sử dụng bất kỳ loại vật liệu cách nhiệt nào khác. Khi nhiều nhà máy miễn cưỡng bán trấu với giá dưới 5 đô la một tấn, lập luận ủng hộ việc sử dụng trấu càng trở nên thuyết phục hơn. Với giá 5 đô la một tấn, chi phí trấu trên mỗi foot ^vuông của bức tường dày 12 inch chỉ là 0,02 đô la.

Giả sử chúng ta không trả 5 đô la mà là 25 đô la mỗi tấn (cao hơn nhiều so với giá thị trường hiện tại), ta thấy rằng giá mua trấu cho mỗi foot ^vuông tường cách nhiệt chỉ là 0,11 đô la. Cộng thêm 0,11 đô la này vào chi phí vận chuyển trên cùng khoảng cách đó, ta có tổng chi phí cho mỗi foot ^vuông trấu được giao đến công trường lần lượt là 0,18 đô la, 0,25 đô la, 0,32 đô la, 0,38 đô la, 0,45 đô la và 0,52 đô la (xem biểu đồ bên dưới).

Với những phép tính đơn giản này, chúng ta thấy rằng việc vận chuyển vỏ trấu không nên hạn chế hoặc cản trở việc sử dụng rộng rãi chúng làm vật liệu cách nhiệt. Những phép tính này cho phép chúng ta thực hiện hai so sánh, một so với rơm bó và một so với vật liệu cách nhiệt cellulose nén chặt. So với tất cả các loại vật liệu cách nhiệt khác trên thị trường hiện nay, hai loại vật liệu cách nhiệt này có hàm lượng tái chế cao nhất và hàm lượng năng lượng tiêu hao thấp nhất.

Trung bình, một kiện rơm hai dây (14x18x36 inch) nặng 45 pound, bán với giá 2,50 đô la và vận chuyển đến công trường với chi phí thêm 1,00 đô la. ^{[ 33 ]} Khi được trải phẳng trong tường, kiện rơm hai dây chiếm 3,5 ft ² bề mặt tường. Điều này cho giá mua là 0,71 đô la mỗi ft ² tường, cộng thêm 0,29 đô la cho vận chuyển. Theo đó, tổng chi phí của rơm đóng kiện trên mỗi ft ² tường đóng kiện là khoảng 1,00 đô la. Con số này cao hơn gấp năm lần giá của trấu gạo được vận chuyển 250 dặm và gần gấp đôi giá của trấu gạo được vận chuyển 1.500 dặm. Hơn nữa, 12 inch trấu gạo với hệ số cách nhiệt R-3,0 mỗi inch cung cấp khả năng cách nhiệt tốt hơn 37% so với 18 inch rơm đóng kiện với hệ số cách nhiệt R-1,45 mỗi inch, ^{[ 34 ]} và điều này, với chi phí chỉ bằng một phần năm đến một nửa, sử dụng ít hơn 33% diện tích tường.

Vật liệu cách nhiệt cellulose dạng nén chặt được đưa vào tường với mật độ khoảng 3,5 lbs/ft³ ^. Theo đó, một tấn vật liệu cách nhiệt cellulose sẽ cách nhiệt được 571 ft² ^diện tích tường sâu 12 inch mà chúng ta đề xuất. Với giá giao hàng trung bình là 540 đô la một tấn, vật liệu cách nhiệt cellulose có giá khoảng 0,95 đô la cho mỗi ft² ^tường được cách nhiệt. Điều này rẻ hơn một chút so với rơm bó, nhưng vẫn đắt gấp khoảng năm lần giá trấu gạo vận chuyển 250 dặm và gấp đôi giá trấu gạo vận chuyển 1.500 dặm.

Nếu vật liệu cách nhiệt từ trấu gạo có hiệu quả tương đương với vật liệu cách nhiệt từ rơm và cellulose, thì nó còn đáng được ưa chuộng hơn bao nhiêu so với những loại vật liệu cách nhiệt có hàm lượng tái chế thấp và hàm lượng năng lượng tiêu hao cao? Ngành xây dựng ở Hoa Kỳ cần vài triệu tấn vật liệu cách nhiệt mỗi năm. Liệu các nhà máy xay xát gạo có nên liên minh với các kiến ​​trúc sư và nhà xây dựng để loại bỏ tất cả các loại vật liệu cách nhiệt không được sản xuất theo cách hiệu quả và có lợi cho môi trường hay không?

Để phản bác, ai đó có thể lập luận một cách hoàn toàn chính xác rằng tường chịu lực bằng rơm rạ cung cấp nhiều hơn chỉ là cách nhiệt. Ai đó cũng có thể lập luận rằng chúng ta đã so sánh giá trị cách nhiệt lý thuyết của vỏ trấu với giá trị cách nhiệt thực tế của rơm rạ – một trường hợp điển hình của việc so sánh táo với cam. Nhưng miễn là hệ thống tường được thiết kế đúng cách (không có sự dẫn nhiệt qua các cấu kiện kết cấu), và miễn là vỏ trấu được phân bố đồng đều và được đóng gói chặt chẽ bên trong tường (không có khoảng trống nào không có vỏ trấu), thì giá trị lý thuyết và giá trị thực tế phải bằng nhau.

Năm 1994, ngành công nghiệp cách nhiệt cellulose đã tiêu thụ 420.000 tấn báo tái chế. ^{[ 35 ]} Đây là một hoạt động cần được thúc đẩy và tăng cường bằng mọi cách có thể. Nếu các nhà máy xay xát gạo đóng góp một lượng tương đương cho ngành công nghiệp cách nhiệt, thì điều này chỉ chiếm một phần ba sản lượng vỏ trấu gạo hàng năm ở Hoa Kỳ.

Với giá bán trung bình là 25 đô la Mỹ/tấn và quãng đường vận chuyển trung bình là 600 dặm, việc này sẽ tạo ra doanh thu khoảng 10,5 triệu đô la Mỹ mỗi năm cho các nhà máy xay xát gạo và hơn 15 triệu đô la Mỹ cho các công ty vận tải. Vì Hoa Kỳ chỉ sản xuất chưa đến 1,3% sản lượng vỏ trấu toàn cầu, nên phần còn lại của thế giới có thể thu được nhiều lợi ích hơn từ việc sử dụng đơn giản và không cầu kỳ này của một phụ phẩm nông nghiệp dồi dào. Giả sử chúng ta tin rằng vỏ trấu mang lại nhiều lợi thế so với các vật liệu cách nhiệt thông thường, vậy chúng ta nên tiến hành xây dựng một ngôi nhà siêu cách nhiệt bằng vỏ trấu như thế nào? Giả sử thêm rằng chúng ta muốn xây dựng cấu trúc của ngôi nhà này gần như hoàn toàn bằng vật liệu phế thải nông nghiệp, thì chúng ta nên làm thế nào? Vì vỏ trấu rời, không giống như các bó rơm, không có giá trị cấu trúc, vậy chúng ta nên xây dựng các khoang sàn, tường và mái của một ngôi nhà vỏ trấu như thế nào? Công nghệ cho phép chúng ta tạo ra hệ thống sàn, tường và mái từ các vật liệu xenluloza cấp thấp đã tồn tại. Các công ty như Georgia-Pacific, Louisiana Pacific, Weyerhaeuser và Boise chuyên sản xuất nhiều loại sản phẩm gỗ kỹ thuật như dầm chữ I, gỗ dán nhiều lớp (LVL), gỗ sợi song song (PSL), gỗ sợi nhiều lớp (LSL), gỗ sợi định hướng (OSL), gỗ dán nhiều lớp (GLULAM), v.v. Các sản phẩm gỗ kỹ thuật này mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với gỗ xẻ nguyên khối truyền thống.

Chúng không có mắt gỗ và các khuyết điểm khác. Chúng không bị co ngót, cong vênh, xoắn, uốn, nứt, rạn hay biến dạng. Chúng chắc chắn hơn, cứng hơn, nhẹ hơn, thẳng hơn và chính xác hơn nhiều so với gỗ xẻ nguyên khối. Chúng có thể được thiết kế để bắc qua những khoảng cách tương đối dài, với khả năng chịu tải trên mỗi đơn vị trọng lượng lớn hơn nhiều. Các kiến ​​trúc sư có thể thiết kế các công trình với không gian sống và sử dụng hiệu quả hơn nhiều, các nhà xây dựng không phải đối mặt với việc loại bỏ và lãng phí, và thợ mộc thấy chúng dễ cắt và lắp đặt.

Hiện nay, gỗ bạch dương là nguyên liệu thô chính được sử dụng để sản xuất nhiều sản phẩm gỗ kỹ thuật. Bạch dương mọc trong rừng, và cho đến nay, việc phá hủy các khu rừng này là hậu quả không thể tránh khỏi của việc sản xuất gỗ kỹ thuật. Việc xây dựng bằng rơm rạ thu hút sự chú ý của chúng ta một cách mạnh mẽ bởi vì nó tận dụng được nguồn vật liệu phế thải nông nghiệp dồi dào. Khi xây dựng một bức tường chịu lực bằng rơm rạ, chúng ta không cần phải chặt bất kỳ cây nào hoặc tác động đến sự sống phong phú và đa dạng phụ thuộc vào cây cối. Hơn nữa, chúng ta không cần phải dành thêm một mẫu đất nông nghiệp nào để sản xuất các bó rơm cần thiết cho việc xây dựng. Bó rơm là sản phẩm thứ cấp hoặc sản phẩm phụ của việc trồng lúa mì và làm bột mì.

Cũng như nông nghiệp cung cấp cho chúng ta vỏ trấu như một sản phẩm phụ của cây lúa, liệu nông nghiệp không thể cung cấp cho chúng ta một loại sợi gỗ chắc khỏe như một sản phẩm phụ của thứ gì khác sao? Chúng ta đang tìm kiếm một sản phẩm phụ nông nghiệp, mà, như thể theo một logic nội tại nào đó của tự nhiên, phải giống tre ở nhiều khía cạnh. Không chỉ phải phát triển nhanh và chắc khỏe, mà chúng ta thậm chí còn có thể kỳ vọng tìm thấy sự tương đồng đáng kể với tre về cấu trúc của chính cây, cụ thể hơn là chuỗi các đốt và lóng đặc trưng cho thân cây. Giống như tre, nó phải là một loại cỏ lâu năm cao, có lớp vỏ ngoài dày, nhưng không giống như tre, chúng ta có thể hy vọng rằng nó có thể được thu hoạch và sử dụng như một sản phẩm phụ đơn thuần của thứ gì đó khác. Không cần phải dành riêng đất để trồng trọt, và tất cả các thiết bị cần thiết cho việc thu hoạch, vận chuyển và sơ chế của nó đều đã có sẵn. Chúng ta nên đi đâu để tìm một loại cây tuyệt vời như vậy?

Nó đã tồn tại. Được Christopher Columbus đưa đến Tân Thế giới từ năm 1493, mía không phải là điều mới mẻ đối với nông nghiệp ở Hoa Kỳ. ^{[ 36 ]} Nhưng kể từ khi được đưa đến châu Mỹ, nó đã được trồng chủ yếu để lấy lượng lớn đường sucrose nằm trong lõi của nó. Mặc dù tất cả lượng đường sucrose có giá trị cao chủ yếu nằm ở bên trong, nhưng toàn bộ thân cây được nghiền nát, ép và chế biến, và khi làm như vậy, tính toàn vẹn, sức mạnh và giá trị của lớp vỏ gỗ bên ngoài bị phá hủy hoàn toàn. Tốt nhất, nó được dùng làm nhiên liệu chất lượng thấp, và tệ nhất, nó bị vứt bỏ ngoài trời thành từng đống lớn, nơi cuối cùng nó có thể tự bốc cháy do tác động của vi khuẩn ưa nhiệt. Thật khó hiểu chúng ta đang vứt bỏ cái gì khi đốt lớp vỏ ngoài của cây mía. Nếu chúng ta so sánh tốc độ tăng trưởng và chất lượng sợi của một khu rừng điển hình ở Tây Bắc Thái Bình Dương với một đồn điền mía điển hình ở Louisiana, chúng ta sẽ vô cùng ngạc nhiên khi thấy rằng cánh đồng mía rõ ràng vượt trội hơn rừng rất nhiều. Trong cùng một khoảng thời gian, một mẫu Anh mía có thể sản xuất lượng gỗ gần gấp đôi so với một mẫu Anh rừng.

Một khi toàn bộ thân cây hoặc khúc mía đi qua máy ép thông thường, không chỉ cấu trúc vỏ bị phá hủy mà lõi và vỏ cũng bị trộn lẫn vào nhau, và mọi khả năng tách chúng một cách kinh tế đều bị phá vỡ. Lõi bên trong của cây mía là một loại sợi hemicellulose có thể phân hủy sinh học, có rất ít giá trị về cấu trúc, và nếu chúng ta đang tìm kiếm các giải pháp thay thế cho các sản phẩm lâm nghiệp truyền thống, thì ngay cả một lượng nhỏ lõi trong các sản phẩm gỗ chế biến cũng là điều không mong muốn. Do đó, tất cả sự chú ý đều tập trung vào việc tìm ra phương pháp tách vỏ khỏi lõi trước khi cắt và nghiền mía tại nhà máy.

Ngày nay, hầu hết mía ở các nước phát triển được thu hoạch bằng máy cắt khúc. Máy cắt khúc sẽ quật đổ thân mía và cắt vào bề mặt hàng mía, cuốn theo nhiều tạp chất như sắt vụn, cát, đất sét, cục đất sét, đá, gạch, lá và ngọn mía. Sau đó, máy cắt sẽ cắt thân mía thành các khúc dài khoảng 8 inch (20 cm). Trong điều kiện tốt nhất, khi khô ráo, một tấn mía chứa 8% tạp chất vô cơ theo trọng lượng, và trong điều kiện ẩm ướt, một tấn mía chứa tới 30% tạp chất vô cơ theo trọng lượng. Không chỉ chất xơ xenluloza cứng chắc của mía bị phá hủy hoàn toàn trong quá trình nghiền tại nhà máy, mà chất xơ này đôi khi còn bị trộn lẫn với một lượng tương đương các mảnh vụn vô cơ.

Lượng tạp chất đưa vào nhà máy không chứa đường, và khi rời khỏi nhà máy dưới dạng bã lọc hoặc bã mía, nó sẽ mang theo đường. Mỗi phần trăm tạp chất trong nguyên liệu mía tương ứng với tổn thất sản lượng ba pound đường trên mỗi tấn mía. Càng nhiều tạp chất thì càng tốn chi phí bảo trì, chất keo tụ, vôi, khí đốt tự nhiên, bã mía chưa cháy, bã lọc, máy xúc, xử lý nước, bể lắng, máy xúc lật để làm sạch bể lắng, vận chuyển, đảo trộn, mật đường, lượng đường ít hơn và chi phí cao hơn. Chắc chắn phải có cách nào đó để tối đa hóa lượng đường thu hồi và giảm thiểu chi phí sản xuất, đồng thời bảo toàn hoàn toàn lớp vỏ mía.

Để giải quyết vấn đề này, cần hai loại máy tách. Máy tách thứ nhất, máy tách bằng môi trường đậm đặc, loại bỏ tất cả các mảnh vụn vô cơ khỏi thân mía đã được cắt khúc, và máy tách thứ hai, máy tách cơ học, tách phần lõi ra khỏi vỏ.

Công ty Engineering, Separation and Recycling LLC ở Washington, Louisiana, đã thiết kế hơn 20 máy tách vật liệu dạng hạt đậm đặc được sử dụng rộng rãi trong quá trình tiền xử lý nhiều loại rau củ, chẳng hạn như khoai tây, cà rốt, củ cải đường và củ dền. Máy tách rau củ này cũng có thể được sử dụng rất hiệu quả để tách các khối vật liệu thô khỏi các mảnh vụn vô cơ (xem hình bên dưới). Vì khối mía có mật độ khoảng 1,09 RD (khá giống với khoai tây), và vì các viên đất sét, đá và gạch có mật độ cao hơn 2,00 RD, nên quá trình tách này rất dễ dàng và đơn giản.

Sau khi loại bỏ hết các chất vô cơ khỏi phôi gỗ, chúng được chuyển đến một máy tách cơ khí rất hiện đại và tinh vi gọi là "Máy tách Tilby". Máy tách Tilby bao gồm một bộ con lăn ban đầu (trạm tách) nơi phôi gỗ được cắt thành hai nửa theo chiều dọc. Sau đó, quá trình chia thành hai bộ con lăn bên phải và bên trái (trạm tách lõi), mỗi bộ sẽ cạo và tách lõi ra khỏi vỏ. Phôi gỗ đi qua trạm tách và tách lõi với tốc độ cực nhanh, khoảng 6 mét mỗi giây. Chỉ có lõi được chuyển đến máy ép nước, trong khi vỏ được đưa đến máy sấy. Sau khi được sấy khô đến độ ẩm dưới 2%, vỏ có thể được chế biến thành hầu hết mọi loại gỗ kỹ thuật.

Do cấu trúc sợi và chiều dài của phôi ban đầu được bảo toàn hoàn toàn trong quy trình Tilby, nên cần ít keo hơn nhiều trong quá trình sản xuất gỗ kỹ thuật so với thông thường. Nếu được chế tạo thành các thanh gỗ kỹ thuật, chúng ta sẽ có tất cả những gì cần thiết để tạo ra các khoang tường của ngôi nhà trấu gạo mà chúng ta đề xuất. Nếu được chế tạo thành các dầm chữ I bằng sản phẩm gỗ kỹ thuật, chúng ta sẽ có tất cả những gì cần thiết để tạo ra các khoang sàn và mái nhà. Bệ cửa sổ, gạch lát sàn, ván lợp mái, thậm chí cả sợi cần thiết trong sản xuất tấm ốp xi măng sợi, đều có thể được làm từ sợi cực kỳ chắc chắn của vỏ mía. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

Thông qua việc sử dụng gỗ kỹ thuật, lựa chọn nâng toàn bộ cấu trúc lên khỏi mặt đất (cột và dầm) trở nên khả thi với chi phí hợp lý và cho phép đặt ở những khu vực thấp hoặc trên địa hình không bằng phẳng. Tương tự, gác mái dễ dàng chuyển đổi thành không gian sống mở, không bị cản trở và hữu ích, làm giảm đáng kể chi phí trung bình trên mỗi mét vuông của cấu trúc. ^{[ 39 ]} Vì sản lượng mía đường thô hàng năm trên toàn thế giới vào khoảng một tỷ tấn, nên khoảng 75 triệu tấn vỏ khô có thể được sử dụng cho ngành công nghiệp gỗ kỹ thuật. Con số này gần bằng 100 triệu tấn vỏ trấu có sẵn mỗi năm trên toàn thế giới. Với hai sản phẩm phụ này của đường và gạo, chúng ta có thể xây dựng và cách nhiệt hàng triệu ngôi nhà mỗi năm.

Là công dân trong một xã hội công nghiệp lớn, chúng ta thấy khó làm những việc thực sự tạo ra sự khác biệt. Khi lựa chọn xây dựng một công trình chủ yếu từ vật liệu phế thải nông nghiệp, chúng ta không chỉ làm điều đúng đắn đối với môi trường mà còn tạo ra cho mình một công trình vượt trội hơn nhiều so với bất kỳ công trình thông thường nào. Ngôi nhà làm từ trấu/mía siêu cách nhiệt này, khi được thiết kế đúng cách, ^{[ 40 ]} sẽ rẻ hơn đáng kể so với một công trình thông thường, đồng thời liên tục mang lại lợi ích cho chủ sở hữu với hóa đơn tiện ích trung bình không bao giờ vượt quá một đô la Mỹ mỗi ngày.

Vậy nên, tại sao phải xây dựng theo lối mòn khi làm theo cách khác lại rẻ hơn và hợp lý hơn nhiều về mọi mặt? Cho đến nay, chúng ta luôn có thể viện cớ rằng chừng nào chúng ta chưa nhận thức được những điều khả thi, chúng ta sẽ không thể biến chúng thành hiện thực. Nhưng đây không chỉ là vấn đề về bổn phận và nghĩa vụ, mà còn là việc tìm ra những cách thức mới mẻ và thú vị để đáp lại một cách sáng tạo vẻ đẹp kỳ diệu và choáng ngợp trong Vũ trụ của chúng ta.

Ngôi nhà làm bằng trấu gạo đầu tiên, hoàn thành vào tháng 2 năm 2004, là nhà của Paul và Ly Olivier. Nằm ở thị trấn tàu hơi nước lịch sử Washington, Louisiana, ngay đối diện với đồn điền Magnolia Ridge tráng lệ, ^{[ 41 ]} nó không thể phân biệt được với những ngôi nhà được xây dựng trong khu vực hơn 150 năm trước. Nhiều kỹ thuật xây dựng được mô tả trong bài báo này đã được áp dụng trong việc xây dựng ngôi nhà này.

Paul Olivier

Công ty TNHH Kỹ thuật, Phân tách & Tái chế

Hộp thư bưu điện số 250

Washington, Louisiana 70589

Số điện thoại: 1-337-826-5540

Email: xpolivier@hotmail.com