秸稈草磚在建筑中的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀分析

袁 斌 曹寶珠,2 段文峰

(1:吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118; 2:海南大學(xué)土木工程學(xué)院,?？?570208)

1 概述

人們?cè)絹?lái)越崇尚綠色、節(jié)能的居住環(huán)境.隨著粘土磚的禁止使用,新型綠色的建筑材料將被廣泛使用. 秸稈草磚是由水稻、小麥、玉米等農(nóng)作物的秸稈,利用打捆機(jī)將其壓縮為長(zhǎng)方體塊,并利用金屬網(wǎng)將壓縮好的塊緊緊捆扎形成.我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量很大,農(nóng)村地區(qū)將秸稈主要作為燃料或直接將其在戶外進(jìn)行焚燒.秸稈進(jìn)行燃燒釋放出大量的SO2，NO，CO2，CO，CH4等造成大氣污染,不僅對(duì)人類健康產(chǎn)生危害,同時(shí)也制約當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展.利用農(nóng)作物秸稈生產(chǎn)草磚,不僅可以變廢為寶，充分利用資源，保護(hù)環(huán)境,提高農(nóng)民收入,而且符合綠色、節(jié)能、環(huán)保要求.將草磚作為墻體材料 ,建造的草磚房冬暖夏涼,適合人們居住.

2 國(guó)內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái),隨著人們對(duì)綠色建材概念的提出及節(jié)能、環(huán)保問(wèn)題的關(guān)注,草磚建筑以其節(jié)能環(huán)保、造價(jià)低并能提供良好的室內(nèi)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn),在世界生態(tài)建筑中越來(lái)越流行.從1999年起,中國(guó)21世紀(jì)議程管理中心與安澤國(guó)際救援協(xié)會(huì)/中國(guó)( ADRA/China-Adventist Development and Relief Agency)合作,在我國(guó)北方地區(qū)的5省9地,分別開展了節(jié)能草磚建筑示范項(xiàng)目.到目前為止,已建成700多套住房和3所小學(xué),這些草磚住房深受廣大農(nóng)戶的歡迎[1].2005年，哈爾濱市湯原縣草磚房項(xiàng)目獲得世界人居獎(jiǎng).通過(guò)對(duì)湯原縣草磚房2年的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),草磚房冬季每戶所需采暖煤僅為粘土磚房的一半,總體能源效率比粘土磚房高出約70%.

20世紀(jì)后期,草磚建筑在美國(guó)、加拿大、澳大利亞等地漸漸興起.1991年,美國(guó)頒布《新墨西哥州草磚建筑指南》成為首部正式的稻草磚建筑規(guī)范；1993年,美國(guó)草磚雜志《The Last Straw 》的發(fā)行,推動(dòng)了草磚建筑的發(fā)展.美國(guó)、加拿大等地,開展了針對(duì)不同氣候和外部環(huán)境草磚基本性質(zhì)、建筑技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益等領(lǐng)域的研究,并且已陸續(xù)制定出了與之相應(yīng)的建筑規(guī)范.目前國(guó)內(nèi)外草磚房屋的建筑方法有如下幾類:秸稈草磚承重房屋、輕質(zhì)框架與草磚墻體承載房屋、框架結(jié)構(gòu)房屋和混合設(shè)計(jì)房屋[2].

秸稈草磚承重房屋.這種“內(nèi)布拉斯加州樣式”結(jié)構(gòu)中,沒(méi)有其他的結(jié)構(gòu)框架,房屋基礎(chǔ)采用混凝土條形基礎(chǔ),以打捆好的秸稈草磚塊堆積成墻體,秸稈草磚墻體作為承重構(gòu)件,將完全支撐屋頂或者第二層樓.墻體的內(nèi)外表面采用水泥砂漿抹灰，這種結(jié)構(gòu)類型簡(jiǎn)單,易于設(shè)計(jì)和施工，適合于開間較小,面積較小的單層房屋.這種“內(nèi)布拉斯加州樣式”在愛爾蘭和英國(guó)較為常見,但對(duì)于大型建筑,正在被其他結(jié)構(gòu)形式所取代.

輕質(zhì)框架與草磚墻體承載房屋.該形式采用輕質(zhì)框架,框架質(zhì)量較輕需要設(shè)置臨時(shí)支撐增加其穩(wěn)定性,直到草磚墻體砌筑完成.該結(jié)構(gòu)中,草磚墻體和輕質(zhì)框架共同承擔(dān)樓地板和屋頂?shù)暮奢d.這種結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)特點(diǎn)是將整棟建筑的荷載進(jìn)行均勻分布,避免出現(xiàn)集中荷載，可先設(shè)置框架及屋頂,屋頂可防止草磚墻體被雨淋濕,與傳統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)相比,可大大節(jié)省木材,但是這種結(jié)構(gòu)施工比較復(fù)雜.

框架結(jié)構(gòu)草磚房屋.房屋的框架可采用木框架、混凝土框架、磚框架和鋼框架.屋蓋荷載由這些框架承擔(dān),秸稈草磚塊只是作為框架柱、梁間的墻體填充材料.目前西方發(fā)達(dá)國(guó)家主要采用木框架草磚房屋為主,而我國(guó)東北修建的秸稈草磚房屋多采用磚混框架草磚房.框架結(jié)構(gòu)適合開間較大,造型復(fù)雜的草磚房屋.

混合設(shè)計(jì)房屋.用于砌筑墻體的秸稈草磚塊表面用水泥砂漿進(jìn)行硬化加固，砌筑墻體時(shí)類似于磚混結(jié)構(gòu)墻體施工,將硬化的秸稈草磚進(jìn)行堆砌,草磚直接用水泥砂漿進(jìn)行連接.但其水泥消耗量較大,制作工藝繁瑣,目前基本沒(méi)有使用.

3 秸稈草磚建筑研究現(xiàn)狀

3.1 秸稈草磚性能研究現(xiàn)狀

(1) 力學(xué)及抗震性能研究. 我國(guó)劉坤等[3]進(jìn)行了草磚承載力研究,試驗(yàn)得出的草磚壓縮實(shí)測(cè)曲線與英國(guó)學(xué)者Paborde的指數(shù)模型預(yù)測(cè)曲線基本吻合,草磚密度大于200kg/m3時(shí),其承載力與失效密度成正比.劉健等[4]對(duì)棉花秸稈草磚的力學(xué)性能進(jìn)行了研究,通過(guò)棉秸稈負(fù)荷與位移變形關(guān)系測(cè)得棉秸稈的抗壓強(qiáng)度,經(jīng)過(guò)壓縮的棉花秸稈草磚在承受182kN壓力時(shí),草磚的抗壓強(qiáng)度能達(dá)到1.5MPa.馮偉剛[5]將棉花秸稈粉碎成纖維碎料,加入脲醛樹脂膠制成棉稈纖維砌塊,并進(jìn)行單軸受壓試驗(yàn),可以滿足作為砌塊的要求.聶紅鑫[6]對(duì)無(wú)涂層秸稈草磚進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著草磚密度的增大,其彈性模量和抗壓強(qiáng)度也增大.Donovan等[7]在巴基斯坦內(nèi)華達(dá)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室對(duì)一座草磚房屋進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn),當(dāng)振動(dòng)臺(tái)的水平加速度高達(dá)0.8g時(shí),草磚房屋仍沒(méi)有倒塌,結(jié)果表明,草磚房具有良好的抗震性能.

(2) 保溫性能研究. 草磚作為新型墻體材料,是一種理想的保溫填充墻體材料,各國(guó)研究人員紛紛開始對(duì)其保溫性能進(jìn)行研究.傅志前[8]對(duì)不同密度的麥秸磚進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)研究,研究發(fā)現(xiàn)低密度草磚保溫性能優(yōu)于高密度草磚.王曉峰[9]對(duì)秸稈草磚、秸稈混凝土磚、秸稈泥土磚進(jìn)行熱工性能研究,試驗(yàn)得出秸稈草磚烘干狀態(tài)下導(dǎo)熱系數(shù)比自然狀態(tài)下小,可見,含水率會(huì)影響導(dǎo)熱系數(shù).秸稈草磚的導(dǎo)熱系數(shù)均小于加氣混凝土砌塊、普通混凝土的導(dǎo)熱系數(shù).胡洋[10]對(duì)秸稈纖維砌塊墻體進(jìn)行熱工性能試驗(yàn),經(jīng)測(cè)試,秸稈纖維砌塊其保溫能力約是普通粘土磚墻體的10倍.Taha Ashour等[11]對(duì)45cm厚草磚墻進(jìn)行監(jiān)測(cè),結(jié)果表明草磚墻體具有良好的熱穩(wěn)定性,能抵抗室外晝夜溫差.王婧[12]等通過(guò)對(duì)遼寧本溪市草磚房的采暖耗能進(jìn)行模擬計(jì)算,模擬結(jié)果表明,草磚房屋具有良好的保溫性能和節(jié)能作用.

(3) 隔音性、耐久性、耐火性研究. Han-Seung Yang[13]等對(duì)稻草-木粒復(fù)合板進(jìn)行吸聲性能測(cè)試.稻草為多孔材料,具有良好的隔音性能.武雪利[14]通過(guò)對(duì)草磚霉變研究,發(fā)現(xiàn)引起草磚霉變的主要因素是草磚的含水率，通風(fēng)條件好,含水率低的草磚,霉變的可能性減小,具有良好的耐久性.2011年，中國(guó)建筑科學(xué)院王禮[15]等對(duì)非承重草磚墻體進(jìn)行耐火性能試驗(yàn)研究,研究得出密實(shí)的草磚不易燃燒,草磚墻能達(dá)到3.0h的耐火極限.

3.2 秸稈草磚建筑研究現(xiàn)狀

Cory Michael Vitt[16]等進(jìn)行了香根草墻體作為自承重墻體研究.試驗(yàn)測(cè)得兩個(gè)香根草墻體的失效荷載分別是24.5kN/m和23.9kN/m，滿足加利福利亞規(guī)范(2007)規(guī)定水泥或石灰水泥抹灰的承載磚墻上允許施加的軸心受壓荷載不得超過(guò)11.7kN/m的要求.試驗(yàn)測(cè)得香根草墻的失效荷載大約為規(guī)范規(guī)定允許施加荷載的兩倍,但由于試驗(yàn)墻體高度并不是全墻高,試驗(yàn)結(jié)果可認(rèn)為抹灰香根草草磚墻滿足作為承重墻體的要求.

David Mar,S.E[17]設(shè)計(jì)的拱形屋頂,將鋼筋混凝土拉壓桿模型使用到草磚建筑中,設(shè)計(jì)出由草磚、鋼絲網(wǎng)、灰泥組成的承載復(fù)合結(jié)構(gòu).拱形屋頂?shù)脑O(shè)計(jì)中,用草磚塊代替混凝土斜壓桿,在拱頂內(nèi)表面和外表面布置鋼絲網(wǎng)進(jìn)行加固,內(nèi)外表面鋼絲網(wǎng)之間用扎帶進(jìn)行連接,扎帶用來(lái)防止由張力引起拱頂屈曲而發(fā)生內(nèi)網(wǎng)的剝離,內(nèi)外表面采用約1/4英寸的水泥灰殼層.

段文峰[18]進(jìn)行承重高密度秸稈草磚隼接型墻體和插筋型墻體設(shè)計(jì)研究.高密度秸稈草磚具有良好的承載性能,隼接型草磚墻體砌筑時(shí)高密度草磚交槎排列,草磚做成一面凹槽,一面凸起,上下皮草磚相互交槎隼接咬合,墻體上下部分別設(shè)置圈梁和地梁.插筋型草磚墻體是在草磚中鉆上圓孔,砌筑時(shí)圓孔上下貫通,將鋼筋插入貫通的圓孔內(nèi),同時(shí)鋼筋上下端分別深入圈梁和地梁中進(jìn)行錨固.

曹寶珠[19]對(duì)新型輕鋼-草磚節(jié)能住宅體系展開研究.新型輕鋼-草磚住宅體系采用冷彎薄壁型鋼經(jīng)焊接、螺栓連接或自攻螺釘連接形成受力骨架,輕鋼-秸稈草磚復(fù)合墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫填充材料,屋面采用輕屋蓋結(jié)構(gòu),上鋪設(shè)秸稈草磚、草簾作為保溫層,樓板采用冷彎薄壁型鋼-OSB定向板復(fù)合樓板.

4 秸稈草磚應(yīng)用在建筑中尚需研究的問(wèn)題

通過(guò)對(duì)秸稈草磚的研究發(fā)現(xiàn),秸稈草磚具有優(yōu)于普通材料的特性,經(jīng)過(guò)壓縮的秸稈草磚在承受外部荷載時(shí)還存在較大變形能力,草磚越密實(shí)，變形越小，承受荷載能力越大.冷彎薄壁型鋼具有自重輕、強(qiáng)度高、易加工等特點(diǎn).將秸稈草磚特性與冷彎薄壁型鋼特點(diǎn)結(jié)合,組成新型輕鋼-草磚住宅將有廣闊的應(yīng)用前景，但相對(duì)于其他砌體材料,秸稈草磚性能、新型輕鋼-秸稈草磚住宅體系的研究還不全面,草磚建筑技術(shù)還未達(dá)到要求,在今后仍需對(duì)如下問(wèn)題進(jìn)行深入研究.

(1) 生產(chǎn)秸稈草磚的秸稈主要有水稻秸稈、麥秸稈、玉米秸稈等,由于各種結(jié)構(gòu)材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外觀形狀不同,其抗壓強(qiáng)度、吸水率等物理力學(xué)性能有著較大差別,對(duì)不同類型的秸稈草磚進(jìn)行承載力及應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系研究,建立本構(gòu)關(guān)系模型；

(2) 分別對(duì)純草磚墻體和輕鋼-秸稈草磚復(fù)合墻體進(jìn)行豎向承載力研究,采用足尺墻體試件進(jìn)行秸稈草磚墻體、輕鋼-秸稈草磚復(fù)合墻體豎向承載力試驗(yàn),同時(shí)考察不同構(gòu)造連接方式對(duì)墻體豎向承載力的影響；

(3) 目前已有少量試驗(yàn)得出草磚房屋具有良好的抗震性能,但仍需通過(guò)對(duì)草磚墻體、輕鋼-秸稈草磚復(fù)合墻體足尺模型進(jìn)行低周期往復(fù)荷載試驗(yàn)研究,考察草磚墻體以及輕鋼-秸稈草磚復(fù)合墻體抗震性能.通過(guò)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，進(jìn)一步研究自承重草磚房屋和輕鋼-秸稈草磚房屋的抗震性能,同時(shí)研究體系中輕鋼與秸稈草磚連接措施對(duì)抗震性能的影響；

(4) 加強(qiáng)草磚建筑耐火性、耐久性研究.經(jīng)壓縮的秸稈草磚內(nèi)部缺少空氣,不易點(diǎn)燃,但在持續(xù)高溫下仍能燃燒，需對(duì)不同飾面下草磚墻體進(jìn)行耐火試驗(yàn),考察其耐火極限.草磚建筑的耐久性主要從防腐、防潮、防霉方面進(jìn)行考察，建筑中秸稈草磚含水率是影響耐久性的主要因素,需研究秸稈草磚防潮、防腐措施；

(5) 目前對(duì)秸稈草磚的研究應(yīng)用主要針對(duì)農(nóng)村二層住宅,受傳統(tǒng)觀念的影響,部分農(nóng)民對(duì)秸稈草磚存在偏見,認(rèn)為草磚房是貧窮落后的表現(xiàn),因此需加強(qiáng)對(duì)秸稈草磚建筑的推廣力度,增強(qiáng)草磚建筑的市場(chǎng)吸引力.

5 結(jié)語(yǔ)

秸稈草磚性能良好、綠色環(huán)保、價(jià)格低廉,在新農(nóng)村建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景.但國(guó)內(nèi)對(duì)秸稈草磚性能的研究及秸稈草磚的應(yīng)用還不成熟,目前還沒(méi)有成熟的秸稈草磚制作工藝,草磚各項(xiàng)性能的研究缺少統(tǒng)一的試驗(yàn)規(guī)范,也還沒(méi)有針對(duì)草磚建筑設(shè)計(jì)和施工的規(guī)范.近年來(lái),草磚建筑在我國(guó)已經(jīng)開始修建.因此,開展秸稈草磚性能及草磚房屋的研究,可不斷提高草磚房屋的質(zhì)量安全等級(jí),在實(shí)際工程應(yīng)用中,也可解決各種實(shí)際的技術(shù)問(wèn)題,對(duì)設(shè)計(jì)出安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、舒適的草磚房屋具有重要意義.

參 考 文 獻(xiàn)

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