秸稈的建筑性能及其應(yīng)用探析

黃群藝， 宋 茜

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川峨眉 614202)

秸稈的建筑性能及其應(yīng)用探析

黃群藝， 宋 茜

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 四川峨眉 614202)

文章首先介紹秸稈的建筑性能及其在建筑中的應(yīng)用情況，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前建筑的發(fā)展趨勢，探討分析秸稈在今后建筑中新的應(yīng)用途徑及其可能性，為進一步擴大秸稈的應(yīng)用途徑及提升秸稈的綜合利用率提供思路。

秸稈; 建筑性能; 建筑應(yīng)用

秸稈是小麥、水稻、玉米、棉花、甘蔗等農(nóng)作物收獲籽實后剩下的大量莖葉或穗等部分[1]。我國是農(nóng)業(yè)大國，每年生產(chǎn)的秸稈總量巨大，但秸稈利用率卻很低。目前，在我國農(nóng)村地區(qū)，為了趕農(nóng)時，圖方便，對于每年大量剩余的秸稈基本采取焚燒方式進行處理。這種處理方式不僅浪費自然資源，而且焚燒秸稈時產(chǎn)生的大量濃煙嚴(yán)重影響道路及航空交通安全。同時，焚燒秸稈還會使得空氣中二氧化硫、二氧化氮、可吸入顆粒物的濃度變高，給人們的生活健康造成危害。因此，我國政府高度重視秸稈的合理利用問題，大力開展了秸稈禁燒工作，出臺了《關(guān)于進一步加快推進農(nóng)作物秸稈綜合利用和禁燒工作的通知》《“十二五”農(nóng)作物秸稈綜合利用實施方案》等一系列政策性文件。但是，目前我國秸稈的焚燒問題依然存在。為了進一步解決秸稈的焚燒問題，本文通過對秸稈的建筑性能及其在建筑中的應(yīng)用情況進行調(diào)查總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前建筑的發(fā)展趨勢，探討分析秸稈在今后建筑中新的應(yīng)用途徑及其可能性，以此擴大秸稈的應(yīng)用途徑及提升秸稈的綜合利用，為減少甚至避免秸稈的焚燒問題提供了思路。

1 秸稈的建筑性能

秸稈作為一種可再生優(yōu)質(zhì)天然材料，具有諸多良好的建筑性能。

1.1 保溫隔熱性能好

建筑材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小，則表明該材料的保溫隔熱性能越好。與其他生物質(zhì)基、化石基以及幾種常用墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)相比[2](表1)，秸稈的導(dǎo)熱系數(shù)基本在0.04～0.05之間，低于許多生物質(zhì)基(如椰殼纖維和花生殼導(dǎo)熱系數(shù)為0.08)以及部分化石基(如聚氯乙烯(PVC)泡沫塑導(dǎo)熱系數(shù)為0.058)和一些墻體材料(如普通紅磚導(dǎo)熱系數(shù)為1.51)。由此可見，秸稈作為建筑材料時，其保溫隔熱性能更為良好。

1.2 隔聲性能好

秸稈用于建筑材料時還具有隔聲性能好的特點，例如，將秸稈制成秸稈磚時，用于建筑墻體可以有效提高墻體的隔聲性能。在澳大利亞，對一個錄音室45 cm厚的秸稈墻體進行實測，建筑室內(nèi)噪聲為114～117 dB，室外測得的噪聲為62～71 dB，總計噪聲相差43～55 dB。用秸稈磚當(dāng)作墻體直接減小噪聲高達40 %以上[3]。

表1 一些生物質(zhì)基、化石基和常用墻體材料的導(dǎo)熱系數(shù)

1.3 自重輕

與混凝土、磚石砌塊等傳統(tǒng)建筑材料相比，秸稈的自重明顯更輕，同等條件下的秸稈墻體其質(zhì)量僅為黏土磚墻的 1/10左右[4]。因此，將秸稈運用到建筑物中可極大減輕建筑物自重，進而有利于提高建筑抗震性能及節(jié)約建造成本。

1.4 其他建筑性能

此外，秸稈不僅使用安全、價廉易得、施工快捷，還具有防火性、抗鼠蟲性等建筑性能[3]。以秸稈的防火性為例，雖然秸稈本身易燃，但是經(jīng)過壓實處理或涂抹石灰等方法能有效提高其防火性能。經(jīng)實驗證明，秸稈建筑的防火性能能夠滿足當(dāng)前建筑相關(guān)規(guī)范的防火要求。另外，經(jīng)處理后的秸稈還可以防蟲防霉菌，并可避免鼠蟻等動物對秸稈造成威脅。

2 秸稈在建筑中的應(yīng)用情況

秸稈在建筑中的應(yīng)用大致經(jīng)歷了茅草屋和秸稈屋頂、土坯房、秸稈磚房等階段，并逐步發(fā)展成利用秸稈制備秸稈磚及人造秸稈板等建筑制品。目前，秸稈在現(xiàn)代建筑的應(yīng)用技術(shù)仍有待進一步研究和發(fā)展。在今后的建筑中可以考慮利用秸稈制作成一些新型建筑環(huán)保構(gòu)件，以此擴大秸稈的應(yīng)用途徑及提升秸稈的綜合利用率。

2.1 秸稈在早期建筑中的應(yīng)用

秸稈在傳統(tǒng)建筑中的最初應(yīng)用形式主要有茅草屋和秸稈屋頂。其中，茅草屋是我國從農(nóng)耕時代便開始將秸稈應(yīng)用在建筑中的典型代表，其建造主要是從地表向下挖出方形或圓形的穴坑，將捆綁的樹枝或稻草沿坑壁圍成墻，簡陋地抹上草泥，屋頂上搭些草木，最后形成茅草屋(圖1)。茅草屋建造過程簡單，取材容易，但是由于結(jié)構(gòu)的整體性差，強度低，防火、防潮性能差，因而，隨著歷史的發(fā)展，逐漸被淘汰。除了茅草屋外，秸稈屋頂也是秸稈在早期傳統(tǒng)建筑中的應(yīng)用代表，特別是在歐洲，秸稈屋頂成為了建筑中應(yīng)用秸稈的最初方式。秸稈屋頂(圖2)是將蘆葦?shù)戎参锿斩掃M行編制、捆扎成形(如圓錐形)后，作為建筑的屋頂，起到建筑圍護、遮陽、遮風(fēng)、擋雨等作用[5]。但是，由于制作工藝、技術(shù)等原因，秸稈屋頂?shù)姆老x耐久性能較差，抵御風(fēng)雨能力有限，秸稈屋頂逐步退出歷史舞臺。

圖1 茅草屋

圖2 秸稈屋頂

除了茅草屋和秸稈屋頂外，在農(nóng)村地區(qū)還出現(xiàn)土坯房這種應(yīng)用較廣的秸稈建筑形式。土坯房是以土坯和草泥土為墻體砌筑而成的房屋(圖3)，主要是在修建過程中將秸稈與其他材料混合使用，如將稻草桔梗填充于建筑物中，這樣可以有效地提高結(jié)構(gòu)抗彎抗剪能力。土坯房具有保溫性能好、就地取材、施工便利、造價低廉等優(yōu)點，但是由于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差、抗震能力不足等問題，隨著農(nóng)村經(jīng)濟水平的提高，其應(yīng)用日益減少。

圖3 土坯房

2.2 秸稈在當(dāng)前建筑中的應(yīng)用

秸稈磚房是秸稈在當(dāng)前建筑中的應(yīng)用代表。它是以稻草麥秸制作的秸稈磚為基本建材建造而成(圖4)，其施工方式簡單，施工工人經(jīng)過簡單培訓(xùn)基本能夠掌握。在應(yīng)用過程中，為了避免秸稈磚遭受風(fēng)雨和害蟲的侵蝕，同時增加墻體硬度和結(jié)構(gòu)強度，通常在秸稈磚墻體表面采取抹灰等防護措施。秸稈磚房具有就地取材、施工簡便等優(yōu)點，但仍存在易潮易腐、耐火耐久性能差等問題，不適宜在雨季較長的農(nóng)村地區(qū)或防火要求較高的建筑中推廣應(yīng)用。

圖4 秸稈磚

目前，除了秸稈磚外，秸稈還被制成秸稈墻板(圖5)等建筑構(gòu)件，應(yīng)用在秸稈建筑中。例如，蘇黎世設(shè)計師 Felix Jerusalem在瑞士的埃申茨設(shè)計了一座秸稈建筑(圖6)，其特點是將低造價、高隔音、高絕熱的麥秸材料，經(jīng)過連續(xù)擠壓形成有一個強韌的多層粘合的麥秸板作為墻板體系[6]，用于建筑結(jié)構(gòu)中。

圖5 秸稈板材

圖6 秸稈墻板建筑

2.3 秸稈在今后建筑中的應(yīng)用

為進一步擴大秸稈在建筑中的應(yīng)用，在今后建筑中，可考慮將秸稈與鋼材、混凝土等結(jié)構(gòu)材料進行組合，形成新的建筑結(jié)構(gòu)形式，或?qū)⒔斩捴谱鞒墒覂?nèi)裝修材料、室內(nèi)家具構(gòu)件等。

秸稈與鋼材組合形成的輕鋼-秸稈結(jié)構(gòu)體系是近年來秸稈在建筑應(yīng)用的新方向。輕鋼-秸稈復(fù)合墻體建筑不僅施工方便快捷、抗震性能好，還具有低碳環(huán)保節(jié)能等優(yōu)點。研究表明，輕鋼-秸稈復(fù)合墻體房屋二氧化碳的排放量是磚混結(jié)構(gòu)的1/3，屬于低碳建筑[5]。目前，輕鋼-秸稈復(fù)合墻體房屋已在四川綿竹等地區(qū)的災(zāi)后重建項目中進行應(yīng)用(圖7)。

圖7 輕鋼-秸稈復(fù)合墻體房屋

預(yù)制秸稈混凝土復(fù)合墻板是以菱鎂水泥為膠結(jié)材料，將秸稈碎料制備成秸稈板，在秸稈板兩側(cè)外加鋼筋混凝土層，中間加以斜插筋連接而成的整體復(fù)合墻板(圖8)。預(yù)制秸稈混凝土復(fù)合墻板將秸稈與混凝土材料進行結(jié)合，充分發(fā)揮秸稈的保溫隔熱性和混凝土良好的受力性能及耐火防潮等性能，是秸稈在今后建筑(如當(dāng)前迅速發(fā)展的裝配式建筑)中的新型應(yīng)用方式，具有廣闊的發(fā)展前景。

圖8 預(yù)制秸稈混凝土復(fù)合墻板

將秸稈制成室內(nèi)地板、門窗、家具等裝修裝飾材料構(gòu)件，也是秸稈在今后建筑應(yīng)用的重要方向。如利用秸稈制備成的秸稈地板，具有取材天然，環(huán)保節(jié)能，抗壓強度高等特點，而且不含甲醛，可以避免傳統(tǒng)地板中甲醛釋放對人體造成的傷害(圖9)。此外，還可將秸稈制成秸稈門窗、秸稈床、秸稈柜子、秸稈屏風(fēng)、秸稈吊頂?shù)?。秸稈家居用品具有取材自然環(huán)保、造型輕盈、富有藝術(shù)氣息等特點，其應(yīng)用前景廣闊，可作為今后秸稈在建筑中的重要應(yīng)用形式(圖10)。

圖9 秸稈地板

圖10 秸稈家具

3 結(jié)束語

(1)我國秸稈產(chǎn)量巨大，但是秸稈利用率較低。傳統(tǒng)采用的廢棄在田或焚燒處理等方式造成的空氣污染、影響交通、浪費資源等問題亟待解決。因而，有必要進一步擴大秸稈的應(yīng)用途徑，提升秸稈的綜合利用率。

(2)秸稈具有自重輕、天然環(huán)保、保溫隔熱及隔音性能好、價格低廉等建筑性能。因此，可以進一步研究秸稈在建筑中的應(yīng)用途徑，充分發(fā)揮其建筑特性。

(3)秸稈在建筑中的應(yīng)用歷經(jīng)茅草房、秸稈屋頂、土坯房、秸稈磚房、秸稈板墻板體系等發(fā)展階段，但是因為結(jié)構(gòu)抗震性能不足、防火性能差等問題限制其應(yīng)用，其在建筑中的應(yīng)用途徑仍有待擴大與研究。

(4)結(jié)合當(dāng)前建筑的發(fā)展趨勢及秸稈的特性，今后建筑中可考慮將秸稈與鋼材、混凝土等結(jié)構(gòu)材料進行組合，形成新的建筑結(jié)構(gòu)形式或?qū)⒔斩捴谱鞒墒覂?nèi)裝修材料、室內(nèi)家具構(gòu)件等。

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[定稿日期]2017-06-21

高層次人才隊伍建設(shè)科研支持項目(編號：10101X10096060)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金科技創(chuàng)新項目(編號：10101B10096033)；成都市惠民科技項目(編號：2015-HM01-00063-SF)

黃群藝(1984～)，男，講師，在站博士后，主要從事工程結(jié)構(gòu)抗震研究。

TU531.6

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