紙面稻草板抗壓性能試驗研究

徐慧博，張秀華，王奐，張晗，王一冰

（東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和全球人口的迅猛增長，各工程對建筑板材的需求不斷增加。裝配式、工藝簡單、可回收成為當(dāng)今建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的三大方向，這使得采用各種人造板作為覆面板結(jié)構(gòu)形式的輕鋼房屋發(fā)展得越來越快。為了滿足社會發(fā)展的需求，紙面稻草板應(yīng)運而生。同時，科技的發(fā)展和國家政策的支持也促進(jìn)了紙面稻草板的應(yīng)用和發(fā)展。雖然紙面稻草板是一種新型建筑板材，但早在上世紀(jì)初期歐美等發(fā)達(dá)國家就有所應(yīng)用。第一次世界大戰(zhàn)期間，瑞典首先開發(fā)了稻草板作為建筑板材，隨后普及泰國、巴基斯坦等國家，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。上世紀(jì)八十年代，我國引進(jìn)兩條英國Stramit公司紙面稻草板的生產(chǎn)線，年產(chǎn)量為50萬m。同時相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)對其展開了研究，并在建筑工程中使用該材料。我國國家技術(shù)監(jiān)督局于1988年制定并發(fā)行了《建筑用紙面草板》（JC-T794-1988）這一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

總體而言，目前我國秸稈綜合利用的經(jīng)濟(jì)性較差，利用形式單一，深度開發(fā)不足，商品化和產(chǎn)業(yè)化程度較低。據(jù)任繼勤分析表明：以2015年為例，我國綜合利用率約80%，但資源化利用率僅占11%。此外，秸稈作為農(nóng)業(yè)廢棄物就地焚燒在農(nóng)田，不僅帶來環(huán)境污染等問題，而且對資源造成極大的浪費。據(jù)國家統(tǒng)計局和環(huán)境保護(hù)部研究表明，東北地區(qū)的霧霾天氣與大規(guī)模焚燒秸稈具有高度關(guān)聯(lián)性，秸稈焚燒、資源浪費已成為社會性敏感話題。因此，促進(jìn)秸稈資源在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅可以減少秸稈焚燒問題，而且能夠替代部分高耗能的傳統(tǒng)建筑材料，這對可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑具有積極意義。

“如何使農(nóng)作物秸稈這種產(chǎn)量巨大的可再生資源得到良好利用，減少焚燒造成的污染”已成為研究者和社會關(guān)心的問題，為促進(jìn)秸稈的利用，政府不斷出臺各種政策。南京林業(yè)大學(xué)成功研究國產(chǎn)中密度稻草板制造技術(shù)，標(biāo)志我國使用稻草原料工業(yè)化加工稻草板的開始。

紙面稻草板（以下簡稱稻草板）是以秸稈作為原料，直接在成型機(jī)內(nèi)以加熱擠壓的方式形成板材，并在表面粘上一層牛皮紙而成。相比于目前常用的建筑板材，如OSB板、石膏板和EPS板等，稻草板具有諸多優(yōu)勢。

①稻草板導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.108W/（m·K），耐火極限可達(dá) 1h，降噪分貝為30dB，具有優(yōu)良的隔熱阻燃和隔音降噪性能。經(jīng)國家建筑科學(xué)研究院實地測試，結(jié)果顯示：稻草板房具有較好的室內(nèi)溫度環(huán)境，2層58mm稻草板中間夾石棉保溫板的墻體結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)達(dá)到0.434W/（m·K），達(dá)到節(jié)能 65% 的墻體要求。

②在生產(chǎn)過程不會造成環(huán)境污染，完成使用目的后可自然降解回歸自然，是環(huán)保綠色建材。

③稻草作為農(nóng)作物秸稈，相比木材和竹材，是一年生可再生資源，再生周期更短，產(chǎn)量更高，在利用效率和成本方面紙面稻草板更有優(yōu)勢。結(jié)合以上優(yōu)點，從生態(tài)環(huán)保節(jié)能角度出發(fā)，裝配式鄉(xiāng)村住宅建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用稻草板，具有一定的實用性。

《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB T 50824-2013）中表明：稻草板的墻體結(jié)構(gòu)是新農(nóng)村建設(shè)和建筑節(jié)能的良好建筑材料。但目前，稻草板在我國的發(fā)展并不迅速，這與市場和技術(shù)有很大的關(guān)系。目前，我國對于稻草板的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，沒有掌握工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵。同時，由于觀念的限制和對這種建材研究程度的不深入，稻草板并沒有得到很好的應(yīng)用，僅僅被用于一些家具生產(chǎn)和少數(shù)臨時建筑和廠房的搭建。因此，研究稻草板材料抗壓力學(xué)進(jìn)行試驗性能，為相關(guān)組合墻體/樓板研究提供數(shù)據(jù)參考，同時為稻草板在建筑工程中的推廣提供一定理論依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試件設(shè)計

試驗所用稻草板由哈爾濱天成順杰實業(yè)有限公司生產(chǎn)，板的尺寸為長900mm～4500mm，寬 1200mm，厚58mm。試驗試件所用的板材均取自同一塊板。受壓試件分為兩組，每組6個，分別以KS1～KS6和KH1～KH6命名來區(qū)分，其中KS表示試件壓力方向與稻草板纖維方向（沿板寬度方向）平行，KH表示試件壓力方向與稻草板纖維方向（沿板長度方向）垂直，如圖1所示。試件尺寸依據(jù)《結(jié)構(gòu)用人造板力學(xué)性能試驗方法》（GB/T 31264-2014），試件尺寸為150mm×150mm×58mm（高×寬×厚）。

圖1 抗壓試件

1.2 試驗方法

稻草板抗壓強(qiáng)度和泊松比的測定依照《結(jié)構(gòu)用人造板力學(xué)性能試驗方法》（GB/T 31264-2014）中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。試驗所用設(shè)備為WDW-100萬能電子試驗機(jī)，最大量程 100kN，如圖2（a）所示。稻草板抗壓試驗主要測試步驟如下：①對各個試件進(jìn)行參數(shù)測量，用電子式游標(biāo)卡尺精確測量試件各邊尺寸，精確至0.1mm，并錄入?yún)?shù)。②將試件安裝在加載設(shè)備上、下兩支座間，并在上、下兩端放置鋼墊片，調(diào)整各部件位置，使試件在試驗過程中保持軸心受壓的狀態(tài)。③對試件進(jìn)行大小為100N的軸向預(yù)加載并卸載至0，以消除電子游標(biāo)卡尺分3次測量試件各個方向的變形量，當(dāng)從試驗機(jī)所顯示的試件荷載—位移曲線中能看出明顯變形時停止加載，并保存試驗數(shù)據(jù)。以KH4為例，受壓試驗如圖2（b）所示。

圖2 受壓試驗裝置

2 受壓試驗破壞現(xiàn)象

試件在加載初期處于彈性工作階段，隨著軸向荷載的不斷增大，軸向變形也呈線性增加，此時試件外觀基本沒有變化，僅護(hù)面紙局部出現(xiàn)輕微褶皺，內(nèi)部稻草之間相互擠壓發(fā)出的“窸窣”聲。當(dāng)軸向荷載達(dá)到某一數(shù)值時，護(hù)面紙的褶皺突然加速擴(kuò)展，并有開裂的趨勢，逐漸失去對內(nèi)部稻草的約束，此時稻草纖維方向與受力方向平行的試件KS和稻草纖維方向與受力方向垂直的試件KH表現(xiàn)出不同的現(xiàn)象。在此之后，KS試件隨著軸向荷載的繼續(xù)增大，承載力略有增大，不過增加緩慢。最后由于緊密排列的稻草纖維像燈籠狀失去致密性，試件徹底失去承載能力，此時停止加載。而KH試件在護(hù)面紙失去約束作用后，內(nèi)部稻草在軸向荷載作用下排列更加緊密，并無屈服趨勢，并隨著荷載增大，荷載—位移曲線的斜率也逐漸增大?？紤]材料實際工程中使用情況，以KH試件護(hù)面紙出現(xiàn)貫通整個截面的褶皺作為其破壞標(biāo)準(zhǔn)，其抗壓強(qiáng)度取彈性階段頂點的抗壓強(qiáng)度。其荷載—位移曲線，如圖3所示。

圖3 受壓試件荷載—位移曲線

試驗結(jié)束后，卸載取出試件觀察可知，稻草板受壓試件的破壞形式主要是包裹用的護(hù)面紙出現(xiàn)褶皺與稻草分離以及出現(xiàn)破裂，和致密的稻草纖維之間出現(xiàn)縫隙，而稻草本身無明顯變化。加載結(jié)束后，KH試件的變形恢復(fù)情況較好，KS試件的護(hù)面紙損壞更為嚴(yán)重，變形恢復(fù)較小。稻草板受壓試件的破壞形式，如圖4所示。

圖4 受壓試件破壞形式

3 抗壓強(qiáng)度與泊松比

紙面稻草板抗壓強(qiáng)度按下式計算：

式中，f為稻草板抗壓強(qiáng)度，MPa；P為破壞荷載，kN；A為試件的截面面積，mm。

稻草板的泊松比利用試驗過程中測得的各個方向的變形量，通過以下公式計算（其中方向規(guī)定如下：試件寬度方向為x方向，厚度方向為y方向，軸壓方向為z方向）：

式中，μ為zx方向的泊松比；l、l分別為x、z方向兩標(biāo)記點的原始間距，mm；l、l分別為加載過程中彈性范圍內(nèi)某時刻x、z方向兩標(biāo)記點的間距，mm。

首先通過公式（1）和公式（2）計算出各試件的抗壓強(qiáng)度f和泊松比μ，再利用數(shù)學(xué)方法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。求出KH和KS兩組試件抗壓強(qiáng)度和泊松比，分別作為稻草板兩種不同方向下的抗壓強(qiáng)度和泊松比。同時計算出每組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差σ和變異系數(shù)C兩個指標(biāo)來衡量該試驗所得數(shù)值的離散程度。抗壓試件試驗數(shù)據(jù)如表1所示。

紙面稻草板抗壓力學(xué)性能 表1

4 稻草板力學(xué)性能試驗結(jié)果

通過上述稻草板受壓試驗，得出的稻草板抗壓強(qiáng)度、泊松比等力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。結(jié)果表明：稻草板屬于正交異性板，在抗壓時順纖維方向的抗壓強(qiáng)度要小于垂直纖維方向的抗壓強(qiáng)度，分別為0.67MPa和1.42MPa。由以上數(shù)據(jù)可知，稻草板具有一定的強(qiáng)度，與型鋼龍骨共同構(gòu)成組合墻體/樓板是可行的。在組合墻體中，稻草板不但能承受部分豎向荷載，同時也能為型鋼龍骨提供有效的側(cè)向約束，可提高墻體/樓板的各項性能。因此稻草板這一新型綠色板材，適合用于一些低層別墅和廠房以及新農(nóng)村改造工程中。

紙面稻草板力學(xué)性能 表2

5 結(jié)論

本文對稻草板進(jìn)行了順稻草纖維方向和垂直稻草纖維方向的受壓力學(xué)性能試驗研究，得到了如下結(jié)論：

①試件受壓過程中，當(dāng)護(hù)面紙褶皺不明顯時，試件處于彈性階段，當(dāng)褶皺貫通試件寬度方向或紙面出現(xiàn)較大開裂時，試件呈現(xiàn)塑性并逐漸破壞；

②稻草板的抗壓強(qiáng)度均有一定的離散性，但是相比石膏板、OSB板等常用建筑板材，離散程度更小，性能更穩(wěn)定；

③稻草板是一種綠色節(jié)能板材，具有良好的力學(xué)性能，兼顧保溫隔熱隔音等作用，能作為輕鋼組合結(jié)構(gòu)的覆面板，具有廣泛的應(yīng)用前景。