秸稈板力學性能測試的研究進展

鄒鈺瑩， 谷曉雨， 王 正

(南京林業(yè)大學材料科學與工程學院，江蘇 南京 210037)

當前，我國的生產生活方式的綠色轉型成效顯著，能源資源配置更加合理有效、利用效率大幅提升，生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善，生態(tài)安全屏障更加牢固，城鄉(xiāng)人居環(huán)境明顯改善。然而中國是世界農業(yè)大國之一，每年所產出的農業(yè)廢料總量巨大。其中，秸稈總產量超過7億噸，但利用率僅占5%左右，大多作為農民生活燃料，或當作廢棄物燒掉，既污染了環(huán)境又浪費了資源。為此，近年來，國家統(tǒng)計局在發(fā)布的《戰(zhàn)略性新興產業(yè)分類2018》中已將秸稈新型墻體材料列入5種新材料產業(yè)子類之一[1]；同時“十四五”時期，國家提倡使生態(tài)文明建設實現新進步的政策。秸稈板作為一種新興的人造板材，在大部分木質板材的應用場合均可使用[2]。它的主要原材料是農作物秸稈，再通過添加異氰酸脂膠粘劑(MDI)制作而成的人造板材，具有無毒害、無污染、無輻射等諸多優(yōu)點，且使用秸稈板的建筑物結構穩(wěn)定。秸稈板在質量和性能方面，均優(yōu)于刨花板和中密度纖維板；在防水方面的表現良好，使用過程中無甲醛釋放，屬于綠色產品；其成本基本持平或低于刨花板。同時大力發(fā)展秸稈板，既能推進秸稈板的合理應用，還能充分利用秸稈，防止因燃燒秸稈而產生霧霾對生態(tài)環(huán)境產生危害等。尤其是近20多年來國內外對于秸稈板技術的不斷改進，其材料已不局限于麥秸，包括玉米秸稈、棉花秸稈等均得以再利用。因此，推廣使用秸稈板具有良好的經濟效益和社會效益[3-4]。

秸稈板具有的諸多優(yōu)勢，為了將秸稈板推廣使用，國內外諸多專家、學者針對秸稈板的力學性能進行了多方面、多維度的研究，其主要包括秸稈板的彈性模量、剪切模量、泊松比等方面。由于對其研究成果較為分散，且針對秸稈板的力學性能測試的方法研究較少，一定程度上制約了秸稈板產業(yè)化的發(fā)展。對此，本文通過梳理國內外對秸稈板彈性模量E、剪切模量G等彈性常數測試方法上的研究現狀，總結秸稈板力學性能測試的研究進展，以期為進一步促進秸稈板在建筑中的更合理、有效應用提供有益參考。

1 國內外秸稈板力學特性檢測研究進展

秸稈板從生產工藝來看屬于刨花板范疇，以秸稈刨花代替木刨花[5]；但從纖維特性來看，又近似于密度板。因此，在檢測秸稈板力學性能時，常借鑒其他類型的木質人造板材[6]。在國內外各類力學試驗方法研究中，一般采取靜態(tài)彎曲測試法為主，也有以靜態(tài)彎曲試驗與拉伸試驗結合來測定靜曲強度MOR和彈性模量MOE。對于秸稈板剪切模量G的檢測研究較少，但可借鑒刨花板剪切模量的測定方法，使用分離剛度的彎曲試驗或動力學方法進行測定[7-8]。

1.1 秸稈板MOR和MOE靜態(tài)彎曲法的測定

1.2 秸稈板MOR和MOE的其他方法測定研究

2014年 Ittihadul Islam等人測試了使用脲醛膠粘劑的稻草纖維板的力學性能。其力學性能根據DIN 52362進行了測試，并通過將用熱水煮沸的稻草纖維板與未經處理的稻草纖維板進行對比實驗。其研究結論為：未經處理的稻草纖維板MOR為13.15 N/mm2，經過處理的稻草纖維板MOR為25.59 N/mm2，經過處理和未經處理的稻草纖維板的MOR的差異顯著，經過熱處理的稻草纖維板性能得到提升，但是經處理和未經處理的稻草纖維板的MOR均較大，可用于實際應用[18]。2017年Cristina C.Ferrandez-Garcia等人在實驗室通過用IB600型通用試驗機測試了稻草顆粒板的MOR、MOE等力學性能。測出此板的MOR值介于4.79～18.02 N/mm2，MOE的值介于542～296 N/mm2之間，IB值介于0.02 N/mm2和0.30 N/mm2之間。其中顆粒粒徑越小、壓制次數越多，力學性能越好。其中，雖然有的稻草板的MOE和MOR值超過了P4級板的承重標準，但是IB值不符合最低要求的0.35 N/mm2，其中由粒徑1 mm顆粒熱壓制成的無膠粘劑稻草板的IB較低，范圍為0.01～0.17 N/mm2。當該板被用于一般用途時應避免使用粒徑為1 mm的顆粒，而應該使用顆粒粒徑更小的稻草顆粒，且增加熱壓次數[19]。同年，Dorota Dukarska四人將菜籽秸稈顆粒與4種膠粘劑混合膠合制成單層刨花板，并設置了不同密度進行煮沸試驗，測得菜籽秸稈板的MOE和MOR等力學性能。根據試驗結果與分析，得到：菜籽秸稈顆粒是一種有價值的材料，可用于生產耐水刨花板，不僅強度適用于建造房屋，同時該房屋也符合可持續(xù)發(fā)展的理念。研究結果表明，菜籽秸稈可用于生產強度性能都比較好的建筑刨花板。同時，與刨花板相比，菜籽秸稈刨花板的隔熱性能更好，能有效地減少熱損失[20]。2017年Cristina C.Ferrandez-Garcia等人在實驗室通過用IB600型通用試驗機測試了稻草顆粒板的MOR和MOE等力學性能。測出此板的MOR值介于4.79～18.02 N/mm2之間，MOE的值介于542～296 N/mm2之間，IB值介于0.02～0.30 N/mm2之間。其顆粒粒徑越小、壓制次數越多，力學性能越好。其中，雖然有的板的MOE和MOR值超過了P4級板的承重標準，但是IB值不符合最低要求的0.35 N/mm2，其中由粒徑1 mm顆粒熱壓制成的無膠粘劑稻草板的IB較低，范圍為0.01～0.17 N/mm2。當該板被用于一般用途時應避免使用粒徑為1 mm的顆粒，而應該使用顆粒粒徑更小的稻草顆粒，且增加熱壓次數[21]。

1.3 秸稈板的剪切性能測試研究

1990年，Andy W.C.Lee對中密度纖維版、硬質纖維板、碎料板等7種人造板進行了在中濕或高濕條件下剪切強度的對比試驗。全程保持高濕或中濕的條件，選用沿邊剪切試驗法，即在試件的每一邊鉆四個孔，固定在測試設備上，用帶V型槽的上下固定接頭施加荷載，最后進行計算；再用層向剪切試驗，即在兩塊加載鋼板之間加熱膠合試件，再使其固化，之后增加V型槽的距離對其施加荷載，計算最大層向剪切強度。最后得到結論為在中濕或高濕條件下，硬質纖維板具有最大的沿邊剪切強度，中密度纖維板的層向剪切強度最大，中密度纖維板和定向碎料板的剪切強度等于或大于膠合板[22]。2005年，熊立奇利用分離剛度法，對楊木-秸桿層合板的橫向剪切模量進行了研究。主要結論表明：得到楊木-秸桿層合板的剪切模量；分析了楊木-秸桿層合板作為梁構建具有嚴重的橫向剪切效應，其附加彎曲變形甚至超過彎矩產生的變形；隨跨高比的增大，且剪切附加效應影響逐漸減小，30倍以上可以忽略其影響[12]。2011年，謝啟芳等將定向秸稈板用于木結構建筑中，作為剪力墻，并通過對墻體模塊組成的剪力墻試件施加荷載測試剪力墻的受剪性能、抗震性能，得到結論為：秸稈板組成的剪力墻具有良好的變形能力，豎向荷載對剪力墻的抗剪強度影響較小。因此，秸稈板作剪力墻具有良好的抗剪強度，在實際應用中有較大的應用價值[23]。

2 存在的問題及主要措施

綜上所述，多年來國內外在秸稈板力學性能上進行了多方面、多維度的研究，取得了較多的研究成果，但也存在一定的問題，主要表現在：

(1)國內外對秸稈板力學性能的研究成果的多樣性和應用性較少，一定程度上限制了產品發(fā)展。其主要表現為：大多選用三點彎曲法等靜態(tài)法測試，測試方法較為單一[24]，且靜力彎曲等試驗具有破壞性，用以試驗的樣品大多只能使用一次，很大程度上浪費了資源。(2)已有資料表明，采用靜態(tài)彎曲法測定秸稈板MOE時，大多會將試件加工為尺寸規(guī)模更小的樣品進行試驗。在這種情況下，無法正確確定載荷-撓度曲線上比例極限內P/Y值。且在現有幾種產品標準中，沒有完全一致的標準，將可能對最終的試驗結果引起誤解[25]。(3)目前對秸稈板的研究大多基于刨花板或纖維板的基礎上進行測試，而沒有很好地考慮原料間的差別將會對測試結果具有顯著影響。(4)對秸稈板的剪切模量和泊松比性能測試研究鮮見；缺乏概率分析等方法的應用，等等。鑒于此，筆者認為今后做好秸稈板力學性能工作應采取的主要措施為：首先，利用基于動力學原理的無損檢測方法開展秸稈板的力學性能測試與分析工作。如采用自由板扭轉振形法測量秸稈板的剪切模量[26]、懸臂板扭轉模態(tài)法測量秸稈板的剪切模量[27]、動態(tài)電測法測定秸稈板的泊松比[28]、應力波法測量秸稈板彈性模量[28]。用這些無損檢測的方法，既能得到多維度、多方面的研究成果，了解秸稈板的各項力學性能是否滿足實際應用中的要求，又能節(jié)約試材，以達到確保產品質量，節(jié)約成本等要求；其次，以一般秸稈板為試件，測試其各項力學性能。做好膠粘劑、板厚和秸稈密度等因素影響秸稈半力學性能的研究工作；再次，增加對秸稈板剪切性能，泊松比等剛性技術指標的研究，擴大秸稈半產品的應用面；最后，應與時俱進，完善或制定秸稈板力學性能的相關標準，特別是高度重視專業(yè)人員的培養(yǎng)等。

3 研究展望

當前，國內外秸稈建筑材料的種類、加工工藝發(fā)展處于不斷推進的態(tài)勢；秸稈生產的建筑材料具有較好的性能和廣闊的市場前景。大力發(fā)展秸稈建材，解決了秸稈綜合利用問題，防止了秸稈燃燒造成的霧霾危害，具有顯著的經濟、社會和環(huán)境效益。實踐證明，，秸稈板的力學性能完全可以與木質人造板相媲美；且通過固化機理的改變、材料預處理、與其他材料的復合處理，完全能改善其性能并進一步發(fā)揮其在建筑、家具、包裝等方面的作用。同時，由于秸稈的種類繁多，當選材不再只限于麥秸時，形形色色的秸稈板則應運而生，必將進一步促進我國農業(yè)廢棄物的循環(huán)應用，帶動其農副產業(yè)經濟發(fā)展?？傊斩挵逶缫巡辉偈侨藗冇∠笾械牡投水a品，而是面向未來的綠色產業(yè)。顯然，我們必須客觀地認識到秸稈板的環(huán)保、隔熱性等優(yōu)勢，也要客觀承認在成本和力學性能上與傳統(tǒng)木質人造板仍存在一定的差距。但這一差距是可通過著力做好秸稈板力學參數的檢測研究工作來彌補和趕超的，并將促進中國的秸稈板工業(yè)的高效、持續(xù)發(fā)展[30-31]。