農(nóng)村再生資源在建筑中的應(yīng)用

萬(wàn)云峰

（上海環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院有限公司，上海200232）

1 引言

隨著我國(guó)農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整和農(nóng)民收入的穩(wěn)步提升，廣大農(nóng)民對(duì)用于生活、生產(chǎn)、公共設(shè)施等的建筑物要求越來(lái)越高，導(dǎo)致農(nóng)村地區(qū)建筑材料消耗量逐年攀升。近年來(lái)，大量可再生資源被用于建筑施工之中，而可再生資源量極其豐富的農(nóng)村地區(qū)，尤其是以種植業(yè)為主的村落，如果能發(fā)揮年復(fù)一年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈的資源優(yōu)勢(shì)，將其應(yīng)用到新農(nóng)村建筑物中，不僅可大大降低農(nóng)村地區(qū)秸稈處理帶來(lái)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，而且可為小城鎮(zhèn)建設(shè)探索出一條“康莊大道”[1]。

2 秸稈建材優(yōu)勢(shì)分析

2.1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)優(yōu)勢(shì)

秸稈建材的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要體現(xiàn)在其建材加工原料本身的價(jià)格、產(chǎn)品生產(chǎn)成本以及建設(shè)工藝成本等方面。秸稈建材的主要原料為各類農(nóng)作物收割后的秸稈，而此類原材料不僅各地農(nóng)村產(chǎn)量較大、品種豐富，加工所需的秸稈僅僅需要給予農(nóng)民較低的收儲(chǔ)價(jià)格甚至部分地區(qū)建材加工商如自行負(fù)擔(dān)秸稈的運(yùn)輸費(fèi)用無(wú)須支付另外的材料采購(gòu)費(fèi)用。而在秸稈建材的生產(chǎn)過(guò)程中，秸稈用量幾乎占到了總數(shù)的90%，而其他的黏結(jié)劑的成本也較低，從而保證了秸稈建材的加工成本具有一定優(yōu)勢(shì)。在秸稈建材的施工中大部分直接采用螺栓等固定件進(jìn)行固定，從而大大節(jié)省了普通黏土磚砌筑過(guò)程中所耗費(fèi)的人工和砂漿等輔材。以我國(guó)北方農(nóng)村地區(qū)為例，建設(shè)相同規(guī)模的建筑，采用秸稈草磚的建筑造價(jià)為320元/m2，而采用集成式秸稈板的建筑更是將造價(jià)控制在250元/m2以下[2]。

2.2 生態(tài)性指標(biāo)優(yōu)勢(shì)

目前，我國(guó)部分邊緣地區(qū)還采取了焚燒的方式處理農(nóng)作物收割后的各類秸稈。在焚燒的過(guò)程中不但會(huì)產(chǎn)生大量廢氣污染及造成土壤在高溫下出現(xiàn)板結(jié)，而且在焚燒的過(guò)程中還容易引發(fā)火災(zāi)。一旦大量秸稈被用于秸稈建材的加工后，上述問(wèn)題將能到徹底解決。

同時(shí)，生態(tài)性指標(biāo)還體現(xiàn)在秸稈建材加工原料的環(huán)保性與建筑物本身能耗的降低率方面。由于秸稈是農(nóng)作物莖稈在采收后的廢棄物，而在農(nóng)作物生長(zhǎng)期間其體內(nèi)所合成的有機(jī)物中所含有的碳元素均是植物通過(guò)光合作用從大氣中吸收，因此，每生產(chǎn)1 m2、厚度20 mm的秸稈板材就相當(dāng)于減少了大約5 kg秸稈中所含的二氧化碳重返大氣層。同時(shí)，秸稈建材的傳熱系數(shù)也遠(yuǎn)低于其他傳統(tǒng)建材，故采用秸稈建材所建造的建筑無(wú)論在冬季采暖或夏季制冷期間，能夠降低室內(nèi)外溫差而導(dǎo)致設(shè)備能耗[3]。表1為不同建材保溫性能統(tǒng)計(jì)表。

表1 不同建材保溫性能統(tǒng)計(jì)表

2.3 其他指標(biāo)指標(biāo)

美觀性指標(biāo)是基于秸稈建材在加工過(guò)程中能夠充分保持植物本身的色彩與紋路，使其在材料的肌理、質(zhì)感上十分符合民眾追求的自然環(huán)保的美學(xué)理念。

健康性指標(biāo)則是由于秸稈建材中的纖維組織保留了植物所特有的孔隙，能夠起到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度與濕度的功能。而且由秸稈加工而成的飾面板所釋放的有毒有害醛類、脂類、苯酚類物質(zhì)更低，例如，由諾菲博爾公司生產(chǎn)的定向結(jié)構(gòu)麥秸板所含的甲醛含量?jī)H為0.02 mg/L，在我國(guó)屬于無(wú)甲醛范疇。

3 秸稈建材應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 秸稈建材分類

現(xiàn)代秸稈建材面世已有近10年的時(shí)間，在這期間，行業(yè)內(nèi)相關(guān)學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)研發(fā)了大量不同類型的秸稈建材，本文中以各類秸稈建材的形狀大致將其分為散狀、塊狀、板狀及其他形式建材4大類。表2為秸稈建材統(tǒng)計(jì)表。

表2 秸稈建材統(tǒng)計(jì)表

3.2 秸稈建材應(yīng)用中存在的不足之處

目前，我國(guó)農(nóng)村建筑中應(yīng)用較多的秸稈建材大多為秸稈草磚或秸稈三合土等較為原始的利用方式，因此，存在材料穩(wěn)定性較低、建筑建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、飾面處理難度大等不足之處。

秸稈草磚是將秸稈通過(guò)人工或機(jī)械等加工手段進(jìn)行捆扎成塊后進(jìn)行人工砌筑，而在秸稈草磚的制造容易受到加工機(jī)械和秸稈本身含水量等因素的影響，從而導(dǎo)致其密度未達(dá)到規(guī)范要求（90 kg/m3）。一旦被用于農(nóng)村建筑中的承重墻等受力部位，將造成建筑結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大幅下降。同時(shí)，在砌筑過(guò)程中通常是多人配合下合力進(jìn)行搭建，因而其個(gè)體之間的施工質(zhì)量產(chǎn)業(yè)也將導(dǎo)致建筑質(zhì)量參差不齊。

秸稈三合土則作為一種現(xiàn)場(chǎng)拌制、現(xiàn)場(chǎng)澆筑農(nóng)村建筑墻體施工工藝。在該種建筑工藝下，由于秸稈三合土的配比及現(xiàn)場(chǎng)攪拌的流程僅僅憑借現(xiàn)場(chǎng)工人的施工經(jīng)驗(yàn)和肉眼觀察，十分容易因產(chǎn)地、各類原料在性狀上的差異性導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)拌制的秸稈三合土在品種上參差不齊。同時(shí)，在其墻體砌筑的過(guò)程中，常因澆筑模板傾斜、鼓脹、漏漿等問(wèn)題造成所砌筑的墻體出現(xiàn)穩(wěn)定性上的缺陷[4]。

秸稈草磚或秸稈混凝土建材內(nèi)部和表面都存在大量的秸稈纖維和空洞，而由于纖維和空洞的存在致使建筑在后期內(nèi)外墻飾面的施工難度加大，即便是采用標(biāo)號(hào)較高的水泥砂漿也無(wú)法完美地貼合建筑的前提，從而導(dǎo)致建筑物不僅在外觀上略顯瑕疵，而且在墻面防水保溫性能也大幅下降。

4 秸稈建材在農(nóng)村生態(tài)建筑中應(yīng)用的改進(jìn)策略

4.1 秸稈建材的創(chuàng)新

雖然秸稈草磚和秸稈三合土等形式的秸稈建材在材料成本上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但其在建筑材料綜合性能等指標(biāo)上還有待加強(qiáng)。鋼結(jié)構(gòu)秸稈板材、秸稈復(fù)合輕質(zhì)墻板等為代表的板狀秸稈建材逐步體現(xiàn)出其在自重、荷載能力、加工便捷性等方面的優(yōu)勢(shì)。

鋼結(jié)構(gòu)秸稈板材中建筑物的承重構(gòu)件為高強(qiáng)度輕質(zhì)鋼，建造時(shí)先根據(jù)建筑物空間布局開(kāi)挖和預(yù)制建筑物基礎(chǔ)，隨后將預(yù)制的輕鋼構(gòu)件與基礎(chǔ)相固定，最后采用秸稈板材進(jìn)行內(nèi)外墻體拼接。鋼結(jié)構(gòu)秸稈板材除了充分發(fā)揮其自重輕、保溫隔音效果好的優(yōu)勢(shì)被用于分割空間外，還發(fā)揮秸稈纖維較強(qiáng)的抗拉性能對(duì)建筑物受力框架的起到一定的拉結(jié)和固定作用。以五防輕質(zhì)復(fù)合秸稈板為代表的秸稈復(fù)合輕質(zhì)建材因其在制造過(guò)程中更加注重板材的荷載與承重能力，故只需配置不同厚度和規(guī)格的灌注模板便可直接將其加工成墻體板、屋面板、樓面板等多種用途的建材。

在板狀秸稈建材的研發(fā)過(guò)程中，高效環(huán)保類膠凝材料的研發(fā)成為影響新型板狀秸稈建材結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵。目前，以單一鈦石膏激發(fā)礦渣（TB）膠凝材料和水泥鈦石膏復(fù)合激發(fā)礦渣（TBC）膠凝材料為代表的新型膠凝材料能夠提高秸稈建材的抗壓強(qiáng)度，提高幅度近30%。同時(shí)，在秸稈建材中適當(dāng)加入聚苯顆粒也能降低秸稈建材的重度[5]。

4.2 推廣應(yīng)用BIM技術(shù)

BIM（Building Information Modeling）技術(shù)是一項(xiàng)集建筑設(shè)計(jì)、建造、管理為一體的建筑工程管理工具，其通過(guò)對(duì)建筑的數(shù)據(jù)化與信息化模型的整合，能夠在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中對(duì)建筑信息做出正確的理解和高效的應(yīng)對(duì)。雖然各類塊狀或板狀秸稈建材在外形上相差甚遠(yuǎn)，但實(shí)質(zhì)上其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與材料卻大同小異，唯一的區(qū)別便是在秸稈建材最后擠壓定型期間秸稈膠質(zhì)所注入模具在外形尺寸上有所區(qū)別。鑒于秸稈建材易加工成型這一特性，它和其他建材相比更能與BIM技術(shù)進(jìn)行緊密結(jié)合。

在秸稈建材施工中應(yīng)用BIM技術(shù)時(shí)，工程師首先根據(jù)農(nóng)戶所提供的建筑面積、層高、室內(nèi)空間分割要求等在計(jì)算機(jī)中構(gòu)建筑一套滿足農(nóng)戶需求的建筑模型；隨后，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)對(duì)建筑內(nèi)容的結(jié)構(gòu)受力和屋面樓層荷載等情況進(jìn)行分析，并根據(jù)秸稈建材的材料力學(xué)性能指標(biāo)計(jì)算出樓面、承重結(jié)構(gòu)等建筑物各部分秸稈建材的規(guī)格及用量；而后，建材加工工廠內(nèi)或采用切割成型板材或制造相應(yīng)規(guī)格的模具用以直接“鑄造”秸稈建材；最后，施工人員在施工現(xiàn)場(chǎng)直接拼裝不同規(guī)格的秸稈建材。

通過(guò)將BIM技術(shù)與秸稈建材加工制造相結(jié)合，各類農(nóng)村建筑物的墻體、樓面板、屋頂?shù)炔考軌蛑苯釉诮斩捊ú募庸S內(nèi)進(jìn)行一體化加工，甚至將原本需要在施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行鉆制的連接固定孔也可在加工廠內(nèi)完成作業(yè)，從而進(jìn)一步加快了建筑物現(xiàn)場(chǎng)施工的進(jìn)度，也降低了施工人員的作業(yè)強(qiáng)度。另外，由于利用BIM技術(shù)所建造的秸稈建筑物，其不同構(gòu)件之間不再需要水泥砂漿等輔材進(jìn)行黏結(jié)，使得建筑的穩(wěn)定性與室內(nèi)空間利用效率進(jìn)一步得到提升。

4.3 改進(jìn)秸稈建材施工工藝

在不斷改進(jìn)秸稈建材自身的材料性能之外，還必須通過(guò)改進(jìn)各類秸稈建材施工工藝來(lái)進(jìn)一步提升秸稈建材的應(yīng)用效果。例如，針對(duì)秸稈混凝土等散狀秸稈建材在建筑施工中最為常見(jiàn)的配比率失準(zhǔn)和模板制作等問(wèn)題，可采取以下幾項(xiàng)改進(jìn)策略。其一，在秸稈資源豐富且農(nóng)村建筑用料需求量大的地區(qū)可新建秸稈混凝土加工廠，由其統(tǒng)一完成秸稈、混凝土、砂石料及其他輔料的配置、混合、攪拌工作，并可直接包裝成袋以便擴(kuò)大銷售區(qū)域。現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)僅需要按照一定比例添加水便可進(jìn)行使用，從而既滿足了散狀秸稈建材配比率不統(tǒng)一的問(wèn)題，又提升了現(xiàn)場(chǎng)施工效率。其二，在進(jìn)行秸稈混凝土現(xiàn)場(chǎng)模板制作的過(guò)程中，推廣應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)化金屬模板及配套支護(hù)工具，充分發(fā)揮金屬模板在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、抗拉抗彎、表面平整度上的優(yōu)勢(shì)，使得在后期秸稈混凝土灌注期間能夠?yàn)槠涮峁┓€(wěn)定及密封性好的模板。大量實(shí)踐表明，秸稈混凝土墻體易在不同部位墻體接縫處出現(xiàn)裂縫，因此，在制作安裝秸稈混凝土模板時(shí)可利用T形模具直接將相交的墻體進(jìn)行澆筑，從而提高其接縫處的一體性。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著科技的不斷進(jìn)步，秸稈資源在農(nóng)村建筑材料中應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大，途徑將進(jìn)一步增加，而在秸稈建材品種和用途不斷發(fā)展的過(guò)程中，如何改善農(nóng)村地區(qū)廣大農(nóng)戶對(duì)于秸稈建材所存在的認(rèn)識(shí)不足、理念陳舊等方面的問(wèn)題，各地科研機(jī)構(gòu)也應(yīng)當(dāng)積極研發(fā)符合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件和農(nóng)戶生活習(xí)俗的秸稈建材，對(duì)其制作加工及施工建造工藝進(jìn)行深入優(yōu)化，使得整個(gè)產(chǎn)業(yè)不但能夠“消化”全國(guó)每年產(chǎn)生的大量秸稈，而且還能讓其能夠變廢為寶，為農(nóng)戶增收提供新的助力。