秸秆草砖在建筑中的应用与研究现状分析

袁 斌 曹宝珠,2 段文峰

(1:吉林建筑大学土木工程学院,长春 130118; 2:海南大学土木工程学院,海口 570208)

1 概述

人们越来越崇尚绿色、节能的居住环境.随着粘土砖的禁止使用,新型绿色的建筑材料将被广泛使用. 秸秆草砖是由水稻、小麦、玉米等农作物的秸秆,利用打捆机将其压缩为长方体块,并利用金属网将压缩好的块紧紧捆扎形成.我国是农业大国,农作物秸秆产量很大,农村地区将秸秆主要作为燃料或直接将其在户外进行焚烧.秸秆进行燃烧释放出大量的SO2，NO，CO2，CO，CH4等造成大气污染,不仅对人类健康产生危害,同时也制约当地的经济发展.利用农作物秸秆生产草砖,不仅可以变废为宝，充分利用资源，保护环境,提高农民收入,而且符合绿色、节能、环保要求.将草砖作为墙体材料 ,建造的草砖房冬暖夏凉,适合人们居住.

2 国内外应用现状

近年来,随着人们对绿色建材概念的提出及节能、环保问题的关注,草砖建筑以其节能环保、造价低并能提供良好的室内环境等优点,在世界生态建筑中越来越流行.从1999年起,中国21世纪议程管理中心与安泽国际救援协会/中国( ADRA/China-Adventist Development and Relief Agency)合作,在我国北方地区的5省9地,分别开展了节能草砖建筑示范项目.到目前为止,已建成700多套住房和3所小学,这些草砖住房深受广大农户的欢迎[1].2005年，哈尔滨市汤原县草砖房项目获得世界人居奖.通过对汤原县草砖房2年的实时监测发现,草砖房冬季每户所需采暖煤仅为粘土砖房的一半,总体能源效率比粘土砖房高出约70%.

20世纪后期,草砖建筑在美国、加拿大、澳大利亚等地渐渐兴起.1991年,美国颁布《新墨西哥州草砖建筑指南》成为首部正式的稻草砖建筑规范；1993年,美国草砖杂志《The Last Straw 》的发行,推动了草砖建筑的发展.美国、加拿大等地,开展了针对不同气候和外部环境草砖基本性质、建筑技术和经济效益等领域的研究,并且已陆续制定出了与之相应的建筑规范.目前国内外草砖房屋的建筑方法有如下几类:秸秆草砖承重房屋、轻质框架与草砖墙体承载房屋、框架结构房屋和混合设计房屋[2].

秸秆草砖承重房屋.这种“内布拉斯加州样式”结构中,没有其他的结构框架,房屋基础采用混凝土条形基础,以打捆好的秸秆草砖块堆积成墙体,秸秆草砖墙体作为承重构件,将完全支撑屋顶或者第二层楼.墙体的内外表面采用水泥砂浆抹灰，这种结构类型简单,易于设计和施工，适合于开间较小,面积较小的单层房屋.这种“内布拉斯加州样式”在爱尔兰和英国较为常见,但对于大型建筑,正在被其他结构形式所取代.

轻质框架与草砖墙体承载房屋.该形式采用轻质框架,框架质量较轻需要设置临时支撑增加其稳定性,直到草砖墙体砌筑完成.该结构中,草砖墙体和轻质框架共同承担楼地板和屋顶的荷载.这种结构形式设计特点是将整栋建筑的荷载进行均匀分布,避免出现集中荷载，可先设置框架及屋顶,屋顶可防止草砖墙体被雨淋湿,与传统框架结构相比,可大大节省木材,但是这种结构施工比较复杂.

框架结构草砖房屋.房屋的框架可采用木框架、混凝土框架、砖框架和钢框架.屋盖荷载由这些框架承担,秸秆草砖块只是作为框架柱、梁间的墙体填充材料.目前西方发达国家主要采用木框架草砖房屋为主,而我国东北修建的秸秆草砖房屋多采用砖混框架草砖房.框架结构适合开间较大,造型复杂的草砖房屋.

混合设计房屋.用于砌筑墙体的秸秆草砖块表面用水泥砂浆进行硬化加固，砌筑墙体时类似于砖混结构墙体施工,将硬化的秸秆草砖进行堆砌,草砖直接用水泥砂浆进行连接.但其水泥消耗量较大,制作工艺繁琐,目前基本没有使用.

3 秸秆草砖建筑研究现状

3.1 秸秆草砖性能研究现状

(1) 力学及抗震性能研究. 我国刘坤等[3]进行了草砖承载力研究,试验得出的草砖压缩实测曲线与英国学者Paborde的指数模型预测曲线基本吻合,草砖密度大于200kg/m3时,其承载力与失效密度成正比.刘健等[4]对棉花秸秆草砖的力学性能进行了研究,通过棉秸秆负荷与位移变形关系测得棉秸秆的抗压强度,经过压缩的棉花秸秆草砖在承受182kN压力时,草砖的抗压强度能达到1.5MPa.冯伟刚[5]将棉花秸秆粉碎成纤维碎料,加入脲醛树脂胶制成棉秆纤维砌块,并进行单轴受压试验,可以满足作为砌块的要求.聂红鑫[6]对无涂层秸秆草砖进行单轴压缩试验,试验发现随着草砖密度的增大,其弹性模量和抗压强度也增大.Donovan等[7]在巴基斯坦内华达大学实验室对一座草砖房屋进行振动台试验,当振动台的水平加速度高达0.8g时,草砖房屋仍没有倒塌,结果表明,草砖房具有良好的抗震性能.

(2) 保温性能研究. 草砖作为新型墙体材料,是一种理想的保温填充墙体材料,各国研究人员纷纷开始对其保温性能进行研究.傅志前[8]对不同密度的麦秸砖进行导热系数研究,研究发现低密度草砖保温性能优于高密度草砖.王晓峰[9]对秸秆草砖、秸秆混凝土砖、秸秆泥土砖进行热工性能研究,试验得出秸秆草砖烘干状态下导热系数比自然状态下小,可见,含水率会影响导热系数.秸秆草砖的导热系数均小于加气混凝土砌块、普通混凝土的导热系数.胡洋[10]对秸秆纤维砌块墙体进行热工性能试验,经测试,秸秆纤维砌块其保温能力约是普通粘土砖墙体的10倍.Taha Ashour等[11]对45cm厚草砖墙进行监测,结果表明草砖墙体具有良好的热稳定性,能抵抗室外昼夜温差.王婧[12]等通过对辽宁本溪市草砖房的采暖耗能进行模拟计算,模拟结果表明,草砖房屋具有良好的保温性能和节能作用.

(3) 隔音性、耐久性、耐火性研究. Han-Seung Yang[13]等对稻草-木粒复合板进行吸声性能测试.稻草为多孔材料,具有良好的隔音性能.武雪利[14]通过对草砖霉变研究,发现引起草砖霉变的主要因素是草砖的含水率，通风条件好,含水率低的草砖,霉变的可能性减小,具有良好的耐久性.2011年，中国建筑科学院王礼[15]等对非承重草砖墙体进行耐火性能试验研究,研究得出密实的草砖不易燃烧,草砖墙能达到3.0h的耐火极限.

3.2 秸秆草砖建筑研究现状

Cory Michael Vitt[16]等进行了香根草墙体作为自承重墙体研究.试验测得两个香根草墙体的失效荷载分别是24.5kN/m和23.9kN/m，满足加利福利亚规范(2007)规定水泥或石灰水泥抹灰的承载砖墙上允许施加的轴心受压荷载不得超过11.7kN/m的要求.试验测得香根草墙的失效荷载大约为规范规定允许施加荷载的两倍,但由于试验墙体高度并不是全墙高,试验结果可认为抹灰香根草草砖墙满足作为承重墙体的要求.

David Mar,S.E[17]设计的拱形屋顶,将钢筋混凝土拉压杆模型使用到草砖建筑中,设计出由草砖、钢丝网、灰泥组成的承载复合结构.拱形屋顶的设计中,用草砖块代替混凝土斜压杆,在拱顶内表面和外表面布置钢丝网进行加固,内外表面钢丝网之间用扎带进行连接,扎带用来防止由张力引起拱顶屈曲而发生内网的剥离,内外表面采用约1/4英寸的水泥灰壳层.

段文峰[18]进行承重高密度秸秆草砖隼接型墙体和插筋型墙体设计研究.高密度秸秆草砖具有良好的承载性能,隼接型草砖墙体砌筑时高密度草砖交槎排列,草砖做成一面凹槽,一面凸起,上下皮草砖相互交槎隼接咬合,墙体上下部分别设置圈梁和地梁.插筋型草砖墙体是在草砖中钻上圆孔,砌筑时圆孔上下贯通,将钢筋插入贯通的圆孔内,同时钢筋上下端分别深入圈梁和地梁中进行锚固.

曹宝珠[19]对新型轻钢-草砖节能住宅体系展开研究.新型轻钢-草砖住宅体系采用冷弯薄壁型钢经焊接、螺栓连接或自攻螺钉连接形成受力骨架,轻钢-秸秆草砖复合墙作为围护结构保温填充材料,屋面采用轻屋盖结构,上铺设秸秆草砖、草帘作为保温层,楼板采用冷弯薄壁型钢-OSB定向板复合楼板.

4 秸秆草砖应用在建筑中尚需研究的问题

通过对秸秆草砖的研究发现,秸秆草砖具有优于普通材料的特性,经过压缩的秸秆草砖在承受外部荷载时还存在较大变形能力,草砖越密实，变形越小，承受荷载能力越大.冷弯薄壁型钢具有自重轻、强度高、易加工等特点.将秸秆草砖特性与冷弯薄壁型钢特点结合,组成新型轻钢-草砖住宅将有广阔的应用前景，但相对于其他砌体材料,秸秆草砖性能、新型轻钢-秸秆草砖住宅体系的研究还不全面,草砖建筑技术还未达到要求,在今后仍需对如下问题进行深入研究.

(1) 生产秸秆草砖的秸秆主要有水稻秸秆、麦秸秆、玉米秸秆等,由于各种结构材料内部结构和外观形状不同,其抗压强度、吸水率等物理力学性能有着较大差别,对不同类型的秸秆草砖进行承载力及应力-应变关系研究,建立本构关系模型；

(2) 分别对纯草砖墙体和轻钢-秸秆草砖复合墙体进行竖向承载力研究,采用足尺墙体试件进行秸秆草砖墙体、轻钢-秸秆草砖复合墙体竖向承载力试验,同时考察不同构造连接方式对墙体竖向承载力的影响；

(3) 目前已有少量试验得出草砖房屋具有良好的抗震性能,但仍需通过对草砖墙体、轻钢-秸秆草砖复合墙体足尺模型进行低周期往复荷载试验研究,考察草砖墙体以及轻钢-秸秆草砖复合墙体抗震性能.通过振动台试验，进一步研究自承重草砖房屋和轻钢-秸秆草砖房屋的抗震性能,同时研究体系中轻钢与秸秆草砖连接措施对抗震性能的影响；

(4) 加强草砖建筑耐火性、耐久性研究.经压缩的秸秆草砖内部缺少空气,不易点燃,但在持续高温下仍能燃烧，需对不同饰面下草砖墙体进行耐火试验,考察其耐火极限.草砖建筑的耐久性主要从防腐、防潮、防霉方面进行考察，建筑中秸秆草砖含水率是影响耐久性的主要因素,需研究秸秆草砖防潮、防腐措施；

(5) 目前对秸秆草砖的研究应用主要针对农村二层住宅,受传统观念的影响,部分农民对秸秆草砖存在偏见,认为草砖房是贫穷落后的表现,因此需加强对秸秆草砖建筑的推广力度,增强草砖建筑的市场吸引力.

5 结语

秸秆草砖性能良好、绿色环保、价格低廉,在新农村建设中具有广阔的应用前景.但国内对秸秆草砖性能的研究及秸秆草砖的应用还不成熟,目前还没有成熟的秸秆草砖制作工艺,草砖各项性能的研究缺少统一的试验规范,也还没有针对草砖建筑设计和施工的规范.近年来,草砖建筑在我国已经开始修建.因此,开展秸秆草砖性能及草砖房屋的研究,可不断提高草砖房屋的质量安全等级,在实际工程应用中,也可解决各种实际的技术问题,对设计出安全、可靠、经济、舒适的草砖房屋具有重要意义.

参 考 文 献

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[3] 刘 坤,蒋恩成,段洁丽.草砖承载能力研究[C].中国农业工程学会2005年学术年会论文集.2005.

[4] 刘 健.棉花秸秆草砖的试制及草砖房屋的设计研究[D].乌鲁木齐：新疆农业大学,2011.

[5] 冯伟刚.棉杆纤维砌块力学性能研究及生态复合墙体受力性能研究[D].西安:西安建筑科技大学,2010.

[6] 聂红鑫,曹宝珠.无涂层秸秆草砖力学试验研究[J].吉林建筑工程学院学报,2013,30(1):11-14.

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[16] Cory Michael Vitt.Technical Feasibility of Baling Vetiver Grass for Use as Load-Bearing Walls[J].Advances in Structural Engineering,2011,14(5):931-940.

[17] David Mar,S.E.High-Performance Straw-Bale Structures[J].Structure magazine.August 2005(8):27-28.

[18] 段文峰,曹宝珠.新型低碳秸秆草砖墙体设计研究[J].新型建筑材料,2011(10):34-36.

[19] 曹宝珠,赵月明,段文峰,白爱华.新型轻钢-秸秆草砖节能住宅在东北农村地区应用的可行性研究[J].新型建筑材料,2010(7):34-36.