秸秆板力学性能测试的研究进展

邹钰莹， 谷晓雨， 王 正

(南京林业大学材料科学与工程学院，江苏 南京 210037)

当前，我国的生产生活方式的绿色转型成效显著，能源资源配置更加合理有效、利用效率大幅提升，生态环境持续改善，生态安全屏障更加牢固，城乡人居环境明显改善。然而中国是世界农业大国之一，每年所产出的农业废料总量巨大。其中，秸秆总产量超过7亿吨，但利用率仅占5%左右，大多作为农民生活燃料，或当作废弃物烧掉，既污染了环境又浪费了资源。为此，近年来，国家统计局在发布的《战略性新兴产业分类2018》中已将秸秆新型墙体材料列入5种新材料产业子类之一[1]；同时“十四五”时期，国家提倡使生态文明建设实现新进步的政策。秸秆板作为一种新兴的人造板材，在大部分木质板材的应用场合均可使用[2]。它的主要原材料是农作物秸秆，再通过添加异氰酸脂胶粘剂(MDI)制作而成的人造板材，具有无毒害、无污染、无辐射等诸多优点，且使用秸秆板的建筑物结构稳定。秸秆板在质量和性能方面，均优于刨花板和中密度纤维板；在防水方面的表现良好，使用过程中无甲醛释放，属于绿色产品；其成本基本持平或低于刨花板。同时大力发展秸秆板，既能推进秸秆板的合理应用，还能充分利用秸秆，防止因燃烧秸秆而产生雾霾对生态环境产生危害等。尤其是近20多年来国内外对于秸秆板技术的不断改进，其材料已不局限于麦秸，包括玉米秸秆、棉花秸秆等均得以再利用。因此，推广使用秸秆板具有良好的经济效益和社会效益[3-4]。

秸秆板具有的诸多优势，为了将秸秆板推广使用，国内外诸多专家、学者针对秸秆板的力学性能进行了多方面、多维度的研究，其主要包括秸秆板的弹性模量、剪切模量、泊松比等方面。由于对其研究成果较为分散，且针对秸秆板的力学性能测试的方法研究较少，一定程度上制约了秸秆板产业化的发展。对此，本文通过梳理国内外对秸秆板弹性模量E、剪切模量G等弹性常数测试方法上的研究现状，总结秸秆板力学性能测试的研究进展，以期为进一步促进秸秆板在建筑中的更合理、有效应用提供有益参考。

1 国内外秸秆板力学特性检测研究进展

秸秆板从生产工艺来看属于刨花板范畴，以秸秆刨花代替木刨花[5]；但从纤维特性来看，又近似于密度板。因此，在检测秸秆板力学性能时，常借鉴其他类型的木质人造板材[6]。在国内外各类力学试验方法研究中，一般采取静态弯曲测试法为主，也有以静态弯曲试验与拉伸试验结合来测定静曲强度MOR和弹性模量MOE。对于秸秆板剪切模量G的检测研究较少，但可借鉴刨花板剪切模量的测定方法，使用分离刚度的弯曲试验或动力学方法进行测定[7-8]。

1.1 秸秆板MOR和MOE静态弯曲法的测定

1.2 秸秆板MOR和MOE的其他方法测定研究

2014年 Ittihadul Islam等人测试了使用脲醛胶粘剂的稻草纤维板的力学性能。其力学性能根据DIN 52362进行了测试，并通过将用热水煮沸的稻草纤维板与未经处理的稻草纤维板进行对比实验。其研究结论为：未经处理的稻草纤维板MOR为13.15 N/mm2，经过处理的稻草纤维板MOR为25.59 N/mm2，经过处理和未经处理的稻草纤维板的MOR的差异显著，经过热处理的稻草纤维板性能得到提升，但是经处理和未经处理的稻草纤维板的MOR均较大，可用于实际应用[18]。2017年Cristina C.Ferrandez-Garcia等人在实验室通过用IB600型通用试验机测试了稻草颗粒板的MOR、MOE等力学性能。测出此板的MOR值介于4.79～18.02 N/mm2，MOE的值介于542～296 N/mm2之间，IB值介于0.02 N/mm2和0.30 N/mm2之间。其中颗粒粒径越小、压制次数越多，力学性能越好。其中，虽然有的稻草板的MOE和MOR值超过了P4级板的承重标准，但是IB值不符合最低要求的0.35 N/mm2，其中由粒径1 mm颗粒热压制成的无胶粘剂稻草板的IB较低，范围为0.01～0.17 N/mm2。当该板被用于一般用途时应避免使用粒径为1 mm的颗粒，而应该使用颗粒粒径更小的稻草颗粒，且增加热压次数[19]。同年，Dorota Dukarska四人将菜籽秸秆颗粒与4种胶粘剂混合胶合制成单层刨花板，并设置了不同密度进行煮沸试验，测得菜籽秸秆板的MOE和MOR等力学性能。根据试验结果与分析，得到：菜籽秸秆颗粒是一种有价值的材料，可用于生产耐水刨花板，不仅强度适用于建造房屋，同时该房屋也符合可持续发展的理念。研究结果表明，菜籽秸秆可用于生产强度性能都比较好的建筑刨花板。同时，与刨花板相比，菜籽秸秆刨花板的隔热性能更好，能有效地减少热损失[20]。2017年Cristina C.Ferrandez-Garcia等人在实验室通过用IB600型通用试验机测试了稻草颗粒板的MOR和MOE等力学性能。测出此板的MOR值介于4.79～18.02 N/mm2之间，MOE的值介于542～296 N/mm2之间，IB值介于0.02～0.30 N/mm2之间。其颗粒粒径越小、压制次数越多，力学性能越好。其中，虽然有的板的MOE和MOR值超过了P4级板的承重标准，但是IB值不符合最低要求的0.35 N/mm2，其中由粒径1 mm颗粒热压制成的无胶粘剂稻草板的IB较低，范围为0.01～0.17 N/mm2。当该板被用于一般用途时应避免使用粒径为1 mm的颗粒，而应该使用颗粒粒径更小的稻草颗粒，且增加热压次数[21]。

1.3 秸秆板的剪切性能测试研究

1990年，Andy W.C.Lee对中密度纤维版、硬质纤维板、碎料板等7种人造板进行了在中湿或高湿条件下剪切强度的对比试验。全程保持高湿或中湿的条件，选用沿边剪切试验法，即在试件的每一边钻四个孔，固定在测试设备上，用带V型槽的上下固定接头施加荷载，最后进行计算；再用层向剪切试验，即在两块加载钢板之间加热胶合试件，再使其固化，之后增加V型槽的距离对其施加荷载，计算最大层向剪切强度。最后得到结论为在中湿或高湿条件下，硬质纤维板具有最大的沿边剪切强度，中密度纤维板的层向剪切强度最大，中密度纤维板和定向碎料板的剪切强度等于或大于胶合板[22]。2005年，熊立奇利用分离刚度法，对杨木-秸杆层合板的横向剪切模量进行了研究。主要结论表明：得到杨木-秸杆层合板的剪切模量；分析了杨木-秸杆层合板作为梁构建具有严重的横向剪切效应，其附加弯曲变形甚至超过弯矩产生的变形；随跨高比的增大，且剪切附加效应影响逐渐减小，30倍以上可以忽略其影响[12]。2011年，谢启芳等将定向秸秆板用于木结构建筑中，作为剪力墙，并通过对墙体模块组成的剪力墙试件施加荷载测试剪力墙的受剪性能、抗震性能，得到结论为：秸秆板组成的剪力墙具有良好的变形能力，竖向荷载对剪力墙的抗剪强度影响较小。因此，秸秆板作剪力墙具有良好的抗剪强度，在实际应用中有较大的应用价值[23]。

2 存在的问题及主要措施

综上所述，多年来国内外在秸秆板力学性能上进行了多方面、多维度的研究，取得了较多的研究成果，但也存在一定的问题，主要表现在：

(1)国内外对秸秆板力学性能的研究成果的多样性和应用性较少，一定程度上限制了产品发展。其主要表现为：大多选用三点弯曲法等静态法测试，测试方法较为单一[24]，且静力弯曲等试验具有破坏性，用以试验的样品大多只能使用一次，很大程度上浪费了资源。(2)已有资料表明，采用静态弯曲法测定秸秆板MOE时，大多会将试件加工为尺寸规模更小的样品进行试验。在这种情况下，无法正确确定载荷-挠度曲线上比例极限内P/Y值。且在现有几种产品标准中，没有完全一致的标准，将可能对最终的试验结果引起误解[25]。(3)目前对秸秆板的研究大多基于刨花板或纤维板的基础上进行测试，而没有很好地考虑原料间的差别将会对测试结果具有显著影响。(4)对秸秆板的剪切模量和泊松比性能测试研究鲜见；缺乏概率分析等方法的应用，等等。鉴于此，笔者认为今后做好秸秆板力学性能工作应采取的主要措施为：首先，利用基于动力学原理的无损检测方法开展秸秆板的力学性能测试与分析工作。如采用自由板扭转振形法测量秸秆板的剪切模量[26]、悬臂板扭转模态法测量秸秆板的剪切模量[27]、动态电测法测定秸秆板的泊松比[28]、应力波法测量秸秆板弹性模量[28]。用这些无损检测的方法，既能得到多维度、多方面的研究成果，了解秸秆板的各项力学性能是否满足实际应用中的要求，又能节约试材，以达到确保产品质量，节约成本等要求；其次，以一般秸秆板为试件，测试其各项力学性能。做好胶粘剂、板厚和秸秆密度等因素影响秸秆半力学性能的研究工作；再次，增加对秸秆板剪切性能，泊松比等刚性技术指标的研究，扩大秸秆半产品的应用面；最后，应与时俱进，完善或制定秸秆板力学性能的相关标准，特别是高度重视专业人员的培养等。

3 研究展望

当前，国内外秸秆建筑材料的种类、加工工艺发展处于不断推进的态势；秸秆生产的建筑材料具有较好的性能和广阔的市场前景。大力发展秸秆建材，解决了秸秆综合利用问题，防止了秸秆燃烧造成的雾霾危害，具有显著的经济、社会和环境效益。实践证明，，秸秆板的力学性能完全可以与木质人造板相媲美；且通过固化机理的改变、材料预处理、与其他材料的复合处理，完全能改善其性能并进一步发挥其在建筑、家具、包装等方面的作用。同时，由于秸秆的种类繁多，当选材不再只限于麦秸时，形形色色的秸秆板则应运而生，必将进一步促进我国农业废弃物的循环应用，带动其农副产业经济发展。总之，秸秆板早已不再是人们印象中的低端产品，而是面向未来的绿色产业。显然，我们必须客观地认识到秸秆板的环保、隔热性等优势，也要客观承认在成本和力学性能上与传统木质人造板仍存在一定的差距。但这一差距是可通过着力做好秸秆板力学参数的检测研究工作来弥补和赶超的，并将促进中国的秸秆板工业的高效、持续发展[30-31]。