阿拉塔，郭 迅，羅若帆，付 昊

(1.中國地震局地球物理研究所, 北京 100081；2.云南省地震局, 昆明 650224；3.防災(zāi)科技學(xué)院土木工程學(xué)院, 三河 065201；4.嘉應(yīng)學(xué)院土木工程學(xué)院, 梅州 514015)

目前住宅建筑的墻體材料為黏土磚、灰砂磚、頁巖磚及混凝土砌塊等，尤其廣大農(nóng)村民居住宅的墻體使用普通黏土磚為主；黏土磚的制作生產(chǎn)將開挖地表土層，有時(shí)甚至要開挖適合耕種的良田，從而造成土壤破壞，水土流失。21世紀(jì)開始，中國160個(gè)城市實(shí)施了限時(shí)淘汰使用黏土磚的法令，尋求一種既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)的填充材料替代黏土磚已成為迫切需求[1]。地震是一種嚴(yán)重的自然災(zāi)害。中國處于歐亞板塊和環(huán)太平洋板塊雙重作用下，地震分布廣，地震災(zāi)害十分嚴(yán)重，具體表現(xiàn)為小震致災(zāi)、中震大災(zāi)、大震巨災(zāi)，而房屋倒塌是地震造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失的主要原因之一[2]。在歷次地震中調(diào)查發(fā)現(xiàn)，填充墻的不合理布置改變建筑結(jié)構(gòu)抗震性能，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損甚至倒塌[3-6]；通過大量試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[7-8]，由于縱橫填充墻的存在，改變了內(nèi)力傳遞途徑，在個(gè)別構(gòu)件形成“內(nèi)力凝聚”；另外，梁上填充墻對(duì)梁的豎向變形有很強(qiáng)的約束作用，導(dǎo)致“弱梁不弱”，故“強(qiáng)柱弱梁”破壞模式實(shí)現(xiàn)不了。研發(fā)一種“低彈模、高延性”新型材料作為填充墻塊材，在地震作用下，房屋結(jié)構(gòu)的梁柱變形不因填充墻的約束作用而限制，結(jié)構(gòu)內(nèi)力不會(huì)重新分配，使結(jié)構(gòu)在地震作用下力學(xué)行為與抗震設(shè)計(jì)理念吻合，確保結(jié)構(gòu)在超越設(shè)防烈度地震動(dòng)下不倒塌。利用農(nóng)作物的秸稈制作成草磚作為填充墻的塊材將是理想的用書面語，因此，有必要針對(duì)植物纖維秸稈草磚進(jìn)行深入的研究工作。

中國是農(nóng)業(yè)大國，有體量非常大的農(nóng)業(yè)廢棄物，如農(nóng)作物秸稈[9]。廣袤的農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)民將秋收后遺留在田間的秸稈少部分用作家畜的輔料，其余大部分就地焚燒掉，不僅污染環(huán)境，同時(shí)也制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展[10-11]。將農(nóng)村地區(qū)剩余下的秸稈按一定的加工工藝制作成草磚并建成適合居住的建筑物，不僅提高了經(jīng)濟(jì)效益，還因草磚建筑綠色特性改善了環(huán)境質(zhì)量。聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署建議在低碳和節(jié)能基礎(chǔ)上購買建筑材料，作為減少建筑行業(yè)環(huán)境影響的一種方式。世界綠色建筑委員會(huì)2018—2019年度報(bào)告中提到：從2020年開始，利用十年的時(shí)間將新建建筑物的含碳量至少應(yīng)減少40%，到21世紀(jì)中葉將建筑物的碳含量降到零[12]。

1 中外秸稈墻體材料現(xiàn)狀

外國使用植物纖維材料制作成墻體材料使用在建筑行業(yè)歷史悠久，在歐美，利用農(nóng)作物秸稈制作成草磚建造居住房屋已有超過150年的歷史。早在19世紀(jì)末，外國就有了采用秸稈制作人造板的技術(shù)；膠黏劑的出現(xiàn)使秸稈作為原料制作板材得到了發(fā)展，德國曾將麥秸稈與膠黏劑混合進(jìn)行過板材的研發(fā)[13]；美國南部路易安納州在20世紀(jì)20年代利用秸稈開辦了蔗渣制板廠[14]；1930年，瑞典將稻草通過加熱加壓工藝生產(chǎn)建筑需要的材料[1]；著名的英國Compark設(shè)備公司1940年利用麥、稻等農(nóng)作物的秸稈制作出紙面草板，通過進(jìn)一步工藝改進(jìn)生產(chǎn)出性能高于木質(zhì)刨花板的Compak板[15]。20世紀(jì)60年代，由于科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得各種建筑材料層出不窮，利用草磚建造房屋的技術(shù)漸漸不再受重視。隨著社會(huì)的進(jìn)步，節(jié)能、環(huán)保、綠色的理念越來越被世人所接納，草磚建筑又被重視起來。1970年，聯(lián)合國工業(yè)發(fā)展組織在維也納召開了“利用農(nóng)副產(chǎn)品下腳料制造板材”的專題會(huì)議[1]。此后，三十多個(gè)國家和地區(qū)都為發(fā)展非木質(zhì)板材投入了大量的人員、設(shè)備和資金，并頒布了相關(guān)政策。根據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織和歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)的統(tǒng)計(jì)，1984年歐洲地區(qū)的非木質(zhì)刨花板廠已有21家。1993年4月，印度為了鼓勵(lì)非木質(zhì)板材的發(fā)展，頒布并實(shí)施了一項(xiàng)嚴(yán)禁將實(shí)木用于建筑的法律[16]。目前，全球以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料生產(chǎn)板材的廠家中北美地區(qū)的廠家超過50%；據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國的秸稈板材產(chǎn)量1.6×107～2.0×107t[17]。根據(jù)美國混凝土協(xié)會(huì)的報(bào)告，全球近40個(gè)國家和地區(qū)將非木質(zhì)植物纖維增強(qiáng)水泥基材料應(yīng)用到建筑中[15]。近二十年來，外國利用麥稈和稻草秸研制人造板最多，隨著材料科學(xué)的發(fā)展及新技術(shù)的出現(xiàn)，尤其是環(huán)境友好型膠黏劑的出現(xiàn)，綠色草磚建筑使居住品質(zhì)大大的提升，環(huán)保問題也得到了解決。

中國很早就有將麥秸稈切割添加在稀泥中制作成草泥抹在墻體上，改善了墻體的物理力學(xué)性能，很好地適應(yīng)了當(dāng)時(shí)社會(huì)的使用需求。20世紀(jì)30年代，江浙一帶有些小廠利用蔗渣和稻秸制造了碎料板；上海木材工業(yè)研究所、江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)院等單位進(jìn)行了試制稻草板相關(guān)的研究工作。

中國早期利用蔗渣生產(chǎn)大多是軟質(zhì)、強(qiáng)度低的纖維板材，用于保溫隔音；隨著制造技術(shù)的發(fā)展，硬質(zhì)纖維板性能得到很大提高，在長(zhǎng)江流域等省份多有建廠生產(chǎn)。1987年，中國成立了第一家集非木質(zhì)人造板研發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)為一體的組織——中聯(lián)非木質(zhì)人造板工業(yè)技術(shù)開發(fā)集團(tuán)，由東北林業(yè)大學(xué)、林業(yè)部林產(chǎn)工業(yè)設(shè)計(jì)院、上海木材工業(yè)研究所、哈爾濱林業(yè)機(jī)械廠、中國新型建材公司5家單位聯(lián)合組成。

受中聯(lián)非木質(zhì)人造板工業(yè)技術(shù)開發(fā)集團(tuán)成立的帶動(dòng)作用，中國許多科研院所在人造板材方面進(jìn)行了深入的研究，如利用亞麻木屑、玉米稈、稻殼、蔗渣為原料生產(chǎn)多種人造板的研究工作。同時(shí)期進(jìn)行了以秸稈為原料，聚異氰酸酯為膠黏劑研發(fā)人造板，在陜西、江蘇、湖北、四川、山東、河北及上海等省市與國內(nèi)科研院所及外國的公司合作，推動(dòng)了秸稈產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[18-19]。

2 中外秸稈草磚的現(xiàn)狀

美國中西部?jī)?nèi)布拉斯加州的一些移民于19世紀(jì)末用秸稈制成草磚搭建房屋，發(fā)現(xiàn)由草磚建成的房屋冬暖夏涼，很適合居?。蛔畛醯牟荽u由蒸汽動(dòng)力打包機(jī)打包而成，使用金屬絲將秸稈緊緊捆扎而成，體積龐大，質(zhì)量為30～50 kg[20]。起初草磚房是一些生產(chǎn)性用房，后經(jīng)制造工藝的改進(jìn)將草磚應(yīng)用到一些永久建筑的墻體材料中。在美國的50個(gè)州中，有49個(gè)州有草磚建筑; 僅在加利福尼亞就有600多棟草磚建筑，包括地震風(fēng)險(xiǎn)高的地區(qū)[21]。1991年，為了推動(dòng)及規(guī)范草磚建筑的建造，新墨西哥州成立了草磚房建設(shè)者協(xié)會(huì)，并頒布了《新墨西哥州草磚建筑指南》；兩年后，美國TheLastStraw雜志的創(chuàng)辦進(jìn)一步推動(dòng)了草磚建筑的發(fā)展[22]。目前，草磚建筑在美國、加拿大、澳大利亞、法國、英國、新西蘭、墨西哥等國家深受歡迎。其中，美國和加拿大先后開展了草磚針對(duì)不同氣候、建筑技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益等領(lǐng)域的研究工作，且已出臺(tái)了相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[23]。

中國秸稈草磚研究雖起步較晚，20世紀(jì)初與外國研究單位和協(xié)會(huì)組織積極地展開合作，將草磚技術(shù)引入中國。1999年，中國21世紀(jì)議程管理中心與安澤國際救援協(xié)會(huì)在中國的北方地區(qū)開展了節(jié)能草磚建筑示范工程，并取得了較好的示范效果[24-26]。雖暫無關(guān)于草磚的相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，但中國的科研人員們進(jìn)行了有意義的探索工作，研究工作主要集中在草磚的制作技術(shù)、物理性能、力學(xué)性能及建造工藝等方面。唐迪等[27]對(duì)草磚制作技術(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，采用不同濃度的化學(xué)溶液對(duì)稻草進(jìn)行浸泡，待其軟化后進(jìn)行壓縮成型；王曉峰等[28]對(duì)質(zhì)量比為1∶13的秸稈黏土磚和質(zhì)量比為1∶20秸稈混凝土磚進(jìn)行導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定，得出秸稈磚的含水率對(duì)其保溫性能有直接的影響；楊青松等[29]對(duì)玉米秸稈草磚住房的保溫性能進(jìn)行了研究，并與傳統(tǒng)建筑就熱物理性、保溫性等方面進(jìn)行了探索；姜偉等[30]針對(duì)普通稻草磚的防腐能力進(jìn)行了研究，并給出0.5%的銅鹽溶液對(duì)草磚抗腐有提高作用；付彬彬[31]通過對(duì)非承重秸稈草磚墻體耐火試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)小尺寸高密度草磚有很好的耐火性。

3 秸稈草磚性能研究

3.1 力學(xué)性能研究

秸稈草磚是將秸稈按一定順序擺放用金屬絲捆綁，再經(jīng)壓力機(jī)壓縮成型，其力學(xué)性能存在一定的離散型。不同類型農(nóng)作物的秸稈桿莖大小不同、軟硬不一樣，使得制作的草磚剛度、強(qiáng)度也不一樣，為此研究人員開展了相關(guān)研究工作。

劉坤等[32]采用水稻秸稈制作成草磚，對(duì)不同密度下草磚的承載能力進(jìn)行了試驗(yàn)，制作了5組(每組3個(gè))初始密度為120、140、160、180、200 kg/m3的草磚。采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)以30 mm/min位移速率對(duì)草磚試件進(jìn)行加載，獲得壓縮曲線(圖1)，草磚在壓縮過程經(jīng)歷了松散、過渡和密實(shí)3個(gè)階段；在初始階段，草磚在較小的壓力下會(huì)有很大的變形，該階段變形以克服回彈和秸稈間孔隙為主；在密實(shí)階段，草磚的變形以克服秸稈間和秸稈本身內(nèi)部孔隙為主，此時(shí)，壓力增加較大，變形卻較小。目前中外針對(duì)秸稈草磚的力學(xué)性能基本都在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)理論分析；隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，應(yīng)用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬就某個(gè)特定問題進(jìn)行建模、數(shù)值分析已越來越成熟。課題組為得到草磚的壓縮數(shù)學(xué)模型，采用麥夸特優(yōu)化算法將試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)輸入所期望的模型，簡(jiǎn)化物料實(shí)驗(yàn)系數(shù)，最后獲得壓縮模型表達(dá)式為

圖1 不同密度草磚的壓縮曲線[32]

(1)

式(1)中：P為壓縮力，MPa；γo為草磚失效密度，kg/m3；s為活塞位移，mm；L為草磚高度，mm。

草磚密度對(duì)其承載力有直接影響，根據(jù)美國加州建筑法案的相關(guān)規(guī)定，草磚在被壓縮狀態(tài)下其密度為初始密度1/2定義為失效密度。采用統(tǒng)計(jì)回歸分析法研究在不同密度下草磚的失效密度與最大承載力的關(guān)系，通過試驗(yàn)草磚在壓縮狀態(tài)下，當(dāng)密度大于230 kg/m3時(shí)，給出了二者的回歸公式為

Y=-0.714 99+0.003 332X

(2)

式(2)中：Y為最大承載力，kN；X為草磚失效密度，kg/m3。

晉強(qiáng)等[33]使用棉花秸稈制作了3組共18塊尺寸為200 mm×200 mm×300 mm(寬×高×長(zhǎng))的草磚，分別采用平壓(受壓面為長(zhǎng)寬面)、側(cè)壓(受壓面為長(zhǎng)高面)、豎壓(受壓面為高寬面)3種加載方式研究了草磚的力學(xué)性能；劉健等[34]也利用棉花秸稈制作尺寸為600 mm×250 mm×300 mm(長(zhǎng)×寬×高)的磚進(jìn)行承載力及性能研究。將棉花秸稈修剪清潔滿足試驗(yàn)要求后按一定方式擺放利用壓力機(jī)壓制好，采用鐵絲進(jìn)行綁扎，制成要求的尺寸草磚[35]。壓縮試驗(yàn)是在萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，棉花秸稈桿徑粗又硬，且多分枝，在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，將棉花秸稈以不同方式或順序擺放制作成秸稈磚所測(cè)得的力學(xué)性能、壓縮率差異較大；在側(cè)壓試驗(yàn)中，由于側(cè)壓面在制作草磚過程中不承受壓力，所以其承載力較低，壓縮率較大；在豎壓試驗(yàn)中，通過一定順序排列的秸稈用鋼絲困扎，在豎向加載下，使得草磚處于三向受力狀態(tài)，且豎向位移和橫向變形都受到約束，所以承載力最大，壓縮率最小。因此認(rèn)為，根據(jù)棉花秸稈草磚的擺放方式不同可以將草磚作為承重或非承重材料使用。

孫園淞等[36]利用水稻秸稈制作尺寸為500 mm×400 mm×380 mm(長(zhǎng)×寬×高)草磚對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了研究，與文獻(xiàn)[37]試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比研究表明水稻草磚的承載能力、彈性模量與秸稈草磚的密度、擺放方式、加載面面積、壓縮邊尺寸等有關(guān)。采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)草磚以0.2 mm/s的位移速率進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，從草磚的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析可知，這與文獻(xiàn)[29-31]研究結(jié)論相同，草磚壓縮過程經(jīng)歷了松散、過渡和密實(shí)3個(gè)階段。在研究草磚彈性模量與極限強(qiáng)度關(guān)系時(shí)，取應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線初始切線斜率為彈性模量，相應(yīng)地去峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)力定義為極限抗壓強(qiáng)度；在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水稻秸稈草磚的承載面積相同時(shí)，彈性模量、承載力與其密度大小成正比；進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)彈性模量、極限強(qiáng)度與草磚的承載面積有關(guān)，面積越大對(duì)應(yīng)的彈性模量和極限抗壓強(qiáng)度也越大。并建議為了保證草磚的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，制作時(shí)其密度大于200 kg/m3。進(jìn)一步將試驗(yàn)得到的彈性模量和極限抗壓強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行數(shù)值擬合給出了與草磚的初始密度、承載面積、試驗(yàn)中草轉(zhuǎn)擺放方式的關(guān)系式為

fu=α1ρ2+α2ρ+α3

(3)

E=β1ρ2+β2ρ+β3

(4)

式中：fu、E、ρ分別為草轉(zhuǎn)的極限抗壓強(qiáng)度、彈性模量、加載前草轉(zhuǎn)的密度；α1、α2、α3、β1、β2、β3均為水稻秸稈草磚的形狀系數(shù)、與水稻秸稈草磚的放置方式、加載面面積壓縮邊尺寸有關(guān)。

綜合上述研究成果可知，在制作草磚的過程中，植物秸稈的擺放方式、試件尺寸大小、密實(shí)程度直接關(guān)系其力學(xué)特性。草磚有一定的抗壓承載力，但與目前使用的混凝土砌塊、普通燒結(jié)磚相比墻體材料的強(qiáng)度還是相差較大。

3.2 耐火隔熱性能研究

草磚是由小麥、水稻、玉米、棉花等農(nóng)作物在收獲籽實(shí)后的剩下的秸稈制作而成，其本身在農(nóng)村用作燃料，因此草磚房的耐火性能容易受到人們的質(zhì)疑；草磚房的耐火性能也關(guān)系到草磚建筑的推廣使用。

在歐美國家，秸稈草磚通常用作墻體的主要承重結(jié)構(gòu)或承重墻體的填充保溫材料，其防火要求將根據(jù)相應(yīng)法規(guī)的防火等級(jí)和危險(xiǎn)等級(jí)而定[38]。作為參考，一般耐火試驗(yàn)要求可參見FireResistanceTests-ElementsofBuildingConstructionPart1:GeneralRequirements(ISO 834-1: 1999)、FireResistanceTests-Part1:GeneralRequirements(EN 1636-1:2020)、StandardTestMethodsforFireTestsofBuildingConstructionandMaterials(ASTME119—2019)，雖然承重墻的具體防火試驗(yàn)要求可參考FireResistanceTest-ElementsofBuildingConstruction-Part4:SpecificRequirementsforLoadbearingVerticalSeparatingElements(ISO 834-4:2000)、FireResistanceTestforLoadbearingElements-Part1:Walls(BS EN 1365-1:2012)，F(xiàn)ireResistanceTests-ElementsofBuildingConstruction-Part8:SpecificRequirementsforNon-loadbearingVerticalSeparatingElements(ISO 834-8:2002)、FireresistanceTestforNon-loadbearingElements-Part1:Walls(BS EN 1364-1:2015)可用于非承重墻。大部分的耐火試驗(yàn)都是在抹灰秸稈草磚墻體上進(jìn)行的。Wall[39]根據(jù)FireResistanceTestforNonloadbearingElements—Part1:Walls(BS EN 1364-1:2015)耐火試驗(yàn)要求，對(duì)用石灰抹面的稻草磚墻進(jìn)行了耐火試驗(yàn)，約90 min石灰灰泥從墻面上落下，測(cè)試?yán)^續(xù)了45 min，直到暴露的稻草磚表面被燒焦變黑。試驗(yàn)中稻草磚墻的防火等級(jí)為135 min，超過了FireResistanceTestforNonloadbearingElements-Part1:Walls(BS EN 1364-1:2015)規(guī)定的30 min要求。

新墨西哥州是美國最早頒布關(guān)于草磚建筑規(guī)范的州，該州于1993年按美國的建筑構(gòu)造及材料的耐火性能試驗(yàn)方法對(duì)草磚墻進(jìn)行了耐火試驗(yàn)；試驗(yàn)草磚墻按是否對(duì)墻體進(jìn)行抹灰分為兩類，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，沒有抹灰的草磚墻的耐火時(shí)間為30 min；而有抹灰的草磚墻的耐火時(shí)間為2 h，且當(dāng)向火面的墻溫度達(dá)到1 000 ℃時(shí)，其被火面墻溫度僅升高1 ℃[40]。

中國學(xué)者對(duì)秸稈草轉(zhuǎn)的耐火隔熱方面研究較少，主要對(duì)承載力、節(jié)能保暖、防水防腐等方面。導(dǎo)熱系數(shù)的大小直接影響建筑材料的隔熱性能，數(shù)值越小則隔熱效果越明顯。一般來說，秸稈草磚的導(dǎo)熱系數(shù)隨草磚的密度的線性變化，采用保護(hù)熱板法進(jìn)行測(cè)試得出草磚密度在60～130 kg/m3范圍時(shí)，其相關(guān)性較強(qiáng)[41]；常用的耐火隔熱材料如礦物棉、聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene，EPS)、擠塑聚苯乙烯泡沫塑料(extruded polystyrene，XPS)等的導(dǎo)熱系數(shù)大概為0.035～0.040 W/(m·K)，而秸稈草磚的導(dǎo)熱系數(shù)為0.053～0.065 W/(m·K)，說明其隔熱性能優(yōu)良[42]?！督ㄖ?gòu)件耐火試驗(yàn)方法 第8部分：非承重垂直分割構(gòu)件的特殊要求》(GB/T 9978.8—2008)[43]中規(guī)定進(jìn)行耐火試驗(yàn)的墻體建議尺寸為3 000 mm×3 000 mm(寬×高)。王禮等[44]采用草磚砌尺寸為3 000 mm×3 000 mm×400 mm(寬×高×厚)墻體，采用與草磚相同的秸稈制成草泥以10 mm厚度將墻面找平，最后用10 mm混合砂漿抹面，將墻體周邊用紅磚砌筑放在大型垂直試驗(yàn)爐，用明火加熱進(jìn)行了181 min耐火性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后觀察草磚墻體的背火面較試驗(yàn)前無大的變化，只是有少量細(xì)微裂縫；其向火面墻體的混合砂漿面被完全燒脫落掉，并露出炭化的草磚，炭化深度約100 mm。試驗(yàn)至181 min時(shí)，草磚墻體的背火面平均溫度只升了16.8 ℃，測(cè)點(diǎn)最高溫度只有35.4 ℃，遠(yuǎn)低于耐火極限判定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度，其耐火極限不低于3.0 h；筆者認(rèn)為，壓制密實(shí)的草磚由于內(nèi)沒有縫隙，使得助燃的空間極??；其次燃燒形成的炭化層進(jìn)步阻止了火焰向墻體內(nèi)部蔓延。

付彬彬等[45]采用棉花秸稈制作尺寸為200 mm×200 mm×400 mm的草磚，選用三個(gè)草磚用鋼絲進(jìn)行綁扎兩側(cè)用鋼絲網(wǎng)固定，再用25 mm厚的砂漿對(duì)墻體進(jìn)行抹面，最終墻體尺寸為250 mm×450 mm×625 mm。選擇墻體任一面為受火面，對(duì)應(yīng)的一面為背火面。為了較合理地測(cè)出背火面的溫度在背火面選擇溫度測(cè)控點(diǎn)如圖2所示[45]。

1～9為溫度測(cè)控點(diǎn)

采用火焰溫度可達(dá)到1 000 ℃的烤漆汽油噴燈對(duì)墻體的中心點(diǎn)進(jìn)行明火加熱，每隔10 min用紅外線溫度儀對(duì)背火面各溫度測(cè)控點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量。整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行了70 min，且墻體背火面試驗(yàn)前后沒有面明顯的變化。

從圖3可知，在火焰溫度1 000 ℃明火烘烤下，30 min后背火面墻體平均溫升只有1.45 ℃；在70 min試驗(yàn)中背火面溫升最大值也只有2.77 ℃。根據(jù)《建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)方法》(GB/T 9978—2008)[46]可知，墻體背火面的溫升情況遠(yuǎn)低于耐火極限的判定標(biāo)準(zhǔn)；根據(jù)《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50016—2006)[47]相關(guān)規(guī)定，可以判定由棉花秸稈草轉(zhuǎn)砌筑的非承重墻體的耐火等級(jí)為二級(jí)。

圖3 墻體背火面溫升曲線[45]

綜合上述研究成果可知，秸稈雖然屬于易燃物，通過特殊工藝制造的草磚卻有著較小的導(dǎo)熱系數(shù)；對(duì)草磚墻體外掛鋼絲網(wǎng)再用水泥砂漿進(jìn)行抹面后，具有良好的耐火隔熱性能。秸稈草磚的密實(shí)度直接關(guān)系到草磚建筑的耐火隔熱性能，草磚建筑在施工過程質(zhì)量也直接相關(guān)。

3.3 節(jié)能保暖性能研究

黏土磚一直以來是中國房屋建筑中墻體材料使用的主要材料，其生產(chǎn)過程中耗費(fèi)大量的煤炭，破壞了大量的土地，進(jìn)而引發(fā)環(huán)境污染，這與目前提倡的綠色、環(huán)保、節(jié)能的政策要求背道而行；而草磚建筑以其節(jié)能環(huán)保、居住舒適而越來越受到人們的關(guān)注，特別適合采暖期長(zhǎng)達(dá)半年之久的寒冷地區(qū)，科研人員們針對(duì)草磚建筑的節(jié)能保溫性能進(jìn)行了有意義的探索。

20世紀(jì)90年代，歐美學(xué)者就草磚的節(jié)能性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，提出了4種試驗(yàn)方法:分別以單個(gè)草磚、草磚墻體、一定面積的草磚建筑作為研究對(duì)進(jìn)行熱工性能和能耗研究測(cè)試，再利用材料的物理性能進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算分析[48]。墻體里秸稈草磚的厚度將是直接影響草磚建筑的節(jié)能保暖的主要因素，還要考慮墻體抹灰抹面工程、氣密性及熱橋等因素。文獻(xiàn)[49-50]在稻草樣板房上進(jìn)行了氣密性試驗(yàn)，結(jié)果表明通過增加墻體厚度，提高門窗的氣密性等措施后草磚建筑的節(jié)能保溫性能改善效果要優(yōu)于傳統(tǒng)建筑的。1998年，美國鐵嶺實(shí)驗(yàn)室測(cè)得兩線草磚墻體的熱阻值為4.84 m2·K/W，美國加州能源委會(huì)根據(jù)實(shí)際情況取草磚墻體的熱阻值為9.04 m2·K/W分析計(jì)算了加州5個(gè)區(qū)域草磚建筑的節(jié)能率和年能耗情況[51]。

中國針對(duì)秸稈草磚墻體的研究工作還處于起步階段，相關(guān)的節(jié)能、熱工性能研究主要偏于試驗(yàn)測(cè)試分析，結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境的測(cè)試研究尚鮮見報(bào)道。

王婧等[52]以遼寧省本溪市村鎮(zhèn)生態(tài)建筑的試點(diǎn)工程中建筑面積為99.62 m2的一層草磚民宅為研究對(duì)象，使用能耗分析軟件模擬計(jì)算了全年采暖能耗；研究表明，草磚房比普通磚房節(jié)省能耗在60%以上，如果按標(biāo)煤折算每年可以節(jié)約2 t以上的標(biāo)煤；進(jìn)一步研究了不同地區(qū)草磚房的節(jié)能性問題，模擬計(jì)算了北京、本溪、哈爾濱不同城市的草磚房的采暖耗能，發(fā)現(xiàn)三地區(qū)的草磚房的采暖耗能率均高于62%；室外溫度越高，其節(jié)能率越高，這進(jìn)一步說明草磚房在中國北方地區(qū)是適用的。

馬明等[53]依據(jù)穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的熱箱法對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)實(shí)際工程中的500 mm厚稻草磚填充墻體、390 mm厚稻草磚填充墻體和390 mm厚混凝土空心磚墻體3種墻體的進(jìn)行了熱工性能研究。為了研究墻體的傳熱性能和熱阻值測(cè)定，將草磚墻體尺寸設(shè)計(jì)為1 750 mm×1 750 mm×500 mm、1 750 mm×1 750 mm×390 mm，混凝土空心磚墻體尺寸設(shè)計(jì)為1 750 mm×1 750 mm×390 mm。為防止出現(xiàn)熱傳導(dǎo)不穩(wěn)定，將試件框和墻體試件用發(fā)泡膠進(jìn)行密封，按照《絕熱穩(wěn)態(tài)傳熱性質(zhì)的測(cè)定標(biāo)定和防護(hù)熱箱法》(GB/T 13475—2008)[54]規(guī)定的方法進(jìn)行試驗(yàn)；采用智能化導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試儀對(duì)墻體試件進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1[53]所示。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，墻體試件厚度相同情況下，草磚墻體的熱工性能優(yōu)于空心砌塊墻；稻草磚墻體厚度大的熱工性能優(yōu)與厚度小的相同材質(zhì)墻體。

表1 實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比[53]

史陽光等[55]以棉花秸稈草磚墻體為研究對(duì)象，采用熱流計(jì)法對(duì)棉花秸稈草磚墻體進(jìn)行傳熱系數(shù)檢測(cè)，研究中將墻體分別處于30 ℃以上和0 ℃以下等不同環(huán)境中進(jìn)行墻體傳熱系數(shù)檢測(cè)。試驗(yàn)表明，棉花秸稈草磚墻體的傳熱系數(shù)能夠滿足建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，說明棉花秸稈草磚作為保溫材料在寒冷地區(qū)使用是可以的，進(jìn)一步將棉花秸稈草磚墻與實(shí)心黏土磚墻、鋼筋混凝土墻、蒸壓灰砂磚墻、混凝土雙排空心砌塊墻、粉煤灰燒結(jié)磚墻、加氣混凝土砌塊墻等不同材料墻體進(jìn)行了傳熱系數(shù)比對(duì)研究，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，墻體厚度在相同的情況，棉花秸稈草磚墻的傳熱系數(shù)最小，黏土磚墻的傳熱系數(shù)最大。

綜合上述研究可知，利用秸稈草磚建造的房屋在節(jié)能保溫方面性能優(yōu)于普通房屋，且室內(nèi)計(jì)算溫度越低效果越明顯；尤其在中國北方地區(qū)采暖季，居住在草磚建筑里的住戶煤炭使用量只有普通建筑住戶煤炭用量的1/3，這大大改善了環(huán)境污染問題。

3.4 防水防腐性能研究

利用草磚建造房屋時(shí)人們較關(guān)注所建造房屋的耐久性問題，影響耐久性最主要的因素是草磚的防水防腐問題；在23 ℃和80%濕度條件下，秸稈的含水量在10%～12%范圍內(nèi)，這與其他木材纖維材料較接近[56]。為了提高草磚的耐久性，延長(zhǎng)草磚建筑的使用年限，科研工作者們先后做了研究。

由文獻(xiàn)[30，57]可知，稻草的主要成分由纖維素、多戌糖、木素、蛋白質(zhì)和果膠組成，在光、熱、風(fēng)、雨等多重作用下使稻草腐爛，受到微生物的噬食作用將稻草組織細(xì)胞破壞；采用3種不同配比的銅鹽溶液作為防腐劑，其中銅鹽溶液A的配比為m(硅酸銅)∶m(重鉻酸鉀)∶m(硫酸銅)∶m(硬脂酸鋇)=24∶36∶30∶10。通過質(zhì)量損失率來判斷稻草磚腐朽程度，并給出耐腐性等級(jí)評(píng)價(jià)，經(jīng)腐朽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，白腐菌和褐腐菌對(duì)稻草磚的破壞非常厲害，且稻草磚的質(zhì)量損失很大，銅鹽溶液A對(duì)于白腐菌和褐腐菌防腐效果最好；為了提高草磚的使用期限，采用工業(yè)石灰或硫酸鹽對(duì)普通草磚進(jìn)行試驗(yàn)可以研制出改性復(fù)合草磚。

楊晶晶等[58]從草磚存儲(chǔ)，草磚建筑的施工過程以及相關(guān)的構(gòu)造措施中給出了防水工作應(yīng)注意的問題，例如，將草磚存放在通風(fēng)良好的地方，在底部做好防潮工作，上部要注意遮蓋；草磚建筑的構(gòu)造防水問題一定注意雨水從水平方向進(jìn)入房屋內(nèi)部，做到上述要求只能從草磚建筑的基礎(chǔ)、墻體及屋頂?shù)热胧痔幚恚晃蓓斠袘掖沟奶糸?，且伸出外墻面至?00 mm，這樣較好地保護(hù)草磚墻的頂部。窗臺(tái)板下要鋪一層覆蓋草磚的油氈，向下延申100 mm，窗臺(tái)板下要做滴水線，保護(hù)墻面不被雨水侵蝕。基礎(chǔ)頂部要比室外地面高出200 mm，且在草磚墻與基礎(chǔ)之間設(shè)一層防水層；另外在建筑四周應(yīng)設(shè)散水，做到及時(shí)排水。

武雪利[59]對(duì)稻草磚墻霉變進(jìn)行了研究，認(rèn)為草轉(zhuǎn)的含水率、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度及氧氣是影響稻草磚墻體霉變防腐的主要因素。在相同環(huán)境條件下，含水率越高，越容易發(fā)生霉變；環(huán)境濕度越高，墻體越容易發(fā)生霉變；氧氣會(huì)加速墻體腐蝕進(jìn)程；其中含水率、濕度影響要大于氧氣作用；通過對(duì)墻體采用不同配合比的砂漿進(jìn)行抹灰發(fā)現(xiàn)，對(duì)墻體的霉變也有顯著的影響；因此，采用滲透性良好的材料作為抹灰層，對(duì)草磚墻體的防腐有著至關(guān)重要的作用。

綜合上述研究成果可知，草磚的防水、防腐對(duì)草磚建筑的耐久性、使用環(huán)境舒適度，目前草磚的防水防腐工作利用化學(xué)溶液浸將其浸泡，從而使墻體底部盡量不出現(xiàn)返潮、滲水現(xiàn)象；再就是通過對(duì)普通草磚進(jìn)行改良，成為改性復(fù)合草磚，以此來控制其失效，提高使用時(shí)安全性；最后是草磚建筑建造時(shí)從基礎(chǔ)、墻體和屋蓋等細(xì)部構(gòu)造措施進(jìn)行防水工作，使雨水避免進(jìn)入建筑內(nèi)部。

3.5 抗震性能研究

2016年6月1日開始實(shí)施的第五代《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》消除了中國地震不設(shè)防的局面，抗震設(shè)防工作細(xì)化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)及街道，實(shí)現(xiàn)了全覆蓋。目前已經(jīng)有很多學(xué)者在草磚建筑的抗震性能方面進(jìn)行有意義的探索。稻草磚建筑分布于美國50個(gè)州中的49個(gè)州，僅在加利福尼亞州就有600多座稻草建筑，部分建筑位于地震風(fēng)險(xiǎn)較高的地區(qū)，包括住宅、學(xué)校、辦公樓、酒廠及多層建筑和建筑面積超過10 000 ft2(即930 m2)的建筑。

陳國新等[60]針對(duì)5種不同內(nèi)填材料砌塊的墻體依次進(jìn)行了低周往復(fù)荷載下的抗震性能試驗(yàn)，內(nèi)填充砌塊分別為植物纖維生土基砌塊、輕骨料混凝土砌塊、植物纖維水泥基砌塊、加氣混凝土砌塊和棉花秸稈砌塊。通過對(duì)比分析不同墻體的承載力、滯回曲線、延性、強(qiáng)度、剛度和耗能等性能發(fā)現(xiàn)，與其他內(nèi)填砌塊墻體相比棉花秸稈砌塊墻體的骨架曲線延長(zhǎng)線較長(zhǎng)，剛度退化曲線較平緩，滯回曲線相對(duì)飽滿；植物纖維水泥基棉花秸稈砌塊墻體的開裂位移、屈服位移、極限位移都是最大，說明其耗能最大，棉花秸稈砌塊如同一個(gè)耗能裝置，使外框的梁柱很好協(xié)調(diào)地變現(xiàn)來消耗輸入的能量；在破壞階段，其層間位移角為1/18，墻體沒有倒塌，說明有很好的抗倒塌能力。

趙龍龍等[61]制作1∶3的普通磚砌體框架結(jié)構(gòu)模型和1∶3的裝配式秸稈砌塊填充墻框架模型進(jìn)行了振動(dòng)臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加速度峰值為0.8g(g為加速度)時(shí)，磚框架底層柱頂出現(xiàn)明顯的塑性鉸，柱底出現(xiàn)裂縫，磚墻部分出現(xiàn)裂縫，而秸稈框架在相同的加速度峰值時(shí)只是兩端出現(xiàn)八字形裂縫；當(dāng)加速度峰值為1.1g時(shí)，磚框架底層出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，墻體裂縫進(jìn)一步延伸，而秸稈框架，底層兩端出現(xiàn)塑性鉸；當(dāng)加速度峰值為1.8g時(shí)，磚框架底層柱喪失承載力發(fā)生倒塌，而秸稈框架未發(fā)生倒塌。文章指出秸稈填充墻使框架結(jié)構(gòu)的梁柱等關(guān)鍵構(gòu)件在地震作用下能更好地變形協(xié)調(diào)，受力路徑清晰，結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的剛度較均勻。

孫園淞等[62]利用水稻秸稈制作草磚砌筑尺寸為1 500 mm×1200 mm×420 mm墻體來模擬窗間墻，墻面外掛鋼絲網(wǎng)，并用水泥砂漿抹面，進(jìn)行了水平低周往復(fù)試驗(yàn)。墻體的滯回曲線較飽滿，隨著加載位移加大，加載曲線斜率逐漸變小，表明試件有很強(qiáng)的耗能能力，且強(qiáng)度和剛度退化較??；計(jì)算墻體試件正反向加載時(shí)的位移延性系數(shù)均4.7，說明具有很好的延性性能。

馮勇等[63]研究了棉花秸稈草轉(zhuǎn)填充墻框架結(jié)構(gòu)在低周往復(fù)荷載下的抗震性能，試驗(yàn)中制作了兩個(gè)相同的1榀試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，其?榀框架墻體中以棉花秸稈為填充材料，另1榀為純混凝土框架。在低周往復(fù)荷載下兩個(gè)試驗(yàn)?zāi)Ｐ投冀?jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段和破壞階段；在每級(jí)加載下，草磚填充墻框架的破壞程度整體要略輕易純框架，但是在破壞階段中草磚填充墻框架的外框柱中部有明顯的裂縫，而純框無裂縫。在滯回曲線對(duì)比發(fā)現(xiàn)，草磚填充墻框架的滯回曲線有較明顯的捏攏現(xiàn)象，說明墻體在荷載作用下草磚之間、草磚內(nèi)部秸稈之間產(chǎn)生了滑移，進(jìn)而吸收了能量；與傳統(tǒng)填充墻體相比，延緩了內(nèi)部填充材料的塑型破壞。在比較兩個(gè)模型的骨架曲線發(fā)現(xiàn)，草磚框架的開裂前剛度和承載力較純框架都大，即使在后期加載下承載力都高于純框架，說明草磚填充墻沒有退出工作，提高了框架的承載力。參考文獻(xiàn)[63]的方法，定義了特征荷載、特征位移及位移延性系數(shù)，盡管試驗(yàn)中草磚填充墻與外框出現(xiàn)黏結(jié)破壞，但是其位移延性系數(shù)大于純框架的相應(yīng)值，說明草磚填充墻增強(qiáng)了框架的延性。

綜合上述研究成果可知，由于秸稈草磚的易于變形性能，使結(jié)構(gòu)的梁柱協(xié)調(diào)變形能力增強(qiáng)，體系的剛度分布較均，提高了研究對(duì)象的抗震性能；內(nèi)填砌塊的填充墻目前研究工作較少，難以系統(tǒng)地評(píng)價(jià)不同植物纖維砌塊對(duì)結(jié)構(gòu)體系抗震性能的影響。

4 結(jié)論

采用農(nóng)作物秸稈制作成草磚作為建筑材料應(yīng)用到建筑行業(yè)其優(yōu)勢(shì)明顯，如具有耐火隔熱性能、抗震性能、節(jié)能保溫性能、較大的抗壓承載力、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益等特性。從前人對(duì)秸稈草磚的研究表明，與其他傳統(tǒng)的建筑材料相比，秸稈草磚研究還不夠全面系統(tǒng)。通過總結(jié)分析當(dāng)前的研究現(xiàn)狀，得出如下結(jié)論。

(1)秸稈草磚的原材料品種繁多，如棉花秸稈、水稻秸稈、小麥秸稈、玉米秸稈和其他秸稈等。首先，每種秸稈的強(qiáng)度、剛度不同，由其制成草磚力學(xué)性能也會(huì)大不相同；再者利用不同種類秸稈制作草磚的工藝也不同，即使使用同種秸稈，采用不同的制作方法或產(chǎn)品大小不同，成型的草磚性能也有可能會(huì)有較大的差異。因此，需要在原材料、產(chǎn)品尺寸、加工方法、生產(chǎn)工藝等方面有配套的技術(shù)規(guī)程以此來保證草磚性能。

(2)目前防腐防水都是針對(duì)草磚進(jìn)行的，關(guān)于草磚建筑從防腐防水入手進(jìn)行耐久性研究還未開展；還需針對(duì)不同種類的秸稈進(jìn)行防腐防水性能研究，進(jìn)而明確草磚建筑的耐久性措施，提出相應(yīng)的技術(shù)文件。

(3)不同地區(qū)由于環(huán)境、氣候、溫度等不同，建造房屋的技術(shù)有其區(qū)域性差別；目前關(guān)于草磚建筑的設(shè)計(jì)方法、力學(xué)計(jì)算模型、計(jì)算方法、施工工藝及相關(guān)的構(gòu)造措施研究還不夠成熟；今后需要對(duì)上述問題進(jìn)行系統(tǒng)地研究，將理論成果應(yīng)用到實(shí)際工程中，編制相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)程。

(4)針對(duì)草磚和草磚建筑的抗震性能研究還不夠系統(tǒng)，雖有對(duì)草磚的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行過研究并給出相應(yīng)表達(dá)式，但只就某種秸稈草磚進(jìn)行的，并未對(duì)不同種類的秸稈進(jìn)行深入全面的研究；草磚在砌體結(jié)構(gòu)中的連接方式、在鋼筋混凝土、鋼、木等結(jié)構(gòu)中連接方式對(duì)抗震性能影響需進(jìn)行分析研究。