无涂层秸秆草砖力学试验研究

聂红鑫 曹宝珠

(吉林建筑工程学院土木工程学院，长春130118)

0 引言

草砖建筑是一种新技术，将秸秆草砖应用于建筑中可以明显改善保温性能，降低建筑造价，综合节能效果显著.巴基斯坦内华达(Nevada)大学的一个振动台试验结果表明，单层草砖房具有很好的抗震性能［1］.当振动台的水平加速度高达0.8N/s时(相当于1994年落山矶地震烈度的2倍)，草砖房屋仅抹灰层破坏脱落，而墙体仍然屹立不倒.1993年，Bou-A li进行了无涂层草砖墙的抗压性能试验研究［2-3］.分别对A，B，C 3组墙体进行测试，墙体照按当地的习惯做法，在墙体中间插有钢筋钉，各组墙体均被轴向加荷至19.2 kN/m，此时测得墙体A的纵向变形为17.5 cm，墙B的纵向变形为19.3 cm，墙C的纵向变形为19.8 cm.以上试验表明了草砖建筑具有良好的抗震效果，并且承载能力高，具有研究及推广的现实意义.为了能真实的反映草砖建筑抗震、承载力性能和受力特点，明确草砖材料的力学性能已刻不容缓.

1 试验过程

1.1 试验方法

为测定秸秆草砖的力学特性，对不同密度、不同体积的农作物秸秆草砖进行无侧向限制单轴竖向压力试验研究.试验前先测量草砖的质量、尺寸，然后用WAW-600 kN微机控制电液伺服万能试验机进行加载试验，采用位移控制加载方式，加载速度为0.2 mm/s.在利用WAW-600 kN微机控制电液伺服万能试验机加载测量竖向位移的同时，利用位移传感器、应变仪准确量测垂直于秸秆长度方向和平行于秸秆长度方向秸秆草砖的水平变形，位移计采用定时采样，每2s记录一次变形，以测定竖向压力与位移的关系曲线，根据应力及应变的发展规律，确定其单轴极限抗压强度、弹性模量，并计算其各自的横向变形系数，确定其泊松比随荷载的变化规律.

1.2 试块制作

首先将无杂草、含水量低于15 %［4］的水稻秸秆装入模具内，利用WAW-600 kN微机控制电液伺服万能试验机将其挤密压实，然后用16号铁丝线进行绑扎成型.试块的密度参考值为:100 kg/m3，200 kg/m3，300 kg/m3，400 kg/m3.试块的外观尺寸长×宽×高参考值为:500 mm×400 mm×200 mm，500 mm×400 mm×300 mm.试块全部采用人工制作，实测数据及参考值如表1所示.

表1 试块实测数据及参考值

2 结果与讨论

关于草砖作建筑材料的研究主要集中于欧美，美国加利福尼亚州建筑法案规定，草砖被压缩到其初始密度的一半时定为失效［1］.美国俄勒冈州立大学的John Simonsen(1996)［5］和我国东北农业大学的刘坤(2005)［1］等，以密度作为控制指标对秸秆草砖的承载力性能进行了试验研究，测得了单向荷载作用下的应力-应变关系，证明秸秆草砖为大变形材料.本实验为单轴无侧向限制压缩试验，加载过程中草砖水平方向会发生变形，不宜用密度作为失效的指标，依据秸秆草砖为大变形材料，以位移作为失效的指标.规定:平放草砖被压缩到其初始高度的1/3时为失效;侧放、竖放草砖由于变形过大被压缩100 mm时为失效.失效时的承载力为极限抗压强度.

2.1 测试数据处理

(1)通过试验的测试数据绘制初始体积近似为0.04 m3，0.06 m3，密度不同的两组平放试块的力-位移曲线(如图1和图2).

图1 力-位移曲线(初始体积0.04 m3)

图2 力-位移曲线(初始体积0.06 m3)

(2)通过试验的测试数据绘制初始体积近似为0.04 m3，密度不同的两组侧放、竖放试块的力-位移曲线(如图3和图4).

图3 力-位移曲线(侧放)

图4 力-位移曲线(竖放)

(3)通过试验的测试数据绘制不同放置方式试块的极限抗压强度、弹性模量与密度的分布关系(如图5和图6).

图5 极限抗压强度与密度分布关系

图6 弹性模量与密度分布关系

(4)通过试验的测试数据绘制不同放置方式试块的泊松比(横向、纵向)与密度的分布关系(如图7和图8).

图7 泊松比(横向)与密度分布关系

图8 泊松比(纵向)与密度分布关系

2.2 分析讨论

通过压力与位移曲线(图1～图4)分析可知，不同条件(密度、尺寸、放置方式)下秸秆草砖的压缩曲线是相似的，其变化趋势可分为3个阶段:即松散阶段、过渡阶段和压紧阶段;秸秆草砖为各向异性大变形非线性材料;材料力学性能显著性影响因素为密度、放置方式，其中放置方式对其承载力有明显影响，平放为最佳放置方式;秸秆草砖压缩变形随着荷载的增大而增大，同一放置方式体积近似密度不同情况下，秸秆草砖的承载力随着密度的提高而提高.同一放置方式密度近似体积不同相同力作用下，体积越小发生的竖向位移越小.

通过密度与力学指标的分布关系(图5～图8)分析可知，秸秆草砖材料有较高的密度往往就有较高的弹性模量和更高的极限抗压强度，弹性模量、极限抗压强度随密度增加;近似密度下秸秆草砖侧放、竖放时，在其横向、纵向上的泊松比要明显高于平放对应的泊松比，表明了秸秆草砖侧放、竖放在力的作用下会发生较大变形，验证了秸秆草砖为各向异性大变形非线性材料及平放方式为最佳放置方式.

3 结语

秸秆草砖为各向异性大变形非线性材料，其弹性模量、抗压强度随着密度的提高而提高.当秸秆草砖密度大于300 kg/m3后，草砖所能成受的压力将明显得到提高，在密度为337.80 kg/m3时，草砖所承受的压力为1.218 MPa，现有打捆机很容易满足草砖的密度要求，从而为草砖建筑材料的推广创造了条件.

［1］刘坤，蒋恩臣，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.

［2］Bou-A li Gha ilene Straw Bales and Straw-Bale Wall Systems［J］.University of Arizona，1993(4):56-58.

［3］肖力光，李睿博.稻草砖的研究现状及应用发展前景［J］.吉林建筑工程学院学报，2011，28(6):32-36.

［4］戢娇.新型农作物秸秆复合墙体的应用研究［D］.西安:西安科技大学，2011.

［5］王翠霞，张爱军，张晓丹.草砖建筑在豫北地区农村住宅中的应用前景［J］.工业建筑，2010(11):39-42.