秸秆草砖研究综述

阿拉塔，郭 迅，罗若帆，付 昊

(1.中国地震局地球物理研究所, 北京 100081；2.云南省地震局, 昆明 650224；3.防灾科技学院土木工程学院, 三河 065201；4.嘉应学院土木工程学院, 梅州 514015)

目前住宅建筑的墙体材料为黏土砖、灰砂砖、页岩砖及混凝土砌块等，尤其广大农村民居住宅的墙体使用普通黏土砖为主；黏土砖的制作生产将开挖地表土层，有时甚至要开挖适合耕种的良田，从而造成土壤破坏，水土流失。21世纪开始，中国160个城市实施了限时淘汰使用黏土砖的法令，寻求一种既环保又经济的填充材料替代黏土砖已成为迫切需求[1]。地震是一种严重的自然灾害。中国处于欧亚板块和环太平洋板块双重作用下，地震分布广，地震灾害十分严重，具体表现为小震致灾、中震大灾、大震巨灾，而房屋倒塌是地震造成人员伤亡和财产损失的主要原因之一[2]。在历次地震中调查发现，填充墙的不合理布置改变建筑结构抗震性能，导致结构受损甚至倒塌[3-6]；通过大量试验研究发现[7-8]，由于纵横填充墙的存在，改变了内力传递途径，在个别构件形成“内力凝聚”；另外，梁上填充墙对梁的竖向变形有很强的约束作用，导致“弱梁不弱”，故“强柱弱梁”破坏模式实现不了。研发一种“低弹模、高延性”新型材料作为填充墙块材，在地震作用下，房屋结构的梁柱变形不因填充墙的约束作用而限制，结构内力不会重新分配，使结构在地震作用下力学行为与抗震设计理念吻合，确保结构在超越设防烈度地震动下不倒塌。利用农作物的秸秆制作成草砖作为填充墙的块材将是理想的用书面语，因此，有必要针对植物纤维秸秆草砖进行深入的研究工作。

中国是农业大国，有体量非常大的农业废弃物，如农作物秸秆[9]。广袤的农村地区，农民将秋收后遗留在田间的秸秆少部分用作家畜的辅料，其余大部分就地焚烧掉，不仅污染环境，同时也制约了当地经济发展[10-11]。将农村地区剩余下的秸秆按一定的加工工艺制作成草砖并建成适合居住的建筑物，不仅提高了经济效益，还因草砖建筑绿色特性改善了环境质量。联合国环境规划署建议在低碳和节能基础上购买建筑材料，作为减少建筑行业环境影响的一种方式。世界绿色建筑委员会2018—2019年度报告中提到：从2020年开始，利用十年的时间将新建建筑物的含碳量至少应减少40%，到21世纪中叶将建筑物的碳含量降到零[12]。

1 中外秸秆墙体材料现状

外国使用植物纤维材料制作成墙体材料使用在建筑行业历史悠久，在欧美，利用农作物秸秆制作成草砖建造居住房屋已有超过150年的历史。早在19世纪末，外国就有了采用秸秆制作人造板的技术；胶黏剂的出现使秸秆作为原料制作板材得到了发展，德国曾将麦秸秆与胶黏剂混合进行过板材的研发[13]；美国南部路易安纳州在20世纪20年代利用秸秆开办了蔗渣制板厂[14]；1930年，瑞典将稻草通过加热加压工艺生产建筑需要的材料[1]；著名的英国Compark设备公司1940年利用麦、稻等农作物的秸秆制作出纸面草板，通过进一步工艺改进生产出性能高于木质刨花板的Compak板[15]。20世纪60年代，由于科学技术的迅猛发展，使得各种建筑材料层出不穷，利用草砖建造房屋的技术渐渐不再受重视。随着社会的进步，节能、环保、绿色的理念越来越被世人所接纳，草砖建筑又被重视起来。1970年，联合国工业发展组织在维也纳召开了“利用农副产品下脚料制造板材”的专题会议[1]。此后，三十多个国家和地区都为发展非木质板材投入了大量的人员、设备和资金，并颁布了相关政策。根据联合国粮农组织和欧洲经济委员会的统计，1984年欧洲地区的非木质刨花板厂已有21家。1993年4月，印度为了鼓励非木质板材的发展，颁布并实施了一项严禁将实木用于建筑的法律[16]。目前，全球以农业废弃物为原料生产板材的厂家中北美地区的厂家超过50%；据统计，美国的秸秆板材产量1.6×107～2.0×107t[17]。根据美国混凝土协会的报告，全球近40个国家和地区将非木质植物纤维增强水泥基材料应用到建筑中[15]。近二十年来，外国利用麦秆和稻草秸研制人造板最多，随着材料科学的发展及新技术的出现，尤其是环境友好型胶黏剂的出现，绿色草砖建筑使居住品质大大的提升，环保问题也得到了解决。

中国很早就有将麦秸秆切割添加在稀泥中制作成草泥抹在墙体上，改善了墙体的物理力学性能，很好地适应了当时社会的使用需求。20世纪30年代，江浙一带有些小厂利用蔗渣和稻秸制造了碎料板；上海木材工业研究所、江西省建筑材料工业科学院等单位进行了试制稻草板相关的研究工作。

中国早期利用蔗渣生产大多是软质、强度低的纤维板材，用于保温隔音；随着制造技术的发展，硬质纤维板性能得到很大提高，在长江流域等省份多有建厂生产。1987年，中国成立了第一家集非木质人造板研发、设计、生产为一体的组织——中联非木质人造板工业技术开发集团，由东北林业大学、林业部林产工业设计院、上海木材工业研究所、哈尔滨林业机械厂、中国新型建材公司5家单位联合组成。

受中联非木质人造板工业技术开发集团成立的带动作用，中国许多科研院所在人造板材方面进行了深入的研究，如利用亚麻木屑、玉米秆、稻壳、蔗渣为原料生产多种人造板的研究工作。同时期进行了以秸秆为原料，聚异氰酸酯为胶黏剂研发人造板，在陕西、江苏、湖北、四川、山东、河北及上海等省市与国内科研院所及外国的公司合作，推动了秸秆产业的发展[18-19]。

2 中外秸秆草砖的现状

美国中西部内布拉斯加州的一些移民于19世纪末用秸秆制成草砖搭建房屋，发现由草砖建成的房屋冬暖夏凉，很适合居住；最初的草砖由蒸汽动力打包机打包而成，使用金属丝将秸秆紧紧捆扎而成，体积庞大，质量为30～50 kg[20]。起初草砖房是一些生产性用房，后经制造工艺的改进将草砖应用到一些永久建筑的墙体材料中。在美国的50个州中，有49个州有草砖建筑; 仅在加利福尼亚就有600多栋草砖建筑，包括地震风险高的地区[21]。1991年，为了推动及规范草砖建筑的建造，新墨西哥州成立了草砖房建设者协会，并颁布了《新墨西哥州草砖建筑指南》；两年后，美国TheLastStraw杂志的创办进一步推动了草砖建筑的发展[22]。目前，草砖建筑在美国、加拿大、澳大利亚、法国、英国、新西兰、墨西哥等国家深受欢迎。其中，美国和加拿大先后开展了草砖针对不同气候、建筑技术、经济效益等领域的研究工作，且已出台了相应的规范标准[23]。

中国秸秆草砖研究虽起步较晚，20世纪初与外国研究单位和协会组织积极地展开合作，将草砖技术引入中国。1999年，中国21世纪议程管理中心与安泽国际救援协会在中国的北方地区开展了节能草砖建筑示范工程，并取得了较好的示范效果[24-26]。虽暂无关于草砖的相关规范和标准，但中国的科研人员们进行了有意义的探索工作，研究工作主要集中在草砖的制作技术、物理性能、力学性能及建造工艺等方面。唐迪等[27]对草砖制作技术进行了试验研究，采用不同浓度的化学溶液对稻草进行浸泡，待其软化后进行压缩成型；王晓峰等[28]对质量比为1∶13的秸秆黏土砖和质量比为1∶20秸秆混凝土砖进行导热系数测定，得出秸秆砖的含水率对其保温性能有直接的影响；杨青松等[29]对玉米秸秆草砖住房的保温性能进行了研究，并与传统建筑就热物理性、保温性等方面进行了探索；姜伟等[30]针对普通稻草砖的防腐能力进行了研究，并给出0.5%的铜盐溶液对草砖抗腐有提高作用；付彬彬[31]通过对非承重秸秆草砖墙体耐火试验，发现小尺寸高密度草砖有很好的耐火性。

3 秸秆草砖性能研究

3.1 力学性能研究

秸秆草砖是将秸秆按一定顺序摆放用金属丝捆绑，再经压力机压缩成型，其力学性能存在一定的离散型。不同类型农作物的秸秆杆茎大小不同、软硬不一样，使得制作的草砖刚度、强度也不一样，为此研究人员开展了相关研究工作。

刘坤等[32]采用水稻秸秆制作成草砖，对不同密度下草砖的承载能力进行了试验，制作了5组(每组3个)初始密度为120、140、160、180、200 kg/m3的草砖。采用电子万能试验机以30 mm/min位移速率对草砖试件进行加载，获得压缩曲线(图1)，草砖在压缩过程经历了松散、过渡和密实3个阶段；在初始阶段，草砖在较小的压力下会有很大的变形，该阶段变形以克服回弹和秸秆间孔隙为主；在密实阶段，草砖的变形以克服秸秆间和秸秆本身内部孔隙为主，此时，压力增加较大，变形却较小。目前中外针对秸秆草砖的力学性能基本都在试验研究的基础上进行相关理论分析；随着科学技术的迅猛发展，应用计算机数值模拟就某个特定问题进行建模、数值分析已越来越成熟。课题组为得到草砖的压缩数学模型，采用麦夸特优化算法将试验获得数据输入所期望的模型，简化物料实验系数，最后获得压缩模型表达式为

图1 不同密度草砖的压缩曲线[32]

(1)

式(1)中：P为压缩力，MPa；γo为草砖失效密度，kg/m3；s为活塞位移，mm；L为草砖高度，mm。

草砖密度对其承载力有直接影响，根据美国加州建筑法案的相关规定，草砖在被压缩状态下其密度为初始密度1/2定义为失效密度。采用统计回归分析法研究在不同密度下草砖的失效密度与最大承载力的关系，通过试验草砖在压缩状态下，当密度大于230 kg/m3时，给出了二者的回归公式为

Y=-0.714 99+0.003 332X

(2)

式(2)中：Y为最大承载力，kN；X为草砖失效密度，kg/m3。

晋强等[33]使用棉花秸秆制作了3组共18块尺寸为200 mm×200 mm×300 mm(宽×高×长)的草砖，分别采用平压(受压面为长宽面)、侧压(受压面为长高面)、竖压(受压面为高宽面)3种加载方式研究了草砖的力学性能；刘健等[34]也利用棉花秸秆制作尺寸为600 mm×250 mm×300 mm(长×宽×高)的砖进行承载力及性能研究。将棉花秸秆修剪清洁满足试验要求后按一定方式摆放利用压力机压制好，采用铁丝进行绑扎，制成要求的尺寸草砖[35]。压缩试验是在万能试验机上进行，棉花秸秆杆径粗又硬，且多分枝，在试验中发现，将棉花秸秆以不同方式或顺序摆放制作成秸秆砖所测得的力学性能、压缩率差异较大；在侧压试验中，由于侧压面在制作草砖过程中不承受压力，所以其承载力较低，压缩率较大；在竖压试验中，通过一定顺序排列的秸秆用钢丝困扎，在竖向加载下，使得草砖处于三向受力状态，且竖向位移和横向变形都受到约束，所以承载力最大，压缩率最小。因此认为，根据棉花秸秆草砖的摆放方式不同可以将草砖作为承重或非承重材料使用。

孙园淞等[36]利用水稻秸秆制作尺寸为500 mm×400 mm×380 mm(长×宽×高)草砖对其力学性能进行了研究，与文献[37]试验结果对比研究表明水稻草砖的承载能力、弹性模量与秸秆草砖的密度、摆放方式、加载面面积、压缩边尺寸等有关。采用万能试验机对草砖以0.2 mm/s的位移速率进行单轴压缩试验，从草砖的应力应变关系分析可知，这与文献[29-31]研究结论相同，草砖压缩过程经历了松散、过渡和密实3个阶段。在研究草砖弹性模量与极限强度关系时，取应力应变关系曲线初始切线斜率为弹性模量，相应地去峰值应力对应的应力定义为极限抗压强度；在试验中发现，当水稻秸秆草砖的承载面积相同时，弹性模量、承载力与其密度大小成正比；进一步研究发现弹性模量、极限强度与草砖的承载面积有关，面积越大对应的弹性模量和极限抗压强度也越大。并建议为了保证草砖的强度和稳定性，制作时其密度大于200 kg/m3。进一步将试验得到的弹性模量和极限抗压强度结果进行数值拟合给出了与草砖的初始密度、承载面积、试验中草转摆放方式的关系式为

fu=α1ρ2+α2ρ+α3

(3)

E=β1ρ2+β2ρ+β3

(4)

式中：fu、E、ρ分别为草转的极限抗压强度、弹性模量、加载前草转的密度；α1、α2、α3、β1、β2、β3均为水稻秸秆草砖的形状系数、与水稻秸秆草砖的放置方式、加载面面积压缩边尺寸有关。

综合上述研究成果可知，在制作草砖的过程中，植物秸秆的摆放方式、试件尺寸大小、密实程度直接关系其力学特性。草砖有一定的抗压承载力，但与目前使用的混凝土砌块、普通烧结砖相比墙体材料的强度还是相差较大。

3.2 耐火隔热性能研究

草砖是由小麦、水稻、玉米、棉花等农作物在收获籽实后的剩下的秸秆制作而成，其本身在农村用作燃料，因此草砖房的耐火性能容易受到人们的质疑；草砖房的耐火性能也关系到草砖建筑的推广使用。

在欧美国家，秸秆草砖通常用作墙体的主要承重结构或承重墙体的填充保温材料，其防火要求将根据相应法规的防火等级和危险等级而定[38]。作为参考，一般耐火试验要求可参见FireResistanceTests-ElementsofBuildingConstructionPart1:GeneralRequirements(ISO 834-1: 1999)、FireResistanceTests-Part1:GeneralRequirements(EN 1636-1:2020)、StandardTestMethodsforFireTestsofBuildingConstructionandMaterials(ASTME119—2019)，虽然承重墙的具体防火试验要求可参考FireResistanceTest-ElementsofBuildingConstruction-Part4:SpecificRequirementsforLoadbearingVerticalSeparatingElements(ISO 834-4:2000)、FireResistanceTestforLoadbearingElements-Part1:Walls(BS EN 1365-1:2012)，FireResistanceTests-ElementsofBuildingConstruction-Part8:SpecificRequirementsforNon-loadbearingVerticalSeparatingElements(ISO 834-8:2002)、FireresistanceTestforNon-loadbearingElements-Part1:Walls(BS EN 1364-1:2015)可用于非承重墙。大部分的耐火试验都是在抹灰秸秆草砖墙体上进行的。Wall[39]根据FireResistanceTestforNonloadbearingElements—Part1:Walls(BS EN 1364-1:2015)耐火试验要求，对用石灰抹面的稻草砖墙进行了耐火试验，约90 min石灰灰泥从墙面上落下，测试继续了45 min，直到暴露的稻草砖表面被烧焦变黑。试验中稻草砖墙的防火等级为135 min，超过了FireResistanceTestforNonloadbearingElements-Part1:Walls(BS EN 1364-1:2015)规定的30 min要求。

新墨西哥州是美国最早颁布关于草砖建筑规范的州，该州于1993年按美国的建筑构造及材料的耐火性能试验方法对草砖墙进行了耐火试验；试验草砖墙按是否对墙体进行抹灰分为两类，通过试验发现，没有抹灰的草砖墙的耐火时间为30 min；而有抹灰的草砖墙的耐火时间为2 h，且当向火面的墙温度达到1 000 ℃时，其被火面墙温度仅升高1 ℃[40]。

中国学者对秸秆草转的耐火隔热方面研究较少，主要对承载力、节能保暖、防水防腐等方面。导热系数的大小直接影响建筑材料的隔热性能，数值越小则隔热效果越明显。一般来说，秸秆草砖的导热系数随草砖的密度的线性变化，采用保护热板法进行测试得出草砖密度在60～130 kg/m3范围时，其相关性较强[41]；常用的耐火隔热材料如矿物棉、聚苯乙烯泡沫(expanded polystyrene，EPS)、挤塑聚苯乙烯泡沫塑料(extruded polystyrene，XPS)等的导热系数大概为0.035～0.040 W/(m·K)，而秸秆草砖的导热系数为0.053～0.065 W/(m·K)，说明其隔热性能优良[42]。《建筑构件耐火试验方法 第8部分：非承重垂直分割构件的特殊要求》(GB/T 9978.8—2008)[43]中规定进行耐火试验的墙体建议尺寸为3 000 mm×3 000 mm(宽×高)。王礼等[44]采用草砖砌尺寸为3 000 mm×3 000 mm×400 mm(宽×高×厚)墙体，采用与草砖相同的秸秆制成草泥以10 mm厚度将墙面找平，最后用10 mm混合砂浆抹面，将墙体周边用红砖砌筑放在大型垂直试验炉，用明火加热进行了181 min耐火性能试验。试验结束后观察草砖墙体的背火面较试验前无大的变化，只是有少量细微裂缝；其向火面墙体的混合砂浆面被完全烧脱落掉，并露出炭化的草砖，炭化深度约100 mm。试验至181 min时，草砖墙体的背火面平均温度只升了16.8 ℃，测点最高温度只有35.4 ℃，远低于耐火极限判定标准规定的温度，其耐火极限不低于3.0 h；笔者认为，压制密实的草砖由于内没有缝隙，使得助燃的空间极小；其次燃烧形成的炭化层进步阻止了火焰向墙体内部蔓延。

付彬彬等[45]采用棉花秸秆制作尺寸为200 mm×200 mm×400 mm的草砖，选用三个草砖用钢丝进行绑扎两侧用钢丝网固定，再用25 mm厚的砂浆对墙体进行抹面，最终墙体尺寸为250 mm×450 mm×625 mm。选择墙体任一面为受火面，对应的一面为背火面。为了较合理地测出背火面的温度在背火面选择温度测控点如图2所示[45]。

1～9为温度测控点

采用火焰温度可达到1 000 ℃的烤漆汽油喷灯对墙体的中心点进行明火加热，每隔10 min用红外线温度仪对背火面各温度测控点进行温度测量。整个试验进行了70 min，且墙体背火面试验前后没有面明显的变化。

从图3可知，在火焰温度1 000 ℃明火烘烤下，30 min后背火面墙体平均温升只有1.45 ℃；在70 min试验中背火面温升最大值也只有2.77 ℃。根据《建筑构件耐火试验方法》(GB/T 9978—2008)[46]可知，墙体背火面的温升情况远低于耐火极限的判定标准；根据《建筑设计防火规范》(GB 50016—2006)[47]相关规定，可以判定由棉花秸秆草转砌筑的非承重墙体的耐火等级为二级。

图3 墙体背火面温升曲线[45]

综合上述研究成果可知，秸秆虽然属于易燃物，通过特殊工艺制造的草砖却有着较小的导热系数；对草砖墙体外挂钢丝网再用水泥砂浆进行抹面后，具有良好的耐火隔热性能。秸秆草砖的密实度直接关系到草砖建筑的耐火隔热性能，草砖建筑在施工过程质量也直接相关。

3.3 节能保暖性能研究

黏土砖一直以来是中国房屋建筑中墙体材料使用的主要材料，其生产过程中耗费大量的煤炭，破坏了大量的土地，进而引发环境污染，这与目前提倡的绿色、环保、节能的政策要求背道而行；而草砖建筑以其节能环保、居住舒适而越来越受到人们的关注，特别适合采暖期长达半年之久的寒冷地区，科研人员们针对草砖建筑的节能保温性能进行了有意义的探索。

20世纪90年代，欧美学者就草砖的节能性进行了试验研究，提出了4种试验方法:分别以单个草砖、草砖墙体、一定面积的草砖建筑作为研究对进行热工性能和能耗研究测试，再利用材料的物理性能进行数值模拟计算分析[48]。墙体里秸秆草砖的厚度将是直接影响草砖建筑的节能保暖的主要因素，还要考虑墙体抹灰抹面工程、气密性及热桥等因素。文献[49-50]在稻草样板房上进行了气密性试验，结果表明通过增加墙体厚度，提高门窗的气密性等措施后草砖建筑的节能保温性能改善效果要优于传统建筑的。1998年，美国铁岭实验室测得两线草砖墙体的热阻值为4.84 m2·K/W，美国加州能源委会根据实际情况取草砖墙体的热阻值为9.04 m2·K/W分析计算了加州5个区域草砖建筑的节能率和年能耗情况[51]。

中国针对秸秆草砖墙体的研究工作还处于起步阶段，相关的节能、热工性能研究主要偏于试验测试分析，结合实际工程进行室内热环境的测试研究尚鲜见报道。

王婧等[52]以辽宁省本溪市村镇生态建筑的试点工程中建筑面积为99.62 m2的一层草砖民宅为研究对象，使用能耗分析软件模拟计算了全年采暖能耗；研究表明，草砖房比普通砖房节省能耗在60%以上，如果按标煤折算每年可以节约2 t以上的标煤；进一步研究了不同地区草砖房的节能性问题，模拟计算了北京、本溪、哈尔滨不同城市的草砖房的采暖耗能，发现三地区的草砖房的采暖耗能率均高于62%；室外温度越高，其节能率越高，这进一步说明草砖房在中国北方地区是适用的。

马明等[53]依据稳态传热性质的热箱法对内蒙古地区实际工程中的500 mm厚稻草砖填充墙体、390 mm厚稻草砖填充墙体和390 mm厚混凝土空心砖墙体3种墙体的进行了热工性能研究。为了研究墙体的传热性能和热阻值测定，将草砖墙体尺寸设计为1 750 mm×1 750 mm×500 mm、1 750 mm×1 750 mm×390 mm，混凝土空心砖墙体尺寸设计为1 750 mm×1 750 mm×390 mm。为防止出现热传导不稳定，将试件框和墙体试件用发泡胶进行密封，按照《绝热稳态传热性质的测定标定和防护热箱法》(GB/T 13475—2008)[54]规定的方法进行试验；采用智能化导热系数测试仪对墙体试件进行测量，试验数据如表1[53]所示。从试验数据分析可知，墙体试件厚度相同情况下，草砖墙体的热工性能优于空心砌块墙；稻草砖墙体厚度大的热工性能优与厚度小的相同材质墙体。

表1 实测值与理论值对比[53]

史阳光等[55]以棉花秸秆草砖墙体为研究对象，采用热流计法对棉花秸秆草砖墙体进行传热系数检测，研究中将墙体分别处于30 ℃以上和0 ℃以下等不同环境中进行墙体传热系数检测。试验表明，棉花秸秆草砖墙体的传热系数能够满足建筑节能标准的相关要求，说明棉花秸秆草砖作为保温材料在寒冷地区使用是可以的，进一步将棉花秸秆草砖墙与实心黏土砖墙、钢筋混凝土墙、蒸压灰砂砖墙、混凝土双排空心砌块墙、粉煤灰烧结砖墙、加气混凝土砌块墙等不同材料墙体进行了传热系数比对研究，试验发现，墙体厚度在相同的情况，棉花秸秆草砖墙的传热系数最小，黏土砖墙的传热系数最大。

综合上述研究可知，利用秸秆草砖建造的房屋在节能保温方面性能优于普通房屋，且室内计算温度越低效果越明显；尤其在中国北方地区采暖季，居住在草砖建筑里的住户煤炭使用量只有普通建筑住户煤炭用量的1/3，这大大改善了环境污染问题。

3.4 防水防腐性能研究

利用草砖建造房屋时人们较关注所建造房屋的耐久性问题，影响耐久性最主要的因素是草砖的防水防腐问题；在23 ℃和80%湿度条件下，秸秆的含水量在10%～12%范围内，这与其他木材纤维材料较接近[56]。为了提高草砖的耐久性，延长草砖建筑的使用年限，科研工作者们先后做了研究。

由文献[30，57]可知，稻草的主要成分由纤维素、多戌糖、木素、蛋白质和果胶组成，在光、热、风、雨等多重作用下使稻草腐烂，受到微生物的噬食作用将稻草组织细胞破坏；采用3种不同配比的铜盐溶液作为防腐剂，其中铜盐溶液A的配比为m(硅酸铜)∶m(重铬酸钾)∶m(硫酸铜)∶m(硬脂酸钡)=24∶36∶30∶10。通过质量损失率来判断稻草砖腐朽程度，并给出耐腐性等级评价，经腐朽试验发现，白腐菌和褐腐菌对稻草砖的破坏非常厉害，且稻草砖的质量损失很大，铜盐溶液A对于白腐菌和褐腐菌防腐效果最好；为了提高草砖的使用期限，采用工业石灰或硫酸盐对普通草砖进行试验可以研制出改性复合草砖。

杨晶晶等[58]从草砖存储，草砖建筑的施工过程以及相关的构造措施中给出了防水工作应注意的问题，例如，将草砖存放在通风良好的地方，在底部做好防潮工作，上部要注意遮盖；草砖建筑的构造防水问题一定注意雨水从水平方向进入房屋内部，做到上述要求只能从草砖建筑的基础、墙体及屋顶等入手处理；屋顶要有悬垂的挑檐，且伸出外墙面至少500 mm，这样较好地保护草砖墙的顶部。窗台板下要铺一层覆盖草砖的油毡，向下延申100 mm，窗台板下要做滴水线，保护墙面不被雨水侵蚀。基础顶部要比室外地面高出200 mm，且在草砖墙与基础之间设一层防水层；另外在建筑四周应设散水，做到及时排水。

武雪利[59]对稻草砖墙霉变进行了研究，认为草转的含水率、环境温度、环境湿度及氧气是影响稻草砖墙体霉变防腐的主要因素。在相同环境条件下，含水率越高，越容易发生霉变；环境湿度越高，墙体越容易发生霉变；氧气会加速墙体腐蚀进程；其中含水率、湿度影响要大于氧气作用；通过对墙体采用不同配合比的砂浆进行抹灰发现，对墙体的霉变也有显著的影响；因此，采用渗透性良好的材料作为抹灰层，对草砖墙体的防腐有着至关重要的作用。

综合上述研究成果可知，草砖的防水、防腐对草砖建筑的耐久性、使用环境舒适度，目前草砖的防水防腐工作利用化学溶液浸将其浸泡，从而使墙体底部尽量不出现返潮、渗水现象；再就是通过对普通草砖进行改良，成为改性复合草砖，以此来控制其失效，提高使用时安全性；最后是草砖建筑建造时从基础、墙体和屋盖等细部构造措施进行防水工作，使雨水避免进入建筑内部。

3.5 抗震性能研究

2016年6月1日开始实施的第五代《中国地震动参数区划图》消除了中国地震不设防的局面，抗震设防工作细化到乡镇及街道，实现了全覆盖。目前已经有很多学者在草砖建筑的抗震性能方面进行有意义的探索。稻草砖建筑分布于美国50个州中的49个州，仅在加利福尼亚州就有600多座稻草建筑，部分建筑位于地震风险较高的地区，包括住宅、学校、办公楼、酒厂及多层建筑和建筑面积超过10 000 ft2(即930 m2)的建筑。

陈国新等[60]针对5种不同内填材料砌块的墙体依次进行了低周往复荷载下的抗震性能试验，内填充砌块分别为植物纤维生土基砌块、轻骨料混凝土砌块、植物纤维水泥基砌块、加气混凝土砌块和棉花秸秆砌块。通过对比分析不同墙体的承载力、滞回曲线、延性、强度、刚度和耗能等性能发现，与其他内填砌块墙体相比棉花秸秆砌块墙体的骨架曲线延长线较长，刚度退化曲线较平缓，滞回曲线相对饱满；植物纤维水泥基棉花秸秆砌块墙体的开裂位移、屈服位移、极限位移都是最大，说明其耗能最大，棉花秸秆砌块如同一个耗能装置，使外框的梁柱很好协调地变现来消耗输入的能量；在破坏阶段，其层间位移角为1/18，墙体没有倒塌，说明有很好的抗倒塌能力。

赵龙龙等[61]制作1∶3的普通砖砌体框架结构模型和1∶3的装配式秸秆砌块填充墙框架模型进行了振动台对比试验，试验发现，当加速度峰值为0.8g(g为加速度)时，砖框架底层柱顶出现明显的塑性铰，柱底出现裂缝，砖墙部分出现裂缝，而秸秆框架在相同的加速度峰值时只是两端出现八字形裂缝；当加速度峰值为1.1g时，砖框架底层出现扭转，墙体裂缝进一步延伸，而秸秆框架，底层两端出现塑性铰；当加速度峰值为1.8g时，砖框架底层柱丧失承载力发生倒塌，而秸秆框架未发生倒塌。文章指出秸秆填充墙使框架结构的梁柱等关键构件在地震作用下能更好地变形协调，受力路径清晰，结构各构件的刚度较均匀。

孙园淞等[62]利用水稻秸秆制作草砖砌筑尺寸为1 500 mm×1200 mm×420 mm墙体来模拟窗间墙，墙面外挂钢丝网，并用水泥砂浆抹面，进行了水平低周往复试验。墙体的滞回曲线较饱满，随着加载位移加大，加载曲线斜率逐渐变小，表明试件有很强的耗能能力，且强度和刚度退化较小；计算墙体试件正反向加载时的位移延性系数均4.7，说明具有很好的延性性能。

冯勇等[63]研究了棉花秸秆草转填充墙框架结构在低周往复荷载下的抗震性能，试验中制作了两个相同的1榀试验模型，其中1榀框架墙体中以棉花秸秆为填充材料，另1榀为纯混凝土框架。在低周往复荷载下两个试验模型都经历了弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段；在每级加载下，草砖填充墙框架的破坏程度整体要略轻易纯框架，但是在破坏阶段中草砖填充墙框架的外框柱中部有明显的裂缝，而纯框无裂缝。在滞回曲线对比发现，草砖填充墙框架的滞回曲线有较明显的捏拢现象，说明墙体在荷载作用下草砖之间、草砖内部秸秆之间产生了滑移，进而吸收了能量；与传统填充墙体相比，延缓了内部填充材料的塑型破坏。在比较两个模型的骨架曲线发现，草砖框架的开裂前刚度和承载力较纯框架都大，即使在后期加载下承载力都高于纯框架，说明草砖填充墙没有退出工作，提高了框架的承载力。参考文献[63]的方法，定义了特征荷载、特征位移及位移延性系数，尽管试验中草砖填充墙与外框出现黏结破坏，但是其位移延性系数大于纯框架的相应值，说明草砖填充墙增强了框架的延性。

综合上述研究成果可知，由于秸秆草砖的易于变形性能，使结构的梁柱协调变形能力增强，体系的刚度分布较均，提高了研究对象的抗震性能；内填砌块的填充墙目前研究工作较少，难以系统地评价不同植物纤维砌块对结构体系抗震性能的影响。

4 结论

采用农作物秸秆制作成草砖作为建筑材料应用到建筑行业其优势明显，如具有耐火隔热性能、抗震性能、节能保温性能、较大的抗压承载力、经济效益和环保效益等特性。从前人对秸秆草砖的研究表明，与其他传统的建筑材料相比，秸秆草砖研究还不够全面系统。通过总结分析当前的研究现状，得出如下结论。

(1)秸秆草砖的原材料品种繁多，如棉花秸秆、水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆和其他秸秆等。首先，每种秸秆的强度、刚度不同，由其制成草砖力学性能也会大不相同；再者利用不同种类秸秆制作草砖的工艺也不同，即使使用同种秸秆，采用不同的制作方法或产品大小不同，成型的草砖性能也有可能会有较大的差异。因此，需要在原材料、产品尺寸、加工方法、生产工艺等方面有配套的技术规程以此来保证草砖性能。

(2)目前防腐防水都是针对草砖进行的，关于草砖建筑从防腐防水入手进行耐久性研究还未开展；还需针对不同种类的秸秆进行防腐防水性能研究，进而明确草砖建筑的耐久性措施，提出相应的技术文件。

(3)不同地区由于环境、气候、温度等不同，建造房屋的技术有其区域性差别；目前关于草砖建筑的设计方法、力学计算模型、计算方法、施工工艺及相关的构造措施研究还不够成熟；今后需要对上述问题进行系统地研究，将理论成果应用到实际工程中，编制相应的标准和规程。

(4)针对草砖和草砖建筑的抗震性能研究还不够系统，虽有对草砖的本构关系进行过研究并给出相应表达式，但只就某种秸秆草砖进行的，并未对不同种类的秸秆进行深入全面的研究；草砖在砌体结构中的连接方式、在钢筋混凝土、钢、木等结构中连接方式对抗震性能影响需进行分析研究。