纸面稻草板抗压性能试验研究

2021-11-30徐慧博张秀华王奂张晗王一冰

安徽建筑 2021年11期

徐慧博，张秀华，王奂，张晗，王一冰

（东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040）

随着经济的发展和全球人口的迅猛增长，各工程对建筑板材的需求不断增加。装配式、工艺简单、可回收成为当今建筑结构发展的三大方向，这使得采用各种人造板作为覆面板结构形式的轻钢房屋发展得越来越快。为了满足社会发展的需求，纸面稻草板应运而生。同时，科技的发展和国家政策的支持也促进了纸面稻草板的应用和发展。虽然纸面稻草板是一种新型建筑板材，但早在上世纪初期欧美等发达国家就有所应用。第一次世界大战期间，瑞典首先开发了稻草板作为建筑板材，随后普及泰国、巴基斯坦等国家，并取得了一定的经济效益。上世纪八十年代，我国引进两条英国Stramit公司纸面稻草板的生产线，年产量为50万m。同时相关的科研机构对其展开了研究，并在建筑工程中使用该材料。我国国家技术监督局于1988年制定并发行了《建筑用纸面草板》（JC-T794-1988）这一行业标准。

总体而言，目前我国秸秆综合利用的经济性较差，利用形式单一，深度开发不足，商品化和产业化程度较低。据任继勤分析表明：以2015年为例，我国综合利用率约80%，但资源化利用率仅占11%。此外，秸秆作为农业废弃物就地焚烧在农田，不仅带来环境污染等问题，而且对资源造成极大的浪费。据国家统计局和环境保护部研究表明，东北地区的雾霾天气与大规模焚烧秸秆具有高度关联性，秸秆焚烧、资源浪费已成为社会性敏感话题。因此，促进秸秆资源在建筑领域的应用，不仅可以减少秸秆焚烧问题，而且能够替代部分高耗能的传统建筑材料，这对可持续发展的绿色建筑具有积极意义。

“如何使农作物秸秆这种产量巨大的可再生资源得到良好利用，减少焚烧造成的污染”已成为研究者和社会关心的问题，为促进秸秆的利用，政府不断出台各种政策。南京林业大学成功研究国产中密度稻草板制造技术，标志我国使用稻草原料工业化加工稻草板的开始。

纸面稻草板（以下简称稻草板）是以秸秆作为原料，直接在成型机内以加热挤压的方式形成板材，并在表面粘上一层牛皮纸而成。相比于目前常用的建筑板材，如OSB板、石膏板和EPS板等，稻草板具有诸多优势。

①稻草板导热系数仅为0.108W/（m·K），耐火极限可达 1h，降噪分贝为30dB，具有优良的隔热阻燃和隔音降噪性能。经国家建筑科学研究院实地测试，结果显示：稻草板房具有较好的室内温度环境，2层58mm稻草板中间夹石棉保温板的墙体结构平均传热系数达到0.434W/（m·K），达到节能 65% 的墙体要求。

②在生产过程不会造成环境污染，完成使用目的后可自然降解回归自然，是环保绿色建材。

③稻草作为农作物秸秆，相比木材和竹材，是一年生可再生资源，再生周期更短，产量更高，在利用效率和成本方面纸面稻草板更有优势。结合以上优点，从生态环保节能角度出发，装配式乡村住宅建筑结构应用稻草板，具有一定的实用性。

《农村居住建筑节能设计标准》（GB T 50824-2013）中表明：稻草板的墙体结构是新农村建设和建筑节能的良好建筑材料。但目前，稻草板在我国的发展并不迅速，这与市场和技术有很大的关系。目前，我国对于稻草板的研究还远远不够，没有掌握工业化生产技术的关键。同时，由于观念的限制和对这种建材研究程度的不深入，稻草板并没有得到很好的应用，仅仅被用于一些家具生产和少数临时建筑和厂房的搭建。因此，研究稻草板材料抗压力学进行试验性能，为相关组合墙体/楼板研究提供数据参考，同时为稻草板在建筑工程中的推广提供一定理论依据。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验所用稻草板由哈尔滨天成顺杰实业有限公司生产，板的尺寸为长900mm～4500mm，宽 1200mm，厚58mm。试验试件所用的板材均取自同一块板。受压试件分为两组，每组6个，分别以KS1～KS6和KH1～KH6命名来区分，其中KS表示试件压力方向与稻草板纤维方向（沿板宽度方向）平行，KH表示试件压力方向与稻草板纤维方向（沿板长度方向）垂直，如图1所示。试件尺寸依据《结构用人造板力学性能试验方法》（GB/T 31264-2014），试件尺寸为150mm×150mm×58mm（高×宽×厚）。

图1 抗压试件

1.2 试验方法

稻草板抗压强度和泊松比的测定依照《结构用人造板力学性能试验方法》（GB/T 31264-2014）中相关规定进行。试验所用设备为WDW-100万能电子试验机，最大量程 100kN，如图2（a）所示。稻草板抗压试验主要测试步骤如下：①对各个试件进行参数测量，用电子式游标卡尺精确测量试件各边尺寸，精确至0.1mm，并录入参数。②将试件安装在加载设备上、下两支座间，并在上、下两端放置钢垫片，调整各部件位置，使试件在试验过程中保持轴心受压的状态。③对试件进行大小为100N的轴向预加载并卸载至0，以消除电子游标卡尺分3次测量试件各个方向的变形量，当从试验机所显示的试件荷载—位移曲线中能看出明显变形时停止加载，并保存试验数据。以KH4为例，受压试验如图2（b）所示。

图2 受压试验装置

2 受压试验破坏现象

试件在加载初期处于弹性工作阶段，随着轴向荷载的不断增大，轴向变形也呈线性增加，此时试件外观基本没有变化，仅护面纸局部出现轻微褶皱，内部稻草之间相互挤压发出的“窸窣”声。当轴向荷载达到某一数值时，护面纸的褶皱突然加速扩展，并有开裂的趋势，逐渐失去对内部稻草的约束，此时稻草纤维方向与受力方向平行的试件KS和稻草纤维方向与受力方向垂直的试件KH表现出不同的现象。在此之后，KS试件随着轴向荷载的继续增大，承载力略有增大，不过增加缓慢。最后由于紧密排列的稻草纤维像灯笼状失去致密性，试件彻底失去承载能力，此时停止加载。而KH试件在护面纸失去约束作用后，内部稻草在轴向荷载作用下排列更加紧密，并无屈服趋势，并随着荷载增大，荷载—位移曲线的斜率也逐渐增大。考虑材料实际工程中使用情况，以KH试件护面纸出现贯通整个截面的褶皱作为其破坏标准，其抗压强度取弹性阶段顶点的抗压强度。其荷载—位移曲线，如图3所示。

图3 受压试件荷载—位移曲线

试验结束后，卸载取出试件观察可知，稻草板受压试件的破坏形式主要是包裹用的护面纸出现褶皱与稻草分离以及出现破裂，和致密的稻草纤维之间出现缝隙，而稻草本身无明显变化。加载结束后，KH试件的变形恢复情况较好，KS试件的护面纸损坏更为严重，变形恢复较小。稻草板受压试件的破坏形式，如图4所示。

图4 受压试件破坏形式

3 抗压强度与泊松比

纸面稻草板抗压强度按下式计算：

式中，f为稻草板抗压强度，MPa；P为破坏荷载，kN；A为试件的截面面积，mm。

稻草板的泊松比利用试验过程中测得的各个方向的变形量，通过以下公式计算（其中方向规定如下：试件宽度方向为x方向，厚度方向为y方向，轴压方向为z方向）：

式中，μ为zx方向的泊松比；l、l分别为x、z方向两标记点的原始间距，mm；l、l分别为加载过程中弹性范围内某时刻x、z方向两标记点的间距，mm。

首先通过公式（1）和公式（2）计算出各试件的抗压强度f和泊松比μ，再利用数学方法对试验数据进行处理。求出KH和KS两组试件抗压强度和泊松比，分别作为稻草板两种不同方向下的抗压强度和泊松比。同时计算出每组数据的标准差σ和变异系数C两个指标来衡量该试验所得数值的离散程度。抗压试件试验数据如表1所示。

纸面稻草板抗压力学性能表1

4 稻草板力学性能试验结果

通过上述稻草板受压试验，得出的稻草板抗压强度、泊松比等力学性能指标如表2所示。结果表明：稻草板属于正交异性板，在抗压时顺纤维方向的抗压强度要小于垂直纤维方向的抗压强度，分别为0.67MPa和1.42MPa。由以上数据可知，稻草板具有一定的强度，与型钢龙骨共同构成组合墙体/楼板是可行的。在组合墙体中，稻草板不但能承受部分竖向荷载，同时也能为型钢龙骨提供有效的侧向约束，可提高墙体/楼板的各项性能。因此稻草板这一新型绿色板材，适合用于一些低层别墅和厂房以及新农村改造工程中。