秸秆草砖建筑建造技术研究

冯亚丽

（长江大学文理学院，湖北 荆州 434020）

0 引言

我国农村居住建筑，采用黏土砖砌筑，破坏了生态环境，减少了耕地资源，且大多无节能设计，能耗大，因此寻找一种新型节能环保的墙体材料代替黏土砖具有重要的意义。秸秆草砖具有良好的保温性能，生态环保无污染，能耗低，经济性好，抗震性能好，是一种绿色环保的建筑材料。早在20年前，我国东北三省和内蒙古农村地区就开展了节能草砖建房示范工程项目，先后修建了600余套草砖房，经实测，新建草砖房的总体能源效率要比传统砖房高出72%[1]。因缺少相关规范，专业的建筑施工人员匮乏，建造技术不成熟，建成后的草砖房也陆续出现较多问题，如热桥问题造成的结露现象，草砖受潮发霉等问题，秸秆草砖房未得到广泛推广，仍处于探索的阶段。本文对秸秆草砖建筑建造过程中的几个关键问题，如基础设计、墙体加固和抹灰、热桥问题以及管道布置等进行研究和分析，以期其成果为草砖建筑的进一步推广提供一定的参考。

1 秸秆草砖发展简况及结构体系

1.1 秸秆草砖发展简况

秸秆草砖主要是采用农作物秸秆（小麦、大麦、玉米和水稻等）的干茎部分，经机械压缩后制成薄片，通过钢丝或绳索捆扎成二线或三线草砖[2]。三线草砖的尺寸一般为长81~119cm，宽58~60cm，高36~43cm；二线草砖的尺寸一般为长90~100cm，宽45~50cm，高36~40cm[3]；草砖的密度一般不小于90kg/m3。湿度较大时，秸秆草砖容易发霉，一般来说，用于砌筑的秸秆草砖的含水量不得超过15%。20世纪初，草砖建筑最早建于美国的内布拉斯加州，因其当地缺少木材等资源，当地居民采用秸秆压制成草砖砌墙直接支撑屋顶，因此这种草砖墙承重体系也被称为“内部拉斯加法”。因其冬暖夏凉，居住效果良好，得到较大推广。20世纪40年代，因混凝土等建筑材料的广泛使用，草砖建筑的发展放缓。20世纪80年代，因其符合绿色节能环保理念，草砖建筑在世界范围内得到了进一步的推广应用。

1.2 草砖建筑的结构体系

根据受力特点不同，草砖建筑的结构体系分为墙承重体系、轻质框架体系、框架承重体系及以上三种体系的混合承重体系。

1.2.1 墙承重体系

由秸秆草砖墙直接承受竖向和水平方向的荷载，因此要求秸秆草砖的密度较大，有较大的承载能力。这种结构体系建造较为简单方便，考虑草砖房的承载能力和稳定性，一般只能建造1~2层的建筑，且墙体高宽比一般不超过5。门窗洞口面积占比不超过50%，门窗洞口做成较窄的细长型洞口为宜。

1.2.2 轻质框架承重体系

主要采用轻质木框架与草砖共同承重，轻质木框架为草砖提供支撑，草砖布置在轻质的木框架之间。这种承重体系主要用于国外草砖建筑中，建造技术相对墙承重体系较为复杂。结构的整体性和稳定性较好。

1.2.3 框架承重体系

主要采用木（钢、钢筋混凝土、砖）框架梁柱作为承重构件，秸秆草砖作为填充墙使用。该结构体系受力性能、承载能力、稳定性能和保温性能均较好，适合建造较大开间和进深的建筑。在我国东北农村地区应用较多的是砖框架秸秆草砖填充墙的这种形式。

2 秸秆草砖建筑建造技术的几个关键问题

秸秆草砖建筑建造过程有几个关键问题不容忽视，如秸秆草砖建筑的基础设计、墙身加固和抹灰、热桥问题、管道的布置、门窗和框架柱布置等。这些问题的研究成果关系到该技术的推广应用效果。

2.1 基础

基础的设计需要考虑到基础的埋深和构造形式，为了减少冻胀土对基础的影响，基础的底面一般位于冰冻线以下。条形基础多用于承重型秸秆草砖建筑，可以承受草砖墙传递的荷载；独立基础常用于框架型草砖建筑，为减少地基不均匀沉降，可以做成联合基础。北方地区大多采用毛石基础或钢筋混凝土灌注桩等基础形式，常见的构造做法有：草砖建筑基础采用2m深灌注桩，基础超过地面20cm 时做基础圈梁以增加结构稳定性和防潮性能[3]。

杨青松[4]的草砖房建造实例是这样的：草砖房框架柱采用370mm×370mm钢筋混凝土夹心砖柱，填充草砖，基础采用毛石基础，基础上现浇370mm×300mm的基础圈梁，基础圈梁高出室内地面20cm，以便草砖墙防水。

2.2 墙体

2.2.1 墙体的加固

秸秆砖顺砖砌筑，错缝搭接，避免形成通缝。为避免秸秆草砖的切割，需要提前排布，窗间墙应放置整砖为宜。

关于非承重秸秆草砖墙（图1）的建筑构造方法，美国新墨西哥州制定了相关建筑规范，要求在木柱之间布置秸秆草砖，草砖和木柱连接处采用膨胀金属包角连接。在秸秆草砖内部插入竖向钢筋进行相互连接，每个草砖内至少布置两根钢筋；底层的草砖通过预埋在基础中的钢筋与基础连接。

图1 非承重秸秆草砖墙的构造

赫尔诺特·明克[5]等人在《秸秆建筑》中提出，通过预应力杆和张拉皮带对草砖墙施加预应力，增强承重草砖墙的稳定性和承载能力。

在承重秸秆砖墙内施加预应力杆（图2）的主要构造方法是：在秸秆砖墙顶设置圈梁，通过张拉连接件如螺纹杆将圈梁和基础拉结。螺纹杆长约180cm，必要时需要对螺纹杆接长，螺纹杆需要穿过秸秆草砖内部，该工序比较耗时。

图2 内设张拉螺纹杆的承重秸秆砖墙

另外一种墙体加固措施是采用张拉皮带（图3），将皮带固定到基础上，然后拉到墙顶圈梁上绕紧捆好，在皮带和圈梁边缘接触部分进行边缘加固。对于非承重墙，在实际建造过程中，秸秆草砖从第一层开始砌筑，暂时不放最后一层，将皮带拉紧后，再把最后一层秸秆草砖塞到圈梁下，最后取走皮带。

图3 采用张拉皮带的承重秸秆砖墙

段文峰等[6]提出了两种承重型高密度秸秆草砖墙体加固设计，分别为榫接型墙体和插筋型墙体。

榫接型墙体是在草砖制造过程中，将高密度草砖做成一端凸出，一端凹进。凸出高度为30~50mm，突出宽度在50~150mm，凹进尺寸同凸出尺寸相同，在砌筑过程中，草砖上下搭接，相互咬合，整体性较好，但是制造较为复杂，需要专门的模具。

插筋型墙体首先在秸秆草砖内部距边缘1/4长度处开两孔，开孔直径10~20mm；在草砖砌筑过程中，通过预留孔插筋的方法将上下层草砖、草砖与基础、草砖与圈梁间连接在一起，增强草砖墙的整体性能和稳定性能，但是该方案制造复杂，内部插筋容易产生冷凝水，从而给草砖墙带来潜在危害。

杨晶晶等[7]在草砖墙体设计研究中提出了一种新的墙身构造方式加强草砖房墙身稳定，主要构造措施有：（1）通过在基础圈梁中预埋钢筋与秸秆草砖连接；（2）秸秆草砖砌筑时，错缝搭接，通过在草砖墙内布置竖向钢筋将上下皮草砖连接在一起；（3）在草砖墙转角处，布置胶合板角铁（图4），并在角铁预留孔洞内插入钢筋或是竹质针，加强草砖墙转角处的稳定性。

图4 转角处草砖连接示意图

2.2.2 墙身防水

为防止秸秆砖墙受潮，需要重点对秸秆墙墙身与基础连接部分做好防护处理。常用的做法有：在墙体底部设置溅水板，高度不小30cm，并从这个高度处向上砌筑第一层秸秆草砖；也可以在墙体周边铺设砂砾层或碎石层，或者种植矮植被等，都可以有效地减少溅水现象，但这类做法也容易在墙角处积蓄水分，对防水不利。

杨晶晶等[8]在墙体防水研究中，提出了几种墙身防水构造措施：一种是在外墙表面设置防水透气膜，既可以有效阻止雨水的进入，又不影响水蒸气的通过；另一种常见的构造措施是在外墙抹灰后，设置通风耐候板，可以有效抵御室外风霜雨雪等对外墙的影响，通风耐候板和外墙间留有空气间层，增强墙身的保温和通风。

2.2.3 墙体的抹灰

草砖墙在砌筑后，需要及时进行抹灰，抹灰的主要作用有提高承载力，提高秸秆草砖墙的保温性能和防火性能。常见的抹灰材料有泥土、灰泥、石灰、水泥等。

（1）泥土抹灰。材料对空气中水蒸汽扩散的抵抗性能称为蒸汽扩散系数μ。泥土抹灰的蒸汽扩散系数低至6~8，具有较好的调节空气湿度的能力。对于室内抹灰，抹灰层厚度约为30~60mm，分三层抹灰。底层抹灰一般推荐采用高压泵在草砖墙表面喷射，并用木板或泥刀抹平。底层灰主要作用是初步找平，遮盖伸出的杆茎。推荐采用高黏土含量的泥土抹灰，可增强与秸秆杆茎的可靠连接。中间抹灰层较薄，可适当加入细砂、锯末、碎麦糠或麻纤维等掺合物，减少干缩产生的裂缝，中层灰主要作用是进一步找平，为面层作准备。面层抹灰中推荐加入粗砂、碎麦糠或麻纤维等掺合物，面层的主要作用是减少开裂和装饰作用。泥土作为室外抹灰材料时，可以加入添加剂或涂刷油漆面层，增强防水性能。

（2）水泥抹灰。在早期的草砖建筑中，水泥常用来作为外墙抹灰材料。由于水泥抹灰的脆性很大，一般需要采用覆盖金属网进行加固。室外的抹灰材料必须能阻挡水汽进入秸秆草砖，另一方面又能使水蒸汽自由透过，防止冷凝水的产生。水泥是一种水硬性材料，蒸汽扩散系数较高，为20~30，透气性差，阻止了水蒸汽的扩散，容易在水泥抹灰层内部形成冷凝水，造成秸秆草砖受潮腐蚀。所以水泥并不是一种理想的室外抹灰材料。

（3）石灰抹灰。石灰是一种可靠的室外抹灰材料，石灰与砂配合比一般为1:3~1:4。由于石灰抹灰的硬化较慢，可在石灰中添加5%的水泥，也可以加入食盐，加速硬化。底层灰采用高压泵喷射，充分浸润草砖表面，并用泥刀抹平。在草砖墙表面覆盖金属网后，再进行中间层抹灰和面层抹灰。

2.3 门窗设计

根据生活习惯，窗户一般在南向或南向偏角15°范围内设置。草砖墙较厚，在施工中需要考虑门窗在洞口内的具体位置。为了避免在窗户边缘处形成热桥，产生冷凝水，可以将窗户布置在窗洞中间，并施加隔热措施。其中最理想的方案是在窗洞中间布置空心窗，研究表明空气间层为6mm时，隔热气密性效果最好。草砖房实际施工中，一般要求在窗框底板上铺设防水卷材，并向下延伸不少于20cm长度，防止窗下草砖受潮[4]。

2.4 热桥问题

秸秆草砖建筑热桥的产生主要是因为外墙周边的圈梁、框架梁柱等部位热传导系数较大，而草砖的热传导系数较小，约为0.045W/(m·K)，所以在这些部位容易增加建筑物的热量损失，促使冷凝水的形成，造成墙体受潮，降低草砖墙体的保温性能，严重时造成草砖发霉等现象。我国早期的草砖房建设中，由于建造经验不成熟，草砖房的圈梁和框架柱等部位未做保温处理，出现结露，发霉现象严重影响草砖墙的使用寿命。即使是木框架结构也会出现热桥效应，主要是木材的热传导系数是草砖的2~3倍。所以有必要在建筑易出现热桥的部位进行保温处理，常见的构造做法是：在框架梁柱、圈梁外侧粘贴保温板（改性EPS 聚苯板或岩棉复合保温板等）或涂抹保温砂浆[9]。

草砖外墙缝隙和裂缝的存在，会导致热量损失较大，降低墙体的气密性。为了保证草砖墙的隔热保温性能，需要对秸秆草砖之间、门框窗框接缝处、草砖与主体结构之间的缝隙进行仔细密封。在秸秆草砖抹灰前，用草筋泥浆填补草砖墙的缝隙和凹陷处，门窗和草砖墙接缝处用发泡胶填充，窗扇与窗框用密封条进行密封，防止冷风渗透，防止雨水渗入墙体腐蚀草砖。

2.5 管道布置

给排水管道不宜布置在秸秆草砖墙内部，一方面墙内水管渗漏很难被发现，检修困难，另一方面冷水管会促进冷凝水的生成，容易造成秸秆草砖墙身受潮发霉等问题。给排水管道一般可以布置在靠墙侧地板中或立柱墙中。电线穿过秸秆草砖时，必须将其包入不燃烧的导线管中，插座和开关安装在门框或框架柱上，或安装在预埋的木楔上。

3 结束语

综上所述，秸秆草砖具有良好的保温性能，生态环保无污染，能耗低，经济性好，抗震性能好，是一种绿色环保的建筑材料。但草砖房建设技术不成熟，经验不丰富，草砖房在实际使用过程中出现裂缝、结露、受潮发霉等现象，归根结底是因为没有处理好建造过程中的几个关键问题，如秸秆草砖建筑的基础设计、墙身加固和抹灰、热桥问题、管道的布置、门窗和框架柱布置等。对这几个关键问题的研究成果可为秸秆草砖房建造技术的推广提供一定的参考。