紙面稻草板抗壓性能試驗研究

徐慧博，張秀華，王奐，張晗，王一冰

（東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

隨著經濟的發展和全球人口的迅猛增長，各工程對建筑板材的需求不斷增加。裝配式、工藝簡單、可回收成為當今建筑結構發展的三大方向，這使得采用各種人造板作為覆面板結構形式的輕鋼房屋發展得越來越快。為了滿足社會發展的需求，紙面稻草板應運而生。同時，科技的發展和國家政策的支持也促進了紙面稻草板的應用和發展。雖然紙面稻草板是一種新型建筑板材，但早在上世紀初期歐美等發達國家就有所應用。第一次世界大戰期間，瑞典首先開發了稻草板作為建筑板材，隨后普及泰國、巴基斯坦等國家，并取得了一定的經濟效益。上世紀八十年代，我國引進兩條英國Stramit公司紙面稻草板的生產線，年產量為50萬m。同時相關的科研機構對其展開了研究，并在建筑工程中使用該材料。我國國家技術監督局于1988年制定并發行了《建筑用紙面草板》（JC-T794-1988）這一行業標準。

總體而言，目前我國秸稈綜合利用的經濟性較差，利用形式單一，深度開發不足，商品化和產業化程度較低。據任繼勤分析表明：以2015年為例，我國綜合利用率約80%，但資源化利用率僅占11%。此外，秸稈作為農業廢棄物就地焚燒在農田，不僅帶來環境污染等問題，而且對資源造成極大的浪費。據國家統計局和環境保護部研究表明，東北地區的霧霾天氣與大規模焚燒秸稈具有高度關聯性，秸稈焚燒、資源浪費已成為社會性敏感話題。因此，促進秸稈資源在建筑領域的應用，不僅可以減少秸稈焚燒問題，而且能夠替代部分高耗能的傳統建筑材料，這對可持續發展的綠色建筑具有積極意義。

“如何使農作物秸稈這種產量巨大的可再生資源得到良好利用，減少焚燒造成的污染”已成為研究者和社會關心的問題，為促進秸稈的利用，政府不斷出臺各種政策。南京林業大學成功研究國產中密度稻草板制造技術，標志我國使用稻草原料工業化加工稻草板的開始。

紙面稻草板（以下簡稱稻草板）是以秸稈作為原料，直接在成型機內以加熱擠壓的方式形成板材，并在表面粘上一層牛皮紙而成。相比于目前常用的建筑板材，如OSB板、石膏板和EPS板等，稻草板具有諸多優勢。

①稻草板導熱系數僅為0.108W/（m·K），耐火極限可達 1h，降噪分貝為30dB，具有優良的隔熱阻燃和隔音降噪性能。經國家建筑科學研究院實地測試，結果顯示：稻草板房具有較好的室內溫度環境，2層58mm稻草板中間夾石棉保溫板的墻體結構平均傳熱系數達到0.434W/（m·K），達到節能 65% 的墻體要求。

②在生產過程不會造成環境污染，完成使用目的后可自然降解回歸自然，是環保綠色建材。

③稻草作為農作物秸稈，相比木材和竹材，是一年生可再生資源，再生周期更短，產量更高，在利用效率和成本方面紙面稻草板更有優勢。結合以上優點，從生態環保節能角度出發，裝配式鄉村住宅建筑結構應用稻草板，具有一定的實用性。

《農村居住建筑節能設計標準》（GB T 50824-2013）中表明：稻草板的墻體結構是新農村建設和建筑節能的良好建筑材料。但目前，稻草板在我國的發展并不迅速，這與市場和技術有很大的關系。目前，我國對于稻草板的研究還遠遠不夠，沒有掌握工業化生產技術的關鍵。同時，由于觀念的限制和對這種建材研究程度的不深入，稻草板并沒有得到很好的應用，僅僅被用于一些家具生產和少數臨時建筑和廠房的搭建。因此，研究稻草板材料抗壓力學進行試驗性能，為相關組合墻體/樓板研究提供數據參考，同時為稻草板在建筑工程中的推廣提供一定理論依據。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗所用稻草板由哈爾濱天成順杰實業有限公司生產，板的尺寸為長900mm～4500mm，寬 1200mm，厚58mm。試驗試件所用的板材均取自同一塊板。受壓試件分為兩組，每組6個，分別以KS1～KS6和KH1～KH6命名來區分，其中KS表示試件壓力方向與稻草板纖維方向（沿板寬度方向）平行，KH表示試件壓力方向與稻草板纖維方向（沿板長度方向）垂直，如圖1所示。試件尺寸依據《結構用人造板力學性能試驗方法》（GB/T 31264-2014），試件尺寸為150mm×150mm×58mm（高×寬×厚）。

圖1 抗壓試件

1.2 試驗方法

稻草板抗壓強度和泊松比的測定依照《結構用人造板力學性能試驗方法》（GB/T 31264-2014）中相關規定進行。試驗所用設備為WDW-100萬能電子試驗機，最大量程 100kN，如圖2（a）所示。稻草板抗壓試驗主要測試步驟如下：①對各個試件進行參數測量，用電子式游標卡尺精確測量試件各邊尺寸，精確至0.1mm，并錄入參數。②將試件安裝在加載設備上、下兩支座間，并在上、下兩端放置鋼墊片，調整各部件位置，使試件在試驗過程中保持軸心受壓的狀態。③對試件進行大小為100N的軸向預加載并卸載至0，以消除電子游標卡尺分3次測量試件各個方向的變形量，當從試驗機所顯示的試件荷載—位移曲線中能看出明顯變形時停止加載，并保存試驗數據。以KH4為例，受壓試驗如圖2（b）所示。

圖2 受壓試驗裝置

2 受壓試驗破壞現象

試件在加載初期處于彈性工作階段，隨著軸向荷載的不斷增大，軸向變形也呈線性增加，此時試件外觀基本沒有變化，僅護面紙局部出現輕微褶皺，內部稻草之間相互擠壓發出的“窸窣”聲。當軸向荷載達到某一數值時，護面紙的褶皺突然加速擴展，并有開裂的趨勢，逐漸失去對內部稻草的約束，此時稻草纖維方向與受力方向平行的試件KS和稻草纖維方向與受力方向垂直的試件KH表現出不同的現象。在此之后，KS試件隨著軸向荷載的繼續增大，承載力略有增大，不過增加緩慢。最后由于緊密排列的稻草纖維像燈籠狀失去致密性，試件徹底失去承載能力，此時停止加載。而KH試件在護面紙失去約束作用后，內部稻草在軸向荷載作用下排列更加緊密，并無屈服趨勢，并隨著荷載增大，荷載—位移曲線的斜率也逐漸增大。考慮材料實際工程中使用情況，以KH試件護面紙出現貫通整個截面的褶皺作為其破壞標準，其抗壓強度取彈性階段頂點的抗壓強度。其荷載—位移曲線，如圖3所示。

圖3 受壓試件荷載—位移曲線

試驗結束后，卸載取出試件觀察可知，稻草板受壓試件的破壞形式主要是包裹用的護面紙出現褶皺與稻草分離以及出現破裂，和致密的稻草纖維之間出現縫隙，而稻草本身無明顯變化。加載結束后，KH試件的變形恢復情況較好，KS試件的護面紙損壞更為嚴重，變形恢復較小。稻草板受壓試件的破壞形式，如圖4所示。

圖4 受壓試件破壞形式

3 抗壓強度與泊松比

紙面稻草板抗壓強度按下式計算：

式中，f為稻草板抗壓強度，MPa；P為破壞荷載，kN；A為試件的截面面積，mm。

稻草板的泊松比利用試驗過程中測得的各個方向的變形量，通過以下公式計算（其中方向規定如下：試件寬度方向為x方向，厚度方向為y方向，軸壓方向為z方向）：

式中，μ為zx方向的泊松比；l、l分別為x、z方向兩標記點的原始間距，mm；l、l分別為加載過程中彈性范圍內某時刻x、z方向兩標記點的間距，mm。

首先通過公式（1）和公式（2）計算出各試件的抗壓強度f和泊松比μ，再利用數學方法對試驗數據進行處理。求出KH和KS兩組試件抗壓強度和泊松比，分別作為稻草板兩種不同方向下的抗壓強度和泊松比。同時計算出每組數據的標準差σ和變異系數C兩個指標來衡量該試驗所得數值的離散程度。抗壓試件試驗數據如表1所示。

紙面稻草板抗壓力學性能 表1

4 稻草板力學性能試驗結果

通過上述稻草板受壓試驗，得出的稻草板抗壓強度、泊松比等力學性能指標如表2所示。結果表明：稻草板屬于正交異性板，在抗壓時順纖維方向的抗壓強度要小于垂直纖維方向的抗壓強度，分別為0.67MPa和1.42MPa。由以上數據可知，稻草板具有一定的強度，與型鋼龍骨共同構成組合墻體/樓板是可行的。在組合墻體中，稻草板不但能承受部分豎向荷載，同時也能為型鋼龍骨提供有效的側向約束，可提高墻體/樓板的各項性能。因此稻草板這一新型綠色板材，適合用于一些低層別墅和廠房以及新農村改造工程中。

紙面稻草板力學性能 表2

5 結論

本文對稻草板進行了順稻草纖維方向和垂直稻草纖維方向的受壓力學性能試驗研究，得到了如下結論：

①試件受壓過程中，當護面紙褶皺不明顯時，試件處于彈性階段，當褶皺貫通試件寬度方向或紙面出現較大開裂時，試件呈現塑性并逐漸破壞；

②稻草板的抗壓強度均有一定的離散性，但是相比石膏板、OSB板等常用建筑板材，離散程度更小，性能更穩定；

③稻草板是一種綠色節能板材，具有良好的力學性能，兼顧保溫隔熱隔音等作用，能作為輕鋼組合結構的覆面板，具有廣泛的應用前景。