秸秆建筑材料的物理特性及具体应用

　　引言
　　
　　近些年来，每到夏季，长江流域一些城市由于农民“焚烧秸秆”的行为导致各种危害时有发生：南京、上海等地的天空变成“蜡黄天”，粉尘颗粒漫天，能见度很差；安徽频遭雾霾天气；扬州消防部门一天接到数十起麦田火灾；更有甚者因焚烧秸秆产生的烟雾造成驾驶员能见度降低而造成的交通事故也时有发生。所发生的一切让人不禁要问：这些“秸秆”除了焚烧还田之外，再也没有更好的处理办法了吗？其实不然，放眼别国，“秸秆饲料”、“秸秆气化发电”等新途径、新思路早已被科研人员所探究。在建筑领域，秸秆也已被作为建筑材料代替砖、木等常规材料加以利用，发挥其节能环保、隔音隔热等优点，这对建筑材料的可持续发展具有里程碑意义。

　　秸秆是成熟农作物（如谷类、豆类、薯类、油料类、麻类等）在收获籽实后，茎叶（穗）等剩余部分的总称，是重要的可再生生物资源。我国是一个农业大国，伴随着每年产出大量农产品的同时，大量的农作物秸秆也被产出。据统计，我国每年出产的农作物秸秆量超过7亿t，但是其综合利用率还是很低，虽然政府相继出台了多项政策来促进改善秸秆的利用率，但是由于种种原因，实际利用率仅占全国秸秆资源总量的 30% 左右，大量的秸秆资源仍被闲置，进而就地焚烧处理。其实，在我国建筑原材料过度消耗，供应日趋紧张的今天，合理利用现成的资源——农作物秸秆这一可再生资源作为建筑材料，不失为一举几得的举措。更何况，随着全球低碳理念的崛起，人们的消费、审美理念也在悄然变化，农作物秸秆凭借低碳环保、亲近自然的特性，从石材、塑料等众多主流建筑材料中脱颖而出，必然会成为未来建筑材料研究中的创新点。

　　在人类历史上，人们早就有开始使用稻草、芦苇等材料建造房屋的先例。

　　19 世纪末，在美国西北部的内布拉斯加州的平原地区，受制于现地缺少建造房屋所需要必备材料（包括木材、石块等），生活在那里的农民就尝试着把被废弃的农作物秸秆（主要是稻草或麦秸秆）紧紧捆扎、压制成砌块，如同砖块一样垒砌起来，建造了自己的临时住宅，这就是早期的内布拉斯加式秸秆建筑。随后人们发现这种用秸秆砌块建造的房屋不但坚固耐用，而且冬暖夏凉，隔声防潮效果好，且原料采集方便，建造成本低，因而逐渐受到了人们的追捧。

　　从 1886 年第一座诞生于美国内布拉斯加州的秸秆建筑开始，到 19 世纪 40 年代，新秸秆技术的应用是秸秆建筑发展的第一个高速成长期。仅1915 ～ 1930 年这短短的 15 年间，在内布拉斯加州就修建了大约 70 多座秸秆建筑，13 处早期建造的秸秆建筑成功抵御了外界恶劣的自然环境（高温、强风等）得以保留；到了 20 世纪 40 年代，由于受到混凝土等新型建筑材料和技术的影响，秸秆砌块建筑不再被人青睐，工艺技术也随之停滞不前；直到 1970 年末，随着绿色和环保理念的兴起，加上工艺技术水平的逐渐成熟，秸秆建筑材料又重新受到人们的重视，秸秆建筑又重新在美国各地开始建造，同时也流传到了中美洲、拉丁美洲、欧洲及大洋洲等国，深受各国人们喜爱[1]。进入 20 世纪 90年代，随着 DIY 建筑行为的风行，使用秸秆建筑材料的热潮愈演愈烈的同时，研究人员也逐步把秸秆建材的研究转向材料生态学及乡土地域的振兴研究领域，对建筑的可持续发展与更新具有更深远的意义。

　　1 秸秆建筑材料的物理特性

　　1.1 成分接近木材

　　判断农作物秸秆是否能够替代木材用于建筑，首先需要通过考察比对两者之间的成分含量。从表 1 中可以看出：影响板材性能的主要 3 大因素——纤维素、木质素和戊聚糖的含量，农作物秸秆与木材以上 3 项的含量基本相似，尤其是麦秸和蔗渣的纤维素含量非常接近于木材。因此，从理论上说，农作物秸秆是适宜代替木板用作建筑原料的[2]。
　　
　　1.2 承载力强

　　一般秸秆砖可以承受墙体工作面长度500kg/m2荷载（近似等于 1 000kg/m2），如在建造之前做好预应力处理，秸秆砖作为建筑材料在物理承力方面完全可以胜任。

　　1.3 韧性高

　　秸秆砖受到外界静荷载时，会出现被压扁现象，一旦砖上的荷载被移除时，就会恢复原状。正是由于秸秆砖的这种高度的韧性，作为建筑材料的它对冲击荷载、周期性疲劳破坏有很强的抵抗力，同时也具有良好的抗震性及抵御飓风性能。

　　1.4 隔音效果较好

　　用秸秆制作的隔墙板材自身具有一定的厚度且容重较大，声波衰减较大，隔音效果比较好，并且秸秆砖相比传统的黏土砖密度小，故在一定程度上吸收声音的能力大于传统的黏土砖。

　　1.5 隔热性高

　　秸秆建筑可以达到节能建筑材料的标准，即年耗能量要求不大于 15kWh/m2。

　　比如规格 200mm 厚的秸秆墙板，其保温系数 4 倍于 370mm 黏土砖墙。事实上，正是因为秸秆材料出色的隔热性以及低廉的成本，人们常常将农作物秸秆材料制作成诸如隔热层及填充板，被用于保温性能差的房屋的密封隔热。

　　1.6 防潮性好

　　干秸秆本身具有良好的吸湿性能，但为保证秸秆砖的硬度，其含水量应控制在低于 15%，并设置防水层，在利用秸秆砖搭建时，为使潮气能够很好地向外扩散，可在内表面设置水蒸气隔离层，外表面处理时应保证水蒸气能够溢出，从而保证秸秆砖的干燥。

　　1.7 防火性高

　　秸秆本身极易燃烧，但是经过高密度压实之后，在其处于室内的面层用泥土抹灰，室外的面层用石灰抹灰之后，其防火等级可达到 F90（抗燃烧90min），属于防火性能良好的建筑材料。

　　1.8 防虫防鼠

　　通过一系列的压实和加工后，秸秆板材的密度可达 90kg/m3以上，可有效抵抗各种啮齿类动物的破坏，更何况内层外层还有抹灰层（厚度为单边3 ～ 6cm）保护，小动物要想突破防线可谓难上加难。这也是即使在年代久远的秸秆建筑中也没有发现虫害和鼠害，同时也没有寄生虫和白蚁存在的重要原因，充分证明了秸秆建筑的强度和结构可靠度是值得信赖的。

　　2 秸秆作为建筑材料的优点

　　一般而言，作为一种建筑材料的最基本要求有以下几个方面：①技术性能要求。包括材料本身的隔热、隔音、耐潮、防腐以及安全、强度等诸多特性；②工艺性要求。主要指作为材料工艺结构能否符合要求，例如是否便于加工制作，后续维修保养是否方便等等；③经济性要求。主要指材料的价格，包括原材料的成本控制、是否可以批量生产等。除了这 3 个基本要求之外，还可以从材料是否环保低碳，是否可持续等方面加以考量。

　　2.1 原料丰富

　　每年我国出产秸秆就达到约7亿t，特别是在我国黄海、淮海和长江中下游水稻、小麦秸秆高产地区，是一种可以每年再生的常见资源，原料资源非常丰富，且不受地域限制，从而有效降低了其生产成本。

　　2.2 安全

　　从上述对秸秆物理特性的分析得知，秸秆作为建筑材料，韧性强、承载力大、隔音、防潮、防虫防鼠，内外表面涂抹石灰和泥土的秸秆砖，可以抗燃烧 90min。所以，秸秆作为建筑材料的强度和安全性是值得信赖的。

　　2.3 轻质

　　秸秆砖及秸秆板材属于轻质材料，相等面积的秸秆板墙的重量不到黏土砖墙的 1/10。据有关方面的统计数据，目前每平方米房屋建筑面积的建筑材料质量约为 1 200kg 左右，如采用秸秆砖和复合墙体材料替代，其质量仅为 80kg 左右，大大减轻了房屋的整体质量，提高了建筑结构的抗震能力，增加了建筑物的安全系数。而且，建筑材料自重的减少，可以节约运输成本等基础费用，从而降低建筑造价。

　　2.4 标准定型模块

　　我们通常都按照标准的尺寸制造秸秆砖或者秸秆板墙。只有这样，构件加工制作才可工业化，从而降低生产成本。而且，通过这些标准模块，房屋体系的平面及空间可以自由搭建， 间隔墙拆装灵活，可按需改变房间数量、大小及功能。

　　此外，还有一个很重要的好处：标准化定型模块后，可以大大缩短工期。据推测，标准件施工比传统施工工期缩短近 1/3。

　　2.5 节能

　　秸秆建筑材料的隔热保温性能优良， 与传统砖混结构建筑材料相比， 其保温系数几倍于黏土砖墙。由于秸秆材料的高隔热性能，使用秸秆材料的建筑每年可大大降低使用过程中的建筑能耗。

　　研究表明 : “在环境影响方面， 与传统砖混结构房屋相比， 使用秸秆材料的建筑总固有能耗改善了 1/3， 灰色能耗 (指基于灰色系统理论， 对能源消耗的变化特征、影响程度等因素的数量分析 )改善了 3/4， 二氧化碳足迹改善了 2/3，供热需求降低了 1/2， 制冷需求减少了1/4。”

　　2.6 环保

　　秸秆是一种每年再生的建筑材料，其取之于自然、用之于自然、消化于自然，对环境的破坏、地球的负担相当小。一旦秸秆建筑发生解体，秸秆可以轻易地从其他建筑材料中剥离出来，自行消化，可以说秸秆材料对环境没有负面影响。而且在能耗、温室气体排放等方面， 秸秆材料的环保性也远优于砖混结构。

　　2.7 趣味

　　运用秸秆材料自行动手建造房子可谓是最理想的一种方式。它不仅可以节约建造成本，秸秆材料的使用在一定程度上保证了材料的乡土性和原始性，向人们展示了你所建造的“家”的“独一性”，这会给户主一家强烈的“自豪感”——这是我们自己亲手建的房子！对所有参与者来说，这也是一次令人兴奋的互动过程，是一项愉悦的社会体验。

　　2.8 回归自然的心里诉求

　　在很长一段时间里，“大机器制造之美”一直成为人们的审美标准。随着时代的变迁，现在人们开始追求不规则、天然之美，崇尚手工制造以及加工天然建筑材料的技巧。机器生产出来的人工的、平整的表面不再符合这个时代的审美要求。天然建筑材料渐渐重新走进了人类的生活，并且更加展现其独特的魅力。秸秆材料是天然农作物的代表产品，因为其不会对环境造成任何污染，也不会产生有毒有害危害（只要使用得当），完全能够满足人们对自然回归的生理和心理需求，以及低碳环保可持续发展的理念。

　　3 急需解决的问题

　　3.1 原料的收集、运输和贮存问题

　　秸秆是一年生植物，季节性比较强，因而原料的收集、运输和贮存问题比较突出。为了保证一条秸秆板生产线的顺利生产，需要大量的秸秆原料支撑。这就需要原料收集的持续性，为了维持持续的供给，原料收集地域范围的半径不宜过广，否则会大大增加运输时间及运输成本。此外，由于秸秆原料质轻、占地，给运输效率和贮存质量都带来不利影响。

　　国外普遍采用打包形式贮存， 将秸秆打成一定尺寸、重量约为 1t 的方包，便于运输和存放。另一方面，由于秸秆原料易燃、含水率等特性，还要考虑场地及其周围的环境，包括防火和排水等措施，给原料的贮存带来了一定的难度。

　　3.2 社会对新型建材的认知度

　　由于秸杆材料是新出现的产品，故当人们意识到自己的生活环境由秸秆原料建造时，不由自主会产生一种下意识的担忧：“这种材料可靠哇？安不安全啊……”这些疑问都是对新兴事物所产生的正常反应。其实，实践证明：秸秆建筑材料的强度和结构可靠度是值得信赖的，我们大可不必忧虑。可能，这种新型的环保材料得到社会的接受和认可还需要一段过程，这就更加要求社会包括媒体大力、正确的引导，并作好广告宣传工作，慢慢减少广大使用者的疑虑，进而认知并且认同这种新型材料。

　　3.3 控制原料成本，降低产品价格

　　现在市场上无论秸秆砖和秸秆板墙的售价都比传统的土砖、人造板贵50％～ 300％，因此若想与这些传统的建材相竞争，价格也是最需要解决的问题之一。所以，我们除了通过合理的方式来控制原料成本之外，通过提高工艺技术来降低用料的量也是一个不错的选择。比如制造秸杆板采用异氰酸酯胶黏剂施胶的工艺， 由于这种胶价格昂贵，为了控制成本，寻求如何控制和降低施胶量的同时牢度没有弱化的新工艺技术，成为了这一产业持续发展的新课题。

　　3.4 国家及地方政府政策的支持和扶持

　　由于秸秆建材的认知度低，且售价高，与传统的建材相比竞争力弱。但是秸秆是一种由太阳能、土壤中的水和矿物共同作用组成的绿色建筑原料，它零排放、无污染，对环境没有任何的负面影响。因此， 国家及地方政府应在政策与资金上给予大力支持和扶持。就如同国家为了大力推进“电动汽车”的发展，科技部拟定了《电动汽车科技发展“十二五”专项规划》条例，促进了这一朝阳产业的发展。所以，秸秆建材的发展，也需要国家政府相关政策的支持和扶持。

　　3.5 积极引进国外先进工艺

　　秸秆建材在我国刚刚起步， 特别是配套的工艺水准及生产设备都跟不上形式发展的需要。生产工艺的成熟度缺乏，稳定性弱， 国产设备生产能力滞后。因此， 应在加强我国自身联合研制开发的同时，多借鉴国外现成的经验，实行“拿来主义”。有能力的企业可以考虑“请进来”的方法，与外商合资建厂， 引进先进工艺及设备， 充分发挥我国巨大的秸秆资源优势， 使秸秆建材生产逐渐形成规模，从而走上一条不断发展创新的良性轨道。

　　4 秸秆在国内外建筑材料中的应用

　　随着全球低碳理念的崛起，人们的消费、审美理念也在悄然变化，农作物秸秆凭借低碳环保、亲近自然的特性，从石材、塑料等众多主流建筑材料中脱颖而出，成为现代设计材料应用研究中新的尝试点。2010年上海世博会万科馆，极具创意的麦垛建筑造型和麦秸板材外墙材料的创新应用，使得秸秆建筑第一次作为设计的主角为广大国人所熟知并津津乐道（图 1）。2010 年上海世博会万科馆的昵称是“麦垛”，它选用秸秆板作为结构材料，并以“材料－结构－空间”的推演为基础生成建筑形体。最终实现的设计通过自然材料 ( 秸秆板 )、自然采光、自然通风降温这几个方面表达了对自然的尊重，唤起人们接受、欣赏、尊重自然的观念与信心[3]。

　　地震灾害后人们发现：使用混凝土建造的房屋大多出现了坍塌情况，而木质桁架结构的房屋则更富有弹性，其在地震中的安全系数更高。在地震频发的巴基斯坦，人们开始建造“秸秆房屋”，这种建造方法是采用植物秸秆为原材料，把秸秆草砖放在黏土水泥围住的沙砾地基之上，主要作用是隔热而不是作为结构和承重组件；墙壁是用竹子制成的，利用特殊技术复合加工成材，取代钢筋水泥用作建筑物的梁、柱、墙等；房顶是木材制成的，用额外的一层秸秆隔热，上面覆盖着金属（图 2）。建成后房子的整体组成更加坚固耐用，轻质节能，冬暖夏凉，更重要的是防震系数高，因为它 1m2重量只有 3kg 左右[4]。

　　5 结语

　　自 20 世纪 90 年代至今，伴随全球森林资源的过度消耗和人类环保意识的加强， 人们在重视“绿色”、“环保”、“ 以人为本”等可持续发展元素的同时，追求“个性化”、“多元化”、“现代化”成为一种新时尚。秸秆建材正好是这种思潮下的产物。它取之于自然，用之于自然，分解于自然，完全符合可持续发展的理念，而且用秸秆建造的建筑时尚现代、与众不同，虽然在一段时期内不可能完全取代木材， 而其作为一种绿色建材、生态建材在家具制造、室内装修、包装、建筑等行业将成为木制板材的有力补充。
　　
　　参考文献：

　　[1] 赫尔诺特·明克，弗里德曼·马尔克.秸秆建筑 [M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.
　　[2] 毕于运，王道龙等 . 中国秸秆资源评价与利用 [M]. 北京：中国农业科学技术出版社，2008.
　　[3]韩广萍，程万里，Krijn D K Leendertse.麦秸在建筑材料中的应用——定向结构麦秸板及其房屋系统[J].木材工业，2010(05).
　　[4] 琳恩·伊莉莎白 . 新乡土建筑——当代天然建造方法 [M]. 吴春苑译 . 北京 :机械工业出版社，2005.