秸稈草磚建筑建造技術(shù)研究

馮亞麗

（長江大學(xué)文理學(xué)院，湖北 荊州 434020）

0 引言

我國農(nóng)村居住建筑，采用黏土磚砌筑，破壞了生態(tài)環(huán)境，減少了耕地資源，且大多無節(jié)能設(shè)計(jì)，能耗大，因此尋找一種新型節(jié)能環(huán)保的墻體材料代替黏土磚具有重要的意義。秸稈草磚具有良好的保溫性能，生態(tài)環(huán)保無污染，能耗低，經(jīng)濟(jì)性好，抗震性能好，是一種綠色環(huán)保的建筑材料。早在20年前，我國東北三省和內(nèi)蒙古農(nóng)村地區(qū)就開展了節(jié)能草磚建房示范工程項(xiàng)目，先后修建了600余套草磚房，經(jīng)實(shí)測(cè)，新建草磚房的總體能源效率要比傳統(tǒng)磚房高出72%[1]。因缺少相關(guān)規(guī)范，專業(yè)的建筑施工人員匱乏，建造技術(shù)不成熟，建成后的草磚房也陸續(xù)出現(xiàn)較多問題，如熱橋問題造成的結(jié)露現(xiàn)象，草磚受潮發(fā)霉等問題，秸稈草磚房未得到廣泛推廣，仍處于探索的階段。本文對(duì)秸稈草磚建筑建造過程中的幾個(gè)關(guān)鍵問題，如基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、墻體加固和抹灰、熱橋問題以及管道布置等進(jìn)行研究和分析，以期其成果為草磚建筑的進(jìn)一步推廣提供一定的參考。

1 秸稈草磚發(fā)展簡況及結(jié)構(gòu)體系

1.1 秸稈草磚發(fā)展簡況

秸稈草磚主要是采用農(nóng)作物秸稈（小麥、大麥、玉米和水稻等）的干莖部分，經(jīng)機(jī)械壓縮后制成薄片，通過鋼絲或繩索捆扎成二線或三線草磚[2]。三線草磚的尺寸一般為長81~119cm，寬58~60cm，高36~43cm；二線草磚的尺寸一般為長90~100cm，寬45~50cm，高36~40cm[3]；草磚的密度一般不小于90kg/m3。濕度較大時(shí)，秸稈草磚容易發(fā)霉，一般來說，用于砌筑的秸稈草磚的含水量不得超過15%。20世紀(jì)初，草磚建筑最早建于美國的內(nèi)布拉斯加州，因其當(dāng)?shù)厝鄙倌静牡荣Y源，當(dāng)?shù)鼐用癫捎媒斩拤褐瞥刹荽u砌墻直接支撐屋頂，因此這種草磚墻承重體系也被稱為“內(nèi)部拉斯加法”。因其冬暖夏涼，居住效果良好，得到較大推廣。20世紀(jì)40年代，因混凝土等建筑材料的廣泛使用，草磚建筑的發(fā)展放緩。20世紀(jì)80年代，因其符合綠色節(jié)能環(huán)保理念，草磚建筑在世界范圍內(nèi)得到了進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。

1.2 草磚建筑的結(jié)構(gòu)體系

根據(jù)受力特點(diǎn)不同，草磚建筑的結(jié)構(gòu)體系分為墻承重體系、輕質(zhì)框架體系、框架承重體系及以上三種體系的混合承重體系。

1.2.1 墻承重體系

由秸稈草磚墻直接承受豎向和水平方向的荷載，因此要求秸稈草磚的密度較大，有較大的承載能力。這種結(jié)構(gòu)體系建造較為簡單方便，考慮草磚房的承載能力和穩(wěn)定性，一般只能建造1~2層的建筑，且墻體高寬比一般不超過5。門窗洞口面積占比不超過50%，門窗洞口做成較窄的細(xì)長型洞口為宜。

1.2.2 輕質(zhì)框架承重體系

主要采用輕質(zhì)木框架與草磚共同承重，輕質(zhì)木框架為草磚提供支撐，草磚布置在輕質(zhì)的木框架之間。這種承重體系主要用于國外草磚建筑中，建造技術(shù)相對(duì)墻承重體系較為復(fù)雜。結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性較好。

1.2.3 框架承重體系

主要采用木（鋼、鋼筋混凝土、磚）框架梁柱作為承重構(gòu)件，秸稈草磚作為填充墻使用。該結(jié)構(gòu)體系受力性能、承載能力、穩(wěn)定性能和保溫性能均較好，適合建造較大開間和進(jìn)深的建筑。在我國東北農(nóng)村地區(qū)應(yīng)用較多的是磚框架秸稈草磚填充墻的這種形式。

2 秸稈草磚建筑建造技術(shù)的幾個(gè)關(guān)鍵問題

秸稈草磚建筑建造過程有幾個(gè)關(guān)鍵問題不容忽視，如秸稈草磚建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、墻身加固和抹灰、熱橋問題、管道的布置、門窗和框架柱布置等。這些問題的研究成果關(guān)系到該技術(shù)的推廣應(yīng)用效果。

2.1 基礎(chǔ)

基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)需要考慮到基礎(chǔ)的埋深和構(gòu)造形式，為了減少凍脹土對(duì)基礎(chǔ)的影響，基礎(chǔ)的底面一般位于冰凍線以下。條形基礎(chǔ)多用于承重型秸稈草磚建筑，可以承受草磚墻傳遞的荷載；獨(dú)立基礎(chǔ)常用于框架型草磚建筑，為減少地基不均勻沉降，可以做成聯(lián)合基礎(chǔ)。北方地區(qū)大多采用毛石基礎(chǔ)或鋼筋混凝土灌注樁等基礎(chǔ)形式，常見的構(gòu)造做法有：草磚建筑基礎(chǔ)采用2m深灌注樁，基礎(chǔ)超過地面20cm 時(shí)做基礎(chǔ)圈梁以增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和防潮性能[3]。

楊青松[4]的草磚房建造實(shí)例是這樣的：草磚房框架柱采用370mm×370mm鋼筋混凝土夾心磚柱，填充草磚，基礎(chǔ)采用毛石基礎(chǔ)，基礎(chǔ)上現(xiàn)澆370mm×300mm的基礎(chǔ)圈梁，基礎(chǔ)圈梁高出室內(nèi)地面20cm，以便草磚墻防水。

2.2 墻體

2.2.1 墻體的加固

秸稈磚順磚砌筑，錯(cuò)縫搭接，避免形成通縫。為避免秸稈草磚的切割，需要提前排布，窗間墻應(yīng)放置整磚為宜。

關(guān)于非承重秸稈草磚墻（圖1）的建筑構(gòu)造方法，美國新墨西哥州制定了相關(guān)建筑規(guī)范，要求在木柱之間布置秸稈草磚，草磚和木柱連接處采用膨脹金屬包角連接。在秸稈草磚內(nèi)部插入豎向鋼筋進(jìn)行相互連接，每個(gè)草磚內(nèi)至少布置兩根鋼筋；底層的草磚通過預(yù)埋在基礎(chǔ)中的鋼筋與基礎(chǔ)連接。

圖1 非承重秸稈草磚墻的構(gòu)造

赫爾諾特·明克[5]等人在《秸稈建筑》中提出，通過預(yù)應(yīng)力桿和張拉皮帶對(duì)草磚墻施加預(yù)應(yīng)力，增強(qiáng)承重草磚墻的穩(wěn)定性和承載能力。

在承重秸稈磚墻內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力桿（圖2）的主要構(gòu)造方法是：在秸稈磚墻頂設(shè)置圈梁，通過張拉連接件如螺紋桿將圈梁和基礎(chǔ)拉結(jié)。螺紋桿長約180cm，必要時(shí)需要對(duì)螺紋桿接長，螺紋桿需要穿過秸稈草磚內(nèi)部，該工序比較耗時(shí)。

圖2 內(nèi)設(shè)張拉螺紋桿的承重秸稈磚墻

另外一種墻體加固措施是采用張拉皮帶（圖3），將皮帶固定到基礎(chǔ)上，然后拉到墻頂圈梁上繞緊捆好，在皮帶和圈梁邊緣接觸部分進(jìn)行邊緣加固。對(duì)于非承重墻，在實(shí)際建造過程中，秸稈草磚從第一層開始砌筑，暫時(shí)不放最后一層，將皮帶拉緊后，再把最后一層秸稈草磚塞到圈梁下，最后取走皮帶。

圖3 采用張拉皮帶的承重秸稈磚墻

段文峰等[6]提出了兩種承重型高密度秸稈草磚墻體加固設(shè)計(jì)，分別為榫接型墻體和插筋型墻體。

榫接型墻體是在草磚制造過程中，將高密度草磚做成一端凸出，一端凹進(jìn)。凸出高度為30~50mm，突出寬度在50~150mm，凹進(jìn)尺寸同凸出尺寸相同，在砌筑過程中，草磚上下搭接，相互咬合，整體性較好，但是制造較為復(fù)雜，需要專門的模具。

插筋型墻體首先在秸稈草磚內(nèi)部距邊緣1/4長度處開兩孔，開孔直徑10~20mm；在草磚砌筑過程中，通過預(yù)留孔插筋的方法將上下層草磚、草磚與基礎(chǔ)、草磚與圈梁間連接在一起，增強(qiáng)草磚墻的整體性能和穩(wěn)定性能，但是該方案制造復(fù)雜，內(nèi)部插筋容易產(chǎn)生冷凝水，從而給草磚墻帶來潛在危害。

楊晶晶等[7]在草磚墻體設(shè)計(jì)研究中提出了一種新的墻身構(gòu)造方式加強(qiáng)草磚房墻身穩(wěn)定，主要構(gòu)造措施有：（1）通過在基礎(chǔ)圈梁中預(yù)埋鋼筋與秸稈草磚連接；（2）秸稈草磚砌筑時(shí)，錯(cuò)縫搭接，通過在草磚墻內(nèi)布置豎向鋼筋將上下皮草磚連接在一起；（3）在草磚墻轉(zhuǎn)角處，布置膠合板角鐵（圖4），并在角鐵預(yù)留孔洞內(nèi)插入鋼筋或是竹質(zhì)針，加強(qiáng)草磚墻轉(zhuǎn)角處的穩(wěn)定性。

圖4 轉(zhuǎn)角處草磚連接示意圖

2.2.2 墻身防水

為防止秸稈磚墻受潮，需要重點(diǎn)對(duì)秸稈墻墻身與基礎(chǔ)連接部分做好防護(hù)處理。常用的做法有：在墻體底部設(shè)置濺水板，高度不小30cm，并從這個(gè)高度處向上砌筑第一層秸稈草磚；也可以在墻體周邊鋪設(shè)砂礫層或碎石層，或者種植矮植被等，都可以有效地減少濺水現(xiàn)象，但這類做法也容易在墻角處積蓄水分，對(duì)防水不利。

楊晶晶等[8]在墻體防水研究中，提出了幾種墻身防水構(gòu)造措施：一種是在外墻表面設(shè)置防水透氣膜，既可以有效阻止雨水的進(jìn)入，又不影響水蒸氣的通過；另一種常見的構(gòu)造措施是在外墻抹灰后，設(shè)置通風(fēng)耐候板，可以有效抵御室外風(fēng)霜雨雪等對(duì)外墻的影響，通風(fēng)耐候板和外墻間留有空氣間層，增強(qiáng)墻身的保溫和通風(fēng)。

2.2.3 墻體的抹灰

草磚墻在砌筑后，需要及時(shí)進(jìn)行抹灰，抹灰的主要作用有提高承載力，提高秸稈草磚墻的保溫性能和防火性能。常見的抹灰材料有泥土、灰泥、石灰、水泥等。

（1）泥土抹灰。材料對(duì)空氣中水蒸汽擴(kuò)散的抵抗性能稱為蒸汽擴(kuò)散系數(shù)μ。泥土抹灰的蒸汽擴(kuò)散系數(shù)低至6~8，具有較好的調(diào)節(jié)空氣濕度的能力。對(duì)于室內(nèi)抹灰，抹灰層厚度約為30~60mm，分三層抹灰。底層抹灰一般推薦采用高壓泵在草磚墻表面噴射，并用木板或泥刀抹平。底層灰主要作用是初步找平，遮蓋伸出的桿莖。推薦采用高黏土含量的泥土抹灰，可增強(qiáng)與秸稈桿莖的可靠連接。中間抹灰層較薄，可適當(dāng)加入細(xì)砂、鋸末、碎麥糠或麻纖維等摻合物，減少干縮產(chǎn)生的裂縫，中層灰主要作用是進(jìn)一步找平，為面層作準(zhǔn)備。面層抹灰中推薦加入粗砂、碎麥糠或麻纖維等摻合物，面層的主要作用是減少開裂和裝飾作用。泥土作為室外抹灰材料時(shí)，可以加入添加劑或涂刷油漆面層，增強(qiáng)防水性能。

（2）水泥抹灰。在早期的草磚建筑中，水泥常用來作為外墻抹灰材料。由于水泥抹灰的脆性很大，一般需要采用覆蓋金屬網(wǎng)進(jìn)行加固。室外的抹灰材料必須能阻擋水汽進(jìn)入秸稈草磚，另一方面又能使水蒸汽自由透過，防止冷凝水的產(chǎn)生。水泥是一種水硬性材料，蒸汽擴(kuò)散系數(shù)較高，為20~30，透氣性差，阻止了水蒸汽的擴(kuò)散，容易在水泥抹灰層內(nèi)部形成冷凝水，造成秸稈草磚受潮腐蝕。所以水泥并不是一種理想的室外抹灰材料。

（3）石灰抹灰。石灰是一種可靠的室外抹灰材料，石灰與砂配合比一般為1:3~1:4。由于石灰抹灰的硬化較慢，可在石灰中添加5%的水泥，也可以加入食鹽，加速硬化。底層灰采用高壓泵噴射，充分浸潤草磚表面，并用泥刀抹平。在草磚墻表面覆蓋金屬網(wǎng)后，再進(jìn)行中間層抹灰和面層抹灰。

2.3 門窗設(shè)計(jì)

根據(jù)生活習(xí)慣，窗戶一般在南向或南向偏角15°范圍內(nèi)設(shè)置。草磚墻較厚，在施工中需要考慮門窗在洞口內(nèi)的具體位置。為了避免在窗戶邊緣處形成熱橋，產(chǎn)生冷凝水，可以將窗戶布置在窗洞中間，并施加隔熱措施。其中最理想的方案是在窗洞中間布置空心窗，研究表明空氣間層為6mm時(shí)，隔熱氣密性效果最好。草磚房實(shí)際施工中，一般要求在窗框底板上鋪設(shè)防水卷材，并向下延伸不少于20cm長度，防止窗下草磚受潮[4]。

2.4 熱橋問題

秸稈草磚建筑熱橋的產(chǎn)生主要是因?yàn)橥鈮χ苓叺娜α?、框架梁柱等部位熱傳?dǎo)系數(shù)較大，而草磚的熱傳導(dǎo)系數(shù)較小，約為0.045W/(m·K)，所以在這些部位容易增加建筑物的熱量損失，促使冷凝水的形成，造成墻體受潮，降低草磚墻體的保溫性能，嚴(yán)重時(shí)造成草磚發(fā)霉等現(xiàn)象。我國早期的草磚房建設(shè)中，由于建造經(jīng)驗(yàn)不成熟，草磚房的圈梁和框架柱等部位未做保溫處理，出現(xiàn)結(jié)露，發(fā)霉現(xiàn)象嚴(yán)重影響草磚墻的使用壽命。即使是木框架結(jié)構(gòu)也會(huì)出現(xiàn)熱橋效應(yīng)，主要是木材的熱傳導(dǎo)系數(shù)是草磚的2~3倍。所以有必要在建筑易出現(xiàn)熱橋的部位進(jìn)行保溫處理，常見的構(gòu)造做法是：在框架梁柱、圈梁外側(cè)粘貼保溫板（改性EPS 聚苯板或巖棉復(fù)合保溫板等）或涂抹保溫砂漿[9]。

草磚外墻縫隙和裂縫的存在，會(huì)導(dǎo)致熱量損失較大，降低墻體的氣密性。為了保證草磚墻的隔熱保溫性能，需要對(duì)秸稈草磚之間、門框窗框接縫處、草磚與主體結(jié)構(gòu)之間的縫隙進(jìn)行仔細(xì)密封。在秸稈草磚抹灰前，用草筋泥漿填補(bǔ)草磚墻的縫隙和凹陷處，門窗和草磚墻接縫處用發(fā)泡膠填充，窗扇與窗框用密封條進(jìn)行密封，防止冷風(fēng)滲透，防止雨水滲入墻體腐蝕草磚。

2.5 管道布置

給排水管道不宜布置在秸稈草磚墻內(nèi)部，一方面墻內(nèi)水管滲漏很難被發(fā)現(xiàn)，檢修困難，另一方面冷水管會(huì)促進(jìn)冷凝水的生成，容易造成秸稈草磚墻身受潮發(fā)霉等問題。給排水管道一般可以布置在靠墻側(cè)地板中或立柱墻中。電線穿過秸稈草磚時(shí)，必須將其包入不燃燒的導(dǎo)線管中，插座和開關(guān)安裝在門框或框架柱上，或安裝在預(yù)埋的木楔上。

3 結(jié)束語

綜上所述，秸稈草磚具有良好的保溫性能，生態(tài)環(huán)保無污染，能耗低，經(jīng)濟(jì)性好，抗震性能好，是一種綠色環(huán)保的建筑材料。但草磚房建設(shè)技術(shù)不成熟，經(jīng)驗(yàn)不豐富，草磚房在實(shí)際使用過程中出現(xiàn)裂縫、結(jié)露、受潮發(fā)霉等現(xiàn)象，歸根結(jié)底是因?yàn)闆]有處理好建造過程中的幾個(gè)關(guān)鍵問題，如秸稈草磚建筑的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、墻身加固和抹灰、熱橋問題、管道的布置、門窗和框架柱布置等。對(duì)這幾個(gè)關(guān)鍵問題的研究成果可為秸稈草磚房建造技術(shù)的推廣提供一定的參考。