秸稈草磚建筑建造技術研究

馮亞麗

（長江大學文理學院，湖北 荊州 434020）

0 引言

我國農村居住建筑，采用黏土磚砌筑，破壞了生態環境，減少了耕地資源，且大多無節能設計，能耗大，因此尋找一種新型節能環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，生態環保無污染，能耗低，經濟性好，抗震性能好，是一種綠色環保的建筑材料。早在20年前，我國東北三省和內蒙古農村地區就開展了節能草磚建房示范工程項目，先后修建了600余套草磚房，經實測，新建草磚房的總體能源效率要比傳統磚房高出72%[1]。因缺少相關規范，專業的建筑施工人員匱乏，建造技術不成熟，建成后的草磚房也陸續出現較多問題，如熱橋問題造成的結露現象，草磚受潮發霉等問題，秸稈草磚房未得到廣泛推廣，仍處于探索的階段。本文對秸稈草磚建筑建造過程中的幾個關鍵問題，如基礎設計、墻體加固和抹灰、熱橋問題以及管道布置等進行研究和分析，以期其成果為草磚建筑的進一步推廣提供一定的參考。

1 秸稈草磚發展簡況及結構體系

1.1 秸稈草磚發展簡況

秸稈草磚主要是采用農作物秸稈（小麥、大麥、玉米和水稻等）的干莖部分，經機械壓縮后制成薄片，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，秸稈草磚容易發霉，一般來說，用于砌筑的秸稈草磚的含水量不得超過15%。20世紀初，草磚建筑最早建于美國的內布拉斯加州，因其當地缺少木材等資源，當地居民采用秸稈壓制成草磚砌墻直接支撐屋頂，因此這種草磚墻承重體系也被稱為“內部拉斯加法”。因其冬暖夏涼，居住效果良好，得到較大推廣。20世紀40年代，因混凝土等建筑材料的廣泛使用，草磚建筑的發展放緩。20世紀80年代，因其符合綠色節能環保理念，草磚建筑在世界范圍內得到了進一步的推廣應用。

1.2 草磚建筑的結構體系

根據受力特點不同，草磚建筑的結構體系分為墻承重體系、輕質框架體系、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。這種結構體系建造較為簡單方便，考慮草磚房的承載能力和穩定性，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長型洞口為宜。

1.2.2 輕質框架承重體系

主要采用輕質木框架與草磚共同承重，輕質木框架為草磚提供支撐，草磚布置在輕質的木框架之間。這種承重體系主要用于國外草磚建筑中，建造技術相對墻承重體系較為復雜。結構的整體性和穩定性較好。

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件，秸稈草磚作為填充墻使用。該結構體系受力性能、承載能力、穩定性能和保溫性能均較好，適合建造較大開間和進深的建筑。在我國東北農村地區應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的幾個關鍵問題

秸稈草磚建筑建造過程有幾個關鍵問題不容忽視，如秸稈草磚建筑的基礎設計、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系到該技術的推廣應用效果。

2.1 基礎

基礎的設計需要考慮到基礎的埋深和構造形式，為了減少凍脹土對基礎的影響，基礎的底面一般位于冰凍線以下。條形基礎多用于承重型秸稈草磚建筑，可以承受草磚墻傳遞的荷載；獨立基礎常用于框架型草磚建筑，為減少地基不均勻沉降，可以做成聯合基礎。北方地區大多采用毛石基礎或鋼筋混凝土灌注樁等基礎形式，常見的構造做法有：草磚建筑基礎采用2m深灌注樁，基礎超過地面20cm 時做基礎圈梁以增加結構穩定性和防潮性能[3]。

楊青松[4]的草磚房建造實例是這樣的：草磚房框架柱采用370mm×370mm鋼筋混凝土夾心磚柱，填充草磚，基礎采用毛石基礎，基礎上現澆370mm×300mm的基礎圈梁，基礎圈梁高出室內地面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，窗間墻應放置整磚為宜。

關于非承重秸稈草磚墻（圖1）的建筑構造方法，美國新墨西哥州制定了相關建筑規范，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。在秸稈草磚內部插入豎向鋼筋進行相互連接，每個草磚內至少布置兩根鋼筋；底層的草磚通過預埋在基礎中的鋼筋與基礎連接。

圖1 非承重秸稈草磚墻的構造

赫爾諾特·明克[5]等人在《秸稈建筑》中提出，通過預應力桿和張拉皮帶對草磚墻施加預應力，增強承重草磚墻的穩定性和承載能力。

在承重秸稈磚墻內施加預應力桿（圖2）的主要構造方法是：在秸稈磚墻頂設置圈梁，通過張拉連接件如螺紋桿將圈梁和基礎拉結。螺紋桿長約180cm，必要時需要對螺紋桿接長，螺紋桿需要穿過秸稈草磚內部，該工序比較耗時。

圖2 內設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行邊緣加固。對于非承重墻，在實際建造過程中，秸稈草磚從第一層開始砌筑，暫時不放最后一層，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計，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。凸出高度為30~50mm，突出寬度在50~150mm，凹進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，但是制造較為復雜，需要專門的模具。

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

楊晶晶等[7]在草磚墻體設計研究中提出了一種新的墻身構造方式加強草磚房墻身穩定，主要構造措施有：（1）通過在基礎圈梁中預埋鋼筋與秸稈草磚連接；（2）秸稈草磚砌筑時，錯縫搭接，通過在草磚墻內布置豎向鋼筋將上下皮草磚連接在一起；（3）在草磚墻轉角處，布置膠合板角鐵（圖4），并在角鐵預留孔洞內插入鋼筋或是竹質針，加強草磚墻轉角處的穩定性。

圖4 轉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，需要重點對秸稈墻墻身與基礎連接部分做好防護處理。常用的做法有：在墻體底部設置濺水板，高度不小30cm，并從這個高度處向上砌筑第一層秸稈草磚；也可以在墻體周邊鋪設砂礫層或碎石層，或者種植矮植被等，都可以有效地減少濺水現象，但這類做法也容易在墻角處積蓄水分，對防水不利。

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

2.2.3 墻體的抹灰

草磚墻在砌筑后，需要及時進行抹灰，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。材料對空氣中水蒸汽擴散的抵抗性能稱為蒸汽擴散系數μ。泥土抹灰的蒸汽擴散系數低至6~8，具有較好的調節空氣濕度的能力。對于室內抹灰，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，可增強與秸稈桿莖的可靠連接。中間抹灰層較薄，可適當加入細砂、鋸末、碎麥糠或麻纖維等摻合物，減少干縮產生的裂縫，中層灰主要作用是進一步找平，為面層作準備。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，可以加入添加劑或涂刷油漆面層，增強防水性能。

（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進行加固。室外的抹灰材料必須能阻擋水汽進入秸稈草磚，另一方面又能使水蒸汽自由透過，防止冷凝水的產生。水泥是一種水硬性材料，蒸汽擴散系數較高，為20~30，透氣性差，阻止了水蒸汽的擴散，容易在水泥抹灰層內部形成冷凝水，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后，再進行中間層抹灰和面層抹灰。

2.3 門窗設計

根據生活習慣，窗戶一般在南向或南向偏角15°范圍內設置。草磚墻較厚，在施工中需要考慮門窗在洞口內的具體位置。為了避免在窗戶邊緣處形成熱橋，產生冷凝水，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，隔熱氣密性效果最好。草磚房實際施工中，一般要求在窗框底板上鋪設防水卷材，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生主要是因為外墻周邊的圈梁、框架梁柱等部位熱傳導系數較大，而草磚的熱傳導系數較小，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，嚴重時造成草磚發霉等現象。我國早期的草磚房建設中，由于建造經驗不成熟，草磚房的圈梁和框架柱等部位未做保溫處理，出現結露，發霉現象嚴重影響草磚墻的使用壽命。即使是木框架結構也會出現熱橋效應，主要是木材的熱傳導系數是草磚的2~3倍。所以有必要在建筑易出現熱橋的部位進行保溫處理，常見的構造做法是：在框架梁柱、圈梁外側粘貼保溫板（改性EPS 聚苯板或巖棉復合保溫板等）或涂抹保溫砂漿[9]。

草磚外墻縫隙和裂縫的存在，會導致熱量損失較大，降低墻體的氣密性。為了保證草磚墻的隔熱保溫性能，需要對秸稈草磚之間、門框窗框接縫處、草磚與主體結構之間的縫隙進行仔細密封。在秸稈草磚抹灰前，用草筋泥漿填補草磚墻的縫隙和凹陷處，門窗和草磚墻接縫處用發泡膠填充，窗扇與窗框用密封條進行密封，防止冷風滲透，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部，一方面墻內水管滲漏很難被發現，檢修困難，另一方面冷水管會促進冷凝水的生成，容易造成秸稈草磚墻身受潮發霉等問題。給排水管道一般可以布置在靠墻側地板中或立柱墻中。電線穿過秸稈草磚時，必須將其包入不燃燒的導線管中，插座和開關安裝在門框或框架柱上，或安裝在預埋的木楔上。

3 結束語

綜上所述，秸稈草磚具有良好的保溫性能，生態環保無污染，能耗低，經濟性好，抗震性能好，是一種綠色環保的建筑材料。但草磚房建設技術不成熟，經驗不豐富，草磚房在實際使用過程中出現裂縫、結露、受潮發霉等現象，歸根結底是因為沒有處理好建造過程中的幾個關鍵問題，如秸稈草磚建筑的基礎設計、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。對這幾個關鍵問題的研究成果可為秸稈草磚房建造技術的推廣提供一定的參考。