秸秆作为可再生资源因缺少对其性能的评估无法推广应用。分析6个具有代表性特征的秸秆墙体农宅，通过实测对秸秆墙体单元的多性能进行了评估，并基于现有农宅功能与形式建立典型农宅模型，进行热工性能数值模拟评估。结果表明，在夏热冬冷地区，用秸秆墙体单元代替黏土砖，可降低77%的单位面积耗热量，农宅节能率可达到53.49%。秸秆墙体单元遇火灾坍塌具有延时性，遇火时无烟、无明火的特性可有效降低火灾影响。秸秆墙体单元可以承受连续20个昼夜特大暴雨，保持较低的吸水率。一次再生的秸秆墙体单元的抗压性能可以满足墙体自重要求，且满足保温材料的导热系数要求，证明了秸秆墙体单元可以进行回收二次利用。秸秆作为农村常见材料，制成的秸秆墙体单元具有良好的性能，在乡村农宅中具有较高应用价值。
关键词：建筑技术科学;低碳可持续;秸秆墙体单元;乡村农宅;多性能;实验模拟
论文《秸秆资源性能与应用潜力评估》发表在《深圳大学学报(理工版)》，版权归《深圳大学学报(理工版)》所有。本文来自网络平台，仅供参考。
引言
秸秆建筑由秸秆墙体单元与框架结构组成，具有造价低廉和生态环保的特点[1]，在乡村农宅的改造和应用上具有良好的前景。首先，秸秆材料的应用是乡村资源的高效循环利用及建筑优化的有效呈现，降低建筑能耗的同时，缓解了秸秆燃烧处理造成的碳排放问题[2]，是实现乡村转型的重要措施[3]。其次，秸秆的构造技术相对简单，属于装配式建筑材料，因此受乡村技术落后、材料运输不便影响较小，更适用于农宅建筑的改造与新建[4]。最后，秸秆材料天然可再生，符合环境可持续发展要求，满足当代人群亲近自然的需求[5]。
至今，中国的秸秆建筑仍处于示范阶段。现有的研究多集中于秸秆材料的节能与环保问题[6]，对于建筑的抗灾和防水等方面的研究尚未深入展开。本研究针对当前秸秆建筑的现状，通过对河南周口农宅的实地调研与现状总结，探讨秸秆材料在乡村农宅中的应用优势，设计出符合真实需求的秸秆农宅建筑，旨在响应“十四五”时期全面深化实施乡村振兴策略的要求，加快推动城乡建设领域的低碳化进程[7]，以秸秆资源打造乡村农宅，形成乡村建筑的历史记忆，并推动乡村可持续发展，为美丽乡村建设的多元创新提供思路。
1 秸秆资源在农宅中的应用潜能
乡村社会的建筑具有传统的示范特征，新材料与新技术的引入可以较小的建设成本创造更大的价值，从而推动乡村社会的发展[8]，改善现有研究中缺乏对农村真实面目的认知困境[9]。本研究对中国河南周口地区多栋农宅建筑进行调研与测绘(表1)，通过分析6个具有代表性特征的农宅，深入了解真实的乡村农宅面貌，探索秸秆墙体单元的应用潜能，以实现政府美丽乡村建设和建筑可持续发展的美好愿景。
乡村村民已具备节能意识，且有节能需求。太阳能热水器等节能设备已在乡村农宅中基本普及，但住宅的物理环境提升和节能却少有被考虑。实地调研表明，农村住宅绝大多数为砖混结构的高耗能建筑[10]，采用坡屋顶设计，多为低层建筑。中国河南省淮阳县典型建筑平面示意图请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S1。墙体普遍采用烧结黏土砖，屋架多为木梁。淮阳县的农宅缺乏统一规划，零散分布在支路附近，风格各异。农宅外围护结构的砖石与木头裸露在空气中，院落缺乏围蔽措施。同时，农宅内部的空间功能规划不合理，如采用外部旱厕，造成一定的生活不便。同时，卧室和客厅等空间因进深造成了较大的采光问题。因此，该县的农宅有一定的优化改造需求。而经过区域规划设计的河南省太康县，在农宅方面进行了统一设计(典型建筑平面示意图请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S2)。户型空间设计相对合理，但尚未实现节能的目标。因此在乡村农宅的建设与规划上，应加强外墙保温措施，提高建筑能源利用率，兼顾功能性与舒适性。
乡村农宅的节能优化受到地域特点和经济条件的约束，有效利用当地秸秆资源可以保留乡村特点并降低改造成本。由于乡村以农业作为家庭的主要生产方式，主要种植玉米和小麦等农作物。在实地调研中，发现在农宅中的杂物间和庭院中，堆积了大量未经处理的秸秆。除少量用作肥料还田外，大部分秸秆被燃烧处理，导致大量碳排放和严重的环境污染问题。而秸秆资源作为可获取资源，在农宅的建设上具有巨大的应用潜力。
表1 河南周口地区农宅现状与测绘模型
| 户型 | 建造时间 | 正房结构形式 | 生产方式 | 建筑测绘模型 |
| 淮阳县大连乡 户型1 | 2012年 | 单层;双坡顶;砖混结构;屋架用木梁(旧砖利用) | 种田：玉米和小麦 | - |
| 淮阳县大连乡 户型2 | 2013年 | 双层双坡顶;出厦;砖混结构;屋架用木梁(旧砖利用) | 种田：玉米、小麦、棉花和大豆 | - |
| 淮阳县刘振屯乡 户型1 | 2012年 | 3层;双坡顶;砖混结构;屋顶用预制板 | 种田：大豆和花生 | - |
| 太康县城郊乡 户型1 | 2014年 | 双层;坡屋顶带阁楼;砖混结构;屋架用木梁(旧砖利用) | 种田：玉米和小麦 | - |
| 太康县城郊乡 户型2 | 2012年 | 双层;双坡顶;砖混结构 | 种田：玉米和小麦 | - |
| 太康县毛庄镇 户型1 | 2014年 | 双层;双坡顶;砖混结构;屋架用木梁(旧砖利用) | 种田：玉米和小麦 | - |
2 秸秆墙体单元的性能研究
为契合当下行业发展与社会需求，乡土材料的创新应用成为乡村农宅研究的重要部分[11]，其中材料的性能尤为重要。秸秆墙体单元作为新型的建筑材料，其性能研究尚不完备。本研究对秸秆墙体的热工性能、耐火性能、防水性能以及可利用性能进行了测试，并对其热工性能进行了建筑整体模拟评估。
2.1 热工性能
选取截面尺寸为1200mm×1200mm、厚度为200mm的秸秆墙体单元进行热工性能测试。采用JTRG-I建筑墙体稳态热传递性能测试系统、JTRG-Ⅱ建筑热工温度与热流自动测试系统与手持式红外测温仪[12-13]等进行热工性能测试。为了提升结果的准确性，在稳定的冷(热)环境下，设置多个测点，进行连续12h的热电偶温度测试(图1)，每隔0.5h以手持红外测温仪测量冷面和热面温度，共获取25组对比数据。在验证合理后，对多个测点数据进行平均值计算，获得相关热阻值。
(图1 热阻测试设置 Fig.1 Thermal resistance test setting. 说明：秸秆墙体单元(200mm)、秆芯材、构造卷材、温度感应点、钢丝网、热箱(300mm)、冷箱(300mm)，宽200mm)
秸秆墙体单元冷面温度、热面温度和热阻与时间的关系见图2。由图2可得出最终稳定的热阻(R)值约为1.330m²·K/W。由于单侧水泥砂浆面层厚20mm，导热系数为0.930W/(m²·K)，热阻为0.022m²·K/W，根据《民用建筑热工设计规范》(GB 50176-93)规定，内表面换热阻取0.110m²·K/W，外表面换热阻取0.040m²·K/W，厚度为200mm的秸秆墙体单元两侧各加20mm厚的抹灰，墙体围护结构的总热阻为1.524m²·K/W，对应的导热系数(K)值为0.656W/(m²·K)。
(图2 冷面温度、热面温度与热阻 Fig.2 (a) Temperatures of cold (black) and hot side (red) and (b) thermal resistance (red) as function of time. 说明：(a)为温度和时间的关系，横坐标为时间(min)，纵坐标为温度(℃)，包含冷面温度和热面温度曲线;(b)为热阻和时间的关系，横坐标为时间(min)，纵坐标为热阻)
在对农宅的实地调研与需求分析的基础上，结合秸秆单元块热工性能，设计出符合农村特色的秸秆农宅示范房(图3)，建筑面积为312.65m²，建筑外表面积为500.03m²。由于秸秆墙体单元具有密度小、轻质、导热系数极低和保温性能好等显著优势，主要适用于建筑外墙的布置[14]。考虑到秸秆墙体储热能力较差，无法有效释放热量以调节室内温度，不适合用于建筑内墙与高湿空间，故有针对性地对示范农宅进行了秸秆墙体单元的设计，在1层秸秆单元块墙体与3层阁楼墙体底部铺设高300mm的砍台，以起到防潮作用。
(图3 秸秆农宅设计 Fig.3 Straw farmhouse design. 说明：包含南立面、西立面、北立面、东立面测绘模型，标注门窗、厨房、卫生间位置)
以下针对示范农宅进行能耗与成本计算。通过使用绿建斯维尔软件，对该农宅的保温隔热性能进行了模拟评估。不同农宅的热工性能模拟数据见表2。由表2可见，在分别使用秸秆墙体单元、黏土砖与加气混凝土砌块等不同的墙体材料时，单位面积墙体的耗热量有着巨大差异。其中，秸秆墙体单位面积耗热量比当下乡村农宅中常用的黏土砖单位面积耗热量降低了77%。为确保结果的普适性，研究针对寒冷地区和夏热冬冷地区分别进行了能耗模拟。结果显示，无论在寒冷地区还是夏热冬冷地区，秸秆墙体单元都表现出显著的优势。在寒冷地区，与黏土砖相比，单位面积可减少耗热量22.49W/m²。而在夏热冬冷地区，使用秸秆墙体单元可提升21%的节能率。
表2 不同农宅热工性能模拟数据
| (外墙与屋顶)墙体材料 | 墙体耗热量/(W·m⁻²) | 寒冷地区 | | 夏热冬冷地区 | | |
| | | 耗热量/(W·m⁻²) | 耗煤量/(kg·m⁻²) | 总空调耗电量/(kW·h) | 总采暖耗电量/(kW·h) | 节能率/% |
| 黏土砖 | 29.23 | 35.64 | 13.22 | 5040 | 13938 | 32.49 |
| 秸秆单元块 | 6.74 | 13.35 | 4.95 | 3484 | 9591 | 53.49 |
| 加气混凝土砌块 | 12.85 | 19.25 | 7.14 | 3948 | 11335 | 45.63 |
中国作为农作物秸秆高产国，秸秆资源取材方便且成本较低。秸秆作为农作物废料，其原料基本不需要额外费用。秸秆砖具有良好的保温隔热性能，无需另外加设昂贵的保温隔热材料。由于其优秀的热工性能，秸秆墙体单元在农宅的外围护结构中具有内外环境交互调控的能力[15]，从而在农宅的运营阶段发挥了降低能耗的作用。秸秆墙体的材料费用为51.70元/m²，而传统黏土砖的费用为76.20元/m²。以示范农宅为例，忽略人工部分，正房使用秸秆砖墙体的总造价为1751.22元，而使用黏土砖的总造价为9616.58元，进一步验证了秸秆砖在农宅建设中的经济优势。
2.2 耐火性能
秸秆建筑的防火安全主要建立在秸秆墙体单元的耐火性能上[16]。通过对比与改进，实验最终选择了由秸秆墙体单元块(厚200mm)、速凝水泥砂浆涂层(厚2mm)和加固防裂层组成的秸秆墙体单元进行耐火性能测试，墙体单元大小为600mm×300mm。秸秆墙体单元的构造层次如图4，耐火测试装置请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料图S3。为模拟秸秆墙体单元之间产生的辐射、对流和传导现象，采用3×3的组合方式，形成最终的秸秆墙体单元组合体尺寸为1800mm×200mm×900mm。实验中使用由REDFOX高品质韩式喷枪和型号为BDP-220-A的丁烷气罐组装而成的引火源装置，按照集中式布局进行设置，引火距离设定为230mm。实验定义墙体单元的室内面为燃烧面，即为面火面，反之为背火面，其对应的温度分别为面火温度与背火温度。为测定相关数据，实验采用了量程为-18~1500℃的红外测温仪、红外成像仪[17]和手持式风速仪，分别测定面火温度、背火温度以及周边环境条件的参数。为确保实验的准确性和安全性，在晴天或多云且无风的条件下进行测试。
(图4 秸秆墙体单元构造层次 Fig.4 Construction level of straw wall unit. 说明：从内到外依次为200厚秸秆墙体单元块、加固防裂层、防水防火层(无机物)、2mm速凝水泥砂浆涂层、防火层(无机物)，两侧对称结构)
依照农宅调研中发现的农宅基本层数不超过3层的特点，拟定实验时长为3h。由于秸秆墙体单元属于填充墙，具有自承重的特性，依照对耐火性能的分析，在实验中出现以下情况之一时，即认定墙体单元组合体已被破坏，实验提前终止[18]：火势蔓延至背火面并持续时间超过10s;背火面最高温度超过初始温度204℃;秸秆墙体单元组合体发生塌陷。
耐火实验中秸秆墙体试件温度随时间的变化如图5。由图5可见，在开始燃烧的10min内，试件的面火温度迅速升至约960℃，之后在800~1000℃间缓慢波动。背火温度升高较为缓慢，但始终处于上升状态，最高温度和平均温度分别约为43.3℃和41.6℃。试件顶部最高温度出现在燃烧80min后，达到约200℃。观察试件表面情况(请扫描论文末页右下角二维码查看补充材料表S1)，燃烧13min后开始细微开裂，130min左右表面出现裂缝，155min后火焰穿透试件表面。180min后熄灭引火源，在熄火3min内，试件温度迅速降至164℃，在15min后温度降低浮动很小，扒开试件发现火势蔓延至试件1/2处。
(图5 耐火实验中秸秆墙体试件温度随时间的变化 Fig.5 Trend of change of surface fire temperature (black line), backfire temperature (red line), and top maximum temperature (green line) of specimens with time in the refractory test. 说明：横坐标为时间(min)，纵坐标为温度(℃)，包含面火温度、背火温度、顶部最高温度三条曲线)
通过对秸秆墙体单元的耐火性能测试与评估，发现填充墙结构的秸秆墙体单元在火灾中不会造成建筑的整体坍塌，且由于其自重较轻，对人员伤害较小，因而能够降低火灾中的人员伤亡风险。在燃烧过程中，秸秆墙体单元表现出良好的保温隔热作用，相邻单元体之间能够相互支撑，使得墙体坍塌具有延时性，能够赢得火灾中的宝贵救援时间。此外，秸秆墙体在燃烧时不会产生大量的烟气与刺激性气体，减轻了人员在火灾中烟雾窒息与中毒的可能。其阴燃无明火的状态也有利于有效控制火灾的波及范围。考虑到当下乡村农宅防火设计落后、道路不畅通以及救援不及时的现状，秸秆墙体单元的耐火性能为乡村农宅提供了一定程度的保障，有望降低火灾造成的损失。
2.3 耐水性能
实验选择尺寸为600mm×300mm的秸秆墙体单元进行室外耐水性能测试，其构造层次从内到外分别为：200mm厚秸秆墙体单元块、加固防裂层以及2mm厚的速凝水泥砂浆涂层。采用水表、喷水管、喷水管固定装置、水分测定仪以及手持式风速仪等设备，以确保实验的准确性与可靠性。
淋水面积为实验过程中水流过试件表面的面积，淋水面范围的划分示意如图6。以含水率变化较大的时间点为节点，将各节点围绕闭合，计算闭合区域面积。通过模拟雨水对秸秆墙体单元室外面的影响，得出淋水实验的用水量与淋水面积。为保证最不利情况下实验结果的可参考性，以24h特大暴雨的降雨量(250mm)落在与淋水实验相同面积的含水量进行计算，比较两者对应关系，得出相应的天数，由此对秸秆墙体单元的耐水性能进行评估。利用水表和水分测定仪分别测量用水量和试件含水率。实验将保持连续性，直到试件含水率变化较大时停止。
(图6 淋水面范围划分示意 Fig.6 Division diagram of drench surface range. 说明：标注未淋水面、试点、淋水面区域)
秸秆墙体单元含水率随时间的变化如图7。由图7可见，在实验140min时，秸秆墙体单元的含水率变化速率加快，抹灰层失去防水能力。根据这一变化速率，将含水率≥1.2%的点作为实验节点，计算出淋水面积约为0.12m²。将实验数据与24h内的250mm降雨量进行对比，证明秸秆墙体单元可以在相当于连续20个昼夜降特大暴雨的情况下保持较低的吸水率。这表明秸秆墙体单元在一定程度上具有良好的耐水性能，能够有效地抵抗大量降雨的渗透。
(图7 秸秆墙体单元的含水率与时间的对应关系 Fig.7 Water content change of straw wall units versus time. 说明：横坐标为时间(min)，纵坐标为含水率(%))
依照秸秆墙体单元的特性与耐水性能测试评估，秸秆墙体单元在高湿环境下易被腐蚀，不适用于外墙勒脚、女儿墙和墙体等结构与屋面板的交接处，或者厨房和卫生间这样的高湿气房间。但由于其可以承受连续20个昼夜降特大暴雨，并保持较低的吸水率，且现有研究表明秸秆能够承受相对较高的瞬时含水率，而不会遭受严重的腐烂[19]，证明秸秆墙体单元在建筑外墙的应用具有可行性，适用于中国农宅建筑。
2.4 再利用性能
当前，针对传统建筑垃圾的再生利用工艺主要是将建筑垃圾分选，利用除铁设备去除内部的铁质物质，再通过粉碎处理，加工成一定粒度的再生砂石骨料，以实现二次利用[20]。但由于秸秆墙体单元不同于传统建筑垃圾，对其的循环利用仍处于探索阶段。
对秸秆芯材部分进行测试，最终选定密度为250kg/m³、尺寸为300mm×300mm×200mm的秸秆试件进行再生利用工艺实验。经过测试发现，骨料与新增水泥的质量配比为10∶(2~5)时，试件能够良好成型，并且14d的养护期内，体积稳定性较好，表面没有出现裂痕[21]。基于芯材总质量增加最少原则，选择骨料与新增水泥的质量比10∶2作为最终的芯材循环再生的配比，将完整的墙体单元进行破坏并重新制作。结果证明，该配比可以制作成型良好的秸秆单元芯材，在养护14d后，芯材体积稳定性较好，表面平整，无裂痕。
在抗压及抗裂性能测试上[22]，首先将芯材烘干，确保含水量低于15%，再进行墙体单元制作。利用微机控制电液式水泥压力试验机，对压缩破坏再生前后的试件分别进行抗压测试[23]。不同试件的开裂荷载和极限荷载见表3。其中，试件1、2和3为原秸秆芯材标准试件;试件1-1、2-2和3-3为与原芯材对应的再生秸秆芯材标准试件。由表3可见，该配比下成型的再生秸秆芯材的开裂荷载及极限荷载均小于原秸秆芯材，表明再生秸秆芯材的抗压及抗裂性能不如原秸秆芯材。
表3 不同试件的极限荷载和开裂荷载
| 试件编号 | 开裂荷载/kN | 极限荷载/kN | 试件编号 | 开裂荷载/kN | 极限荷载/kN |
| 1 | 0.77 | 1.66 | 1-1 | 0.59 | 1.44 |
| 2 | 0.74 | 1.61 | 2-2 | 0.61 | 1.40 |
| 3 | 0.71 | 1.64 | 3-3 | 0.53 | 1.38 |
根据现有规程，填充墙砌块的强度等级应不低于MU3.5[24]，目的在于避免框架稍有变形就导致墙体开裂，并防止由意外荷载或烈度不高的地震造成人员伤亡与财产损失。然而，秸秆作为轻质柔性材料，地震时即使完全坍塌，伤害也远小于砌块墙体。因此，秸秆墙体单元的最小强度要求能以满足墙体的自重要求为准。由此可以判断，再生秸秆芯材试件仍能满足自重的要求即可以进行二次利用。
在导热系数的测试中，采用JTRG-Ⅲ型建筑热流计式导热仪，分别对破坏再生前后的试件进行了导热系数测试。测试结果显示，试件1与试件1-1的导热系数分别为0.0664W/(m·K)和0.0647W/(m·K)。由于影响导热系数实验结果的因素众多，因此该结果仅能说明再生前后秸秆芯材的导热系数相差不大，都能满足保温材料导热系数的要求。
本研究验证了秸秆墙体单元一次循环利用的可行性，并总结出秸秆墙体单元的再生制作工艺(图8)。秸秆墙体单元在乡村农宅改造利用上是乡村资源代谢的产品，在受到破坏后可再生利用，并在性能上仍可以满足使用需求的特性，可以大幅提高资源的循环利用率，为美丽乡村建设做出积极贡献，促进了可持续建筑理念在乡村农宅中的实践应用。
(图8 秸秆墙体单元一次循环利用的工艺 Fig.8 Process for primary recycling of straw wall units. 说明：墙体单元→回收→筛选分类→构造层分离、芯材钻孔→骨料、水泥→均匀搅拌→注模加压黏合→固化养护→脱模→芯材再生→加固防裂层、防水层、防火层→墙体单元)
3 结论
基于乡村实地调研与测绘，测试并评估了秸秆墙体单元的热工、耐火、耐水和再利用性能，设计了采用秸秆墙体单元作为外围护结构的示范农宅，并对其进行能耗评估，多维度验证了秸秆墙体单元在乡村农宅中的应用可行性，具体结论如下：
1) 在热工性能上，秸秆墙体单元可以节约保温材料，帮助降低建筑运营能耗。用其替换传统黏土砖，可使农宅的单位面积耗热量降低77%。
2) 在耐火性能上，秸秆墙体单元遇火坍塌具有延时性，同时整体建筑不会垮塌。其在燃烧时不产生烟雾、刺激性气体以及明火，降低了火灾对逃生人员的影响，利于火灾范围控制。
3) 在耐水性能上，秸秆墙体单元可以承受连续20个昼夜降特大暴雨，且保持较低的吸水率，具有优异的耐久性和耐水性。
4) 在再利用性能上，一次再生芯材的抗压性能可以满足墙体自重要求，且导热系数可以满足保温材料的要求，证明了秸秆墙体单元可以进行回收二次利用。
在国家推进建筑节能改革以及推崇绿色可持续发展思想的大环境下，推广集社会、经济和环境效益于一体的新型节能秸秆建筑，对推动美丽农村建设、建造节能农村住宅，改善环境、缓解能源危机，有着重大的现实意义。
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