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        紙面稻草板抗壓性能試驗(yàn)研究

        2021-11-30 12:20:36徐慧博張秀華王奐張晗王一冰
        安徽建筑 2021年11期
        關(guān)鍵詞:護(hù)面紙面泊松比

        徐慧博,張秀華,王奐,張晗,王一冰

        (東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150040)

        隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和全球人口的迅猛增長(zhǎng),各工程對(duì)建筑板材的需求不斷增加。裝配式、工藝簡(jiǎn)單、可回收成為當(dāng)今建筑結(jié)構(gòu)發(fā)展的三大方向,這使得采用各種人造板作為覆面板結(jié)構(gòu)形式的輕鋼房屋發(fā)展得越來越快。為了滿足社會(huì)發(fā)展的需求,紙面稻草板應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí),科技的發(fā)展和國(guó)家政策的支持也促進(jìn)了紙面稻草板的應(yīng)用和發(fā)展。雖然紙面稻草板是一種新型建筑板材,但早在上世紀(jì)初期歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家就有所應(yīng)用。第一次世界大戰(zhàn)期間,瑞典首先開發(fā)了稻草板作為建筑板材,隨后普及泰國(guó)、巴基斯坦等國(guó)家,并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。上世紀(jì)八十年代,我國(guó)引進(jìn)兩條英國(guó)Stramit公司紙面稻草板的生產(chǎn)線,年產(chǎn)量為50萬m。同時(shí)相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)對(duì)其展開了研究,并在建筑工程中使用該材料。我國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于1988年制定并發(fā)行了《建筑用紙面草板》(JC-T794-1988)這一行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

        總體而言,目前我國(guó)秸稈綜合利用的經(jīng)濟(jì)性較差,利用形式單一,深度開發(fā)不足,商品化和產(chǎn)業(yè)化程度較低。據(jù)任繼勤分析表明:以2015年為例,我國(guó)綜合利用率約80%,但資源化利用率僅占11%。此外,秸稈作為農(nóng)業(yè)廢棄物就地焚燒在農(nóng)田,不僅帶來環(huán)境污染等問題,而且對(duì)資源造成極大的浪費(fèi)。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局和環(huán)境保護(hù)部研究表明,東北地區(qū)的霧霾天氣與大規(guī)模焚燒秸稈具有高度關(guān)聯(lián)性,秸稈焚燒、資源浪費(fèi)已成為社會(huì)性敏感話題。因此,促進(jìn)秸稈資源在建筑領(lǐng)域的應(yīng)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(tǒng)建筑材料,這對(duì)可持續(xù)發(fā)展的綠色建筑具有積極意義。

        “如何使農(nóng)作物秸稈這種產(chǎn)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(huì)關(guān)心的問題,為促進(jìn)秸稈的利用,政府不斷出臺(tái)各種政策。南京林業(yè)大學(xué)成功研究國(guó)產(chǎn)中密度稻草板制造技術(shù),標(biāo)志我國(guó)使用稻草原料工業(yè)化加工稻草板的開始。

        紙面稻草板(以下簡(jiǎn)稱稻草板)是以秸稈作為原料,直接在成型機(jī)內(nèi)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(yōu)勢(shì)。

        ①稻草板導(dǎo)熱系數(shù)僅為0.108W/(m·K),耐火極限可達(dá) 1h,降噪分貝為30dB,具有優(yōu)良的隔熱阻燃和隔音降噪性能。經(jīng)國(guó)家建筑科學(xué)研究院實(shí)地測(cè)試,結(jié)果顯示:稻草板房具有較好的室內(nèi)溫度環(huán)境,2層58mm稻草板中間夾石棉保溫板的墻體結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)達(dá)到0.434W/(m·K),達(dá)到節(jié)能 65% 的墻體要求。

        ②在生產(chǎn)過程不會(huì)造成環(huán)境污染,完成使用目的后可自然降解回歸自然,是環(huán)保綠色建材。

        ③稻草作為農(nóng)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(chǎn)量更高,在利用效率和成本方面紙面稻草板更有優(yōu)勢(shì)。結(jié)合以上優(yōu)點(diǎn),從生態(tài)環(huán)保節(jié)能角度出發(fā),裝配式鄉(xiāng)村住宅建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)用稻草板,具有一定的實(shí)用性。

        《農(nóng)村居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB T 50824-2013)中表明:稻草板的墻體結(jié)構(gòu)是新農(nóng)村建設(shè)和建筑節(jié)能的良好建筑材料。但目前,稻草板在我國(guó)的發(fā)展并不迅速,這與市場(chǎng)和技術(shù)有很大的關(guān)系。目前,我國(guó)對(duì)于稻草板的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,沒有掌握工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)的關(guān)鍵。同時(shí),由于觀念的限制和對(duì)這種建材研究程度的不深入,稻草板并沒有得到很好的應(yīng)用,僅僅被用于一些家具生產(chǎn)和少數(shù)臨時(shí)建筑和廠房的搭建。因此,研究稻草板材料抗壓力學(xué)進(jìn)行試驗(yàn)性能,為相關(guān)組合墻體/樓板研究提供數(shù)據(jù)參考,同時(shí)為稻草板在建筑工程中的推廣提供一定理論依據(jù)。

        1 試驗(yàn)概況

        1.1 試件設(shè)計(jì)

        試驗(yàn)所用稻草板由哈爾濱天成順杰實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn),板的尺寸為長(zhǎng)900mm~4500mm,寬 1200mm,厚58mm。試驗(yàn)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(gè),分別以KS1~KS6和KH1~KH6命名來區(qū)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(zhǎng)度方向)垂直,如圖1所示。試件尺寸依據(jù)《結(jié)構(gòu)用人造板力學(xué)性能試驗(yàn)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(yàn)方法

        稻草板抗壓強(qiáng)度和泊松比的測(cè)定依照《結(jié)構(gòu)用人造板力學(xué)性能試驗(yàn)方法》(GB/T 31264-2014)中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。試驗(yàn)所用設(shè)備為WDW-100萬能電子試驗(yàn)機(jī),最大量程 100kN,如圖2(a)所示。稻草板抗壓試驗(yàn)主要測(cè)試步驟如下:①對(duì)各個(gè)試件進(jìn)行參數(shù)測(cè)量,用電子式游標(biāo)卡尺精確測(cè)量試件各邊尺寸,精確至0.1mm,并錄入?yún)?shù)。②將試件安裝在加載設(shè)備上、下兩支座間,并在上、下兩端放置鋼墊片,調(diào)整各部件位置,使試件在試驗(yàn)過程中保持軸心受壓的狀態(tài)。③對(duì)試件進(jìn)行大小為100N的軸向預(yù)加載并卸載至0,以消除電子游標(biāo)卡尺分3次測(cè)量試件各個(gè)方向的變形量,當(dāng)從試驗(yàn)機(jī)所顯示的試件荷載—位移曲線中能看出明顯變形時(shí)停止加載,并保存試驗(yàn)數(shù)據(jù)。以KH4為例,受壓試驗(yàn)如圖2(b)所示。

        圖2 受壓試驗(yàn)裝置

        2 受壓試驗(yàn)破壞現(xiàn)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(shí)試件外觀基本沒有變化,僅護(hù)面紙局部出現(xiàn)輕微褶皺,內(nèi)部稻草之間相互擠壓發(fā)出的“窸窣”聲。當(dāng)軸向荷載達(dá)到某一數(shù)值時(shí),護(hù)面紙的褶皺突然加速擴(kuò)展,并有開裂的趨勢(shì),逐漸失去對(duì)內(nèi)部稻草的約束,此時(shí)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(xiàn)出不同的現(xiàn)象。在此之后,KS試件隨著軸向荷載的繼續(xù)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(shí)停止加載。而KH試件在護(hù)面紙失去約束作用后,內(nèi)部稻草在軸向荷載作用下排列更加緊密,并無屈服趨勢(shì),并隨著荷載增大,荷載—位移曲線的斜率也逐漸增大??紤]材料實(shí)際工程中使用情況,以KH試件護(hù)面紙出現(xiàn)貫通整個(gè)截面的褶皺作為其破壞標(biāo)準(zhǔn),其抗壓強(qiáng)度取彈性階段頂點(diǎn)的抗壓強(qiáng)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(yàn)結(jié)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(hù)面紙出現(xiàn)褶皺與稻草分離以及出現(xiàn)破裂,和致密的稻草纖維之間出現(xiàn)縫隙,而稻草本身無明顯變化。加載結(jié)束后,KH試件的變形恢復(fù)情況較好,KS試件的護(hù)面紙損壞更為嚴(yán)重,變形恢復(fù)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(qiáng)度與泊松比

        紙面稻草板抗壓強(qiáng)度按下式計(jì)算:

        式中,f為稻草板抗壓強(qiáng)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(yàn)過程中測(cè)得的各個(gè)方向的變形量,通過以下公式計(jì)算(其中方向規(guī)定如下:試件寬度方向?yàn)閤方向,厚度方向?yàn)閥方向,軸壓方向?yàn)閦方向):

        式中,μ為zx方向的泊松比;l、l分別為x、z方向兩標(biāo)記點(diǎn)的原始間距,mm;l、l分別為加載過程中彈性范圍內(nèi)某時(shí)刻x、z方向兩標(biāo)記點(diǎn)的間距,mm。

        首先通過公式(1)和公式(2)計(jì)算出各試件的抗壓強(qiáng)度f和泊松比μ,再利用數(shù)學(xué)方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。求出KH和KS兩組試件抗壓強(qiáng)度和泊松比,分別作為稻草板兩種不同方向下的抗壓強(qiáng)度和泊松比。同時(shí)計(jì)算出每組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差σ和變異系數(shù)C兩個(gè)指標(biāo)來衡量該試驗(yàn)所得數(shù)值的離散程度??箟涸嚰囼?yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

        紙面稻草板抗壓力學(xué)性能 表1

        4 稻草板力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

        通過上述稻草板受壓試驗(yàn),得出的稻草板抗壓強(qiáng)度、泊松比等力學(xué)性能指標(biāo)如表2所示。結(jié)果表明:稻草板屬于正交異性板,在抗壓時(shí)順纖維方向的抗壓強(qiáng)度要小于垂直纖維方向的抗壓強(qiáng)度,分別為0.67MPa和1.42MPa。由以上數(shù)據(jù)可知,稻草板具有一定的強(qiáng)度,與型鋼龍骨共同構(gòu)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(shí)也能為型鋼龍骨提供有效的側(cè)向約束,可提高墻體/樓板的各項(xiàng)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(nóng)村改造工程中。

        紙面稻草板力學(xué)性能 表2

        5 結(jié)論

        本文對(duì)稻草板進(jìn)行了順稻草纖維方向和垂直稻草纖維方向的受壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究,得到了如下結(jié)論:

        ①試件受壓過程中,當(dāng)護(hù)面紙褶皺不明顯時(shí),試件處于彈性階段,當(dāng)褶皺貫通試件寬度方向或紙面出現(xiàn)較大開裂時(shí),試件呈現(xiàn)塑性并逐漸破壞;

        ②稻草板的抗壓強(qiáng)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(wěn)定;

        ③稻草板是一種綠色節(jié)能板材,具有良好的力學(xué)性能,兼顧保溫隔熱隔音等作用,能作為輕鋼組合結(jié)構(gòu)的覆面板,具有廣泛的應(yīng)用前景。

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