麦秸在建筑材料中的应用
——定向结构麦秸板及其房屋系统
韩广萍1，程万里1，
（1. 东北林业大学材料科学与工程学院，生物质材料科学与技术教育部重点实验室，黑龙江哈尔滨150040；
2. 诺菲博尔板业有限公司，北京100016）

摘要：随着木材资源的日益匮乏以及废弃农作物秸秆所造成的环境负荷加重，国内外一直致力于利用农作物秸秆制造各种人造板的研究，并取得了一定的成果。加拿大ARC与我们共同研发了定向结构麦秸板(OSSB)产品，并在我国陕西杨凌建成了世界首家OSSB生产厂，其产品的各项物理力学性能完全可与木质定向刨花板相媲美；在产品应用方面，同时开发了轻钢屋架OSSB房屋系统。本文着重介绍了该公司OSSB的生产技术、产品性能及其房屋系统。
    关键词：麦秸；结构板材；建筑材料；房屋系统

我国是一个农业大国，农作物秸秆资源十分丰富，可提供纤维的植物种类多、分布广、生长周期短、产量大。据统计，我国每年可生产各种农作物秸秆约7亿吨，其中麦秸超过1亿吨。目前，国内外秸秆资源的利用领域主要包括秸秆能源化利用、秸秆饲料、秸秆肥料以及秸秆作为工业原料使用等几个方面，而我国的秸秆资源作为工业原料使用，仅占秸秆总量的不足3%。麦秸作为一种巨大的可再生资源，其主要成分为木质素、纤维素和半纤维素以及一些灰份杂质，与阔叶木材的组份十分类似，是木材的良好可替代原材料。近年来，随着木材资源的日益匮乏和废弃农作物秸秆所造成的环境负荷加重，国内外一直致力于利用麦秸、稻草等农作物秸秆生产各种人造板的研究，诸如麦秸刨花板和麦秸中密度纤维板等等，并开始逐步工业化生产，应用于家具、装饰等行业。然而由于农作物秸秆原料本身的胶合阻碍特性、胶粘剂价格以及相关的技术问题，一直制约着秸秆人造板工业化生产的快速发展，利用农作物秸秆制造高附加值的工程结构用材料，更是长期以来难以突破的技术难题。

另一方面，长期以来，我国住宅的结构体系多以砖混结构和钢筋混凝土结构为主，随着经济和社会的发展以及人们对住宅的需求，这两种结构形式在建造速度和质量上越来越显出弊端，因此研究和推广造型优美、结构性能优良、使用方便舒适、施工快速便利、造价合理的住宅建筑体系，提高住宅建筑的科技水平，满足人民安居乐业的要求具有重要的现实意义和应用价值。轻钢结构在住宅建设中具有独特的优势结构，取材对环境影响小，有利于社会资源的保护；同时因工业化程度高、施工周期短、重量轻、基础费用省、造价易控制、适用不同气候条件和大气环境等优点顺应了我国经济发展的需要。目前，发达国家在房屋建筑中已广泛采用轻钢结构。在欧洲和北美、日本等国家早已将轻钢结构、特别是镀锌轻钢龙骨作为承重体系，应用于住宅建造。在美国普通的低层民用住宅中，钢结构住宅所占的比例从20 世纪90 年代初的5%已发展到现在的25%左右，而且应用技术更加成熟完善。瑞典则是当今世界上最大的轻钢结构住宅制造国，他们的轻钢结构住宅预制构件达95%。轻钢结构住宅是一种极具发展前途的建筑形式，正在成为住宅产业发展的热点。建设部在“中国建筑技术政策”中提出了积极、合理、较快地发展钢结构的任务，强调加速推广定型化的轻型房屋钢结构体系。随着钢结构住宅建筑产业化技术导则、相关的技术导则以及轻钢结构技术规范的相继颁布，多层轻钢结构住宅必将得到广泛的应用。

加拿大阿尔伯塔研究院（ARC）与我们共同研发了定向结构麦秸板产品，并在我国陕西杨凌建成了世界首家定向结构麦秸板(Oriented structural straw board, 简称OSSB)生产厂，即诺菲博尔板业杨凌工厂。该OSSB产品的各项物理力学性能完全可与木质定向刨花板相媲美。在产品应用方面，该公司同时开发了轻钢屋架OSSB房屋系统。以下着重介绍该公司OSSB的生产技术、产品性能及其房屋系统。

1. OSSB的定义及特点

相对于木质定向结构刨花板 (Oriented strand board, 简称OSB) 而言，定向结构麦秸板是以麦秸秆为原料，以绿色环保的异氰酸酯（P-MDI）树脂为胶粘剂，通过扁平窄长刨花加工、干燥、分选、施胶、经定向铺装后热压而成的一种多层结构板材。

OSSB打破了传统的麦秸只用于制造室内用板材 (如麦秸刨花板、麦秸中密度纤维板等，主要用于室内装修，家具和地板) 的传统模式，是一种可作为建筑材料使用的结构板材。OSSB具有质轻、优良的物理力学性能和绿色环保等特点，是理想的环保节能建筑材料，可以广泛应用于建筑工业、用来制作墙体材料、屋顶衬板、水泥模板等，也可以应用于家具制造、地板、包装、室内装饰等。在我国当前的国情、林情、人造板及建材工业等相关行业的情况下，发展OSSB这种利用可再生的农作物秸秆资源而生产环境友善、高性能的结构材料，不仅顺应了生态环境建设和材料工业的发展趋势，也是满足可持续发展的要求，它对发展生态农业乃至整个农村经济的发展必将产生深远的意义，具有广阔的应用前景。

2. OSSB的工艺技术

世界首家OSSB生产厂——诺菲博尔板业有限公司，引进加拿大阿尔伯塔研究院专利技术，于2009年在陕西杨凌农业高新技术产业示范区建成并已投产。公司总投资额为2.5亿元，年生产能力为6万M³，图1为该公司OSSB生产线及其产品。该公司还计划在中国的小麦主产区建设多条OSSB 生产线，并同时建造轻钢屋架OSSB房屋的制造工厂。

    2.1 OSSB的生产工艺流程

OSSB的主要生产工艺同木质OSB工艺基本相同，但在刨花制备过程中，一方面由于相对于木质刨花的制备而言所需设备少、功率小，另一方面由于麦秸刨花较木质刨花易于干燥、速度快，其生产能耗明显较OSB低。其主要工艺流程如下：

麦秸原料→预干燥→剪劈→刨花干燥→筛选→拌胶→定向铺装成型→连续热压→齐边、横截→翻板冷却→检验、包装、入库。

2.2 OSSB的主要工艺技术

在OSSB制造过程中，麦秸原料的制备至关重要，麦秸碎料的形态和尺寸直接影响板材的物理力学性能。诺菲博尔板业采用加拿大阿尔伯塔研究院专利技术将麦秸秆沿长度方向纵向劈开，使胶粘剂能够良好的分布于秸秆的各个表面，并同时保证剖开后的麦秸碎料具有一定的纵向长度和长宽比，以确保产品足够的抗弯强度。图2为麦秸碎料长度与板材静曲强度(MOR)和弯曲弹性模量(MOE)之间的相关关系。可以看出，随着麦秸碎料长度的增加，OSSB板材的MOR和MOE明显提高。当麦秸碎料平均长度仅为3mm时，OSSB的MOR就能达到了20MPa，麦秸平均长度10mm以上，MOE即可达到3500MPa，满足OSB3结构用材标准的要求。

图3为胶粘剂添加比率、板材密度和OSSB内结合强度之间的相关关系。结果表明，在各种P-MDI添加量下，OSSB的内结合强度都随板材密度的提高而提高。在P-MDI添加量为3%条件下，板材密度为640kg/m³时，其内结合强度可达到标准要求(0.32MPa）。

3. OSSB产品主要物理力学性能

由于目前尚无OSSB产品标准，诺菲博尔板业生产的OSSB参照我国LY/T 1580-2000木质定向刨花板标准和加拿大CSA0437.1-93木质定向刨花板标准进行了质量检测，其检测结果完全达到标准规定值，并同时通过了日本JAS构造用板材标准的检测，可以应用于建筑工程结构材料。诺菲博尔板业生产的OSSB板材主要物理力学性能如表1。

表1 OSSB产品主要物理力学性能

4. OSSB在建筑材料中的应用

OSSB产品质轻、强度高、尺寸稳定性好，是一种可作为建筑材料使用的绿色环保结构板材，其各项物理力学性能均可与OSB相媲美，可以代替厚胶合板和结构用实木，广泛应用于建筑工业、用于制作墙体材料（墙板）、屋顶衬板、楼板、隔板、水泥模板等，也可以应用于家具制造、地板，室内装饰，包装材料等，有关OSSB产品的使用领域及其应用前景分析将在另文详细介绍。诺菲博尔板业在产品应用方面，将OSSB与轻钢结构屋架体系相结合，研发了轻钢结构OSSB房屋系统。

4.1 轻钢屋架OSSB房屋系统的特点及其优势

轻钢结构房屋体系主要是指以镀锌轻钢龙骨为结构件建造的住宅，这种结构多为一、二层的独户式小住宅，也可用其建造六层以下集合式住宅。由于其明显区别于采用H型钢等厚壁钢材的结构，因而称之为轻钢结构。轻钢结构住宅具有性能好、自重轻、工厂化程度高、建造速度快、劳动强度小等优点，因而近三十年来在欧美等国家逐步发展起来，已经形成了一整套十分成熟的技术。

轻钢结构OSSB房屋系统是以镀锌轻钢龙骨作为承重体系，以OSSB为主要墙体材料、屋顶衬板、隔板和楼板的房屋建筑体系，可以广泛应用于农村住宅、适应我国新农村建设的要求，同时也能满足高档次别墅的建设。图4为该公司开发的轻钢屋架OSSB房屋。其优势在于：

①节能性：轻钢结构OSSB房屋体系由轻钢屋架、OSSB板材、保温层构成，隔热保温性能好，与砖混结构建筑相比可节能50%-70%。

②舒适性：由于木质基材料优异的保温性能，人们可以充分享受到木结构住宅的冬暖夏凉。另外，OSSB绿色无污染，不会对人体造成伤害，其良好的环境调和性能，易于保持室内空气清新及湿度均衡。

图4 轻钢结构定向结构麦秸板房屋系统

③灵活性：轻钢结构房屋体系的平面及空间设计自如，空间大、室内整齐大方，可以满足用户对开间的不同需求；作为建筑内间隔墙时，可灵活拆装、可随意增加房间数量，改变房间大小及使用功能，能满足不同家庭对住宅的多种功能需求。

④得房率：轻钢结构房屋体系的结构构件断面尺寸小，可以有效减少墙体厚度（墙厚仅为砖混结构的0.7倍），因此在建筑面积相同的情况下，增加有效使用面积，轻钢结构OSSB建筑的得房率比普通砖混结构建筑要高5%-8%。

⑤工期短：轻钢结构房屋体系可以做到设计标准化、定型化，构件加工制作工业化；施工现场采用装配式施工，均为构件的安装连接，施工周期短，简单快速。由于大部分施工作业为干作业，施工对气候的适应能力强。一栋25000m²的7层轻钢公寓在工地用工很少的条件下（16人），可用6-8周时间作到结构封顶（从+0.0算起），比传统施工缩短工期近1/3。

⑥安全性：与木质材料相同，OSSB相对其他材料有很强的韧性，加上轻钢结构体系可以充分发挥钢材强度高、延性好、塑性变形能力强的特点，使其对于冲击荷载及周期性疲劳破坏有很强的抵抗力，具有良好的抗震性及抵御飓风性能，安全性高。

⑦隔音性：由于OSSB材料的低密度和多孔结构，以及隔音墙体系统，使该体系建筑具有良好的隔音性能，没有混凝土建筑常有的撞击性噪音传递的问题，有利于创造静谧的生活、工作空间。

⑧环保性：轻钢结构房屋体系以可再生的农作物秸秆为原料制造的OSSB作为墙体等建筑材料，所采用的主要结构材料是钢材。轻钢结构用钢量经济，废旧利用率高，是真正的环保建材，因此该体系建筑可以有效地减少粘土砖在建筑上的使用，显著减轻对环境的破坏，在能耗、温室气体、空气和水污染以及生态资源开采方面，该体系建筑的环保性远优于砖混结构，是全球公认的绿色建筑。

⑨结构采用高强材料，自重轻：具有优良的力学性能和优越的使用性能，结构强度高。楼盖结构自重为传统混凝土楼板的1/4-1/6，墙体都为轻质复合墙体，整体结构自重仅为混凝土框架结构的1/3-1/4，为砖混结构的1/4-1/5。

⑩工业化和产业化：该公司利用先进的计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)技术，能及时全面满足用户对住宅的设计要求，并符合产业化要求。结构构件均在工厂制作，构件与覆面板材，保温材料，构配件都可标准化定型生产，能保证质量，所有产品都是社会化生产，市场化采购，且配套性好，在现场只是安装。管线布置方便，不论是墙内或楼盖中，只要结构完成后可随时布线穿管，各工种可交叉作业。对于管线的日后检修与维护也较混凝土结构暗埋式简单许多，并有利于住宅今后的改造与性能提升。

4.2 轻钢屋架OSSB房屋系统面临的主要问题及思考

尽管轻钢结构OSSB房屋系统具有非常显著的优越性，但在我国的实际推广应用中，尚存在建筑规范限制、标准化进程等诸多问题，有待进一步的规范和完善，以迅速促进轻钢结构OSSB房屋体系在我国建筑行业中的应用和发展。

首先，我国的建筑标准规范是针对几十年来大量使用的结构体系编制的，轻钢结构（包括木结构，以下同）住宅体系此前在我国属于技术空白，到目前为止，仍缺乏有针对性的、系统性的钢结构住宅规范。例如，我国建国以后建造的建筑物多采用砖石和钢筋混凝土等耐火性能好的建筑材料，而由此导致《建筑设计防火规范》在材料选用方面明显较国外苛刻，轻钢结构住宅难以满足其耐火性能和耐火等级的要求。再如长期以来镀锌轻钢龙骨在我国仅用于隔断、吊顶等非主要承重结构，而作为承重体系，国内仅仅是在尝试起步阶段，既缺乏对其受力状况和结构安全性、耐久性的系统理论分析，也缺乏相关的实验数据，这就使得轻钢住宅的结构设计在我国难于寻找到有针对性的规范作为依据。目前，虽然国家相关行业部门正在抓紧制定有关规范或技术标准体系，亦有部分相关规范已颁布实施，但要真正形成系统的、有针对性的完整规范和技术标准体系，还有许多深入细致的研究和协调工作要做，还需要各有关科研设计单位、大专院校、生产企业的共同协作努力。

另一方面，轻钢结构住宅体系虽然在国外、尤其是北美地区已经十分成熟和完善，但对于我国来说却基本是新东西，尽管也有国内外的相关企业、学者近年来一直在努力致力于该方面的推广尝试，但所遇到的各种困难几乎无处不在。由于中国的消费者长期以来住惯了砖混或钢筋混凝土结构的住宅，人们往往认为钢材太贵，钢结构建筑造价高难以承受等传统观念直接影响了它的应用与发展，甚至有人认为木材、麦秸等不耐久、不牢固，完全不了解木材这类材料的环境友好等卓越的性能。因此，要让人们慢慢开始接受并逐步喜欢轻钢结构住宅，既需要一个渐进的过程，同时更需要我们加大宣传力度。

诺菲博尔板业引进北美、欧洲等先进设计技术，将OSSB与轻钢结构屋架体系相结合，研发了轻钢结构OSSB房屋系统，并投资建立了轻钢结构住宅生产线，集新农村建设和援建四川汶川地震于一体，开始有计划的在北京、四川等地建造一批试验、示范工程，这将有利于整个社会对这种新住宅体系的认知和接受，对此，国家应适当予以积极的政策扶持。

5. 结语

OSSB具有质轻、优良的物理力学性能和绿色环保等特点，是理想的高性能建筑结构材料，可以广泛应用于建筑及家具工业。OSSB产品的开发与利用是生态环境建设和材料工业发展的需要，也是满足可持续发展的要求，它对发展生态农业乃至整个农村经济的发展必将产生深远的意义。诺菲博尔板业开发的轻钢屋架OSSB房屋系统，同时具有节能、舒适、环保等特点，随着轻钢结构住宅建筑产业化技术导则、相关技术规则的相继颁布，以及这一体系在我国日臻推广和完善，相信它将是一种极具发展前途的建筑形式，必将成为住宅产业发展的热点而得到广泛的应用。

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