海草材料性能分析及应用研究

0引言在中国与丹麦现存着最为典型的传统海草房民居，皆采用干海草（主要是大叶藻）来苫盖屋顶，以石块砌筑墙体。

在我国主要分布于胶东半岛的威海、烟台、青岛等沿海地带，目前以荣成沿海村镇分布最为广泛。

在建筑材料发展日新月异的今天，海草房依然是胶东半岛村民的居住首选，已被列为省级非物质文化遗产。

而丹麦依索岛上的海草房更被宣布为北日德兰半岛的七大奇迹之一。

海草房（见图1）的独特外形与绿色性能被逐渐关注，并引发在当代生活方式下建筑如何利用海草的研究。

图1丹麦兰依索岛和中国胶东半岛海草房1海草房保温隔热性能测试胶东半岛海草房草顶厚达1m ，石墙厚达45cm ，气候边界的厚度提高了房屋的热稳定性。

为确定海草房相较瓦房的保温性能，分别选择在夏、冬两季对山东省荣成市宁津镇某海草房与瓦房的室内温度变化进行测试与比较。

基金项目：山东省高校科研计划项目（J18RB255）；东南大学城市与建筑遗产保护教育部重点实验室资助项目（KLUAHC1802）收稿日期：2018-11-12；修订日期：2019-01-22作者简介：杨俊，女，1983年生，山东烟台人，讲师。

通讯作者：钱玉莲，地址：山东省烟台市场莱山区清泉路30号，E-mail ：yj8023@ 。

海草材料性能分析及应用研究摘要：海洋赋予了海草在建筑材料中独特的生物特性，也构成我国胶东半岛与丹麦兰依索岛海草房成为生态民居的主要原因。

结合国内外海草植物领域的研究成果，利用跨学科研究平台，通过材料实验设计与建筑构造模拟，证实海草的生物特性与海草苫匠的技艺造就了海草房冬暖夏凉、耐燃耐久的优良性能，并结合丹麦当代的海草应用，提出海草材料利用的前景。

关键词：海草；生态民居；材料实验；构造模拟；当代利用中图分类号：TU531.6文献标识码：A文章编号：1001-702X （2019）04-0091-04Experimental analysis and utilization of seaweed materialsYANG Jun ，QIAN Yulian（Yantai University ，Yantai 264005，China ）Abstract ：The ocean endows seagrass with unique biological characteristics in building materials ，which is also the main rea -son why seagrass houses in Laniso Island ，Denmark and Jiaodong Peninsula in China have become ecological dwellings.Based on the research results in the field of seaweed plants at home and abroad ，and on the platform of interdisciplinary research ，throughmaterial experimental design and architectural structure simulation ，this paper confirms that the biological characteristics of seaweed and the skills of seaweed craftsmen have created the excellent properties of seaweed houses ，which are warm in winter ，cool in sum -mer ，fire-resistant and bining with the contemporary application of seaweed in Denmark ，it proposed prospect of sea -grass material utilization.Key words ：seagrass ，ecological residence ，material experiment ，structural simulation ，contemporary utilization杨俊，钱玉莲（烟台大学，山东烟台264005）全国中文核心期刊中国科技核心期刊测试结果显示，夏季某天，海草房室内平均温度为27.5℃，而瓦房室内平均温度为28.8℃，相差1.3℃，最高温度较海草房内高2℃。

冬季某天，对比无人居住的海草房与瓦房，海草房的室内平均温度为12℃，瓦房为10.3℃，相差约1.7℃。

一般情况下，2℃的温差，人体就会有明显的感知。

测试证实，海草房比一般的瓦房具有更稳定和更舒适的室内温度，保温隔热的效果较好。

2海草材料性能试验研究及构造模拟2.1海草中的活性抗菌成分对屋面抗老化和防虫特性的贡献胶东半岛与兰依索岛的海草房皆是以当地盛产的大叶藻（Zostera marina L）和矮大叶藻为材料（zostera noltii L），其中以大叶藻为主，这类海草广布于北半球沿海。

海洋环境使海草在生长和代谢过程中，产生并积累的大量具有特殊化学结构和生理活性的物质，这些物质已成为生物医药界开发新型抗菌物质的重要资源。

20世纪末，Paul G Harrison和Chan[1]已经从大叶藻干枯叶子中提取了抑制细菌生长的活性物质。

这种活性物质可以延缓干枯叶子受微生物腐蚀的速度。

2006年，研究发现大叶藻中的抗菌物质是一种Zosteric acid酸，具有抗菌和减少barnacles附着的能力[2]。

荷兰考古学家Wouter van der Meer[3]提到18世纪的荷兰也出现过使用海草做屋面的房子，因为具有耐火和耐老化的特性，他称这种房子几乎不可能毁坏，与之前的研究结果一样，他也将海草房抗老化的特性归于海草叶子中有效地抑制有机微生物活动的Zosteric acid成分。

2.2海草纤维中的胶质与高强度提高了屋面的整体性海草房苫盖前需要用水浸润，这与一般草屋的苫盖要求非常不同，茅草、稻草、芦苇等苫盖前一定要进行干燥以防腐烂。

而干海草反而非常需要适量的水激发它的纤维胶性。

法国材料学专家Davies P等[4]以波罗的海的大叶藻为例，对大叶藻纤维的组成和力学特性进行了实验研究，通过红外光谱分析，发现大叶藻纤维的组成成分主要是纤维素和胶质。

与陆地植物相比，大叶藻纤维含有较高的胶质成分。

在拉伸测试中，大叶藻纤维也显示出良好的力学特征，可以看作一种高强度低密度的纤维组合。

作为屋面材料，大叶藻纤维中含有大量胶质并具有较好的力学强度，增加了屋面材料的结合力和韧性，从而提高了整个屋面的整体性。

海草房的屋面也因此可以做到近60°的坡度，苫盖达2m甚至更高更厚也不脱落。

可见，材料生物特性与物理特性的有效发挥，使海草房形成了与一般草房不同的独特形式与优良性能。

2.3海草的生物结构与苫盖技术提升了屋面的保温性能海草生长在海洋环境中，为保证在水中更有效地吸收氧气和营养物质，其生物结构与陆地植物不同。

通过实验设计，观察胶东半岛海草房材料“海草”与“麦草”的生物组织结构，海草样品（c-1），采集于草甸村海草房；麦草样品（m-1），采集于巍巍村麦草房。

实验步骤：（1）处理样品，修剪成3mm宽用纱布包裹，在15%氢氟酸中浸泡7d，软化；（2）冲洗，在自来水下冲洗6h；（3）脱水与透明顺序：30%酒精（1h）→50%酒精（1h）→70%酒精（1h）→1/4的叔丁醇（4h）→2/4的叔丁醇（4h）→3/4的叔丁醇（6h）→纯叔丁醇（2h）→纯叔丁醇（2h）；（4）透蜡，24h；（5）包埋；（6）修块与切片，展片，烤片（6h）；（7）染色顺序：脱蜡→复水→番红染→脱水→固绿→封片；（8）光学显微镜观察，记录。

通过显微镜观察麦草与海草的横切片，发现海草的气腔比麦草的更丰富（见图2）。

更多密集的空气隔层使海草本身成为优良的保温隔热材料。

再通过海草屋面构造模拟可以发现，苫盖过程中海草与麦草材料交替叠压。

从檐部开始，1层麦草上着盖1层海草，横向苫盖，海草盖住下层麦草并出头2寸，再覆盖1层麦草，退让出下层海草，根据草的软硬调整苫的用力，草软时硬挤，草硬时匀散，硬挤不暴凸，匀散不能空虚。

这样稍蓬松的麦草为填充，在内；海草因胶结更密实为盖，在外。

在构造上形成外实内松的保温屋面层，材料在构造中得到优化配置（见图3）。

图2麦草与海草横切片（×10）图3兰依索与胶东半岛海草房苫盖方式比较杨俊，等：海草材料性能分析及应用研究2.4海草中的阻燃成分提升海草房的安全性实地调研发现，海草房的烟囱是直接从草屋面中伸出来，出烟口离屋面仅有40cm的距离，非常不同于一般草房对烟囱的布置要求[5]。

烟囱易引起火灾，对于草顶房屋犹需注意。

因此，火炕烟囱皆是独立砌在山墙以外1m以上的地方，并且高出屋面很多。

东北地区草顶民居的烟囱独立设于草屋外，距外墙1m左右。

而海草材料具有耐燃和阻燃性，可防止火焰蔓延至可燃的麦草，也可以阻止火焰伸向邻家。

因此，海草房村落多为山墙相接、屋面相连的组合方式，街巷空间整齐划一。

为证实这一特点，设计2个简单的观察实验，来对比海草和茅草、麦草高温下和燃烧时的状态。

实验1：利用大功率磁力搅拌机的底盘可以逐步加热（最高达300℃），取等量长度（10cm）的干燥样品放置于加热盘上，将温度从室温逐渐加热至200℃（一般草的燃点在130~ 250℃），观察高温下各样品的碳化速度与状态。

通过实验观察得出，海草比一般的茅草耐高温，碳化速度相对较慢，并且样品C-1、C-2是已在民居中使用四五十年的老海草，其耐高温的特性与新海草C-3没有很大的差异（见图4）。

图4样品随温度变化的碳化状态实验2：用酒精灯分别点燃等长度（85mm）的样品，观察样品在明火中的燃烧状态，记录和比较各样品完成整个燃烧所需要的时间。

发现海草具有明显的阻燃特性，燃烧速度远比一般茅草缓慢，也不传递明火。

并且，老海草（样品C-1、C-2）的耐燃特性与新海草（样品C-3）没有大的差异，证明海草的阻燃特性比较稳定。

本研究与东南大学材料学院合作，对大叶藻和矮大叶藻进行了XRF（X射线荧光光谱分析）实验，测得样品中均含有钙、铁、钾、锑、锰、锌等大量的金属元素，并含有微量的溴元素。

溴是海水中重要的非金属元素，工业所用的溴元素主要提取于海洋。

参考阻燃技术新材料，溴与氧化锑的组合式是常见的阻燃添加剂。

在国内外新型材料的研究中，也不断证实了海草具有阻燃特性。

指出海草中的硼盐[5]和海藻酸钙纤维都具有良好的热稳定性，难燃烧。