曹 倪,仲繼清,張圓圓,魏涵銘,呂思宇

(大連大學(xué) 建筑工程學(xué)院,遼寧 大連 116622)

0 前 言

生土是人類最早使用的建筑材料之一,泛指未經(jīng)焙燒,以天然原生土為主要原料,經(jīng)過簡單加工便可直接使用的材料。生土建筑簡而言之就是采用生土材料建造的建筑。目前生土建筑仍是我國廣大村鎮(zhèn)地區(qū)建筑的常見形式之一,例如東北干打壘土房、云南的土掌房、黃土高原地區(qū)的窯洞、新疆的穹頂土坯屋、粵北閩南的客家土樓等。這些傳統(tǒng)生土建筑不但是我國勞動(dòng)者智慧的結(jié)晶,也是中華文明璀璨的建筑文化瑰寶。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步,黏土磚、混凝土以及鋼材逐漸取代生土材料在廣大村鎮(zhèn)地區(qū)使用,與此同時(shí)建筑垃圾日益增多,建筑污染不斷加劇。在現(xiàn)代能源危機(jī)、生態(tài)危機(jī)、提倡可持續(xù)發(fā)展的背景下,隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)越來越重視,被工業(yè)文明逐漸遺忘的建筑瑰寶——生土建筑再一次引起世界各地的關(guān)注,國內(nèi)外研究人員又將注意力集中在傳統(tǒng)的綠色建材生土材料上,開始系統(tǒng)地研究生土材料和生土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能及耐久性能,尤其生土材料改性成為研究的熱點(diǎn)問題之一,給傳統(tǒng)生土建筑賦予了新的生命。

1 生土材料優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 優(yōu) 點(diǎn)

1)分布廣泛,易于就地取材。生土材料在我國分布廣泛,是我們腳下最容易找到的材料,尤其黃土高原地區(qū),森林覆蓋嚴(yán)重缺失,致使樹木匱乏,降雨較少,比較干旱,黃土儲(chǔ)量極其豐富。

2)易于施工,造價(jià)低廉。生土材料在一定的含水率條件下可塑性較好,可以建造成不同的形狀。生土建筑施工操作簡便,草泥黏土房將各種材料充分混合后直接堆砌而成,無需模板；夯土建筑是在模板中倒入合適濕度的土直接夯筑,無需經(jīng)歷干燥期便可進(jìn)行下一步的施工；土坯建筑等也較易于施工。正是由于生土材料易于就地取材、生土建筑易于施工的優(yōu)點(diǎn)，使得生土建筑造價(jià)低廉、維護(hù)成本低,有利于村民自建自住。

3)熱工性能和隔聲性能良好。從建筑自身居住適宜性角度來看,生土建筑的熱工性能和隔聲性能較好。正是生土建筑具有較好的熱工性能，使得建筑內(nèi)部呈現(xiàn)冬暖夏涼的效果,同時(shí)生土材料的多孔特性使得生土建筑具有調(diào)節(jié)室內(nèi)濕度的能力。因此,生土建筑被稱為“天然空調(diào),恒溫住宅”。

4)節(jié)能環(huán)保。生土材料在節(jié)能環(huán)保方面的優(yōu)勢是現(xiàn)代建筑材料無法超越的。燒結(jié)磚、混凝土等材料在使用后產(chǎn)生大量建筑垃圾,無法回歸農(nóng)田再利用,而生土建筑的房屋在拆除后其土料經(jīng)過簡單破碎處理后仍可回歸農(nóng)田繼續(xù)使用。

5)有特色。除上述優(yōu)點(diǎn)外,生土材料還具有一定的地方特色,各地居民根據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)俗習(xí)慣自行建造,使得生土建筑的建筑表現(xiàn)力也各具特色。

1.2 缺 點(diǎn)

1)力學(xué)性能方面。傳統(tǒng)生土材料的力學(xué)性能較差,其抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度均較低。由于建筑的結(jié)構(gòu)形式、高度、開間和進(jìn)深的大小以及建筑物整體的承載能力受材料自身力學(xué)性能影響,常見的生土建筑空間狹小,致使內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局單一,通風(fēng)性能和采光性能較差。

2)耐久性能方面。生土材料的耐水和耐侵蝕性能較差。生土材料耐久性能方面的缺陷以及其他各方面因素的影響,使得傳統(tǒng)生土材料在使用過程中受到制約。當(dāng)生土受潮或遭受暴雨,其土質(zhì)容易變得松軟,穩(wěn)固性相對(duì)變差,建筑容易倒塌。但大量事實(shí)表明,大部分生土建筑可經(jīng)受風(fēng)雨侵蝕幾十年甚至百年屹立不倒,說明只要施工合理,建造質(zhì)量合格生土建筑的耐久性方面會(huì)得到很大改善。

3)抗震性能方面。由于生土材料自身抗彎強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度較差,采用其建造的房屋抗震性能存在先天不足。但也有很多生土建筑經(jīng)歷多次地震災(zāi)害依然完好無損,說明只要設(shè)計(jì)施工合理、構(gòu)造措施設(shè)置得當(dāng),生土建筑可以抵御一定的地震作用。

1.3 優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)

生土材料顯著的優(yōu)劣勢,因此，在傳承生土材料優(yōu)點(diǎn)的同時(shí),采用合適的方法改善其缺點(diǎn)是當(dāng)前生土材料研究中亟需解決的問題。

2 生土材料改性研究現(xiàn)狀

采用特定材料部分取代生土,在不影響生土材料優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行改性,以獲得力學(xué)性能、耐久性能以及抗震性能優(yōu)于傳統(tǒng)生土材料的改性生土材料,進(jìn)而傳承和擴(kuò)大生土材料的應(yīng)用范圍。

2.1 國外改性研究現(xiàn)狀

國外在生土結(jié)構(gòu)方面的研究發(fā)展比較成熟。美國、英國、法國、澳大利亞以及意大利等的研究人員結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ烫卣?、文化背景和社?huì)狀況,開展了一系列關(guān)于生土材料改性方面的研究,生土建筑從設(shè)計(jì)到施工結(jié)束全過程已步入規(guī)范化進(jìn)程,制訂了生土材料和生土結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

早在20世紀(jì),南非博茨瓦納大學(xué)的ALFRED B.Ngowi[1]對(duì)添加不同比例西沙爾麻、竹片等植物纖維的改性生土材料進(jìn)行研究,研究表明：改性生土材料的抗壓強(qiáng)度、耐水性能及耐候性均顯著提高。同時(shí)他還將動(dòng)物糞便作為穩(wěn)定劑加入土料中，以提高傳統(tǒng)生土材料的穩(wěn)定性。他還對(duì)添加水泥、石灰、瀝青的生土材料記性研究,均得到較好的效果。

意大利卡迪利亞大學(xué)建筑系的Achenza等[2]在分析當(dāng)?shù)厣两ㄖ€(wěn)定性的基礎(chǔ)上,在生土材料中添加海藻、番茄根部及甜菜根纖維組成的聚合劑,結(jié)果表明添加天然聚合劑的生土材料的水穩(wěn)定性大幅度提高。

法國里昂大學(xué)得Stephane Hans等[3]在土中添加水泥、石灰等對(duì)生土材料進(jìn)行改性研究,他們采用動(dòng)力加速度計(jì)對(duì)夯土結(jié)構(gòu)的彈性模量進(jìn)行測量,這種方法為夯土房屋的地震計(jì)算問題奠定基礎(chǔ),逐步實(shí)現(xiàn)計(jì)算當(dāng)?shù)噩F(xiàn)存生土結(jié)構(gòu)房屋在地震中的損害情況。

澳大利亞的Steve Burroughs[4]對(duì)104種改性生土材料進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗(yàn),試驗(yàn)中生土材料抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2 MPa,以此作為衡量標(biāo)準(zhǔn)量化了水泥改性土、石灰改性土和自然土的線性收縮性，研究為生土結(jié)構(gòu)房屋土料的選擇、抗壓性能及穩(wěn)定性的處理提供有效建議。

巴西的Ana Paula da Silva Milani和Lucila Chebel Labaki[5]科學(xué)地評(píng)估了采用添加稻殼灰的土料夯筑的墻體穩(wěn)定性能和熱工性能,并對(duì)生土材料的可持續(xù)性能和可循環(huán)利用性能進(jìn)行了研究,研究表明：添加10%的水泥和7.5%的石灰后得到的改性混合土料應(yīng)用前景較好。

伊朗的Sayyed Mahdi Hejaz等[6]研究了添加人工合成纖維和天然纖維的生土材料,討論了生土材料強(qiáng)度和剛度受纖維長度的影響,重點(diǎn)探究了添加短纖維的復(fù)合土料剛度和強(qiáng)度預(yù)測模型,研究表明纖維的加入增強(qiáng)了生土材料的剛度和強(qiáng)度。

喀麥隆雅溫得大學(xué)[7]對(duì)一種特殊的采用廢舊輪胎中鋼纖維加固生土磚的力學(xué)性能進(jìn)行研究。研究表明：該纖維的分布情況決定了該生土磚的延性,在構(gòu)件或者結(jié)構(gòu)徹底被崩潰前,鋼纖維在試件中像彈簧一樣吸收大量能量,抵抗較大變形,使構(gòu)架或結(jié)構(gòu)獲得較好的延性性能。

安科納-馬爾凱理工大學(xué)的Quintilio Piattoni等[8]在土坯試件中添加不同比例河砂并進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果表明：混合料中河砂的含量決定土坯的抗壓強(qiáng)度和彈性模量值的大小,抗壓強(qiáng)度值隨著河砂摻量提高略有降低,而彈性模量值則隨著河砂摻量提高而增大。

2.2 國內(nèi)改性研究現(xiàn)狀

目前我國針對(duì)生土材料改性方面的研究也比較多,但是離進(jìn)入規(guī)范化還有一定的距離。

楊永、張樹清等[9]對(duì)添加石灰、礦渣、粉煤灰等的生土材料力學(xué)性能和耐久性等宏觀性能方面進(jìn)行研究,并嘗試從微觀角度對(duì)改性前后的作用機(jī)制進(jìn)行闡述。研究結(jié)果表明：在最佳摻量條件下,單摻石灰和礦渣的改性效果較單摻石灰好,但與粉煤灰復(fù)摻后的改性效果不佳。研究結(jié)果為生土材料改性方面研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

張坤等[10]對(duì)添加質(zhì)量濃度為3%的糯米漿與不同粒徑和摻量的河砂的改性生土試件進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn),分析和討論改性前后生土試件抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：添加糯米漿改性后生土材料的抗壓強(qiáng)度和延性比得到有效提高,河砂的粒徑大小與摻量多少對(duì)改性生土試件的抗壓強(qiáng)度和延性比有一定程度影響。

王毅紅等[11]對(duì)大量添加不同粒徑、不同摻量礫石的生土試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn),探討了試塊的破壞過程、破壞形態(tài)、變形能力、抗壓強(qiáng)度以及荷載-位移曲線,系統(tǒng)地分析了礫石摻量對(duì)它們的影響。實(shí)驗(yàn)研究表明：礫石的粒徑大小和摻量多少對(duì)生土塊材的抗壓性能有一定影響,在生土材料中摻入適量的礫石,可改善傳統(tǒng)生土材料的抗壓性能。

劉芳[12]以西安地區(qū)黃土為原材料,以石子為主摻合料,水泥、砂子作為復(fù)摻合料,對(duì)單摻石子、復(fù)摻水泥和石子以及復(fù)摻砂子和石子的生土試塊進(jìn)行試驗(yàn)。分析不同摻料和摻量對(duì)生土試件抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律,得到抗壓強(qiáng)度與影響因素水平間的回歸方程,為改性生土材料抗壓強(qiáng)度取值和實(shí)際工程應(yīng)用提供依據(jù)。

錢覺時(shí)等[13]對(duì)采用石膏粉煤灰和聚羧酸減水劑改性的生土材料進(jìn)行了試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明,將聚羧酸減水劑添加在石膏粉煤灰改性生土中,可明顯改善石膏粉煤灰改性生土材料漿體的流動(dòng)度；在合理范圍內(nèi),聚羧酸減水劑摻量與生土材料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度成正比例關(guān)系；同時(shí)聚羧酸減水劑還可顯著提高生土材料的耐水性能,并顯著降低其干燥后的收縮率。

藺廣涵、葉洪東[14]以棉花秸稈為主添加料,同時(shí)摻入少量砂土對(duì)生土進(jìn)行改性并進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明,摻入適量棉花秸稈的改性生土試塊強(qiáng)度和延性較素土試塊有較大提高,摻入中砂對(duì)其力學(xué)性能和延性提高不明顯。

陳秋雨，劉寧[15]對(duì)采用磷石膏與粉煤灰、石灰及水泥與生土混合材料制作的試塊進(jìn)行試驗(yàn)。探究了單摻、雙摻及復(fù)摻情況下不同齡期試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,單摻水泥時(shí)改性生土材料強(qiáng)度隨其摻量的增加而提高；復(fù)摻5%磷石膏和10%水泥時(shí),改性生土試塊抗壓強(qiáng)度可達(dá)到4.21 MPa；復(fù)摻5%磷石膏,10%水泥,5%石灰和20%粉煤灰時(shí),改性生土試塊強(qiáng)度為4.50 MPa,進(jìn)一步說明生土材料在合理改性情況下其強(qiáng)度可大幅度提升。

3 結(jié)論與展望

從國內(nèi)外生土材料改性研究現(xiàn)狀來看,許多高校以及科研機(jī)構(gòu)的研究者都在為生土材料改性研究不斷努力并獲得較好的結(jié)果,進(jìn)一步證明了生土材料改性研究的價(jià)值,也證明了生土建筑在生態(tài)環(huán)保方面的優(yōu)越性及作為綠色建材在我國村鎮(zhèn)地區(qū)應(yīng)用的可行性,為生土材料改性研究提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。后續(xù)研究仍需在生土材料的改性方面做更多嘗試,為生土建筑的傳承與發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

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