生土基梯度功能墻體材料改性研究

海 然

（中原工學院，鄭州450007）

現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，導致資源、能源高速消耗和生態(tài)環(huán)境不斷惡化.隨著可持續(xù)發(fā)展和低碳經(jīng)濟理念深入人心，發(fā)展低能耗、低排放、低污染的建筑材料，成為建材業(yè)發(fā)展的必然選擇.目前，建筑垃圾再生利用，用工業(yè)廢棄物制備水泥基復合材料、堿激發(fā)膠凝材料等，也在朝著低污染、低能耗、環(huán)境友好的方向發(fā)展，但是這種依靠強化學鍵結合的建筑材料在其服役結束后終究會成為環(huán)境的負擔，面臨著再生利用的問題.尤其是在我國廣大農(nóng)村地區(qū)，相對缺乏發(fā)展新型建材的工業(yè)廢棄物.因此，根據(jù)農(nóng)村特色開發(fā)符合可持續(xù)發(fā)展需要的新型建筑材料，就顯得尤為重要.鑒于資源與環(huán)境的雙重壓力，同時為進一步探索和發(fā)掘蘊含在中國傳統(tǒng)民居中的綠色生態(tài)建筑經(jīng)驗，人們開始重新審視生土基材料和生土建筑，目前生土基材料已經(jīng)成為國內外研究的熱點之一［1－6］.在我國科技“十二五規(guī)劃”期間，也更加重視傳統(tǒng)建筑材料的性能優(yōu)化與升級利用，其中生土基材料的性能優(yōu)化與綜合利用技術已成為重點發(fā)展方向之一.

1 國內外生土基墻體材料的發(fā)展現(xiàn)狀

生土基墻體材料泛指未經(jīng)過焙燒，僅僅經(jīng)過簡單加工的原狀土質材料，用其建造的建筑稱為生土建筑.用未經(jīng)焙燒的生土為主材修建的生土建筑也是各種建筑形式的始祖，主要分布在拉美、非洲、南亞次大陸、亞洲各地、中東、歐洲南部等地.據(jù)統(tǒng)計，世界30%的人口至今仍居住在生土建筑當中，部分發(fā)展中國家這一比例可達50%.我國生土建筑也有數(shù)千年的歷史，距今6 000年前的半坡遺址中的半穴居、穴居和地面建筑都采用生土作為建筑材料［7］.從4 000年前的龍山文化遺址中發(fā)現(xiàn)，當時人們已掌握了較成熟的夯土技術，建造了夯土成型的城墻、臺基和墻壁等［8］.目前，以生土作為墻體材料的建筑仍是我國部分村鎮(zhèn)建筑的形式之一.除了廣闊的黃土高原外，福建、云南、東三省、內蒙古、河南等地至今仍保留有生土建筑，其建筑形式有窯洞、土坯建筑、夯土建筑等［9］，一些古老的生土建筑已成為中華文明的見證和歷史瑰寶.然而，傳統(tǒng)的生土基材料由于存在不盡人意的弊端，如強度低、變形大、耐水性差、抗震性能差等特點，而且在生土建筑建造過程中，人們常常對材料的性質缺乏足夠的科學認知，極大地妨礙了生土建筑質量的提高，因而，生土建筑在農(nóng)村正在逐漸被摒棄.盡管有諸多弊端，但生土建筑充分發(fā)揮了就地取材和土的熱穩(wěn)定性、保溫性能好的優(yōu)勢，可以抵御寒暑的劇烈變化，為人類創(chuàng)造出了適宜的室內環(huán)境；同時生土基材料還具有調濕、透氣、防火、低能耗、造價低等特點.比如，其能耗僅為燒結黏土磚生產(chǎn)能耗的1%［10］.最為重要的是，生土基材料在服役結束后又回到了自然界，可作為農(nóng)田土壤使植物生長，或為土生動物、微生物提供生存空間.如果能夠利用現(xiàn)代工業(yè)技術改進古老的生土基材料，同時進行合理的結構設計，使其獲得較高的強度、良好的耐水性以及抵御自然災害能力，就可能使生土基材料成為廣大農(nóng)村地區(qū)重要的建筑材料，使傳統(tǒng)的生土建筑重新煥發(fā)青春.與此同時，我國現(xiàn)代農(nóng)村村鎮(zhèn)建設又需要大量的建筑材料，而在國家“禁實”后建筑材料資源供給不足，尤其在廣大農(nóng)村更為匱乏；而且，在我國有大量無法耕種的劣質土資源（風沙土、鹽漬土、河道淤泥）沒有得到有效利用，如我國共有沙漠及沙漠化土地約150萬km2、鹽漬化土地約2.670×107hm2，黃河向下游年平均輸泥沙量多達16億噸.為滿足社會主義新農(nóng)村建設對節(jié)能、保溫、綠色新型墻體材料的需求，尤其為發(fā)揮具有劣質土資源地區(qū)的地域優(yōu)勢，研究開發(fā)新型劣質生土資源利用技術、新型生土基材料與生土建筑結構體系，具有一定的緊迫性.

2 生土基墻體材料的改性研究及梯度概念的引入

目前，對生土基材料的研究主要集中在研究生土基材料力學性能與微觀結構的關系［11－13］；利用水泥、石灰、天然有機物、纖維等材料對生土進行改性［14－18］，以提高生土材料的強度和耐久性；以及對生土建筑進行力學性能、各向異性、熱學性能、抗震性和耐久性等方面的測試［19－23］.雖然利用水泥、石灰等對生土基材料進行改性可以適當提高其強度及抗水性能，但該改性途徑增加了生土基材料中的化學鍵分量，會改變其微觀孔結構，進而導致生土基材料固有的保溫、隔熱、調濕等功能的弱化或喪失，且隨之會給生土基材料服役后回歸自然帶來困難.

分析發(fā)現(xiàn)，作為用于建筑結構的生土基墻體材料，其實主要應承擔兩方面的作用，即內部保溫、調濕，外部承受荷載和抵御外界環(huán)境變化（光、熱、水等）、侵蝕介質侵入.就生土基材料的改性而言，可以考慮增加其內部結構中物理作用力的分量，增加粘土顆粒之間的接觸點，從而提高其強度；或者局部增加低溶解度的強化學鍵產(chǎn)物的分量，以提高其抗水能力；或者引入有機膠結體系或憎水活性組分，以其結合粘土表面OH－形成弱化學鍵，降低粘土顆粒表面雙電層厚度，從而既保證其粘土的本質不變，又促進體系強度和抗水能力的提升，同時有機質又有利于后期的生土基材料的回收與利用.就生土建筑結構優(yōu)化設計而言，雖然可以通過生土基材料與高強、抗水材料形成層狀復合材料的方法提高其抗水能力，但由于高強、抗水材料（如水泥基材料）通常具有高彈性模量，該材料與生土基材料復合后，二者彈性模量相差太大，容易形成界面應力，從而導致結構的不穩(wěn)定.而梯度功能材料正是基于消除材料內部應力而提出的.所謂梯度功能材料，就是在材料的制備過程中，選擇幾種不同性質和功能的材料，通過控制材料微觀要素（包括組成、結構以及空隙在內的形態(tài)與結合方式等）的分布形式，使得界面的成分和組織呈現(xiàn)連續(xù)梯度變化，既有效緩解界面過渡區(qū)應力（外應力、溫差應力）集中，又在同一材料及其結構體中賦予不同功能（尤其是材料組分變化相對的兩端）.梯度功能材料經(jīng)過多年發(fā)展，已經(jīng)在航天飛機超耐熱材料、生物材料、水泥基材料等領域得到成功應用［24－25］.如借鑒梯度功能材料的思路，則有可能減小或消除生土基材料與改性材料之間的界面應力，使生土基材料同時發(fā)揮承載、抗水、保溫及裝飾等多項作用成為現(xiàn)實，實現(xiàn)結構－功能一體化，見圖1.

圖1 生土與改性界面滲透梯度耦合界面示意圖

3 結 語

將梯度的概念引入生土基墻體材料的改性研究中，在研究生土基材料及其結構體系的微、細觀結構與宏觀力學性能、體積穩(wěn)定性、耐久性能之間的聯(lián)系、弄清生土基材料多孔介質的力學傳輸機制與熱量傳導機制的基礎上，進行生土基材料增強、耐水改性并弄清其改性機理，設計出具有復合功能和良好穩(wěn)定性的生土基墻體材料及其梯度結構體系并弄清其本構關系、應力傳輸機制、熱量傳導機制及其力學穩(wěn)定性，同時探討生土基梯度結構體系的結構演變與性能退化規(guī)律，必將能實現(xiàn)生土基材料的性能優(yōu)化和劣質土的資源化利用.這樣既可以使具有悠久歷史的傳統(tǒng)生土建筑獲得新生，又可以推動社會主義新農(nóng)村建設可持續(xù)發(fā)展.

［1］Maria Idália Gomes，Mário Lopes，Jorge de Brito.Seismic Resistance of Earth Construction in Portugal［J］.Engineering Structures，2011（33）：932－941.

［2］Pagliolico S L，Ronchetti S，Turcato E A，et al.Physicochemical and Mineralogical Characterization of Earth for Building in North West Italy［J］.Applied Clay Science，2010（50）：439－454.

［3］SéréG，Schwartz C，Ouvrard S，et al.Soil Construction：A Step for Ecological Reclamation of Derelict Lands［J］.J Soils Sediments，2008，8（2）：130－136.

［4］Isik B，Tulbentci T.Sustainable Housing in Island Conditions Using Alker－gypsum－stabilized Earth：A Case Study from Northern Cyprus［J］.Build Environ，2008，43（9）：1426－32.

［5］王沛欽，鄭山鎖，柴俊，等.走向生土建筑結構［J］.工業(yè)建筑，2008，38（3）：101－105.

［6］Carmen Jiménez Delgado M，Ignacio Caňas Guerrero.The Selection of Soil for Unstabilised Earth Building：A Normative Review［J］.Constr Build Mater，2007，21（2）：237－51.

［7］陳仁升，康爾泗，楊建平.肅河西地區(qū)近50年氣象和水文序列的變化趨勢［J］.蘭州大學學報（自然科學版），2002，38（2）：2－3.

［8］趙成，阿肯江·托呼提.生土建筑研究綜述［J］.四川建筑，2010，30（1）：1－3.

［9］王軍，呂東軍.走向生土建筑的未來［J］.西安建筑科技大學學報，2001，33（2）：147－149.

［10］尚建麗，劉加平，趙西平.低能耗夯實粗粒土建筑特性的試驗研究［J］.西安建筑科技大學學報（自然科學版），2003，35（4）：325－328.

［11］Hall M，Djerbib Y.Moisture Ingress in Rammed Earth：The Effect of Soil Particle－size Distribution on the Rate of Capillary Suction［J］.Construction and Building Materials，2004，18：269－80.

［12］Hall M，Djerbib Y.Moisture Ingress in Rammed Earth：The Effect of Soil Particle－size Distribution on the Absorption of Static Pressure－driven Water［J］.Construction and Building Materials，2006，20：374－83.

［13］Hall M，Djerbib Y.Moisture Ingress in Rammed Earth：Sorptivity，Surface Receptiveness and Surface Inflow Velocity［J］.Construction and Building Materials，2006，20：384－95.

［14］Achenza M，F(xiàn)enu L.On Earth Stabilization with Natural Polymers for Earth Masonry Construction［J］.Materials and Structures，2006，39：21－27.

［15］Jayasinghe C，Kamaladasa N.Compressive Strength Characteristics of Cement Stabilized Rammed Earth Walls［J］.Construction and Building Materials，2007，21：1971－1976.

［16］李剛，姜曙光，刑海峰，等.新疆高寒地區(qū)改性生土坯墻體材料的試驗研究［J］.低溫建筑技術，2007，29（2）：103－105.

［17］錢覺時，王琴，賈興文.燃煤電廠脫硫廢棄物用于改性生土材料的研究［J］.新型建筑材料，2009（2）：28－31.

［18］王立久，譚曉倩，汪振雙.生土活化膠凝材料的制備及性能研究［J］.新型建筑材料，2010（10）：83－86.

［19］Hall M，Allinson D.Assessing the Effects of Soil Grading on the Moisture Content－dependent Thermal Conductivity of Stabilised Rammed Earth Materials［J］.Appl Therm Eng，2009，29：740－747.

［20］Bui Q B，Morel J C，Reddy B V V，et al.Durability of Rammed Earth Walls Exposed to 20Years of Natural Weathering［J］.Build Environ，2008，44：912－919.

［21］Nowamooz H，Chazallon C.Finite Element Modelling of a Rammed Earth Wall［J］.Construction and Building Materials，2011（25）：2112－2121.

［22］Quoc－Bao Bui，Jean－Claude Morel.Assessing the Anisotropy of Rammed Earth［J］.Construction and Building Materials，2009（23）：3005－3011.

［23］Galán－Marín C，Rivera－Gómez C，Petric J.Clay－based Composite Stabilized with Natural Polymer and Fibre［J］.Construction and Building Materials，2010（24）：1462－1468.

［24］Suresh S，Mortensen A.功能梯度材料基礎［M］.李守新，等譯.北京：國防工業(yè)出版社，2000.

［25］楊久俊.水泥基梯度功能復合材料物理力學性能的研究［D］.上海：同濟大學，2003.