青海地區(qū)新型夯土墻的試驗研究

劉成奎，馮堅

（1.青海省建筑建材科學(xué)研究院，青海西寧 810008；2.青海省高原土木工程與工程材料重點實驗室，青海西寧 810008）

青海地區(qū)新型夯土墻的試驗研究

劉成奎1，2，馮堅1，2

（1.青海省建筑建材科學(xué)研究院，青海西寧 810008；2.青海省高原土木工程與工程材料重點實驗室，青海西寧 810008）

根據(jù)青海地區(qū)傳統(tǒng)夯土墻的應(yīng)用情況，研制了一種適合該地區(qū)的新型夯土墻。通過研究，找出了一種新型夯土墻體材料性能及配合比優(yōu)化的方法，同時研制出了一系列關(guān)于新型夯土墻的施工及模具改良技術(shù)。通過工程應(yīng)用和實踐表明，研究中的新型夯土墻體材料性能表現(xiàn)良好，施工技術(shù)先進可靠。

新型夯土墻；材料性能；施工工藝

以泥土為主要材料，經(jīng)拌合入模，通過外力密實后形成的夯土建筑歷史悠久，從埃及金字塔和我國長城中都能感受到人類智慧和自然建材的有機結(jié)晶。在青海省的農(nóng)牧地區(qū)，夯土墻仍是一種常見的建筑墻體，涉及到農(nóng)牧民居、畜棚、農(nóng)作物溫棚等。本文通過實地調(diào)研，研制了一種適合本地區(qū)土壤資源和人文情懷的新型夯土墻，同時對墻體材料性能進行了研究和優(yōu)化，對施工工藝進行了技術(shù)改良，并應(yīng)用到了示范工程。結(jié)果表明，本次研究的成果可行實用，具有較高的推廣和應(yīng)用價值。

1　新型夯土墻體材料的試驗

1.1原材料

粉土：取自湟源縣日月鄉(xiāng)兔兒干村，含水量為12.1%，液限為21.9%，塑限為17.2%；水泥：P·C32.5水泥，初凝時間為121min，終凝時間為256min，28d抗壓強度為36.8MPa；砂：機制砂，細度模數(shù)3.4，屬于粗砂。熟石灰：CaO含量為77.48%，MgO含量為0.59%；路豐液體土壤固化劑（LSF-Ⅲ）：淺棕色黏稠狀液體，無沉淀物，固含量＜18%，密度（1.05±0.02）g/cm3，pH值=8.0～10.0；聚丙烯腈纖維：長度12 mm，直徑13 μm，抗拉強度750 MPa，彈性模量11 GPa，密度1.18 g/cm2，極限伸長率20%；水：自來水。其中，土和砂子最大粒徑不宜超過5 mm，熟石灰最大粒徑不宜超過3.0 mm[1]。

1.2試驗配合比

根據(jù)研究需要，本次研究共制定了4種配合比，如表1所示。配比中，固化劑用量按照土的質(zhì)量外摻，聚丙烯腈纖維用量按占墻體材料的體積百分?jǐn)?shù)，加水量以“手捏成團”和“落地開花”原則控制[1]。

表1　新型夯土墻體材料試驗配合比

1.3試件成型

新型夯土墻的主要成型工藝包括原材料的機械粉碎、篩分、攪拌（干拌2 min、濕拌5 min為宜）、入模、夯實、拆模、自然養(yǎng)護。該成型過程也適用于實驗室土體試樣的制作和分析。如圖1所示，按照設(shè)計的新型夯土墻體材料配合比，在實驗室內(nèi)參照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中的土工重型擊實試驗方法制得圓柱體試樣。

圖1　試樣制作與試驗方法

1.4性能測試方法

抗壓強度參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》進行測試；含水率、濕密度、干密度參照GB/T 50123—1999進行測試；軟化系數(shù)參照GB/T 4111—2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》進行測試。

2　新型夯土墻體材料試驗結(jié)果與分析

2.1性能測試結(jié)果

按照表1配合比制備的新型夯土墻體材料的主要性能指標(biāo)如表2所示。

表2　新型夯土墻體材料的主要性能指標(biāo)

2.2土體改性機理

土體改性就是采用常溫下向土中加入改性材料（如砂子、水泥和熟石灰等），并施加一定外力搗實，通過土內(nèi)發(fā)生一些列的物理化學(xué)反應(yīng)使土體顆粒膠結(jié)，從而改變土的原有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，達到提高土體的耐久性和力學(xué)性能的目的。通過以上研究和分析，新型夯土墻土體通過以下方式達到改性目的：（1）土體各組分的合理配比和顆粒之間合理的組合，加上合理有效的密實技術(shù)，使夯土體的密實程度最大化，從而提高夯土的強度及耐久性能；（2）摻入適當(dāng)?shù)墓橇希?jīng)過有效夯實后，以起到土體顆粒間的的骨架作用，滿足夯土整體的構(gòu)造要求，從而提高土體強度；（3）摻入活性摻合料，增加土體內(nèi)固相物質(zhì)的重組效應(yīng)，以提高夯土土體的強度和耐久性。

3　新型夯土墻模具

如圖2所示，傳統(tǒng)夯土墻施工工藝復(fù)雜、效率低下、安全性差。受傳統(tǒng)施工工藝的啟發(fā)，本次研究中研發(fā)了一系列新型夯土墻的施工工藝，對模板及拐角加固進行了創(chuàng)新，效果良好。通過實踐表明，新型夯土墻模具實現(xiàn)了夯土墻體墻面自然垂直的效果，避免了傳統(tǒng)夯土墻必須“收峰”的缺點；新型夯土墻模具及先進的施工工藝還可以實現(xiàn)墻體與預(yù)留門、窗洞一次成型的效果，如圖3所示。

圖2　傳統(tǒng)夯土墻施工現(xiàn)場

圖3　新型夯土墻施工現(xiàn)場

3.1模板

本研究采用松木質(zhì)模板，尺寸為60 mm×400 mm×4000 mm，組合配件包括長為500 mm的8#槽鋼、直徑為15 mm的穿墻螺桿（螺桿長度根據(jù)墻體寬度選擇）、Φ16 mm的PVC套管，并按照操作步驟依次組裝即可。

3.2拐角連接技術(shù)

傳統(tǒng)夯土墻施工模具自身笨拙，尤其是在墻體拐角處對施工操作帶來了很多麻煩，施工過程中易出現(xiàn)缺棱掉角甚至是不規(guī)整的現(xiàn)象。本著操作便捷，安全耐用的原則，本研究研發(fā)了2種適合新型夯土墻模板的拐角連接和固定措施，即鎖扣固定式和角鋼固定式。鎖扣式安裝輕便、易拆卸、易更換、固定效果良好，適合施工空間狹小或墻體拐角多變的拐角連接部位，如圖4所示；角鋼式連接固定緊實，具有足夠的剛度、經(jīng)濟耐用，適合底層夯實或土體夯實程度要求較高的拐角連接部位，如圖5所示。

圖4　鎖扣式拐角處理工藝措施

圖5　角鋼式拐角處理工藝措施

4　新型夯土墻夯實技術(shù)

4.1新型夯錘

夯土墻歷史悠久，記載了人類的汗水和智慧，但是與當(dāng)今墻體材料及施工工藝比較，傳統(tǒng)的夯土墻及其施工工藝仍有明顯不足。傳統(tǒng)夯土墻夯使用的夯實工具俗稱“打夯錘”或“打夯石”，如圖6所示。即通過石體或同等重量的重物通過重力進行墻體夯實，但是其操作十分費力且振搗力量不均勻，造成墻體緊實度不一。

現(xiàn)有技術(shù)中有一種氣動搗固錘，但是用于土體夯實，具有錘頭質(zhì)輕、錘面過小等缺點。根據(jù)其工作原理，我們對其進行了加工和改良，特此開發(fā)了一種操作便捷、使用安全、振搗頻率穩(wěn)定、振搗力量均勻的氣動夯錘。

如圖7所示，氣動夯錘包括鐵質(zhì)半球錘頭、密封螺母、缸體、缸體螺母、氣桿、進氣控制閥、手柄、氣管接頭和活塞桿，半球錘頭焊接在活塞桿前端，缸體與活塞連接處設(shè)有密封螺母，缸體通過缸體螺母安裝在氣桿上，手柄設(shè)置在氣桿上，手柄上設(shè)有進氣控制閥，氣桿端部安裝有氣管接頭，氣管接頭通過高壓氣動管連接空氣壓縮設(shè)備。半球錘頭的質(zhì)量為2.0 kg，截面方向大圓的半徑為55 mm，球體半徑為100 mm，這種新型氣動夯錘操作便捷，振搗頻率穩(wěn)定，振搗力量均勻，夯實效果良好。

圖6　傳統(tǒng)打夯錘

圖7　新型氣動夯錘

4.2夯實方法說明

根據(jù)反復(fù)試驗和研究，拌合料入模時宜填料80～120 mm為一層，利用氣動夯錘夯實，每層按照“之”字型路徑振搗6遍后墻體密實度適宜，如圖8所示。為增加土體層與層之間的咬合粘接能力，每層之間的振搗路徑宜錯開。

圖8　“之”字型振搗路徑

5　結(jié)語

由于我國城鎮(zhèn)化建設(shè)的需求，新型夯土墻也只能用于農(nóng)牧地區(qū)的房屋建筑中，而且這也合乎廣大農(nóng)牧民的“戀土品格”和“環(huán)農(nóng)業(yè)特征”[2]。但是相對于生產(chǎn)力低下的農(nóng)牧地區(qū)，新型夯土墻仍有足夠的推廣和應(yīng)用價值，具體如下：

（1）新型夯土墻是資源節(jié)約型的。新型夯土墻的原材料完全滿足就地取材，又可回歸自然，可以實現(xiàn)土壤資源循環(huán)可持續(xù)利用；新型夯土墻體具有良好的儲熱能力，作為房屋的圍護結(jié)構(gòu)，白天可以將一定的太陽光熱量儲存在墻體內(nèi)部，晚上在溫差的作用下又將其內(nèi)部的熱量釋放到建筑物內(nèi)，達到充分利用自然能量的良好效果。

（2）新型夯土墻是環(huán)境友好型的。傳統(tǒng)的生土建筑遵循了人與自然和諧發(fā)展的必然規(guī)律，而新型夯土墻將繼續(xù)堅持這一理念，結(jié)合現(xiàn)代科技力量，以解決當(dāng)前自然環(huán)境對社會發(fā)展的承載力，其生產(chǎn)要素實現(xiàn)綠色化，充分尊重自然環(huán)境，實現(xiàn)了廣大農(nóng)牧民與居住環(huán)境和諧可持續(xù)發(fā)展的美好愿望。它存在于自然，居住之和諧，將充分體現(xiàn)了廣大農(nóng)牧居民與自然和諧相處的智慧。

（3）新型夯土墻是經(jīng)濟適用性的。一方面，新型夯土墻墻體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性好，居住舒適，適用性強，施工技術(shù)靈活簡便，建造和維修成本低廉，非常適合廣大農(nóng)牧地區(qū)；另一方面，通過對土體的改性和有效的夯實技術(shù)，新型夯土墻體材料具有良好的耐久性能，抗裂和抗侵蝕能力得到了一定程度的改善，非常適用于青藏高原降雨少、風(fēng)沙多、紫外線強的嚴(yán)酷環(huán)境。

[1]劉成奎，馮堅，李萬琴，等.青海地區(qū)新型生土系列墻體材料的試驗與研究[J].新型建筑材料，2015，42（8）：39-42.

[2]劉連新.青海農(nóng)村舊居圍護結(jié)構(gòu)保溫問題的探究與啟示[J].青海大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2002，20（5）：1-3，6.

The test and research of a new type of rammed earth wall in Qinghai Province

LIU Chengkui1，2，F(xiàn)ENG Jian1，2
（1.Qinghai Provincial Science Research Institute of Building&Construction Material，Xining 810008，China；2.Key Laboratory of High Altitude Civil Engineering&Engineering Materials in Qinghai Province，Xining 810008，China）

According to the application conditions of the traditional loam wall in Qinghai province，a new type of rammed earth wall is developed，which is suitable for the region.Its optimal proportion method and material properties are designed through research.At the same time，a serious of new construction and improvement template technology about the loam wall have been developed.Through the engineering application and practice shows that the new type of rammed earth wall materials performance is good and construction technique is advanced and reliable.

new rammed earth wall，material property，construction technology

TU361

A

1001-702X（2016）10-0029-03

國家科技支撐計劃項目（2013BAJ03B03）

2016-03-08；

2016-04-07

劉成奎，男，1988年生，青海西寧人，碩士，研究方向：建筑材料耐久性。