新型夯土建筑材料設(shè)計研究

武小飛

摘 要：數(shù)據(jù)顯示，我國仍有六千萬人居住在夯土建筑中。夯土建筑仍然是我國農(nóng)村住宅的一種主要形式。雖然夯土材料有良好的熱工性能，但是其力學(xué)性能和耐候性能很差。本文從提高改善夯土材料的耐久性入手，圍繞改性材料的選擇、優(yōu)化、耐久性指標的確定，尋求改善夯土自身耐久性的材料，提出耐久性改進措施。

關(guān)鍵詞：夯土；耐久性；研究

一、新型夯土墻材料構(gòu)成

按照梯度材料設(shè)計，通過控制材料微觀要素的分布形式，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(yīng)力集中，又在同一材料及其結(jié)構(gòu)體中賦予不同功能。

上圖所示：膠結(jié)材料部分可以提高夯土墻的強度、耐水性等，但同時也有干縮開裂、耐久性差等缺點。改性材料和砂石骨料可以提高墻體的耐久性，控制墻體開裂等問題的出現(xiàn)，同是提升土本身的粘接能力，使得土發(fā)揮更好地性能。在實際的夯土墻工程項目應(yīng)用中，要根據(jù)施工用土的性質(zhì)、工程質(zhì)量要求和當(dāng)?shù)氐氖┕きh(huán)境，因地制宜、就地取材、超前思考、科學(xué)布局、充分溝通、掌握關(guān)鍵、過程受控、持續(xù)優(yōu)化，合理設(shè)計配合比，科學(xué)試驗，科學(xué)施工。必須做到：技術(shù)上可行，經(jīng)濟上合理。

二、 土、 砂、石的要求及級配設(shè)計

1.粘土

（1） 取土地點。適用于建造的土質(zhì)位于種植層以下、巖石層以上。這是由于這一土層為無機礦物質(zhì)，避免了種植層內(nèi)有機物的生長對建造物的破壞。同時，這一土層的顆粒組成豐富，較為堅硬。

事實上，土是由不同粒徑的顆粒組成，包括石塊、石礫、砂、粉土和粘土。顯然，因地質(zhì)形成的差異，各地土質(zhì)的顆粒組成比例也不同。因此，不同地區(qū)的生土應(yīng)根據(jù)其顆粒組成的比例對應(yīng)相應(yīng)的建造方式。比如，顆粒分布均衡的生土適用于夯土建造，而以細小顆粒的砂和粘土為主的生土適用于作為抹面。（為了顏色好看，盡量選顏色深紅或深黃的土最好，而且選好的土必須過篩，不能有土塊）夯土取自坡積而成的土比較好，其原因是不占或少占可耕農(nóng)田還可以減少砂石的摻入量節(jié)省成本，分為坡積碎石土，坡積土石料、坡積礫石土。

（2） 黏粒含量的測定。將土樣過0.08mm篩，計算黏粒占總土樣質(zhì)量的比重。（用于夯土墻的土壤，黏粒含量不能超過30%）

（3）液塑限技術(shù)指標。液限（LL）和塑限（PL），兩者之差為塑性指數(shù)（Ip）

優(yōu)質(zhì)夯土材料：Ip<16% ；LL <36%

良好夯土材料：Ip=15%～30%；LL=36%～45%

不適用做夯土的材料：Ip>30%；LL>45%

2.粗砂。普通粗砂即可，但為了顏色好看，盡量選黃色的砂。

3.碎石。粒徑為0.5厘米到1.2厘米的碎石即可，但為了顏色好看，盡量選黃色或紅色的碎石。

4.級配設(shè)計。土石混合料的最佳級配的設(shè)計主要是采集施工地夯土土料、碎石、砂等材料，對土（篩分過的細粒粘土）、石、砂這3種材料進行相關(guān)的配合比實驗，常用的配合比有：

土：石：砂=6：2：2；5：3：2 ；5：2：3； 5：4：1；4：4：2； 4：3：3進而選出夯實之后密實度較高、強度較高且經(jīng)濟實惠的配合比。

三、 改性材料簡介

1.水泥。水泥穩(wěn)定土做夯土墻的缺點包括：①脆性大，抗拉強度較低；② 塑指小的土，達不到好的穩(wěn)定效果；③收縮系數(shù)大，易產(chǎn)生收縮裂縫；④ 兼容性差，有結(jié)構(gòu)缺陷和結(jié)構(gòu)缺陷；⑤施工期短；⑥ 水穩(wěn)性和冰凍性差。實驗表明，含有10%～35%粉粒和粘粒的砂土和砂礫土，可用水泥穩(wěn)定，但耐久性差。液限大于45%，塑性指數(shù)大于20%以上的土，用水泥穩(wěn)定是不合適的。單一外摻水泥來做夯土墻是不行的，因為水泥和砂石能很好結(jié)合，但水泥和土是不能兼容的，后期的結(jié)構(gòu)缺陷和排異缺陷非常明顯。

2.石灰。石灰和土能兼容，但石灰改性的生土材料做成的夯土墻，耐水性差，非常容易開裂，前期強度低，在實際應(yīng)用中受到限制。含黏粒成分少的土體不宜用石灰改性。

3.粉煤灰。通過試驗研究分析得出，粉煤灰能減少開裂，但強度增長緩慢。隨著粉煤灰摻量的增加，除個別（如云黃）土體與素土相比抗壓強度無明顯降低外，其它大部分土體抗壓強度均有下降趨勢。

4.石膏。脫硫石膏能調(diào)節(jié)夯土材料的凝固時間，但石膏單摻時無法改善生土材料的耐水性，加入激發(fā)劑后泛霜現(xiàn)象比較嚴重，在實際應(yīng)用中受到限制。

5.高爐礦渣。礦渣能夠提高生土材料的活性，且耐水性好。礦渣對收縮變形的改性效果最好，粉煤灰次之。為了得到強度高、軟化系數(shù)高的材料，礦渣是比較理想的礦物外加劑。但摻礦渣依然無法解決夯土穩(wěn)定性和耐久性的問題。同種土質(zhì)，摻礦渣的強度比摻粉煤灰的強度高，尤其是重夯下表現(xiàn)明顯，究其原因，一是從礦渣的化學(xué)成分分析，礦渣堿性組分大于粉煤灰中的堿性組分，摻入后與土體中氧化硅、氧化鋁在重夯下易于發(fā)生適量反應(yīng)，產(chǎn)生固化產(chǎn)物，其粒子數(shù)量增多，抗壓強度提高；二是從礦渣的比表面積分析，經(jīng)測定礦渣比表面積達600kg/平方米，而粉煤灰僅為400 kg/平方米左右。比表面積大的礦渣在夯實下反應(yīng)速率明顯高于粉煤灰。數(shù)據(jù)表明，達到3MPa強度要求的最適合礦渣摻量大約為10%。

6.纖維。植物纖維主要有：①麻絲②稻草③麥秸稈④竹片⑤紅柳⑥蘆葦⑦葛藤⑧谷殼⑨鋸末⑩麥糠人造纖維主要有：①玻璃纖維②聚丙烯纖維③纖維素纖維④聚乙烯醇纖維

7.夯土專用土壤固化劑。夯土專用土壤固化劑是一款兼容并蓄、博采眾家之長的產(chǎn)品，兼有水泥、石灰、粉煤灰、石膏、高爐礦渣等的所有優(yōu)點，克服了這些材料的缺點，加入夯土專用土壤固化劑的生土材料強度和軟化系數(shù)顯著提高，收縮率明顯減小，能抑制開裂，不怕水的浸泡和風(fēng)雨的侵蝕，耐凍融，抗震性能好，經(jīng)久耐用，而且還可以在不加顏料的條件下保持夯土色彩的多樣性。

四、其它材料配比建議

水泥粉煤灰混合料的最佳配合比C∶F=1∶3～1∶5，水泥石灰粉煤灰混合料的粘結(jié)料最佳配比C∶L∶F=1∶2∶3～1∶4∶7。麥秸稈摻量增加，會增加材料內(nèi)部的孔隙，從而降低變形模量，當(dāng)摻量達到1%時，麥秸稈的拉結(jié)作用使破壞趨于延性。素土中淀粉的摻量在3%～4%為宜，高于5%摻量時，抗壓強度增加緩慢，抗剪切強度有下降的趨勢。摻入0.5%的麻草/稻草（長3cm）的改性土，在最佳含水量條件下夯實后，抗壓強度和抗剪強度效果最好。相比素土而言，抗壓強度能提高約93%，抗剪切強度能提高約70%，摻入適量的淀粉（紅薯淀粉或支鏈淀粉）或麻草（或稻草）在一定程度上均能提高生土墻體的抗壓和抗剪性能，麻草的改性效果優(yōu)于淀粉。（稻草的摻量以0.5%～3%之間根據(jù)土質(zhì)尋求最佳摻量）。

五、結(jié)語

土壤固化劑是專門用來固化土壤的一種新材料，成本低，強度高，不怕水，不易開裂，耐凍融，不易老化，經(jīng)久耐用，十多年來被廣泛應(yīng)用在：修筑路基。高速公路的底基層硬化，一級路及以下各等級路的基層和底基層硬化。簡易道路或臨時性道路的基層和面層硬化； 場地硬化。土地一級整理、停車場、堆料場、堆貨場、生產(chǎn)加工場等場地的硬化處理；修筑夯土墻。如夯土墻蔬菜大棚、夯土墻養(yǎng)殖大棚、夯土墻民居、夯土墻豪宅別墅、夯土墻山莊會所度假村、夯土景觀圍墻、修補興建土樓、夯土城墻及影視基地夯土外景、夯土碉堡炮樓等；制作粘土免燒磚；水利堤壩/人工湖/圍堰固化防滲；礦井/油井固化防滲；礦山回填/垃圾填埋；尾礦渣處理。采用土壤固化劑做成的夯土墻的特點：強度高、不怕水、不易開裂、耐凍融、不易老化、造價低、取材易、施工簡單、節(jié)能環(huán)保原生態(tài)、接地氣、冬暖夏涼、自然調(diào)節(jié)溫濕、靜心安神益健。endprint