紅壤土質(zhì)夯土材料改性研究與實(shí)踐

石磊，張福鵬，柳思勉，韓佳倪，胡淞楠，侯榮帥

紅壤土質(zhì)夯土材料改性研究與實(shí)踐

石磊1, 2，張福鵬1, 2，柳思勉1, 2，韓佳倪1, 2，胡淞楠1, 2，侯榮帥1, 2

(1. 中南大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2. 中南大學(xué) 健康建筑研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

夯土建筑因其具有節(jié)能、環(huán)保、低造價(jià)、就地取材、施工簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、冬暖夏涼等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)長(zhǎng)久以來最常見的一種建筑類型。通過選取紅壤土典型地區(qū)——長(zhǎng)沙地區(qū)夯土進(jìn)行野外測(cè)試、最優(yōu)含水率、材料配比和性能優(yōu)化等實(shí)驗(yàn)，得到改性夯土材料的最優(yōu)配比進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用。研究結(jié)果表明：長(zhǎng)沙地區(qū)改性夯土材料最優(yōu)配比為土:砂:石:石灰:水泥:水配比為5:3:2:1/3:1:1;最優(yōu)含水率為8%~12%。夯土材料改性應(yīng)從材料野外試驗(yàn)、最優(yōu)含水率探究、粒徑配比優(yōu)化、材料性能改良等方面進(jìn)行實(shí)踐探究。以期為不同地區(qū)的夯土材料改良提供配比優(yōu)化方法和應(yīng)用參考，為現(xiàn)代夯土優(yōu)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

紅壤土；改性夯土；配比優(yōu)化；研究應(yīng)用；長(zhǎng)沙地區(qū)

生土作為最古老的建筑材料之一至今仍廣泛使用[1]。據(jù)聯(lián)合國(guó)最新統(tǒng)計(jì)，至今全球仍有約30%的人口居住在多種形式的生土建筑之中[2]，我國(guó)也仍有超過1億的人以各類生土建筑為居，分布遍及全國(guó)。夯土作為生土材料應(yīng)用最典型的類型之一，具有優(yōu)越的生態(tài)性能和材料性能，在地域化材料的應(yīng)用、民宿營(yíng)建、綠色建筑、健康建筑等方面具有巨大的應(yīng)用前景[3]。夯土材料也被國(guó)際公認(rèn)為性價(jià)比最高的一種健康生態(tài)建材[4-5]。然而傳統(tǒng)夯土建筑存在著抗震性能差、結(jié)構(gòu)形式單一、耐久性以及缺乏科學(xué)的現(xiàn)代化改良等問題，已滿足不了居民的需求。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和建筑師對(duì)此進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐[6]：法國(guó)“國(guó)際生土建筑研究和應(yīng)用中心”建立了生土材料優(yōu)化理論體系，美國(guó)新墨西哥政府制定實(shí)施了《新墨西哥土培于夯土建筑規(guī)范》，穆鈞等人完成了“現(xiàn)代夯土綠色民居建造研究示范”項(xiàng)目，任衛(wèi)東創(chuàng)辦了泥土學(xué)校等。在現(xiàn)代建筑語匯與傳統(tǒng)夯土工藝結(jié)合應(yīng)用、夯土的可持續(xù)性和生態(tài)性、現(xiàn)代夯土技術(shù)的優(yōu)化推廣等方面的實(shí)踐探究取得了突破性的進(jìn)展[7]。然而由于地域性之間存在差異，夯土營(yíng)造材料也不盡相同，在不同地區(qū)夯土條件和地域性方面的應(yīng)用還缺乏相關(guān)的研究。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，湖南地區(qū)傳統(tǒng)夯土材料之間也存在差異。因此，研究團(tuán)隊(duì)以長(zhǎng)沙地區(qū)生土條件為載體，通過野外試驗(yàn)以及含水率、粒徑配比等實(shí)驗(yàn)對(duì)傳統(tǒng)夯土材料進(jìn)行優(yōu)化研究，總結(jié)了適合長(zhǎng)沙地區(qū)夯土材料優(yōu)化配比方法，并對(duì)優(yōu)化材料進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，以期為長(zhǎng)沙地區(qū)夯土材料配比提供優(yōu)化方法和其他地區(qū)夯土材料優(yōu)化提供理論依據(jù)和實(shí)踐方法。

1 長(zhǎng)沙地區(qū)紅壤土夯土應(yīng)用概況

長(zhǎng)沙地區(qū)夯土材料應(yīng)用有著悠久的歷史。西漢時(shí)期馬王堆漢墓辛追夫人“千年不腐”與其夯土棺槨有著密切的關(guān)聯(lián)，長(zhǎng)沙西北三漢磯附近現(xiàn)存有宋代所筑的夯土城墻，各縣仍保留著大量60~70年代修建的夯土建筑。但隨著居民生活水平的提高，其功能、形式、耐久性等方面已滿足不了居民需求，現(xiàn)存夯土建筑多數(shù)功能已由居住轉(zhuǎn)變?yōu)殡s物房或棄置，甚至有多數(shù)民居存在著極大的安全隱患，夯土民居情況不容樂觀。長(zhǎng)沙地區(qū)夯土主要改良方面有：1) 若紅壤土具有明顯的吸水膨脹性能，則墻體干燥后會(huì)產(chǎn)生明顯的收縮和裂縫，使墻體的穩(wěn)定性和耐久性降低。2) 長(zhǎng)沙地區(qū)年平均降水量1 200~ 1 700 mm，月平均相對(duì)濕度均高達(dá)70%，傳統(tǒng)夯土材料在耐水性方面有著明顯的不足。3) 由于暴雨和高溫的氣候因素，長(zhǎng)沙地區(qū)土質(zhì)為質(zhì)地黏重且砂粒比重較多的紅壤土，其因富含褐鐵礦與赤鐵礦等化合物土質(zhì)顏色呈深紅色，而傳統(tǒng)夯土民居土磚墻呈淺紅色。基于長(zhǎng)沙地區(qū)紅壤土夯土需求和問題，本文對(duì)夯土材料含水率、耐久性、顏色等方面進(jìn)行了優(yōu)化研究。

2 長(zhǎng)沙地區(qū)夯土材料優(yōu)化研究

2.1 長(zhǎng)沙地區(qū)土質(zhì)野外測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所取原料為長(zhǎng)沙地區(qū)典型的紅壤土，取土地點(diǎn)為安沙鎮(zhèn)花橋村，前期通過野外測(cè)試的方法對(duì)原料成分和性能進(jìn)行定性分析[8]。1)通過聞味測(cè)試得知原料基本不含植物根系或腐敗物等有機(jī)質(zhì)，組分純凈；2)圖1所示為原土沉淀瓶測(cè)試顆粒分布實(shí)驗(yàn)。由圖1可見：原土基本不含膠體和有機(jī)碎屑，黏粒和粉粒所占比重約3/4，細(xì)沙和砂子所占比重約為1/4，基本不含石子；3)通過觸摸試驗(yàn)觀察試塊表面有水時(shí)依舊保持原有形態(tài)得知原料與水混合后密實(shí)度好，黏性充足；4)通過手洗試驗(yàn)觀察黏稠狀試塊觸感柔軟且清洗時(shí)皮膚依舊殘留紅色黏粒得知原料為黏性土質(zhì)；5)圖2所示為原土圓餅試驗(yàn)，由圖2可見：觀察試塊濕干前后收縮3 mm得知土壤含有較高的黏粒。

圖1 沉淀瓶測(cè)試

圖2 圓餅試驗(yàn)

通過簡(jiǎn)易野外試驗(yàn)分析，初步得知紅壤成分主要以黏粒、粉粒為主，化學(xué)活性穩(wěn)定，塑性和黏結(jié)性良好，收縮性需要進(jìn)一步的優(yōu)化，符合夯土材料的使用要求，為下一步夯土配比優(yōu)化試驗(yàn)提供基礎(chǔ)的紅壤相關(guān)信息。

2.2 長(zhǎng)沙地區(qū)紅壤土夯土配比優(yōu)化研究

2.2.1 混合料各組分粒徑試驗(yàn)

夯土材料的粒徑分布是決定夯土材料配比的關(guān)鍵因子[9]。為了對(duì)所用原料粒徑分布進(jìn)行定量分析，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的花橋村的紅壤、河沙、細(xì)沙采用干法篩析法進(jìn)行粒徑篩分，對(duì)不同粒徑區(qū)間的篩粒進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。

圖3所示為各材料粒徑分析試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)圖。由圖3可見：基地紅壤土的粒徑在2.36 mm以上的約占10%，0.3~2.36 mm的約占30%，小于0.3 mm的約占60%，整體來說土壤較細(xì)，也存在較大顆粒。依據(jù)“國(guó)際生土建筑研究和應(yīng)用中心”建立了土石混合料的粒徑級(jí)配曲線的區(qū)間范圍，對(duì)原料粒徑分布曲線和最優(yōu)級(jí)配區(qū)間進(jìn)行對(duì)比[10]，圖4所示為各材料粒徑分布曲線圖，由圖4可見，紅壤土的黏性顆粒充足，石子和砂子的比重偏少，需要添加一定比例較大粒徑的石子和砂子來獲得良好的粒徑配比。

2.2.2 含水率試驗(yàn)

王毅紅等[11-12]研究表明，含水率與墻體強(qiáng)度、夯筑操作、墻體穩(wěn)定性等方面有著極大的關(guān)聯(lián)。是影響夯土建筑強(qiáng)度和耐久性的關(guān)鍵因子之一。長(zhǎng)沙地區(qū)紅壤土的濕度、夯筑時(shí)天氣狀況、民居周邊環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)夯土材料的含水率造成一定的影響。因此研究團(tuán)隊(duì)采用Takeme-10土壤水分溫度測(cè)定儀(濕度精度為±3%)對(duì)基地紅壤土進(jìn)行10次測(cè)量，測(cè)得平均含水率為2%。在試驗(yàn)前期，以試塊成型效果作為含水率是否合適的主要指標(biāo)。為了探究砂石添加比例對(duì)最佳含水率的影響，實(shí)驗(yàn)組采用標(biāo)準(zhǔn)輕型夯擊對(duì)不同含水率的土、土沙、土砂混合物分別進(jìn)行試塊夯筑。圖5為不同含水率的試塊統(tǒng)計(jì)圖。由圖5可知：當(dāng)含水率在8%~12%時(shí)，紅壤土試塊可達(dá)到理想的效果。當(dāng)沙子的比例增加時(shí)，所需的水會(huì)減少，當(dāng)含水率低于6%時(shí)，試塊容易開裂和掉沙，當(dāng)含水率高于11%時(shí)，試塊不易成形；砂子的粒徑增大時(shí)，砂子與紅壤的黏結(jié)越差，墻體表面越粗糙；當(dāng)紅壤和砂石混合物的含水率在6%~8%時(shí)，試塊效果最佳。

圖3 各材料粒徑分析試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

圖4 各材料粒徑分布曲線圖

圖5 不同含水率的試塊統(tǒng)計(jì)

2.2.3 夯土材料配比優(yōu)化試驗(yàn)

夯筑材料的配比直接影響著夯筑墻的穩(wěn)定性和強(qiáng)度。夯土材料的強(qiáng)度和密實(shí)度與土、砂、石以及水的配比有著直接的關(guān)系[8]。對(duì)不同配比的混合料進(jìn)行粒徑分析試驗(yàn)和夯筑試驗(yàn), 以粒徑級(jí)配曲線的最優(yōu)級(jí)配區(qū)間為參照，對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)的夯土材料的最佳配比進(jìn)行試驗(yàn)探究。選取土:砂:石質(zhì)量比為6:3:1/3，6:3:1/2，6:3:1和6:3:2等多組夯土材料，12%的含水率進(jìn)行夯筑試驗(yàn)。按照《土木試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，夯筑試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)輕型夯實(shí)，分3層夯實(shí)，每層25擊，夯筑成150 mm×150 mm×150 mm試塊，在相對(duì)濕度60%~70%，溫度20±2 ℃的條件下養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期，對(duì)同配比試塊3個(gè)一組進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，并通過觀察法對(duì)不同配比的試塊夯筑效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)對(duì)比。

表1所示為不同夯土材料配比效果統(tǒng)計(jì)表。由表1可知：土:砂:石質(zhì)量比為6:3:2時(shí)的試塊抗壓強(qiáng)度和成型效果最佳。當(dāng)添加石灰后，試塊的耐水性、顏色和光滑程度均有所改善。為了進(jìn)一步驗(yàn)證配比的合理性，對(duì)各顆粒比粒徑分布曲線與粒徑級(jí)配曲線的最優(yōu)級(jí)配區(qū)間進(jìn)行對(duì)照。圖6所示為不同配比夯土材料粒徑分布曲線圖。由圖6可見, 該配比粒徑分布曲線處于最優(yōu)級(jí)配區(qū)間范圍，為理想的夯筑材料。為了驗(yàn)證配比的可實(shí)踐性，也對(duì)不同配比的夯土材料進(jìn)行了等比例夯筑，圖7所示為不同配比夯土材料等比例夯筑試驗(yàn)。由圖7可見, 實(shí)踐結(jié)果和上述實(shí)驗(yàn)一致。

表1 不同夯土材料配比試塊效果統(tǒng)計(jì)表

圖6 不同配比夯土材料粒徑分布曲線圖

圖7 不同配比夯土材料等比例夯筑試驗(yàn)

2.2.4 夯土材料性能優(yōu)化試驗(yàn)

研究表明, 水泥、石灰能夠極大地提高夯土材料的強(qiáng)度和濕熱性能[13-14]。為了改善土料強(qiáng)度，添加了不同比例的水泥進(jìn)行試驗(yàn)。由于紅壤土自身的紅色致使以長(zhǎng)沙當(dāng)?shù)丶t壤土為主要原料，加以一定比例的砂、石進(jìn)行夯筑時(shí)，夯筑試塊的顏色呈深紅色，與當(dāng)?shù)孛窬语L(fēng)格不夠協(xié)調(diào)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，添加一定比例的石灰和水泥能夠改善夯土顏色和墻體的紋理。石灰粉粒也填充了較大顆粒之間的空隙，能夠有效改善夯塊表皮的光滑程度。

運(yùn)用上述同樣的方法，選取效果理想的土石砂比例6:3:2加入不同比例的石灰進(jìn)行試塊實(shí)驗(yàn)，比較6:3:2:1/3，6:3:2:2/3和6:3:2:1的夯土試塊強(qiáng)度和效果。圖8所示為不同石灰配比試塊效果。由圖8可見：適合民居夯土材料顏色最佳的石灰比例為1/3。表2所示為添加不同比例的石灰、水泥試塊效果統(tǒng)計(jì)表。由表2可知：當(dāng)加入1/3比例的石灰時(shí)，夯塊顏色與紅壤土顏色相近，偏深紅色；石灰量為2/3時(shí)，夯塊顏色偏白，與紅壤土有可視的顏色差異；當(dāng)加入1比例的石灰時(shí)，夯塊的顏色與紅壤土相差較大，有明顯的石灰粉末掉落。

圖8 不同石灰配比試塊效果圖

表2 添加不同比例的石灰、水泥試塊效果統(tǒng)計(jì)表

經(jīng)過多組試驗(yàn)以及夯土試塊對(duì)比試驗(yàn)，得出最適合本次夯筑實(shí)踐的土：砂:石:石灰:水泥:水各材料配比為5:3:2:1/3:1:1。對(duì)其依據(jù)GB/T70—2009《砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》成型尺寸為150 mm× 150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試，試塊抗壓強(qiáng)度為1.608 MPa。相較于傳統(tǒng)夯土強(qiáng)度有顯著的改善。為了對(duì)所取配比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)該配比材料采用篩分實(shí)驗(yàn)進(jìn)行粒徑分布分析，圖9所示為夯土優(yōu)化配比粒徑分布曲線圖，由圖9可知，顆粒分布處于最優(yōu)級(jí)配區(qū)間內(nèi)，為良好的夯土配比。

為了進(jìn)一步證明夯土優(yōu)化配比的合理性和可實(shí)踐性，試驗(yàn)組對(duì)優(yōu)化配比進(jìn)行了1:1的夯筑模擬試驗(yàn)，采用改良夯土模具和氣動(dòng)夯錘進(jìn)行夯土實(shí)踐。圖10所示為改性夯土夯筑試驗(yàn)。結(jié)果表明改良夯土平均收縮高度尺寸為0.02%。

此外，依據(jù)Guettala等[15-16]研究，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)改良夯土墻體進(jìn)行了為期2年的耐候性試驗(yàn)。圖11所示為夯土優(yōu)化配比耐候性試驗(yàn)。由圖11可知，墻體表面無開裂、侵蝕現(xiàn)象，抗風(fēng)蝕性能、耐水性能良好，可在實(shí)踐中推廣應(yīng)用。

圖9 夯土優(yōu)化配比粒徑分布曲線圖

圖10 改性夯土夯筑試驗(yàn)

圖11 耐候性試驗(yàn)

3 現(xiàn)代夯土配比優(yōu)化應(yīng)用實(shí)例

基于前期對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)夯土材料進(jìn)行配比優(yōu)化研究，實(shí)驗(yàn)組在安沙鎮(zhèn)花橋村民居進(jìn)行了適應(yīng)性的夯土技藝改造應(yīng)用實(shí)踐。針對(duì)民居現(xiàn)狀及戶主需求，最終改造方案是保留原有民居的基本格局和主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加建，將原來的三合院布局形式更新為四合院。加建部分也依舊采用原有構(gòu)筑材料，選用長(zhǎng)沙當(dāng)?shù)氐募t壤土、細(xì)沙、礫石，就地取土，原址夯筑。為了更好地計(jì)量各材料比重，實(shí)踐時(shí)土石料以上口直徑30 cm，底部口徑19 cm，總高19 cm的桶為計(jì)量，水以6 L灑水壺為計(jì)量，現(xiàn)場(chǎng)施工比例為土:砂:石:石灰:水泥:防水劑:水為7桶半:4桶半:3桶:1桶半:1桶半:1壺:1壺。此外，施工時(shí)采用了氣動(dòng)夯錘代替人工夯筑，機(jī)器攪拌代替人工攪拌的現(xiàn)代夯土夯筑工具改良措施，極大地提高了施工效率和夯筑質(zhì)量，成本也在戶主的預(yù)計(jì)范圍之內(nèi)。建成后得到了業(yè)主以及村民的高度認(rèn)可。圖12所示為改造民居現(xiàn)狀圖。

圖12 改造民居現(xiàn)狀圖

4 結(jié)論

1)長(zhǎng)沙地區(qū)紅壤土土質(zhì)黏性含量高且質(zhì)地細(xì)膩，為良好的夯土材料。改性夯土材料最優(yōu)配比為土:砂:石:石灰:水泥:水配比為5:3:2:1/3:1:1，最優(yōu)含水率的高低與夯土材料各組分比例和沙、石、石灰等摻量有關(guān)，改性夯土材料最優(yōu)含水率最優(yōu)含水率為8%~12%。

2) 夯土改良在材料野外試驗(yàn)、最優(yōu)含水率、粒徑配比、材料性能等方面進(jìn)行探究和優(yōu)化。較傳統(tǒng)夯土材料，其能夠顯著改善力學(xué)及其綜合性能?；诟男院煌僚浔纫悦窬痈脑鞛閼?yīng)用實(shí)踐，取得了良好的反饋和示范效果。

3) 優(yōu)化后夯土材料強(qiáng)度、耐久性和效果雖然能夠滿足實(shí)際工程的需求，但對(duì)于改良后性能的定量評(píng)估和現(xiàn)代夯土工藝、工具的地域適應(yīng)性研究還不夠充足，之后需要對(duì)該方面展開進(jìn)一步的研究。

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Modification research and practice of rammed red clay type earth material

SHI Lei1, 2, ZHANG Fupeng1, 2, LIU Simian1, 2, HAN Jiani1, 2, HU Songnan1, 2, HOU Rongshuai1, 2

(1. School of Architecture and Art, Central South University, Changsha 410083, China;2. Central South University Health Building Research Center, Changsha 410083, China)

Because of its advantages of energy saving, environmental protection, low cost, local materials, simple construction, low cost, warm winter and cool summer, the rammed earth building is the most common building types in China for a long time. Through the field test, optimum moisture content, material proportions and performance optimization of the rammed earth materials in the typical area of red clay in Changsha, the optimal ratio of modified rammed earth materials was obtained and then applied in practice. The research result shows that the optimal ratio of modified rammed earth materials in Changsha is soil: sand: stone: lime: cement: water ratio of 5:3:2:1/3:1:1; and the optimal moisture content is 8%~12%. The modification of rammed earth materials should be carried out in the field test, as well as the exploration of optimal moisture content, the optimization of particle size ratio and the improvement of material properties. In order to provide a ratio optimization method and application reference for the improvement of rammed earth materials in different regions, a theoretical basis for the optimization and application of modern rammed earth building was provided.

red clay; modification of rammed earth; proportioning optimization; research application; Changsha area

TU521.3

A

1672 ? 7029(2020)08 ? 1978 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190871

2019?10?08

教育部人文社科基金資助項(xiàng)目(20YJCZH105)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2020JJ4720)；湖南省重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2019SK2183)；中南大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(2020zzts345)

柳思勉(1981?)，男，湖南長(zhǎng)沙人，講師，博士，從事建筑設(shè)計(jì)及其理論研究；E?mail：lsmdean@163.com

(編輯 涂鵬)