生土材料改性研究現(xiàn)狀

曹 倪,仲繼清,張圓圓,魏涵銘,呂思宇

(大連大學 建筑工程學院,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)濟的發(fā)展和時代的進步,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,與此同時建筑垃圾日益增多,建筑污染不斷加劇。在現(xiàn)代能源危機、生態(tài)危機、提倡可持續(xù)發(fā)展的背景下,隨著人們對環(huán)境保護越來越重視,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)的力學性能及耐久性能,尤其生土材料改性成為研究的熱點問題之一,給傳統(tǒng)生土建筑賦予了新的生命。

1 生土材料優(yōu)缺點分析

1.1 優(yōu) 點

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),森林覆蓋嚴重缺失,致使樹木匱乏,降雨較少,比較干旱,黃土儲量極其豐富。

2)易于施工,造價低廉。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，使得生土建筑造價低廉、維護成本低,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)點外,生土材料還具有一定的地方特色,各地居民根據(jù)當?shù)仫L俗習慣自行建造,使得生土建筑的建筑表現(xiàn)力也各具特色。

1.2 缺 點

1)力學性能方面。傳統(tǒng)生土材料的力學性能較差,其抗彎強度、抗剪強度、抗折強度均較低。由于建筑的結(jié)構(gòu)形式、高度、開間和進深的大小以及建筑物整體的承載能力受材料自身力學性能影響,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)固性相對變差,建筑容易倒塌。但大量事實表明,大部分生土建筑可經(jīng)受風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得到很大改善。

3)抗震性能方面。由于生土材料自身抗彎強度和抗剪強度較差,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)歷多次地震災害依然完好無損,說明只要設計施工合理、構(gòu)造措施設置得當,生土建筑可以抵御一定的地震作用。

1.3 優(yōu)缺點總結(jié)

生土材料顯著的優(yōu)劣勢,因此，在傳承生土材料優(yōu)點的同時,采用合適的方法改善其缺點是當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)點的同時對其進行改性,以獲得力學性能、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,進而傳承和擴大生土材料的應用范圍。

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?shù)氐墓こ烫卣?、文化背景和社會狀況,開展了一系列關(guān)于生土材料改性方面的研究,生土建筑從設計到施工結(jié)束全過程已步入規(guī)范化進程,制訂了生土材料和生土結(jié)構(gòu)相關(guān)規(guī)范標準。

早在20世紀,南非博茨瓦納大學的ALFRED B.Ngowi[1]對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行研究,研究表明：改性生土材料的抗壓強度、耐水性能及耐候性均顯著提高。同時他還將動物糞便作為穩(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建筑系的Achenza等[2]在分析當?shù)厣两ㄖ€(wěn)定性的基礎上,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。

法國里昂大學得Stephane Hans等[3]在土中添加水泥、石灰等對生土材料進行改性研究,他們采用動力加速度計對夯土結(jié)構(gòu)的彈性模量進行測量,這種方法為夯土房屋的地震計算問題奠定基礎,逐步實現(xiàn)計算當?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104種改性生土材料進行了穩(wěn)定性試驗,試驗中生土材料抗壓強度標準值為2 MPa,以此作為衡量標準量化了水泥改性土、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]科學地評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,并對生土材料的可持續(xù)性能和可循環(huán)利用性能進行了研究,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,討論了生土材料強度和剛度受纖維長度的影響,重點探究了添加短纖維的復合土料剛度和強度預測模型,研究表明纖維的加入增強了生土材料的剛度和強度。

喀麥隆雅溫得大學[7]對一種特殊的采用廢舊輪胎中鋼纖維加固生土磚的力學性能進行研究。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-馬爾凱理工大學的Quintilio Piattoni等[8]在土坯試件中添加不同比例河砂并進行抗壓強度試驗,結(jié)果表明：混合料中河砂的含量決定土坯的抗壓強度和彈性模量值的大小,抗壓強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

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

楊永、張樹清等[9]對添加石灰、礦渣、粉煤灰等的生土材料力學性能和耐久性等宏觀性能方面進行研究,并嘗試從微觀角度對改性前后的作用機制進行闡述。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驗依據(jù)。

張坤等[10]對添加質(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行單軸抗壓試驗,分析和討論改性前后生土試件抗壓強度的變化規(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度和延性比得到有效提高,河砂的粒徑大小與摻量多少對改性生土試件的抗壓強度和延性比有一定程度影響。

王毅紅等[11]對大量添加不同粒徑、不同摻量礫石的生土試塊進行抗壓試驗,探討了試塊的破壞過程、破壞形態(tài)、變形能力、抗壓強度以及荷載-位移曲線,系統(tǒng)地分析了礫石摻量對它們的影響。實驗研究表明：礫石的粒徑大小和摻量多少對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、砂子作為復摻合料,對單摻石子、復摻水泥和石子以及復摻砂子和石子的生土試塊進行試驗。分析不同摻料和摻量對生土試件抗壓強度的影響規(guī)律,得到抗壓強度與影響因素水平間的回歸方程,為改性生土材料抗壓強度取值和實際工程應用提供依據(jù)。

錢覺時等[13]對采用石膏粉煤灰和聚羧酸減水劑改性的生土材料進行了試驗研究。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度和抗折強度成正比例關(guān)系；同時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,同時摻入少量砂土對生土進行改性并進行強度試驗。試驗結(jié)果表明,摻入適量棉花秸稈的改性生土試塊強度和延性較素土試塊有較大提高,摻入中砂對其力學性能和延性提高不明顯。

陳秋雨，劉寧[15]對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行試驗。探究了單摻、雙摻及復摻情況下不同齡期試件的無側(cè)限抗壓強度。實驗結(jié)果表明,單摻水泥時改性生土材料強度隨其摻量的增加而提高；復摻5%磷石膏和10%水泥時,改性生土試塊抗壓強度可達到4.21 MPa；復摻5%磷石膏,10%水泥,5%石灰和20%粉煤灰時,改性生土試塊強度為4.50 MPa,進一步說明生土材料在合理改性情況下其強度可大幅度提升。

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,進一步證明了生土材料改性研究的價值,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)應用的可行性,為生土材料改性研究提供寶貴經(jīng)驗。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)展貢獻力量。

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