生土基梯度功能墙体材料改性研究

海 然

（中原工学院，郑州450007）

现代社会的高速发展，导致资源、能源高速消耗和生态环境不断恶化.随着可持续发展和低碳经济理念深入人心，发展低能耗、低排放、低污染的建筑材料，成为建材业发展的必然选择.目前，建筑垃圾再生利用，用工业废弃物制备水泥基复合材料、碱激发胶凝材料等，也在朝着低污染、低能耗、环境友好的方向发展，但是这种依靠强化学键结合的建筑材料在其服役结束后终究会成为环境的负担，面临着再生利用的问题.尤其是在我国广大农村地区，相对缺乏发展新型建材的工业废弃物.因此，根据农村特色开发符合可持续发展需要的新型建筑材料，就显得尤为重要.鉴于资源与环境的双重压力，同时为进一步探索和发掘蕴含在中国传统民居中的绿色生态建筑经验，人们开始重新审视生土基材料和生土建筑，目前生土基材料已经成为国内外研究的热点之一［1－6］.在我国科技“十二五规划”期间，也更加重视传统建筑材料的性能优化与升级利用，其中生土基材料的性能优化与综合利用技术已成为重点发展方向之一.

1 国内外生土基墙体材料的发展现状

生土基墙体材料泛指未经过焙烧，仅仅经过简单加工的原状土质材料，用其建造的建筑称为生土建筑.用未经焙烧的生土为主材修建的生土建筑也是各种建筑形式的始祖，主要分布在拉美、非洲、南亚次大陆、亚洲各地、中东、欧洲南部等地.据统计，世界30%的人口至今仍居住在生土建筑当中，部分发展中国家这一比例可达50%.我国生土建筑也有数千年的历史，距今6 000年前的半坡遗址中的半穴居、穴居和地面建筑都采用生土作为建筑材料［7］.从4 000年前的龙山文化遗址中发现，当时人们已掌握了较成熟的夯土技术，建造了夯土成型的城墙、台基和墙壁等［8］.目前，以生土作为墙体材料的建筑仍是我国部分村镇建筑的形式之一.除了广阔的黄土高原外，福建、云南、东三省、内蒙古、河南等地至今仍保留有生土建筑，其建筑形式有窑洞、土坯建筑、夯土建筑等［9］，一些古老的生土建筑已成为中华文明的见证和历史瑰宝.然而，传统的生土基材料由于存在不尽人意的弊端，如强度低、变形大、耐水性差、抗震性能差等特点，而且在生土建筑建造过程中，人们常常对材料的性质缺乏足够的科学认知，极大地妨碍了生土建筑质量的提高，因而，生土建筑在农村正在逐渐被摒弃.尽管有诸多弊端，但生土建筑充分发挥了就地取材和土的热稳定性、保温性能好的优势，可以抵御寒暑的剧烈变化，为人类创造出了适宜的室内环境；同时生土基材料还具有调湿、透气、防火、低能耗、造价低等特点.比如，其能耗仅为烧结黏土砖生产能耗的1%［10］.最为重要的是，生土基材料在服役结束后又回到了自然界，可作为农田土壤使植物生长，或为土生动物、微生物提供生存空间.如果能够利用现代工业技术改进古老的生土基材料，同时进行合理的结构设计，使其获得较高的强度、良好的耐水性以及抵御自然灾害能力，就可能使生土基材料成为广大农村地区重要的建筑材料，使传统的生土建筑重新焕发青春.与此同时，我国现代农村村镇建设又需要大量的建筑材料，而在国家“禁实”后建筑材料资源供给不足，尤其在广大农村更为匮乏；而且，在我国有大量无法耕种的劣质土资源（风沙土、盐渍土、河道淤泥）没有得到有效利用，如我国共有沙漠及沙漠化土地约150万km2、盐渍化土地约2.670×107hm2，黄河向下游年平均输泥沙量多达16亿吨.为满足社会主义新农村建设对节能、保温、绿色新型墙体材料的需求，尤其为发挥具有劣质土资源地区的地域优势，研究开发新型劣质生土资源利用技术、新型生土基材料与生土建筑结构体系，具有一定的紧迫性.

2 生土基墙体材料的改性研究及梯度概念的引入

目前，对生土基材料的研究主要集中在研究生土基材料力学性能与微观结构的关系［11－13］；利用水泥、石灰、天然有机物、纤维等材料对生土进行改性［14－18］，以提高生土材料的强度和耐久性；以及对生土建筑进行力学性能、各向异性、热学性能、抗震性和耐久性等方面的测试［19－23］.虽然利用水泥、石灰等对生土基材料进行改性可以适当提高其强度及抗水性能，但该改性途径增加了生土基材料中的化学键分量，会改变其微观孔结构，进而导致生土基材料固有的保温、隔热、调湿等功能的弱化或丧失，且随之会给生土基材料服役后回归自然带来困难.

分析发现，作为用于建筑结构的生土基墙体材料，其实主要应承担两方面的作用，即内部保温、调湿，外部承受荷载和抵御外界环境变化（光、热、水等）、侵蚀介质侵入.就生土基材料的改性而言，可以考虑增加其内部结构中物理作用力的分量，增加粘土颗粒之间的接触点，从而提高其强度；或者局部增加低溶解度的强化学键产物的分量，以提高其抗水能力；或者引入有机胶结体系或憎水活性组分，以其结合粘土表面OH－形成弱化学键，降低粘土颗粒表面双电层厚度，从而既保证其粘土的本质不变，又促进体系强度和抗水能力的提升，同时有机质又有利于后期的生土基材料的回收与利用.就生土建筑结构优化设计而言，虽然可以通过生土基材料与高强、抗水材料形成层状复合材料的方法提高其抗水能力，但由于高强、抗水材料（如水泥基材料）通常具有高弹性模量，该材料与生土基材料复合后，二者弹性模量相差太大，容易形成界面应力，从而导致结构的不稳定.而梯度功能材料正是基于消除材料内部应力而提出的.所谓梯度功能材料，就是在材料的制备过程中，选择几种不同性质和功能的材料，通过控制材料微观要素（包括组成、结构以及空隙在内的形态与结合方式等）的分布形式，使得界面的成分和组织呈现连续梯度变化，既有效缓解界面过渡区应力（外应力、温差应力）集中，又在同一材料及其结构体中赋予不同功能（尤其是材料组分变化相对的两端）.梯度功能材料经过多年发展，已经在航天飞机超耐热材料、生物材料、水泥基材料等领域得到成功应用［24－25］.如借鉴梯度功能材料的思路，则有可能减小或消除生土基材料与改性材料之间的界面应力，使生土基材料同时发挥承载、抗水、保温及装饰等多项作用成为现实，实现结构－功能一体化，见图1.

图1 生土与改性界面渗透梯度耦合界面示意图

3 结 语

将梯度的概念引入生土基墙体材料的改性研究中，在研究生土基材料及其结构体系的微、细观结构与宏观力学性能、体积稳定性、耐久性能之间的联系、弄清生土基材料多孔介质的力学传输机制与热量传导机制的基础上，进行生土基材料增强、耐水改性并弄清其改性机理，设计出具有复合功能和良好稳定性的生土基墙体材料及其梯度结构体系并弄清其本构关系、应力传输机制、热量传导机制及其力学稳定性，同时探讨生土基梯度结构体系的结构演变与性能退化规律，必将能实现生土基材料的性能优化和劣质土的资源化利用.这样既可以使具有悠久历史的传统生土建筑获得新生，又可以推动社会主义新农村建设可持续发展.

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