新型夯土建筑材料设计研究

武小飞

摘 要：数据显示，我国仍有六千万人居住在夯土建筑中。夯土建筑仍然是我国农村住宅的一种主要形式。虽然夯土材料有良好的热工性能，但是其力学性能和耐候性能很差。本文从提高改善夯土材料的耐久性入手，围绕改性材料的选择、优化、耐久性指标的确定，寻求改善夯土自身耐久性的材料，提出耐久性改进措施。

关键词：夯土；耐久性；研究

一、新型夯土墙材料构成

按照梯度材料设计，通过控制材料微观要素的分布形式，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集中，又在同一材料及其结构体中赋予不同功能。

上图所示：胶结材料部分可以提高夯土墙的强度、耐水性等，但同时也有干缩开裂、耐久性差等缺点。改性材料和砂石骨料可以提高墙体的耐久性，控制墙体开裂等问题的出现，同是提升土本身的粘接能力，使得土发挥更好地性能。在实际的夯土墙工程项目应用中，要根据施工用土的性质、工程质量要求和当地的施工环境，因地制宜、就地取材、超前思考、科学布局、充分沟通、掌握关键、过程受控、持续优化，合理设计配合比，科学试验，科学施工。必须做到：技术上可行，经济上合理。

二、 土、 砂、石的要求及级配设计

1.粘土

（1） 取土地点。适用于建造的土质位于种植层以下、岩石层以上。这是由于这一土层为无机矿物质，避免了种植层内有机物的生长对建造物的破坏。同时，这一土层的颗粒组成丰富，较为坚硬。

事实上，土是由不同粒径的颗粒组成，包括石块、石砾、砂、粉土和粘土。显然，因地质形成的差异，各地土质的颗粒组成比例也不同。因此，不同地区的生土应根据其颗粒组成的比例对应相应的建造方式。比如，颗粒分布均衡的生土适用于夯土建造，而以细小颗粒的砂和粘土为主的生土适用于作为抹面。（为了颜色好看，尽量选颜色深红或深黄的土最好，而且选好的土必须过筛，不能有土块）夯土取自坡积而成的土比较好，其原因是不占或少占可耕农田还可以减少砂石的掺入量节省成本，分为坡积碎石土，坡积土石料、坡积砾石土。

（2） 黏粒含量的测定。将土样过0.08mm筛，计算黏粒占总土样质量的比重。（用于夯土墙的土壤，黏粒含量不能超过30%）

（3）液塑限技术指标。液限（LL）和塑限（PL），两者之差为塑性指数（Ip）

优质夯土材料：Ip<16% ；LL <36%

良好夯土材料：Ip=15%～30%；LL=36%～45%

不适用做夯土的材料：Ip>30%；LL>45%

2.粗砂。普通粗砂即可，但为了颜色好看，尽量选黄色的砂。

3.碎石。粒径为0.5厘米到1.2厘米的碎石即可，但为了颜色好看，尽量选黄色或红色的碎石。

4.级配设计。土石混合料的最佳级配的设计主要是采集施工地夯土土料、碎石、砂等材料，对土（篩分过的细粒粘土）、石、砂这3种材料进行相关的配合比实验，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进而选出夯实之后密实度较高、强度较高且经济实惠的配合比。

三、 改性材料简介

1.水泥。水泥稳定土做夯土墙的缺点包括：①脆性大，抗拉强度较低；② 塑指小的土，达不到好的稳定效果；③收缩系数大，易产生收缩裂缝；④ 兼容性差，有结构缺陷和结构缺陷；⑤施工期短；⑥ 水稳性和冰冻性差。实验表明，含有10%～35%粉粒和粘粒的砂土和砂砾土，可用水泥稳定，但耐久性差。液限大于45%，塑性指数大于20%以上的土，用水泥稳定是不合适的。单一外掺水泥来做夯土墙是不行的，因为水泥和砂石能很好结合，但水泥和土是不能兼容的，后期的结构缺陷和排异缺陷非常明显。

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墙，耐水性差，非常容易开裂，前期强度低，在实际应用中受到限制。含黏粒成分少的土体不宜用石灰改性。

3.粉煤灰。通过试验研究分析得出，粉煤灰能减少开裂，但强度增长缓慢。随着粉煤灰掺量的增加，除个别（如云黄）土体与素土相比抗压强度无明显降低外，其它大部分土体抗压强度均有下降趋势。

4.石膏。脱硫石膏能调节夯土材料的凝固时间，但石膏单掺时无法改善生土材料的耐水性，加入激发剂后泛霜现象比较严重，在实际应用中受到限制。

5.高炉矿渣。矿渣能够提高生土材料的活性，且耐水性好。矿渣对收缩变形的改性效果最好，粉煤灰次之。为了得到强度高、软化系数高的材料，矿渣是比较理想的矿物外加剂。但掺矿渣依然无法解决夯土稳定性和耐久性的问题。同种土质，掺矿渣的强度比掺粉煤灰的强度高，尤其是重夯下表现明显，究其原因，一是从矿渣的化学成分分析，矿渣碱性组分大于粉煤灰中的碱性组分，掺入后与土体中氧化硅、氧化铝在重夯下易于发生适量反应，产生固化产物，其粒子数量增多，抗压强度提高；二是从矿渣的比表面积分析，经测定矿渣比表面积达600kg/平方米，而粉煤灰仅为400 kg/平方米左右。比表面积大的矿渣在夯实下反应速率明显高于粉煤灰。数据表明，达到3MPa强度要求的最适合矿渣掺量大约为10%。

6.纤维。植物纤维主要有：①麻丝②稻草③麦秸秆④竹片⑤红柳⑥芦苇⑦葛藤⑧谷壳⑨锯末⑩麦糠人造纤维主要有：①玻璃纤维②聚丙烯纤维③纤维素纤维④聚乙烯醇纤维

7.夯土专用土壤固化剂。夯土专用土壤固化剂是一款兼容并蓄、博采众家之长的产品，兼有水泥、石灰、粉煤灰、石膏、高炉矿渣等的所有优点，克服了这些材料的缺点，加入夯土专用土壤固化剂的生土材料强度和软化系数显著提高，收缩率明显减小，能抑制开裂，不怕水的浸泡和风雨的侵蚀，耐冻融，抗震性能好，经久耐用，而且还可以在不加颜料的条件下保持夯土色彩的多样性。

四、其它材料配比建议

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结料最佳配比C∶L∶F=1∶2∶3～1∶4∶7。麦秸秆掺量增加，会增加材料内部的孔隙，从而降低变形模量，当掺量达到1%时，麦秸秆的拉结作用使破坏趋于延性。素土中淀粉的掺量在3%～4%为宜，高于5%掺量时，抗压强度增加缓慢，抗剪切强度有下降的趋势。掺入0.5%的麻草/稻草（长3cm）的改性土，在最佳含水量条件下夯实后，抗压强度和抗剪强度效果最好。相比素土而言，抗压强度能提高约93%，抗剪切强度能提高约70%，掺入适量的淀粉（红薯淀粉或支链淀粉）或麻草（或稻草）在一定程度上均能提高生土墙体的抗压和抗剪性能，麻草的改性效果优于淀粉。（稻草的掺量以0.5%～3%之间根据土质寻求最佳掺量）。

五、结语

土壤固化剂是专门用来固化土壤的一种新材料，成本低，强度高，不怕水，不易开裂，耐冻融，不易老化，经久耐用，十多年来被广泛应用在：修筑路基。高速公路的底基层硬化，一级路及以下各等级路的基层和底基层硬化。简易道路或临时性道路的基层和面层硬化； 场地硬化。土地一级整理、停车场、堆料场、堆货场、生产加工场等场地的硬化处理；修筑夯土墙。如夯土墙蔬菜大棚、夯土墙养殖大棚、夯土墙民居、夯土墙豪宅别墅、夯土墙山庄会所度假村、夯土景观围墙、修补兴建土楼、夯土城墙及影视基地夯土外景、夯土碉堡炮楼等；制作粘土免烧砖；水利堤坝/人工湖/围堰固化防渗；矿井/油井固化防渗；矿山回填/垃圾填埋；尾矿渣处理。采用土壤固化剂做成的夯土墙的特点：强度高、不怕水、不易开裂、耐冻融、不易老化、造价低、取材易、施工简单、节能环保原生态、接地气、冬暖夏凉、自然调节温湿、静心安神益健。endprint