生土材料改性研究现状

曹 倪,仲继清,张圆圆,魏涵铭,吕思宇

(大连大学 建筑工程学院,辽宁 大连 116622)

0 前 言

生土是人类最早使用的建筑材料之一,泛指未经焙烧,以天然原生土为主要原料,经过简单加工便可直接使用的材料。生土建筑简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国广大村镇地区建筑的常见形式之一,例如东北干打垒土房、云南的土掌房、黄土高原地区的窑洞、新疆的穹顶土坯屋、粤北闽南的客家土楼等。这些传统生土建筑不但是我国劳动者智慧的结晶,也是中华文明璀璨的建筑文化瑰宝。随着经济的发展和时代的进步,黏土砖、混凝土以及钢材逐渐取代生土材料在广大村镇地区使用,与此同时建筑垃圾日益增多,建筑污染不断加剧。在现代能源危机、生态危机、提倡可持续发展的背景下,随着人们对环境保护越来越重视,被工业文明逐渐遗忘的建筑瑰宝——生土建筑再一次引起世界各地的关注,国内外研究人员又将注意力集中在传统的绿色建材生土材料上,开始系统地研究生土材料和生土结构的力学性能及耐久性能,尤其生土材料改性成为研究的热点问题之一,给传统生土建筑赋予了新的生命。

1 生土材料优缺点分析

1.1 优 点

1)分布广泛,易于就地取材。生土材料在我国分布广泛,是我们脚下最容易找到的材料,尤其黄土高原地区,森林覆盖严重缺失,致使树木匮乏,降雨较少,比较干旱,黄土储量极其丰富。

2)易于施工,造价低廉。生土材料在一定的含水率条件下可塑性较好,可以建造成不同的形状。生土建筑施工操作简便,草泥黏土房将各种材料充分混合后直接堆砌而成,无需模板；夯土建筑是在模板中倒入合适湿度的土直接夯筑,无需经历干燥期便可进行下一步的施工；土坯建筑等也较易于施工。正是由于生土材料易于就地取材、生土建筑易于施工的优点，使得生土建筑造价低廉、维护成本低,有利于村民自建自住。

3)热工性能和隔声性能良好。从建筑自身居住适宜性角度来看,生土建筑的热工性能和隔声性能较好。正是生土建筑具有较好的热工性能，使得建筑内部呈现冬暖夏凉的效果,同时生土材料的多孔特性使得生土建筑具有调节室内湿度的能力。因此,生土建筑被称为“天然空调,恒温住宅”。

4)节能环保。生土材料在节能环保方面的优势是现代建筑材料无法超越的。烧结砖、混凝土等材料在使用后产生大量建筑垃圾,无法回归农田再利用,而生土建筑的房屋在拆除后其土料经过简单破碎处理后仍可回归农田继续使用。

5)有特色。除上述优点外,生土材料还具有一定的地方特色,各地居民根据当地风俗习惯自行建造,使得生土建筑的建筑表现力也各具特色。

1.2 缺 点

1)力学性能方面。传统生土材料的力学性能较差,其抗弯强度、抗剪强度、抗折强度均较低。由于建筑的结构形式、高度、开间和进深的大小以及建筑物整体的承载能力受材料自身力学性能影响,常见的生土建筑空间狭小,致使内部结构布局单一,通风性能和采光性能较差。

2)耐久性能方面。生土材料的耐水和耐侵蚀性能较差。生土材料耐久性能方面的缺陷以及其他各方面因素的影响,使得传统生土材料在使用过程中受到制约。当生土受潮或遭受暴雨,其土质容易变得松软,稳固性相对变差,建筑容易倒塌。但大量事实表明,大部分生土建筑可经受风雨侵蚀几十年甚至百年屹立不倒,说明只要施工合理,建造质量合格生土建筑的耐久性方面会得到很大改善。

3)抗震性能方面。由于生土材料自身抗弯强度和抗剪强度较差,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经历多次地震灾害依然完好无损,说明只要设计施工合理、构造措施设置得当,生土建筑可以抵御一定的地震作用。

1.3 优缺点总结

生土材料显著的优劣势,因此，在传承生土材料优点的同时,采用合适的方法改善其缺点是当前生土材料研究中亟需解决的问题。

2 生土材料改性研究现状

采用特定材料部分取代生土,在不影响生土材料优点的同时对其进行改性,以获得力学性能、耐久性能以及抗震性能优于传统生土材料的改性生土材料,进而传承和扩大生土材料的应用范围。

2.1 国外改性研究现状

国外在生土结构方面的研究发展比较成熟。美国、英国、法国、澳大利亚以及意大利等的研究人员结合当地的工程特征、文化背景和社会状况,开展了一系列关于生土材料改性方面的研究,生土建筑从设计到施工结束全过程已步入规范化进程,制订了生土材料和生土结构相关规范标准。

早在20世纪,南非博茨瓦纳大学的ALFRED B.Ngowi[1]对添加不同比例西沙尔麻、竹片等植物纤维的改性生土材料进行研究,研究表明：改性生土材料的抗压强度、耐水性能及耐候性均显著提高。同时他还将动物粪便作为稳定剂加入土料中，以提高传统生土材料的稳定性。他还对添加水泥、石灰、沥青的生土材料记性研究,均得到较好的效果。

意大利卡迪利亚大学建筑系的Achenza等[2]在分析当地生土建筑稳定性的基础上,在生土材料中添加海藻、番茄根部及甜菜根纤维组成的聚合剂,结果表明添加天然聚合剂的生土材料的水稳定性大幅度提高。

法国里昂大学得Stephane Hans等[3]在土中添加水泥、石灰等对生土材料进行改性研究,他们采用动力加速度计对夯土结构的弹性模量进行测量,这种方法为夯土房屋的地震计算问题奠定基础,逐步实现计算当地现存生土结构房屋在地震中的损害情况。

澳大利亚的Steve Burroughs[4]对104种改性生土材料进行了稳定性试验,试验中生土材料抗压强度标准值为2 MPa,以此作为衡量标准量化了水泥改性土、石灰改性土和自然土的线性收缩性，研究为生土结构房屋土料的选择、抗压性能及稳定性的处理提供有效建议。

巴西的Ana Paula da Silva Milani和Lucila Chebel Labaki[5]科学地评估了采用添加稻壳灰的土料夯筑的墙体稳定性能和热工性能,并对生土材料的可持续性能和可循环利用性能进行了研究,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应用前景较好。

伊朗的Sayyed Mahdi Hejaz等[6]研究了添加人工合成纤维和天然纤维的生土材料,讨论了生土材料强度和刚度受纤维长度的影响,重点探究了添加短纤维的复合土料刚度和强度预测模型,研究表明纤维的加入增强了生土材料的刚度和强度。

喀麦隆雅温得大学[7]对一种特殊的采用废旧轮胎中钢纤维加固生土砖的力学性能进行研究。研究表明：该纤维的分布情况决定了该生土砖的延性,在构件或者结构彻底被崩溃前,钢纤维在试件中像弹簧一样吸收大量能量,抵抗较大变形,使构架或结构获得较好的延性性能。

安科纳-马尔凯理工大学的Quintilio Piattoni等[8]在土坯试件中添加不同比例河砂并进行抗压强度试验,结果表明：混合料中河砂的含量决定土坯的抗压强度和弹性模量值的大小,抗压强度值随着河砂掺量提高略有降低,而弹性模量值则随着河砂掺量提高而增大。

2.2 国内改性研究现状

目前我国针对生土材料改性方面的研究也比较多,但是离进入规范化还有一定的距离。

杨永、张树清等[9]对添加石灰、矿渣、粉煤灰等的生土材料力学性能和耐久性等宏观性能方面进行研究,并尝试从微观角度对改性前后的作用机制进行阐述。研究结果表明：在最佳掺量条件下,单掺石灰和矿渣的改性效果较单掺石灰好,但与粉煤灰复掺后的改性效果不佳。研究结果为生土材料改性方面研究提供了实验依据。

张坤等[10]对添加质量浓度为3%的糯米浆与不同粒径和掺量的河砂的改性生土试件进行单轴抗压试验,分析和讨论改性前后生土试件抗压强度的变化规律。研究结果表明：添加糯米浆改性后生土材料的抗压强度和延性比得到有效提高,河砂的粒径大小与掺量多少对改性生土试件的抗压强度和延性比有一定程度影响。

王毅红等[11]对大量添加不同粒径、不同掺量砾石的生土试块进行抗压试验,探讨了试块的破坏过程、破坏形态、变形能力、抗压强度以及荷载-位移曲线,系统地分析了砾石掺量对它们的影响。实验研究表明：砾石的粒径大小和掺量多少对生土块材的抗压性能有一定影响,在生土材料中掺入适量的砾石,可改善传统生土材料的抗压性能。

刘芳[12]以西安地区黄土为原材料,以石子为主掺合料,水泥、砂子作为复掺合料,对单掺石子、复掺水泥和石子以及复掺砂子和石子的生土试块进行试验。分析不同掺料和掺量对生土试件抗压强度的影响规律,得到抗压强度与影响因素水平间的回归方程,为改性生土材料抗压强度取值和实际工程应用提供依据。

钱觉时等[13]对采用石膏粉煤灰和聚羧酸减水剂改性的生土材料进行了试验研究。研究结果表明,将聚羧酸减水剂添加在石膏粉煤灰改性生土中,可明显改善石膏粉煤灰改性生土材料浆体的流动度；在合理范围内,聚羧酸减水剂掺量与生土材料的抗压强度和抗折强度成正比例关系；同时聚羧酸减水剂还可显著提高生土材料的耐水性能,并显著降低其干燥后的收缩率。

蔺广涵、叶洪东[14]以棉花秸秆为主添加料,同时掺入少量砂土对生土进行改性并进行强度试验。试验结果表明,掺入适量棉花秸秆的改性生土试块强度和延性较素土试块有较大提高,掺入中砂对其力学性能和延性提高不明显。

陈秋雨，刘宁[15]对采用磷石膏与粉煤灰、石灰及水泥与生土混合材料制作的试块进行试验。探究了单掺、双掺及复掺情况下不同龄期试件的无侧限抗压强度。实验结果表明,单掺水泥时改性生土材料强度随其掺量的增加而提高；复掺5%磷石膏和10%水泥时,改性生土试块抗压强度可达到4.21 MPa；复掺5%磷石膏,10%水泥,5%石灰和20%粉煤灰时,改性生土试块强度为4.50 MPa,进一步说明生土材料在合理改性情况下其强度可大幅度提升。

3 结论与展望

从国内外生土材料改性研究现状来看,许多高校以及科研机构的研究者都在为生土材料改性研究不断努力并获得较好的结果,进一步证明了生土材料改性研究的价值,也证明了生土建筑在生态环保方面的优越性及作为绿色建材在我国村镇地区应用的可行性,为生土材料改性研究提供宝贵经验。后续研究仍需在生土材料的改性方面做更多尝试,为生土建筑的传承与发展贡献力量。

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