传统与改良版筑法夯筑性能及施工工艺对比研究*

石 磊，张福鹏，柳思勉，李 哲，石佳祺

(1.中南大学建筑与艺术学院，湖南 长沙 410083；2.中南大学健康建筑研究中心，湖南 长沙 410083)

生土建筑作为最古老的建筑类型之一至今仍广泛使用[1]。据联合国最新统计，全球仍有约30%的人口居住在多种形式的生土建筑中[2]。我国也至少有1亿人以各类生土建筑为居，其中超过一半为夯土建筑[3]。夯土建筑作为生土建筑最典型的应用类型之一，具有施工简易、造价低廉、热工性能良好、生态性能等优点，在地域化材料的应用、绿色建筑、健康建筑及夯土民居改善方面具有巨大的应用前景[4]。夯土材料也被国际公认为性价比最高的一种健康生态建材[5-6]。然而传统夯土建筑存在抗震性能差、结构形式单一、耐久性能差等固有缺陷，这严重制约着夯土建筑的发展。国内外研究机构和建筑师进行了大量研究和实践[7]，在传统夯土材料改良更新的理论研究、夯土的可持续性和生态性、现代夯土技术的优化推广、夯土力学性能等方面的实践探究取得了突破性进展[8-9]。然而夯土建筑耐久性、墙体密实度、强度等性能与工具有直接关联，夯土工具也直接影响施工速率。然而在夯土工具改良及其夯筑性能方面的研究较少，主要有穆钧等[10]对传统夯土技术进行改良和标准化研究及周铁刚等[11]对现代夯土墙体施工技术进行研究。

调研发现，随着钢筋混凝土的广泛使用和从事夯土营建的匠人骤减，在长沙地区，掌握传统夯土技艺的匠人每村<5%，年龄<40岁的<1%。为了提高夯土营建速率和效果，传统夯土工具也逐渐被改良夯土工具替代，传统工艺也面临着失传的险境，但改良夯土工具的普及状况也不容乐观。因此，通过田野调查对长沙地区传统版筑法夯土工具和工艺进行梳理，对传统夯土工具和改良工具定量、定性对比研究，进行试块夯筑性能对比研究和操作夯筑实践，以期为传统夯土工具的改良及推广提供理论依据，更好地推动传统夯土建筑文化的传承与发展。

1 版筑法不同夯土工具概况

1.1 传统版筑法夯土工具

夯土建筑主要营建技艺有椽筑法和版筑法，椽筑法主要分布在黄土高原地区，版筑法主要分布在华南、华中等地区。研究选取华中地区典型版筑法分布地区——长沙地区开展田野调查及对其民间匠人进行访谈，对长沙地区传统版筑法夯土工具及改良工具进行对比总结。

长沙地区夯土夯筑工具主要由木材制作而成,分为夯筑模板、夯锤、其他相关设备与工具。传统夯筑工具夯筑模板由2块木墙板、1块挡板、4根夹签、4根箍头组成，木墙板主要形成墙体，木墙板内壁是否完整平滑直接影响着墙体表面效果，木墙板上方中央位置各有1个提手，一般由麻绳制成。挡板、夹签、箍头共同组成模板两端，挡板由夹签和箍头组成插销固定位置。夯锤形制有多种，用来夯实置于模具内的虚土。拍板为用以修补的工具，体型较小，带有手柄的梯子形平底或端部略微卷起。

1.2 改良版筑法夯土工具

改良夯土工具相关设备及工具与传统工具相同，但夯筑模板由钢材制成，木墙板也可由平滑钢板或竹胶面板构成，留有螺栓孔，用以固定木墙板。挡板由木板更新为钢板或竹胶面板，由螺母和螺栓固定。木墙板由模数组成，可按需求进行拆卸和组装形成不同尺度和形状夯板。改良夯土夯锤为气动夯锤，动力由电动空气压缩机提供。此外，传统夯土材料由人工搅拌而成，当夯筑较少时，改良夯土材料由平口搅拌机搅拌，当大批量夯筑施工时，一般由滚动搅拌机搅拌。改良版筑法夯土工具分为T形、L形、一字形，如图1所示。

图1 版筑法改良夯土工具

2 夯筑性能对比试验研究

王毅红等研究表明，含水率直接影响夯土墙体强度，耐水性能、抗压强度是影响夯土材料耐久性和安全性的关键因素[11-12]。因此，主要从不同夯土工具对夯土材料适宜含水率的分布范围、夯筑试块吸水性、抗压强度3个方面的影响进行对比研究。试验取夯土材料为长沙地区典型红壤土，取土地点为安沙镇花桥村，依据传统匠人经验，夯土材料土、砂石、石灰配合比为3∶6∶1。

2.1 含水率

为研究不同夯土工具对含水率的影响，对满足不同夯筑工具要求的土料适宜含水率含量和均匀度进行对比研究。适宜传统夯土工具土料(以下简称“传统土料”)含水率由匠人依据“手握成团，落地成花”传统经验决定，土料采用人行搅拌；适宜改良夯土工具土料(以下简称“改良土料”)含水率由实践团队依据标准夯筑试验和对不同含水率土料进行夯筑试块分析得出，土料采用平口搅拌机搅拌。对适宜不同夯土工具工作的夯土材料，采用Takeme-10土壤水分温度测定仪(见图2)，对不同深度、位置的夯土材料进行20次测试，精度为±3%(当水分<53%时)。

图2 土壤水分温度测定仪

适宜不同夯土工具工作的夯土材料含水率统计如图3所示。由图3可知，传统土料最优含水率为24%～30%，波动幅度为17.5%，标准差为2.262 7，改良土料最优含水率为8%～14%，波动幅度为4.1%，标准差为0.141 4。改良土料含水率均匀度明显优于传统土料。研究发现：传统土料具有较高的含水率，因为较高的含水率土料易于人工夯筑成型。传统夯土工序拆模后还有拍打工序，即使用拍板对墙体进行拍打，高含水率土料也易于拍打。较高含水率夯土材料也是导致传统夯筑效率较低的原因之一。

图3 夯土材料含水率统计

2.2 抗压强度

为探究不同夯土工具对墙体抗压强度的影响，以土、砂石、石灰配合比为3∶6∶1的夯土材料，按GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》，采取传统夯筑和改良夯筑的不同夯筑方法夯筑150mm×150mm×150mm试块，在相对湿度60%～70%，温度(20±2)℃条件下养护14d，3个为1组，在0.3N/s荷载速度下分别进行抗压强度试验，如图4所示。王毅红等研究表明，提高夯土墙体密实度是改善夯土墙体抗压强度的关键。因此，对不同夯土工具的夯筑试块密实度进行分析，密实度及抗压强度均由平均值和标准差来表示[13-14]。

图4 试块抗压强度测试

使用不同夯土工具夯筑试块抗压强度如图5所示，由图5可知，使用传统与改良夯土工具的夯土试块均有良好的抗压强度稳定性。使用传统夯土工具的夯筑试块(以下简称“传统试块”)抗压强度均值为0.377MPa，标准差为0.064 2。使用改良夯土工具的夯筑试块(以下简称“改良试块”)抗压强度均值为0.609MPa,标准差为0.072 5。表明改良夯土工具能提高夯土强度性能。

图5 试块抗压强度

使用不同夯土工具的夯筑试块密度分析如图6所示，由图6所知，传统试块表观密度平均值为1.571g/cm3，标准差为0.081。改良试块密度较传统试块有所提高，表观密度平均值为1.727g/cm3，试块密实度也较均匀，标准差为0.013。改良土料含水率范围明显低于传统土料，其试块强度也有显著提升。其与Kouakou等[15]研究表明含水量越低的夯土材料具有更高的强度相吻合。

图6 使用不同夯土工具夯筑试块密实度分析

2.3 耐水性能

耐水性能直接决定着夯土墙体耐久性和强度，而吸水性能是影响耐水性能的关键因素之一。为研究不同夯土工具作用下夯土材料中的水分传输特性，对不同夯筑方法的标准试块进行毛细吸水试验。按JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》成型尺寸为150mm×150mm×150mm的标准试块，选取相同配合比土料，分别采用传统夯锤和改良气动夯锤进行试验，土料分2次夯筑密实成型，0.5h后脱模，在温度(20±2)℃条件下养护至测试龄期。测试前，将试块置于65℃烘箱烘干至恒重，将其5面涂抹石蜡以隔绝水分渗透，仅留1个面用于测试，试块耐水性能试验如图7所示。在一定时间取出18个试件称量记录吸水量[16]。称量时间间隔为：0～120min间隔10min，120～600min间隔20min，600～900min间隔30min。

图7 试块耐水性能试验

使用不同夯筑工具的试块毛细吸水量随时间变化曲线如图8所示。由图8可知，使用不同夯筑工具的试块毛细吸水速率随时间变化规律一致，均在前期吸水量增速较快，800min后试块吸水量均基本保持不变，使用传统夯筑工具试块吸水量大于改良后试块。使用不同夯筑工具的夯筑试块毛细吸水量-时间平方根的关系如图9所示，该直线的斜率即为试块毛细吸水系数[16-17]，均基本呈线性趋势。使用不同夯筑工具的夯筑试块毛细吸水系数在不同时间段内变化规律一致，相差不大，改良后较传统降低了0.7%。

图8 试块毛细吸水量随时间的变化曲线

图9 试块毛细吸水量随时间平方根变化曲线

3 版筑法夯土工具操作性能对比

3.1 操作实践

传统夯土工具试验组工具为传统夯土工具、铁锹、桶、喷壶、推车，夯土材料和配合比与夯土工具性能试验研究相同，经过人工搅拌混合均匀后，填土于安装好的模具中，检查垂线与墨线吻合后，使用夯锤进行夯筑。首先从端头进行夯筑，然后按人字形夯筑，最后按一字形夯筑。传统夯土工具夯筑方法如图10所示。夯筑完每层后在上面加竹筋，然后填土，重复4次以上操作，按错峰搭接的方法继续夯筑。

图10 版筑法传统夯筑方法

5)传统夯土工具制作、操作优于改良夯土工具。改良夯土工具施工过程中，也需使用传统拍板及工艺进行操作。改良夯土工具在动力来源及持续稳定性、夯锤制作、零件替换及其使用方法、模具搭接方面还存在较大的优化空间。

改良夯土工具试验组工具为改良夯土工具、铁锹、桶、喷壶、推车、搅拌机，夯土材料与配合比与传统夯土工具试验相同，在铺平料层后，采用气动夯锤进行夯筑，首先按之字形夯实料层，然后按回字形夯筑，最后沿边夯筑。改良夯土工具夯筑方法如图11所示。

图11 版筑法改良夯筑方法

3.2 结果对比

对传统夯土工具和改良夯土工具夯筑墙体性能进行对比，如表1所示。由表1可知，改良夯土工具在夯筑效率、工序方面明显优于传统夯土工具。

表1 夯土工具改良试验结果对比

在实践操作方面，改良夯土工具夯击力度为传统夯土工具的3倍，夯筑速率为传统夯土工具的2.5倍，夯筑墙体光滑程度、收缩程度也明显优于传统夯土工具。但改良夯锤制作及使用复杂，提供动力的空气压缩机使用要求也较高。改良夯土模具的搭接、拆卸也较繁琐。使用改良夯土工具夯筑的墙体存在破损时，也需使用传统拍板进行修补。

4 结语

1)以土∶砂石∶石灰=3∶6∶1的夯土材料为研究对象，适用于传统夯土工具作业的混合料最优含水率含量较改良的高16%，波动幅度高13.4%。改良土料水分均匀度显著优于传统。

2)使用传统与改良夯土工具的夯筑试块均有良好的抗压强度稳定性。使用改良夯土工具的夯筑试块夯击力度为4.5MPa，远高于使用传统夯土工具夯筑试块夯击力度1.5MPa。以上述相同夯土材料为研究对象，改良试块密度、抗压强度均值分别为1.727g/cm3及0.609MPa，也较传统试块的1.571g/cm3及0.377MPa有所提高。

3)使用不同夯土工具夯筑试块，其毛细吸水量规律基本一致。通过研究水分在夯土试块中传输特性，也为进一步对不同夯土工艺夯土的渗透性及吸水后强度研究提供数据依据。

4)传统夯土工具制作和使用较改良夯土工具更便捷，适用性更广泛。使用改良夯土工具施工工序较传统夯土工具简易，但安装及夯筑操作较复杂。改良夯土工具夯筑速度为10h/m2，较传统夯土工具25h/m2能显著提高施工效率。