现代夯土建造工艺在建筑设计中的应用

现代夯土建造工艺在建筑设计中的应用

张昊

四川 成都 610000 ）

成都市建筑设计研究院

摘要：泥土作为一种传统建筑材料，目前在现代建筑设计中也得到了广泛的应用。本文以四川省金堂县生土墙为例，了解当地传统生土墙建造工艺，并通过生土墙夯筑试验，分析水泥、石灰、固化剂、秸秆等改性剂对土体性能的影响，提出生土合适的改良配比；同时结合生土材料特点，从墙体厚度、开洞、节能等方面探讨适合生土建筑的户型和建筑布置；归纳总结试验和分析结果，为生土房屋的建筑、结构设计及施工提出一系列改良策略。

关键词：夯土建造工艺；建筑设计；改性材料；试验分析

前言

本文将生土墙制作选址在成都市金堂县五凤镇金箱村，具体探讨现代夯土建造工艺在建筑设计的应用。考虑传统夯土材料具有遇雨水软化和干燥收缩的特点，且本身抗压及抗剪强度较低，以致于夯土墙力学性能及耐久性较低。而这与土壤颗粒构成、包含的矿物质、含水量及加工方法等因素相关。为此，根据当地的材料供应，并参考相关文献资料，对传统夯土材料进行强度指标与耐久性能改性，旨在提高夯土材料的强度指标及耐久性能，从而切实发挥出现代夯土建造工艺在建筑设计中的作用，提升建筑物的生态性能和整体质量。

1. 项目概况

本项目选址为成都市金堂县五凤镇。金堂县地处成都平原东北部，东经 、北纬 之间。五凤镇位于县城以南，沿沱江两岸，距成都市48km，离县城赵镇45km。经实地考察与调研分析得知，当地留存有一定数量的生土房屋，已经居住使用数十年，经历风雨侵蚀，墙体有损伤但整体性保持完好。当地居民至今仍保留有生土墙的夯筑工具，并有着自己的一套生土墙夯筑工艺。在与当地工匠沟通后，提出对传统生土建筑研究改良的策略，并结合项目实际情况，对生土墙施工方案进行确定，在维续传统文化、民风民俗的同时，对偏远农村居民的居住环境进行改善，提高生土房屋的建筑结构性能，使其能满足当地居民居住及安全性的需求。

2. 夯土建造工艺流程

2.1 试件制作

借助当地保留的生土墙夯筑工具，并完全采用当地的夯筑工艺在五凤镇现场进行试件的制作。同时依据相关规范在土料中掺入不同比例的改性剂，夯筑了不同类型共24片墙体。生土墙1、2的制作完全以当地生土夯筑，并作为基本参照构件；生土墙3的制作，依据当地工匠的经验，适当加入了秸秆；生土墙4~7中混合加入了不同比例的石灰和水泥；生土墙8、9均掺入了6%的石灰，同时分别加入了0.01%、0.02%的土壤固化剂；生土墙10、11将石灰换成了相同比例的水泥；生土墙12~14掺入了6%的石灰和6%的水泥，土壤固化剂的比例依次是0.03%、0.02%、0.01%；生土墙15、16分别掺入6%和12%的石灰；生土墙17、18分别掺入6%和12%的水泥；生土墙19、23、24分别掺入0.02%、0.4%和0.8%的土壤固化剂；生土墙20则是掺入了0.02%的土壤固化剂并辅以适量的秸秆作为加强。

在保持墙体高度、宽度、厚度及夯筑工具、夯筑工艺不便的情况下，对夯土墙体进行夯筑，并在自然条件下养护3个月。之后在每片夯土墙体中取样试验，研究和分析夯土墙体的结构性能。对于这24片生土墙的摆放，为两两一组呈L型摆放，每一组尺寸均一致，同时在每一片生土墙下铺设了砖基础，在四周挖设截水沟，目的是防止雨水的侵蚀。

2.2 生土墙夯筑

在生土墙制作时，按照设计配合比例进行土料拌制，同时需要严格按照规范要求对含水率进行控制。之后采用“板打墙”的方式进行夯筑，用半干半湿的土料放在夹板间，逐层分段完成生土墙夯筑。需要注意的是，在夯筑之前，需要通过测量放线的方式确保墙体的垂直性，而在墙体夯筑过程中，应先用圆锤夯打模板内中部土料，再用扁锤夯打周边且每层虚土厚度不大于12厘米，每一夯点至少夯打3锤，每板墙分4层夯实完成。在完成生土墙夯筑后，也要对墙体侧面进行平整处理。为了避免墙体出现较多的缩裂，要重视施工进度的控制，同时为了提升夯土墙的整体性，需要在墙体上中下皮夯土之间铺设水平拉结竹条。

2.3 生土墙面裂缝分析

在经过自然条件养护之后，所制作的24片生土墙强度基本能够达到稳定状态，但是墙体的开裂程度有所不同。在经过现场对比分析后，原状生土夯筑墙体开裂情况较严重，裂缝长且宽，甚至在局部形成贯通的竖向裂缝；添加了固化剂或稻草的墙体，较原状生土墙，裂缝宽度略小，但整体裂缝仍较多；而采用水泥或石灰作为改性剂的墙体，基本没有裂缝出现。可见，掺入石灰或水泥可有效改善生土墙体的裂缝发展，且掺入石灰的墙体表面颗粒感明显，掺入水泥的墙体表面较为平整。

（a）生土墙3，掺入秸秆 （b）生土墙24，掺入固化剂

（c）生土墙22，未掺入改性剂

（d）生土墙16，掺入石灰 （e）生土墙17，掺入水泥

图1 生土墙裂缝发展

3. 生土性能分析

对金堂县五凤镇金箱村夯筑并养护的夯土墙进行取样，同时为保障试样加工的精度，将其搬运回实验室进行加工。在实验室加工制备前，对原状土颗粒特征、夯土力学性能、热物理性能、抗水性能等方面进行了试验研究，以此获得材料配比与性能之间的关系，进而为夯土墙材料改良提供依据。

3.1 原状土颗粒分析

在对当地原状生土材料进行现场观察，自然状态下生土材料为褐色，有明显的黏性，可塑。在经过比重计法测定后得知，生土颗粒以粉粒和粘粒为主，利用公式 和 可以计算出不均匀系数和曲率系数，分别为3.82和1.37，属于匀粒土，级配不良，在工程类别上属于不宜作为夯筑材料的细粒土。

3.2 热物理性能分析

_{分析材料的物理性能，主要依照导热系数} 、导温系数 、比热容 、蓄热系数_{这几个参数，通过快速热物分析仪测试可获得夯土试块的导热系数和比热容，如此便可计算得出导温系数和蓄热系数。本次试验采用便携式快速导热仪进行试件测试，具体的测试结果见下表1。}

_{表1 夯土试块热物理性能测试结果}

_{（注：*添加适量秸秆）}

_{3.3 试验结果分析}

_{根据测试结果可得知：（1）原状土的不均匀系数小于5，在工程类别上属于不宜作为夯筑材料的细粒土；（2）夯土试块的抗压强度随密度（压实度）增加而增加；（3）水泥的掺入增加了夯土试块的抗压和抗剪强度；（4）固化剂和秸秆能小幅提高夯土试块抗压和抗剪强度，但效果不明显；（5）水泥的掺入明显使得改性夯土材料更为致密，能明显提高其导热系数。添加石灰降低了改性夯土材料的导热系数。密度近似的情况下，固化剂和秸秆对夯土试块热物理性能参数的影响较小；（6）掺入石灰或水泥，能够明显推迟浸水状态下夯土崩解溃散的出现，掺入水泥时，效果最好；（7）所有试块都在10min内快速浸水。掺入水泥的吸水速率较低，抗水性能较好；（8）掺入掺合料（石灰、水泥）的土体在受到水压力喷淋时，其抗水性大都好于素土，仅试件边角轻微脱落。而素夯土、掺入秸秆和固化剂的夯土试样几乎没有抗冲刷的能力。}

4. _结论

_{根据生土材料性能分析结果，验证了现代夯土建造工艺在建筑设计中应用的现实意义。但在具体应用中，需要注意以下几点问题：}

1. _{夯筑前，对夯筑材料进行筛选，选用级配良好的生土材料作为工程材料。若不满足实际工程需求，需要对原状土进行改性处理，使其能满足工程要求。}

2. _{对于改性剂的选择，优先选用水泥，其比例控制在9%~12%之间较为合适。石灰则作为改性剂的第二选择。}

3. _{不同地区气候对建筑的围护结构热工性能要求不同，根据气候条件和资源状况采用外墙自保温系统，通过试验分析夯土墙导热系数应控制在0.5~0.7W/m·K。}

4. _{夯土民居分布较广，每个地方都有其自身的文化特点，在进行夯土建筑设计时，要结合当地特征、人文、风貌等特点为依据，利用当地材料，结合当地经济、文化进行设计考虑，这样也就更加符合夯土建筑的绿色节能等特点。}

参考文献：

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