改善生土材料性能的方法

第四章　生土建筑材料

在不同地方的土，生土的性质和组成会有所不同。一般说来，山区的土质较适合夯筑土墙制作土坯，而冲积平原地区的土若用来夯筑土墙需要更厚，高度也受到限制，更适合用来制作土坯。可用于建筑的生土各地都有，只是合适与不合适的问题。对于不满足要求的土，可通过掺入添加剂或其他有机材料来改善土质，也可以通过适当的构造措施，来满足结构的需要。

从经济的角度，直接利用当地土来夯筑土墙或者制作土坯最好。南方地区大多在土中加入石灰等添加剂，而北方地区则一般直接用土来夯筑土墙或者仅仅加入少量有机材料来制作土坯。这样土质条件影响着房屋的质量和墙体的厚度高度等等，而对于直接应用土壤做生土建筑材料的情况，最佳的级配是保证生土材料物理性质的最好方法。

在夯筑土墙时，既要有黏结力大的黏性土又要适量的掺入砂、卵石，块石。但决定夯筑墙坚固与耐久性的关键还是黏性土，在这里简单介绍一下黏性土性质的主要影响因素。土是一种松散的颗粒堆积物，是由颗粒、水和气所组成的三相体系。三相组成决定了土的物理力学性质。

4.1　生土的物理性质指标

对于黏性土，含水量对其影响最大，含水量多，则软；含水量少，则硬。黏性土在界限含水量以内可以保持良好的可塑性。而界限含水量和土粒组成、矿物成分、土粒表面吸附阳离子性质有关。在土力学中，为进一步描述土的物理力学性质，使用了一些具体的物理指标表示。如含水量、密度、重度、土粒比重、孔隙比、孔隙率和饱和度等。

从粒度成分测试分析夯土大多数级配比较好，说明了夯土颗粒对级配的要求，级配越好则越容易夯实。生土比较分散，因此其选择性比较小，土粒只能是先存的土体，不能对其改造和掺配。

干密度：①夯土的干密度分布范围较宽，从1.25g/cm3至1.95g/cm3，但以1.6g/cm3左右分布居多，生土的干密度较小，一般不超过1.7g/cm3，说明夯筑过程使得土体更为密实，提高了力学性能。②版筑泥的干密度与夯土相当，夯土和版筑泥都是在施工手段和建造方法上对生土的改造，在很大程度上使土体的密实度提高。

孔隙比：夯土的孔隙比总体小于生土，夯土孔隙比一般为0.42～1.15，这说明不同夯土条件下夯土的性质有很大差异。版筑泥的干密度与夯土相当，但孔隙比却大于夯土，但由于版筑泥的黏聚力大于夯土，因此二者力学性能相当。

含水率：①总体来说几种土的含水量相差不是很大，夯土的含水量分布范围较宽，说明在不同的施工条件下夯土含水量各有所异，且阳面和阴面对土的含水量的影响也很大。②版筑泥的含水量与夯土相当或略大些。③与干密度、孔隙比相同，生土的含水量也表现出很大的地区差异性。

液限、塑限和塑性指数：①各种土的液限、塑限和塑性指数大致相当，与夯土过程中各种土的类型变化关系比较密切，不同地区时，土的性质差别较大。②塑限指数大都超过了10%，以16%者左右居多；大多数土的塑性指数都在3%～10%之间，其中以8%左右居多。③总体来说，夯土的塑性指数分布范围大于生土，这说明夯土粒度成分的变化大于生土，它可以掺和不同粒径的土，以达到更大的密实度。

4.2　生土建筑材料性能

土作为建筑材料有如下特点：遇水软化，而后膨胀、崩解，水分蒸发后收缩出现裂缝。土在浸水后随着含水量不断增加，土的状态变化为固态—半固态—可塑状态—液态，相应的力学指标也会逐渐下降。土中的水分为结合水（分为强结合水和弱结合水）和重力水，其中紧靠在土粒表面的为强结合水，使土体具有极大的粘滞度、弹性和抗剪强度；而存在于强结合水外围的是一层弱结合水，当土中含有较多的弱结合水时，土具有一定的可塑性；毛细水存在于潜水位以上的透水土层中，是一种自由水形式，适量的毛细水可使土体具有微弱的黏聚力。

由此可见，适当的减小土料中的水，加强夯实缩小颗粒间的距离，增大土的干重度。土料中黏性土的比例应该适中，若黏性土太多，则会使土的黏性过大，结果往往难以充分拌和土料和夯实，筑墙时会使土墙的膨胀与收缩加大，从而出现大量裂缝，降低耐水性和耐久性。

为了增加墙体的抗压强度，防止土墙出现裂缝，提高墙体的稳定性和耐水性，在夯筑土墙时在土料里加入一定量的石子，或者瓦片、碎砖；在制作土坯块时保证土中含有一定量的有机材料如麦秸、稻草、竹条等。某种意义上说夯筑土墙的材料是一种黏土混凝土。这也是为什么生土墙体整体性较好的原因。

生土材料的热工性能是相比于其他建筑材料最大的一个优点，其各项热工参数关系到材料的隔热保温性能。气候影响着人类的舒适感。为了舒适的目的，建筑需要能承受风雨和冷热，其构造形式和各部分的处理，都要能适应气候的变化。气候对人体的影响表现在人体的热感觉上，这是一个气候、建筑和人三者相互作用的过程。由于相对湿度主要是通过通风的方式来调节，因此，建筑物调节气候最主要的技术，在于对室内外温差、太阳辐射以及对风的调节。调节气温差的建筑技术就是绝热，调节太阳辐射的手段主要是太阳能采暖与遮阳技术，而风的调节则是通过防风和通风措施来解决的。

生土材料墙体要比砖混的热惰性指标稍好一些，但是屋顶要稍微差些。建筑结构主体是最大的蓄能体，所以建筑外墙的热惰性是一个重要指标。有些地方生土住房的墙体厚达80cm，除了坚固结实的原因之外，就是增大热惰性，平衡冷热峰值，达到冬暖夏凉。湿度方面生土建筑最高，砖混结构坡屋顶居中，而砖混平屋顶建筑最低。由此可见，生土建筑夏季室内温度较低且波动较小，比较适合居住。从而节约了由于采用空调调节室温而浪费的能源，有效地说明生土建筑在节能降耗方面所具备的优势。但是，生土建筑还存在潮湿等缺点。

生土材料的好坏直接关系到墙体的坚固性和耐久性，选取合适的生土材料对整个建筑的结构安全至关重要。生土建筑用来夯筑土墙的生土通常选择干净的黏性土，其含水量和颗粒级配是影响墙体强度的两个主要因素。

1）含水量

生土材料的含水量是影响生土墙体质量最重要因素之一。若生土材料的含水量过高，由于水具有不可压缩的特性，土墙夯实过程中部分夯击能被水消耗且可能会发生水析现象，使土墙较难夯实；若含水量偏高，夯土墙不易干燥，且后期会出现收缩变形裂缝；若含水量过低则黏性差，土中所含水分起不到润滑作用，土颗粒间摩擦力过大，生土墙体也很难夯实［41］。

因此，夯筑之前宜控制好土料的含水量，保证其处于最优含水量的状态，即在一定夯击能作用下夯土墙能达到最大密实度（最大干密度）。一般建议夯土材料的干密度控制在1 700kg/m3～2 200kg/m3之间，其强度标准值不小于2.0MPa；最佳含水率因地各异，建议其偏差控制在±1%以内。

目前，施工现场检验夯土材料含水量仍采用“手握成团，落地开花”的传统方法，即用手握住一团土时可以黏成整体，落到地上土团会自动散开。这种传统方法虽然简单易行，但有失准确性。建议生土建筑施工现场可采用小球下落法和搓滚法两种同样简单而又科学合理的方法来估测生土的最佳含水量。

（1）小球下落法，将搅制均匀的土料捏成一个直径约4cm的小球，使其从1.5m高处自由落下，观察小球落地后的形态。若小球落下仍为一个整体则说明含水量偏低，可适量加水重试；若小球落下后为一片，说明黏土含量太高，应加入其他改性材料；若小球坠地分为几个碎片，则可认为土质接近最佳含水量。

（2）搓滚法，即将土加水拌成小球，再将其搓成泥条直到泥条直径为3mm。如果所搓泥条能达到上述要求且易断裂，那么说明此土可作为夯筑的优良土。

经调查研究发现通常配制好的生土材料不直接用来夯筑，而要经过调匀、反复掺水和搅拌使其发酵。若干月后待生土材料发酵完全才可使用。因为发酵完全的熟土和易性好，夯筑的土墙缩水率小、缩水速度缓慢均匀且不易出现干缩裂缝。

2）颗粒级配

土的颗粒级配是指土中所含各骨料大小及组成情况，通常是以各粒组的相对含量来表示。各国家对土的粒组划分有不同的规定，甚至同一国家不同地区对粒组划分也存在差异，我国从20世纪70年代开始对土的粒组划分给出了详细规定，如《土的工程分类标准》（GB/T 50145—2007）（表4.1）和《岩土工程勘察规范》（GB 50021—2001）（表4.2）对粒组骨料粒径大小上下限给出具体的划分。

表4.1　粒组划分

表4.2　粒组划分标准

土的颗粒级配通常有好坏之分。颗粒级配良好的土中粗、细粒组含量适当，各骨料间的空隙被互相填补，土的空隙率较小、密实度较大、收缩较小，故较容易被夯实；反之，颗粒级配不好是指组成土料的骨料粒径大小尺寸均匀，各骨料间的空隙率较大、密实度小、收缩较大，故不易被夯实。因此土颗粒级配良好与否是影响夯土墙体抗压强度的重要因素之一。

综上所述，要选取含水量适中且土颗粒级配良好且不富含有机物的生土材料。

4.3　改善生土材料性能的方法

生土建筑中生土墙为主要承重构件，生土材料的力学性能直接影响墙体的强度、刚度及耐久性。传统的生土材料由于耐水性差、稳定性差、强度低等缺点限制了生土建筑的发展应用，无意间加速其走向消亡。因此，为增强生土材料的强度、改善生土材料的耐水性和耐久性等问题，从素生土出发引出了改性生土材料的研究。

所谓改性生土，是指土料中加入一种或几种物质，通过夯实可以达到改进原土体各种性能的土。土中加入的改性材料可以不同程度地提高土的力学性能，减少孔隙，改善体积变化，增强体积稳定性，增强夯土墙体的强度及抗风化雨蚀的能力。生土改性根据改性材料的改性机理可以分为物理改性和化学改性两大类。化学改性材料，是指所加入的材料与土体发生各种复杂的化学反应，以此来改善土体的强度和耐久性等；物理改性材料是指所加入的材料不与土颗粒发生化学反应。

我国地域广阔，生土建筑分部较为分散，不同地区生土材料中掺入改性材料的种类和掺量也不尽相同。当所选用的生土材料中含砂石较多，黏性成分较少时，建议优先选用水泥或矿渣、石膏、石灰等复合改性剂；当生土组成中含黏性成分较多时，建议优先选用石灰矿渣或石灰复合改性剂；当所建生土民居处于潮湿多雨地区时，建议优先选用有机材料或水泥作为改性剂；当生土建筑处于干燥且寒冷地区时，建议优先选用级配良好的土质并且掺入水泥作为改性剂。

为了提高广大乡村夯土民居建筑建造过程中改性剂掺入量的准确性，经过调查研究，综合分析即有文献总结出掺入改性材料的范围见表4.3。

表4.3　改性材料掺量表（重量比）

（1）掺加有机拌和料———在土料中加入少量的有机植物材料，如麦秆、稻草等，可以增加土料的抗拉强度，减少裂缝。

（2）化学处理———对于沙质土以及对土料要求较高的情况，可采用此法，即在土料中掺入化学材料。如水泥、石灰和粉煤灰等，它们既可单独使用，也可按一定的比例混合使用。在常温下单一的掺和材料能够直接胶结土体中的土壤颗粒并与黏土矿物反应生成胶凝物质。复合掺和料一般是由生（熟）石灰、粉煤灰、脱硫石膏、矿渣、水泥等按适当的配比并粉磨至一定细度后制得的，可有效激活固体废弃物及黏土矿物的潜在活性，从而改善和提高土的技术性能。

4.4　拉结材料

生土建筑中所采用的拉结材料也是改性材料的一种，拉结材料仅起到物理改性的作用。传统生土材料除了加入上述的改性剂外，还加入有机纤维类材料以此来增强生土材料的抗剪强度和墙体的整体性。

生土中加入有机纤维材料构成各种类型的加筋土。这里所谓“筋”是广义的范畴，可以是木筋、荆棘、藤蔓，而使用更多的是草筋、碎麦秸、稻草、芦苇等韧性好的纤维植被。承重生土墙体在满足抗压强度的前提下，向生土中加筋的目的主要是为了提高土的抗剪强度和抗拉强度，用加筋土可以明显提高夯土墙的抗裂能力，且能降低墙体的收缩性，提高土体的变形能力。加筋土从古代城墙的夯筑到现代乡村生土建筑工程中都在广泛应用，但是各地对生土中加筋率根据土性要求不尽相同，根据经验数据和部分试验数据总结得出纤维拉结材料掺入重量比为0.5%。

夯筑土墙所用生土材料应根据施工进度随拌随用，尽量控制在拌和均匀后30min内装模夯实。

4.5　其他材料

1）木材

土木结构是中国传统房屋结构，木材对房屋建设至关重要。木材通常被用作圈梁、墙体内部构造柱、屋顶的檩条及椽条等，因此木材的质量直接关系到房屋的安全性、整体性及耐久性。

有句俗话对木材的耐久性做出了形象的说明：“干千年，泡万年，半干半湿两三年”。木材腐朽是由于其本身的湿度、空气中氧气、温度及养分等条件适于木腐菌及寄生虫生长造成的。因此，在木材的选用和防腐处理上要注意排除上述各种产生腐朽的条件，所以木材的选用应注意以下几点：木材一般要求纹理顺直、节巴少；原木要求去皮、干燥、端头及与墙体接触部分做适当防腐处理；主杆无腐蚀，木材表面允许有少许较浅的虫沟，严禁有虫眼、虫蛀碳化现象。

2）石材

毛石多用来砌筑乡村夯土建筑的基础、墙脚、台基、阶石及路面铺设，所选毛石要求抗压性能和耐久性较好。一般选用质地坚实，且表面无风化、剥落和裂缝现象的石材，若在严寒地区砌筑使用还要求有一定的抗冻性。选用的毛石应成块状，其中部厚度不宜大于150mm，毛石强度等级不应低于MU20。

毛石砌筑之前要进行选石和做石两个基本的步骤。选石是指从众多石料中选出在应砌筑部位大小合适的石块，并选择其中一个面为砌体的外面。做石是指将石块上凸起部分或者不需要的部分用工具去掉，做出一个面。以此保证毛石砌体外表面整齐美观，纹理清晰。

3）竹材

在木材匮乏的地区，可用竹材部分代替木材用作圈梁、墙体内部构造柱、屋顶的檩条及椽条等结构性构件，同时竹材还可以作为上下墙版筑时竖向销键及夯土墙水平拉结材料。所以，竹材的质量同木材一样重要，一样决定着房屋的安全性、整体性和耐久性。

建筑一般要求采用生长期为3～5年材质较好的毛竹，且同木材一样要求竹材干燥，做好相应防腐处理。通常所用竹材建议在旱季砍伐，防止竹材主杆因糖分含量过高糟受虫蚀，新伐竹材建议至少放置一个月之后再使用。

4）砖瓦

生土民居建筑所用的砖主要有黏土烧结砖和生土土坯砖两种。黏土烧结砖一般用途和石材相同，主要用于砌筑乡村生土建筑的基础、墙脚、台基、阶石及路面铺设。采用的均为当地砖窑烧制的标准标砖，其尺寸为240mm×115mm×53mm，要求砖无缺棱、掉角、裂缝和翘曲等现象。生土土坯砖块主要用于墙体局部无法夯筑的部分，其尺寸一般为400mm×200mm×100mm，但也有部分地区土砖尺寸不同。

乡村民居的瓦屋面主要有平瓦屋面和青瓦屋面之分，前者用瓦有黏土平瓦、油毡瓦和水泥瓦；后者用瓦主要小青瓦盖瓦和筒瓦盖瓦。平瓦是长方形平面带沟槽的片状瓦，有红、青两色，按我国标准：平瓦的尺寸为400mm×240mm～360mm×220mm，单片抗折荷载不应小于600N；覆盖一平方米屋面的瓦吸水后重量不得超过55kg，且应无开裂、无分层、掉角、脱边等现象，烧制的成品瓦中不应有欠火瓦。小青瓦又名蝴蝶瓦、阴阳瓦，是一种青灰色弧形瓦。尺寸一般为长200～250mm，宽150～200mm，广泛用于乡村民居建筑。