建筑中的夯土建造技術研究

0材料水率作為建筑材料的原料，生土是指未經處理的天然土壤，只改變組成成分的比例（如含水量或比例），并經過簡單的物理加工（如壓縮或肥皂）制備的材料。生土材料基于其土質的差別有多種相應的建造方式。夯土是生土建造中常見的一種方式,是利用夯錘將生土在模板內擊實成型,作為建筑墻體或者樓地面層。1土壤融資1.1現(xiàn)代建筑的建筑遺跡在全世界六大洲都可以看到歷史上留存下來的夯土建筑或構筑物(圖1),不同的地區(qū)各自發(fā)展出特定的建造體系來適應當?shù)氐沫h(huán)境、使用方式和地域文化。在我國,至今仍留存大量的夯土民居和夯土城墻。在我國的世界文化遺產中,長城、山西平遙古城和福建土樓(圖2)等都使用到了夯土技術,尤其是福建土樓墻體的夯土建造,無論從形式上還是技術上都達到了一個高峰。在歐洲,夯土同樣是古老的建造技術,并在19世紀經歷了一場復興。法國里昂的一位建筑承包商、建筑師兼測繪員的Fran?oisCointeraux(1740~1830),通過出版于1790年的《3èmeCahierd’Ecoled’ArchitectureRurale(鄉(xiāng)村建筑學校第三冊)》,推廣健康的、鄉(xiāng)土的、經濟的夯土建造。該書的翻譯和宣傳對歐洲、澳大利亞和美國夯土建造體系的更新起到了積極的作用。隨著現(xiàn)代建筑的興起和現(xiàn)代材料的普及,夯土建造一度退出了人們的視野。但20世紀70年代的能源危機使得人們重新審視生土的應用。20世紀80年代的澳大利亞,夯土重現(xiàn)于當代建筑,如今,越來越多的建筑師使用夯土,如美國的RickJoy、德國的MartinRauch、中國的王澍與張永和。從居住建筑、宗教建筑到文化建筑,夯土已成為生土建造中最受歡迎的建造方式,在當代建筑文化中扮演著越來越重要的角色(圖3)。1.2建筑建筑材料特點生土的材料自然性以及夯土的層次肌理喚起了人們對自然界中層積巖的聯(lián)想。當代建筑師對夯土的興趣正是來自于夯土建造的環(huán)保價值和美學價值。生土的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾點:1)可就地取材,節(jié)約開采和運輸能耗;2)無需深加工,節(jié)約生產能耗;3)可循環(huán)再利用或是回歸土地,最大限度地減少對生態(tài)環(huán)境的影響;4)夯土墻體厚重密實,可用于室內外結構承載、圍護或分隔構件,亦可作為熱工性能調節(jié)的重要構件,保溫隔熱性能好,并能調節(jié)空氣濕度,減少能耗;5)夯土延續(xù)了原產地的地域特征,易于產生自然的親切感,是鄉(xiāng)土建筑地域性的重要顯現(xiàn)。值得一提的是,澳大利亞是第一批制定夯土建造建筑規(guī)范的國家之一。在當?shù)?這種“粘土混凝土”因其性狀與水泥混凝土相似,被認為是一種現(xiàn)代化、大規(guī)模、可再生的建造材料。但由于他們向夯土中添加了水泥,已偏離了生土應用的初衷,消減了材料可循環(huán)使用和低碳節(jié)能的優(yōu)勢。盡管如此,澳大利亞的夯土建筑仍為夯土在當代的復興做出了貢獻。2土壤材料土壤是地球的表層,在自然力的作用下,由巖石分解分化而來。因此,從地質斷面可以看到土壤由不同厚度的堆積層構成(圖4)。2.1土層的顆粒組成適用于建造的土質位于種植層以下、巖石層以上。這是由于這一土層為無機礦物質,避免了種植層內有機物的生長對建造物的破壞。同時,這一土層的顆粒組成豐富,較為堅硬。事實上,土是由不同粒徑的顆粒組成,包括石塊、石礫、砂、粉土和粘土(圖5)。顯然,因地質形成的差異,各地土質的顆粒組成比例也不同。因此,不同地區(qū)的生土應根據(jù)其顆粒組成的比例選擇相應的建造方式。比如,顆粒分布均衡的生土適用于夯土建造,而以細小顆粒的砂和粘土為主的生土適用于作為抹面。2.2粗骨粒與細骨粒的粘結夯土可以被視為一種天然的混凝土,它與我們所熟知的混凝土的基本工作原理是一致的,都是通過粘結劑將形成骨架的粗骨粒和細骨粒粘結在一起。差別在于,夯土中作為粘結劑的不是人工生產的水泥,而是同樣來自于大自然的粘土——生土中最小的顆粒。當然,由于粘土產生粘結性的原理與水泥水化作用產生粘結性的原理大不相同,因此夯土不是通過“澆搗”而是通過“夯擊”來實現(xiàn)材料在模板內的成型和密實度。2.2.1顆粒組成比例同普通混凝土一樣,夯土材料的骨架是生土中的石塊、石礫和砂,要求各顆粒比例均衡。對顆粒組成比例的要求,可以從ApollonianStacking的原理中得知(圖6)。只有當材料中大小粒徑的顆粒組成合理,才能有效減少顆粒間的空隙。生土中,這些空隙通常為水或空氣。空隙的存在將削弱夯土墻體的強度,并潛在為裂縫產生的路徑。2.2.2粘結劑的使用粘土是生土中最小的顆粒。粘土在濕潤狀態(tài)下,粘土顆粒間水膜的引力呈現(xiàn)為粘結力,將粘土顆粒粘結起來,并使其排列有序(圖7)。適用于建造的粘土在顯微鏡下呈現(xiàn)為扁平的片狀顆粒,與組成土壤的其他顆粒完全不同。由于粘土的層片狀結構增大了與水接觸的表面積,因此增加了粘結性,能夠有效充當夯土的粘結劑,將生土的其他顆粒一起粘結成整體。需要強調的是,由于粘土有多種類型,不是所有的粘土都可作為夯土的粘結劑。用于建造的粘土不應具有明顯的吸水膨脹性,否則建成的構件干燥后將產生明顯的收縮和裂縫,極大地影響材料強度。夯土技術中生土應呈潮濕狀態(tài),因此需控制水的用量(含水率10%左右),以避免因含水量太高導致最終構件產生裂縫。在夯土現(xiàn)場,用于檢驗生土含水量是否合適的簡易方法即是“手握成團、落地開花”。這是我國民間檢驗含水率的經驗之法,事實上也是國際上通用的方法,只不過后者在操作的細節(jié)上有更詳細的規(guī)定。2.2.3生土糊料的孔隙結構夯土技術中的備土環(huán)節(jié)主要就是將顆粒組成合理的生土加入適當?shù)乃髷嚢杈鶆?即為生土拌合物,為下一步倒土入模和夯擊做好準備。生土拌合物呈松散狀態(tài),含有大量的空隙,約占總體積的1/3。空隙是結構材料的薄弱點,夯擊的目的正是通過減少空隙,將生土拌合物變成均質、密實的固體材料。夯實后,空隙率主要取決于生土材料的顆粒粒徑組成。通過夯擊這一技術操作,增大了材料的密實度,不僅提高材料強度,還可減少表面滲水。2.3野外測試及土樣從夯土的原理可知,生土作為建筑材料最重要的性能在于顆粒粒徑組成比例、塑性、粘結性和壓縮性,其他性能還包括收縮性、滲透性和膨脹性等。事實上,不同的建造方式對生土某些材料性能的要求存在差異。因此,生土材料分析試驗的目的是判斷該土是否適用于建造,以及用于何種建造方式。在進行精確的實驗室測試之前,應首先進行野外測試。所謂野外測試,即在可能作為生土來源的采土現(xiàn)場,利用一些簡單輕便的器材(如玻璃瓶、尺子等)和水,快速地對當?shù)赝临|進行初步判斷。相對而言,實驗室測試則耗時耗力。因此,只有當野外測試的結果說明該土可以用于建造,那么才需要正式采集土樣,做進一步的實驗室分析(圖8)。野外測試主要包括4種,1)聞味測試,判斷土是否含有腐殖質;2)沉淀瓶測試,快速了解土中不同粒徑顆粒的組成及比例;3)沖洗測試,判斷土質為砂質土、粉土質土或粘土質土,及粘土的粘性;4)雪茄條測試,判斷土的塑性和粘結性;5)圓餅測試,判斷土的粘結性和收縮性,以及強度。實驗室測試則要復雜得多,其中最基本的為顆粒分析試驗,即利用濕篩分和沉淀試驗得出土樣中各顆粒組成的比例關系,并繪制粒徑分布曲線圖,從而判斷該土適用于何種建造方式。其中,夯土用土的曲線應處于圖表中的灰色區(qū)域(圖9)。如果試驗顯示土樣的粒徑分布不符合夯土要求,可以通過添加或減少特定粒徑的砂石或粘土,或是混合幾種顆粒結構不同的生土即配比的方法改善土的顆粒組成。實驗室的其他試驗有界限含水率試驗、擊實試驗、收縮試驗、滲透試驗和膨脹性試驗等。實際上,目前我國沒有專門針對生土作為建筑材料的性能測試試驗方法標準,但可以參考相關的土工試驗方法。此外亦可參考國外已有的試驗方法,如法國CRATerre生土建筑研究中心在三十多年的材料分析和工程應用的研究基礎上已形成了一套完整的生土材料測試方法和標準。3夯實夯實后循環(huán)反復夯土墻的建造簡單來說就是將備好的生土拌合物倒入支好的模板內(每次約12~15cm厚),然后借助手動或氣動的夯錘一遍遍地逐層夯實。一版夯完后,拆除模板,繼續(xù)下一版的夯筑,如此循環(huán)反復。盡管不同的地區(qū)發(fā)展出了各具特點的夯土技術,但其核心都是類似的,即方便高效地支拆模板,有效地夯實土,使其成為均質堅硬的墻體,并保證不同版墻體之間的整體性,以及土墻的防水和防護。3.1備土土土夯土建造的施工過程可以分為備土和夯筑兩個環(huán)節(jié),其中,備土環(huán)節(jié)包括采土(運送)、存放、配比(當土顆粒組成不符合要求時)、攪拌和醒土(一般約24h);夯筑環(huán)節(jié)包括支模、倒土入模、夯實、拆模和防護(圖10)。3.2鉆具和設備3.2.1模板橫向移動產物在我國,傳統(tǒng)的夯土模板可分為板式和椽式,這是從模板組件的形式來區(qū)分(圖11)。但如果從這兩種模板在建造墻體的方式上進行區(qū)分,它們可以被稱之為小型的橫向模板和豎向模板。事實上,小型橫向模板無論是過去還是現(xiàn)在,都是夯土建造中最常見的模板系統(tǒng),模板橫向移動夯筑,其主要優(yōu)點是支模拆模靈活方便。可以把使用這種模板系統(tǒng)的夯土墻看作是大型的夯土塊壘砌而成,遵循砌體錯縫搭接的原則。我國傳統(tǒng)的椽式模板多用于北方,作為模具的木椽由下而上交替成模,可形成下寬上窄的梯形墻體斷面。如今,小型豎向模板多用于柱間墻體的夯筑,施工快捷且可避免不同版夯土墻之間的豎向裂縫。如今還有一種整體模板,即按照墻體尺寸整體支模、整體夯筑。此種模板系統(tǒng)下墻體整體性較好,但安裝過程復雜且耗時。當建筑方案中夯土墻為簡單的模塊化設計或作為獨立空間的整體墻面時,可選用這種系統(tǒng)。現(xiàn)代夯土的模板系統(tǒng)多借鑒或直接搬用混凝土裝配模板(圖12)。因此,一個地區(qū)的混凝土施工的工業(yè)化程度將大大影響夯土在當?shù)貞玫男屎统杀尽?.2.2機械夯實顆粒的使用用來在模板內夯土的工具稱為夯錘。傳統(tǒng)的手動夯錘由木制或金屬的錘頭和手柄組成,其夯打效果主要取決于錘頭的材質、重量、形狀和擊打面積,以及手柄的形狀和尺寸。總的來說,既要保證夯錘有一定的重量以便產生足夠的夯擊力,又要考慮人工操作的便易性。在一些地區(qū),同一工程中會根據(jù)夯擊部位的不同使用不同擊打面積的夯錘,達到更好的夯實效果(圖11)。使用手動夯錘耗時耗力,因此出現(xiàn)了以機械代替人力進行夯土。機械夯錘有多種選擇,使用最廣泛的是氣動夯錘,它直接來源于鑄造工業(yè)用的搗實儀(圖12)。氣動夯錘的夯打機能類似于手動夯錘,卻擁有高得多的擊打力和擊打率,因此極大地提高了施工效率和夯實質量。3.3拆除承擔墻的基本原則3.3.1高厚比墻體的確定夯土密度為1800~2000kg/m3,抗壓強度可達2.4MPa,可作為承重或自承重的結構墻體材料。但由于生土材料的特殊性,使得夯土建造在許多國家還沒有相應的建筑規(guī)范,因此在當代建筑的應用中,夯土墻多用作非結構圍護墻體。考慮到墻體的穩(wěn)定性,當夯土墻作為空間中的獨立墻體時,其高厚比不宜大于10:1。但如夯土墻與其他構件(如墻、柱或梁)相互支撐或拉結,其高厚比可適當增大,但不宜大于20:1。3.3.2非地面覆蓋物結合的組合夯土是一種自然材料,是否防護得當將決定夯土的耐久性。夯土怕水怕濕是其弱點,因此在夯土墻的設計和建造時,頂部和腳部的防水防常見的處理方式即是利用屋頂出檐的遮擋雨水,一方面防止雨水從頂部滲入墻體內部,另一方面減少雨水對墻體外表面的沖刷。事實上,在少雨地區(qū),夯土墻頂部僅需做防水面層覆蓋,墻體外表面也可通過設置橫向凸起的擋雨條(圖13),減弱雨水的沖刷速度和力度即可。為防止地下水通過毛細作用上升腐蝕夯土墻,通常使用混凝土或石頭作為墻腳。在少雨地區(qū),也可增加墻腳處夯土的厚度,以保護墻身主體不受損壞。此外,考慮到夯土墻的抗震性,在我國的夯土民居中,大量使用在土墻內分層