淺析夯土建筑材料的耐久性

何鑫涯

夯土建筑,源遠(yuǎn)流長(zhǎng),使用廣泛,它不僅取材方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用,而且整體性強(qiáng)、熱工性能優(yōu)越、有一定的承載能力。就全球而言,仍然是當(dāng)今最重要的建筑材料之一。超過(guò)三分之一世界人口居住在粘土房屋里。夯土建筑也是我國(guó)傳統(tǒng)民居建筑采用的主要形式之一。我們熟知的萬(wàn)里長(zhǎng)城、客家土樓正是我國(guó)夯土建筑的代表作。即便是在歐洲,也有一個(gè)世紀(jì)使用這種材料作為建造目的的歷史。但是,夯土建筑也存在致命的材料缺陷,比如土質(zhì)材料不能抗水,遇水軟化,強(qiáng)度降低等,使夯土建筑的應(yīng)用受到限制。所以在19世紀(jì)的工業(yè)化過(guò)程中,粘土作為一種建筑材料漸漸地淡出人們的視線。在兩次世界大戰(zhàn)之間的這些年里,Josef Frank指出:“粘土不是一種材料,而是一種人生哲學(xué),并且它神奇的力量總是在極度貧困時(shí)期被喚醒”。1951年,在戰(zhàn)后的緊急情況下制定的粘土建筑的建筑規(guī)范被納入德國(guó)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),只有在經(jīng)濟(jì)再次復(fù)蘇時(shí)標(biāo)準(zhǔn)才能被降低。20世紀(jì)80年代以來(lái),在石油危機(jī)之后,這種材料再次被啟用,在1999年,舊標(biāo)準(zhǔn)被再次激活和更新。最初,夯土建筑的復(fù)興是基于生態(tài)優(yōu)勢(shì)。夯土建筑是生態(tài)的和氣候的理想結(jié)構(gòu)。如今,設(shè)計(jì)方案和對(duì)健康生活標(biāo)準(zhǔn)的追求是使用粘土的更進(jìn)一步原因。然而,對(duì)這種建筑形式潛在的缺乏信任妨礙了粘土的廣泛應(yīng)用。更甚的是,它要求大量的勞動(dòng)力,這在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家將是一項(xiàng)昂貴的技術(shù)。壓實(shí)粘土具有很大的潛力,但是沒(méi)有研究經(jīng)費(fèi),很難優(yōu)化其中的各種過(guò)程。使用這種天然的材料建造享有聲望公共建筑將有助于增添新形象,有助于創(chuàng)造更大的信任。

在原理上粘土和粘土粘結(jié)材料與水接觸時(shí)是可溶的,粘土失去其強(qiáng)度和可重塑性。事實(shí)上,粘土是唯一可循環(huán)再利用卻沒(méi)有任何質(zhì)量損失的建筑材料。粘土可通過(guò)使用添加劑減少其溶解度,并使其耐風(fēng)化,不過(guò),這也意味著喪失了其本身一些積極的特性。粘土能夠保持低水分含量6%～7%,它比木材更加干燥。由于它有從空氣中吸收水分的能力,并且伴隨它很強(qiáng)的水分?jǐn)U散性能,能夠很快再次將水分釋放出來(lái)。因而粘土能確保一個(gè)健康舒適的室內(nèi)氣候。當(dāng)然,在頂部和底部的墻壁應(yīng)該避免過(guò)量吸收水分,以免粘土受到侵蝕,從而影響其整體性和穩(wěn)定性。一個(gè)古老的格言說(shuō)粘土墻壁需要“高靴和一個(gè)大帽”——這樣的容貌與現(xiàn)代建筑常常并不能融合。答案之一是在設(shè)計(jì)中考慮到計(jì)算使用年限和腐蝕程度的過(guò)程。一開(kāi)始,粘土將受到很大的侵蝕,但兩三年后,這將大大減少。所以在材料的選擇、勞動(dòng)技術(shù)和在設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)上多加考慮,這樣霜凍和大風(fēng)雨對(duì)其的影響將可以減少。通過(guò)不斷的吸收和蒸發(fā)水分,鹽分在粘土解散,運(yùn)到地面,并結(jié)晶出來(lái),有助于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。漸漸地粘土表面將變硬而且較為有彈性。侵蝕強(qiáng)度取決于墻壁的高度和與風(fēng)、雨的接觸面等其他因素的影響。小雨帶來(lái)的危險(xiǎn)很小,因?yàn)樗窃诟稍锏臅r(shí)期由粘土吸收和再次蒸發(fā)。如果墻在下大雨的時(shí)候無(wú)法完全吸收水分,不過(guò),水可能會(huì)在向下的表面上匯集成小河。細(xì)顆粒粘土和砂可以水洗,但粘土中的礦物將會(huì)脹大,從而避免了貫穿到內(nèi)部的墻體完全的飽和。大劑量的礦物添加劑連接的就像石頭一樣的堅(jiān)固,在短期內(nèi)遭到大雨侵蝕時(shí)圍墻的內(nèi)部可以作為一個(gè)天然屏障。更大的雨在經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)一段時(shí)間后是可以預(yù)期的,采取額外措施將是必要的。舉例來(lái)說(shuō),在高度上每隔25 cm～30 cm的高度,將灰泥、石頭和磚加入其中,以保護(hù)粘土不受更深的侵蝕。稍稍凸出的石頭和磚是最有效的保護(hù),但它們對(duì)外觀的墻壁也有很大的影響。鑒于這個(gè)自然材料生動(dòng)的表面特征和色彩,不同的腐蝕作用和小范圍的損害幾乎不可能被察覺(jué)。粘土經(jīng)受著一種理想的,自然老化的過(guò)程。結(jié)合上下文,可以考慮制作成高質(zhì)量耐曬的顏色。大氣污染并不附著在其表面,水分吸收和蒸發(fā)的交替進(jìn)行可以防止形成有害的有機(jī)體,例如真菌。一座夯土建筑的立面將可以保持它的顏色數(shù)十年不變。事實(shí)上,帶顏色的材料經(jīng)過(guò)很多年很可能加深,并且礦物成分被沖洗到表面后,一接觸到光就會(huì)有明亮的品質(zhì)。夯實(shí)的粘土是耐火的并且暴露在高溫下時(shí)相當(dāng)?shù)姆€(wěn)定。鑒于材料的高密度和厚度夯實(shí)粘土墻也有很好的隔音品質(zhì)。此外,其多孔的性質(zhì)和彈性意味著這種建筑功能的形式對(duì)于聲音的吸收比較好。其密度為1 700 kg/m3～2 100 kg/m3,不過(guò),壓實(shí)粘土并不提供有效率的熱絕緣。根據(jù)其組成,它的導(dǎo)熱性在0.64 W/(m2·K)～ 1.03 W/(m2·K)。

在奧地利的Batschuns為擴(kuò)大公墓,建筑師指定了在暴露的混凝土和夯實(shí)粘土中選擇一種作為替代品。高勞動(dòng)力投入的粘土墻壁,似乎與更經(jīng)濟(jì)的混凝土解決方案無(wú)法競(jìng)爭(zhēng)。不過(guò),無(wú)償自愿工作的當(dāng)?shù)鼐用駥?duì)簡(jiǎn)化建設(shè)形式并有助于減少成本以增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。該夯實(shí)粘土層被流暢的放置并被震動(dòng)板壓實(shí)。干燥后指出,再進(jìn)行打蠟和拋光以提供一個(gè)防水,耐用,容易保持的表面。橡木門(mén)是固定在粘土上,并且接頭采用同一種材料密封。作為傳統(tǒng)的木材框架結(jié)構(gòu),粘土直接毗鄰木頭,不需要采用硅樹(shù)脂和其他粘結(jié)材料。小教堂的地基沒(méi)有采用模板并且完成后平行于大地的表面。表層土、混合粘土和風(fēng)化巖石被移除,并減少到最大尺寸只有3 cm。碎磚石和易碎的硅酸鹽粘土混合后提供了主要建筑材料。墻壁在普通的模板系統(tǒng)中被提升到地基之上。在高度上開(kāi)始的30 cm～40 cm是用與粘土相同顏色的混凝土制成的。瀝青防潮層置于混凝土層和粘土層之間。

第2天,粘土墻體的建造開(kāi)始。材料填充在12 cm厚的模板層里,通過(guò)氣胎夯實(shí)機(jī)來(lái)達(dá)到水平和密度壓實(shí),至于超過(guò)45 cm厚的墻體,就要使用狹窄的壓實(shí)輥,這個(gè)過(guò)程勞動(dòng)強(qiáng)度大,并且噪聲很大。該模板應(yīng)足夠強(qiáng)大以抵制壓縮過(guò)程中的動(dòng)態(tài)的壓力,通常可以提高2.7 m的樓層高度。在壓實(shí)完成后可以立刻移除它,高度超過(guò)2 m的墻壁在干燥過(guò)程的開(kāi)始應(yīng)予以支撐。在這個(gè)過(guò)程中,墻體壓碎的力量會(huì)增加到至少2.4 kN/mm2～3.2 kN/mm2。

表面形貌為工作過(guò)程提供了一個(gè)直觀記錄:其一可以追查線和色彩的層次和個(gè)別批次的粘土。在干燥時(shí)期,暴露的粘土表面可以修飾或給予藝術(shù)處理。根據(jù)墻的厚度,溫度和空氣相對(duì)濕度,干燥時(shí)間將介于3個(gè)～8個(gè)星期。該結(jié)構(gòu)應(yīng)防止大風(fēng)雨的侵襲直到它達(dá)到了自然含水量。項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的日期和利用這種材料的房屋規(guī)劃日益增長(zhǎng)的需求表明大規(guī)模夯實(shí)粘土的計(jì)劃,無(wú)論是在私營(yíng)和公共部門(mén)時(shí)機(jī)都已經(jīng)成熟。在缺乏財(cái)政支持,并缺乏熟練技工的公司,大部分的這些計(jì)劃到頭來(lái)都一無(wú)所獲。粘土不應(yīng)該僅僅在緊急的情況下被視為一種建筑材料而被使用,不過(guò),這應(yīng)該是一種自然材料的選擇,因?yàn)樗窃谶^(guò)去的。將來(lái),它可能成為一種建筑材料為未來(lái)作好準(zhǔn)備。

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