傳統(tǒng)與改良版筑法夯筑性能及施工工藝對(duì)比研究*

石 磊，張福鵬，柳思勉，李 哲，石佳祺

(1.中南大學(xué)建筑與藝術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.中南大學(xué)健康建筑研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

生土建筑作為最古老的建筑類(lèi)型之一至今仍廣泛使用[1]。據(jù)聯(lián)合國(guó)最新統(tǒng)計(jì)，全球仍有約30%的人口居住在多種形式的生土建筑中[2]。我國(guó)也至少有1億人以各類(lèi)生土建筑為居，其中超過(guò)一半為夯土建筑[3]。夯土建筑作為生土建筑最典型的應(yīng)用類(lèi)型之一，具有施工簡(jiǎn)易、造價(jià)低廉、熱工性能良好、生態(tài)性能等優(yōu)點(diǎn)，在地域化材料的應(yīng)用、綠色建筑、健康建筑及夯土民居改善方面具有巨大的應(yīng)用前景[4]。夯土材料也被國(guó)際公認(rèn)為性?xún)r(jià)比最高的一種健康生態(tài)建材[5-6]。然而傳統(tǒng)夯土建筑存在抗震性能差、結(jié)構(gòu)形式單一、耐久性能差等固有缺陷，這嚴(yán)重制約著夯土建筑的發(fā)展。國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和建筑師進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐[7]，在傳統(tǒng)夯土材料改良更新的理論研究、夯土的可持續(xù)性和生態(tài)性、現(xiàn)代夯土技術(shù)的優(yōu)化推廣、夯土力學(xué)性能等方面的實(shí)踐探究取得了突破性進(jìn)展[8-9]。然而夯土建筑耐久性、墻體密實(shí)度、強(qiáng)度等性能與工具有直接關(guān)聯(lián)，夯土工具也直接影響施工速率。然而在夯土工具改良及其夯筑性能方面的研究較少，主要有穆鈞等[10]對(duì)傳統(tǒng)夯土技術(shù)進(jìn)行改良和標(biāo)準(zhǔn)化研究及周鐵剛等[11]對(duì)現(xiàn)代夯土墻體施工技術(shù)進(jìn)行研究。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，隨著鋼筋混凝土的廣泛使用和從事夯土營(yíng)建的匠人驟減，在長(zhǎng)沙地區(qū)，掌握傳統(tǒng)夯土技藝的匠人每村<5%，年齡<40歲的<1%。為了提高夯土營(yíng)建速率和效果，傳統(tǒng)夯土工具也逐漸被改良夯土工具替代，傳統(tǒng)工藝也面臨著失傳的險(xiǎn)境，但改良夯土工具的普及狀況也不容樂(lè)觀。因此，通過(guò)田野調(diào)查對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)傳統(tǒng)版筑法夯土工具和工藝進(jìn)行梳理，對(duì)傳統(tǒng)夯土工具和改良工具定量、定性對(duì)比研究，進(jìn)行試塊夯筑性能對(duì)比研究和操作夯筑實(shí)踐，以期為傳統(tǒng)夯土工具的改良及推廣提供理論依據(jù)，更好地推動(dòng)傳統(tǒng)夯土建筑文化的傳承與發(fā)展。

1 版筑法不同夯土工具概況

1.1 傳統(tǒng)版筑法夯土工具

夯土建筑主要營(yíng)建技藝有椽筑法和版筑法，椽筑法主要分布在黃土高原地區(qū)，版筑法主要分布在華南、華中等地區(qū)。研究選取華中地區(qū)典型版筑法分布地區(qū)——長(zhǎng)沙地區(qū)開(kāi)展田野調(diào)查及對(duì)其民間匠人進(jìn)行訪談，對(duì)長(zhǎng)沙地區(qū)傳統(tǒng)版筑法夯土工具及改良工具進(jìn)行對(duì)比總結(jié)。

長(zhǎng)沙地區(qū)夯土夯筑工具主要由木材制作而成,分為夯筑模板、夯錘、其他相關(guān)設(shè)備與工具。傳統(tǒng)夯筑工具夯筑模板由2塊木墻板、1塊擋板、4根夾簽、4根箍頭組成，木墻板主要形成墻體，木墻板內(nèi)壁是否完整平滑直接影響著墻體表面效果，木墻板上方中央位置各有1個(gè)提手，一般由麻繩制成。擋板、夾簽、箍頭共同組成模板兩端，擋板由夾簽和箍頭組成插銷(xiāo)固定位置。夯錘形制有多種，用來(lái)夯實(shí)置于模具內(nèi)的虛土。拍板為用以修補(bǔ)的工具，體型較小，帶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

改良夯土工具相關(guān)設(shè)備及工具與傳統(tǒng)工具相同，但夯筑模板由鋼材制成，木墻板也可由平滑鋼板或竹膠面板構(gòu)成，留有螺栓孔，用以固定木墻板。擋板由木板更新為鋼板或竹膠面板，由螺母和螺栓固定。木墻板由模數(shù)組成，可按需求進(jìn)行拆卸和組裝形成不同尺度和形狀夯板。改良夯土夯錘為氣動(dòng)夯錘，動(dòng)力由電動(dòng)空氣壓縮機(jī)提供。此外，傳統(tǒng)夯土材料由人工攪拌而成，當(dāng)夯筑較少時(shí)，改良夯土材料由平口攪拌機(jī)攪拌，當(dāng)大批量夯筑施工時(shí)，一般由滾動(dòng)攪拌機(jī)攪拌。改良版筑法夯土工具分為T(mén)形、L形、一字形，如圖1所示。

圖1 版筑法改良夯土工具

2 夯筑性能對(duì)比試驗(yàn)研究

王毅紅等研究表明，含水率直接影響夯土墻體強(qiáng)度，耐水性能、抗壓強(qiáng)度是影響夯土材料耐久性和安全性的關(guān)鍵因素[11-12]。因此，主要從不同夯土工具對(duì)夯土材料適宜含水率的分布范圍、夯筑試塊吸水性、抗壓強(qiáng)度3個(gè)方面的影響進(jìn)行對(duì)比研究。試驗(yàn)取夯土材料為長(zhǎng)沙地區(qū)典型紅壤土，取土地點(diǎn)為安沙鎮(zhèn)花橋村，依據(jù)傳統(tǒng)匠人經(jīng)驗(yàn)，夯土材料土、砂石、石灰配合比為3∶6∶1。

2.1 含水率

為研究不同夯土工具對(duì)含水率的影響，對(duì)滿足不同夯筑工具要求的土料適宜含水率含量和均勻度進(jìn)行對(duì)比研究。適宜傳統(tǒng)夯土工具土料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“傳統(tǒng)土料”)含水率由匠人依據(jù)“手握成團(tuán)，落地成花”傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)決定，土料采用人行攪拌；適宜改良夯土工具土料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“改良土料”)含水率由實(shí)踐團(tuán)隊(duì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)夯筑試驗(yàn)和對(duì)不同含水率土料進(jìn)行夯筑試塊分析得出，土料采用平口攪拌機(jī)攪拌。對(duì)適宜不同夯土工具工作的夯土材料，采用Takeme-10土壤水分溫度測(cè)定儀(見(jiàn)圖2)，對(duì)不同深度、位置的夯土材料進(jìn)行20次測(cè)試，精度為±3%(當(dāng)水分<53%時(shí))。

圖2 土壤水分溫度測(cè)定儀

適宜不同夯土工具工作的夯土材料含水率統(tǒng)計(jì)如圖3所示。由圖3可知，傳統(tǒng)土料最優(yōu)含水率為24%～30%，波動(dòng)幅度為17.5%，標(biāo)準(zhǔn)差為2.262 7，改良土料最優(yōu)含水率為8%～14%，波動(dòng)幅度為4.1%，標(biāo)準(zhǔn)差為0.141 4。改良土料含水率均勻度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)土料。研究發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)土料具有較高的含水率，因?yàn)檩^高的含水率土料易于人工夯筑成型。傳統(tǒng)夯土工序拆模后還有拍打工序，即使用拍板對(duì)墻體進(jìn)行拍打，高含水率土料也易于拍打。較高含水率夯土材料也是導(dǎo)致傳統(tǒng)夯筑效率較低的原因之一。

圖3 夯土材料含水率統(tǒng)計(jì)

2.2 抗壓強(qiáng)度

為探究不同夯土工具對(duì)墻體抗壓強(qiáng)度的影響，以土、砂石、石灰配合比為3∶6∶1的夯土材料，按GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采取傳統(tǒng)夯筑和改良夯筑的不同夯筑方法夯筑150mm×150mm×150mm試塊，在相對(duì)濕度60%～70%，溫度(20±2)℃條件下養(yǎng)護(hù)14d，3個(gè)為1組，在0.3N/s荷載速度下分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，如圖4所示。王毅紅等研究表明，提高夯土墻體密實(shí)度是改善夯土墻體抗壓強(qiáng)度的關(guān)鍵。因此，對(duì)不同夯土工具的夯筑試塊密實(shí)度進(jìn)行分析，密實(shí)度及抗壓強(qiáng)度均由平均值和標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示[13-14]。

圖4 試塊抗壓強(qiáng)度測(cè)試

使用不同夯土工具夯筑試塊抗壓強(qiáng)度如圖5所示，由圖5可知，使用傳統(tǒng)與改良夯土工具的夯土試塊均有良好的抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定性。使用傳統(tǒng)夯土工具的夯筑試塊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“傳統(tǒng)試塊”)抗壓強(qiáng)度均值為0.377MPa，標(biāo)準(zhǔn)差為0.064 2。使用改良夯土工具的夯筑試塊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“改良試塊”)抗壓強(qiáng)度均值為0.609MPa,標(biāo)準(zhǔn)差為0.072 5。表明改良夯土工具能提高夯土強(qiáng)度性能。

圖5 試塊抗壓強(qiáng)度

使用不同夯土工具的夯筑試塊密度分析如圖6所示，由圖6所知，傳統(tǒng)試塊表觀密度平均值為1.571g/cm3，標(biāo)準(zhǔn)差為0.081。改良試塊密度較傳統(tǒng)試塊有所提高，表觀密度平均值為1.727g/cm3，試塊密實(shí)度也較均勻，標(biāo)準(zhǔn)差為0.013。改良土料含水率范圍明顯低于傳統(tǒng)土料，其試塊強(qiáng)度也有顯著提升。其與Kouakou等[15]研究表明含水量越低的夯土材料具有更高的強(qiáng)度相吻合。

圖6 使用不同夯土工具夯筑試塊密實(shí)度分析

2.3 耐水性能

耐水性能直接決定著夯土墻體耐久性和強(qiáng)度，而吸水性能是影響耐水性能的關(guān)鍵因素之一。為研究不同夯土工具作用下夯土材料中的水分傳輸特性，對(duì)不同夯筑方法的標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行毛細(xì)吸水試驗(yàn)。按JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》成型尺寸為150mm×150mm×150mm的標(biāo)準(zhǔn)試塊，選取相同配合比土料，分別采用傳統(tǒng)夯錘和改良?xì)鈩?dòng)夯錘進(jìn)行試驗(yàn)，土料分2次夯筑密實(shí)成型，0.5h后脫模，在溫度(20±2)℃條件下養(yǎng)護(hù)至測(cè)試齡期。測(cè)試前，將試塊置于65℃烘箱烘干至恒重，將其5面涂抹石蠟以隔絕水分滲透，僅留1個(gè)面用于測(cè)試，試塊耐水性能試驗(yàn)如圖7所示。在一定時(shí)間取出18個(gè)試件稱(chēng)量記錄吸水量[16]。稱(chēng)量時(shí)間間隔為：0～120min間隔10min，120～600min間隔20min，600～900min間隔30min。

圖7 試塊耐水性能試驗(yàn)

使用不同夯筑工具的試塊毛細(xì)吸水量隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。由圖8可知，使用不同夯筑工具的試塊毛細(xì)吸水速率隨時(shí)間變化規(guī)律一致，均在前期吸水量增速較快，800min后試塊吸水量均基本保持不變，使用傳統(tǒng)夯筑工具試塊吸水量大于改良后試塊。使用不同夯筑工具的夯筑試塊毛細(xì)吸水量-時(shí)間平方根的關(guān)系如圖9所示，該直線的斜率即為試塊毛細(xì)吸水系數(shù)[16-17]，均基本呈線性趨勢(shì)。使用不同夯筑工具的夯筑試塊毛細(xì)吸水系數(shù)在不同時(shí)間段內(nèi)變化規(guī)律一致，相差不大，改良后較傳統(tǒng)降低了0.7%。

圖8 試塊毛細(xì)吸水量隨時(shí)間的變化曲線

圖9 試塊毛細(xì)吸水量隨時(shí)間平方根變化曲線

3 版筑法夯土工具操作性能對(duì)比

3.1 操作實(shí)踐

傳統(tǒng)夯土工具試驗(yàn)組工具為傳統(tǒng)夯土工具、鐵鍬、桶、噴壺、推車(chē)，夯土材料和配合比與夯土工具性能試驗(yàn)研究相同，經(jīng)過(guò)人工攪拌混合均勻后，填土于安裝好的模具中，檢查垂線與墨線吻合后，使用夯錘進(jìn)行夯筑。首先從端頭進(jìn)行夯筑，然后按人字形夯筑，最后按一字形夯筑。傳統(tǒng)夯土工具夯筑方法如圖10所示。夯筑完每層后在上面加竹筋，然后填土，重復(fù)4次以上操作，按錯(cuò)峰搭接的方法繼續(xù)夯筑。

圖10 版筑法傳統(tǒng)夯筑方法

5)傳統(tǒng)夯土工具制作、操作優(yōu)于改良夯土工具。改良夯土工具施工過(guò)程中，也需使用傳統(tǒng)拍板及工藝進(jìn)行操作。改良夯土工具在動(dòng)力來(lái)源及持續(xù)穩(wěn)定性、夯錘制作、零件替換及其使用方法、模具搭接方面還存在較大的優(yōu)化空間。

改良夯土工具試驗(yàn)組工具為改良夯土工具、鐵鍬、桶、噴壺、推車(chē)、攪拌機(jī)，夯土材料與配合比與傳統(tǒng)夯土工具試驗(yàn)相同，在鋪平料層后，采用氣動(dòng)夯錘進(jìn)行夯筑，首先按之字形夯實(shí)料層，然后按回字形夯筑，最后沿邊夯筑。改良夯土工具夯筑方法如圖11所示。

圖11 版筑法改良夯筑方法

3.2 結(jié)果對(duì)比

對(duì)傳統(tǒng)夯土工具和改良夯土工具夯筑墻體性能進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。由表1可知，改良夯土工具在夯筑效率、工序方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)夯土工具。

表1 夯土工具改良試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在實(shí)踐操作方面，改良夯土工具夯擊力度為傳統(tǒng)夯土工具的3倍，夯筑速率為傳統(tǒng)夯土工具的2.5倍，夯筑墻體光滑程度、收縮程度也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)夯土工具。但改良夯錘制作及使用復(fù)雜，提供動(dòng)力的空氣壓縮機(jī)使用要求也較高。改良夯土模具的搭接、拆卸也較繁瑣。使用改良夯土工具夯筑的墻體存在破損時(shí)，也需使用傳統(tǒng)拍板進(jìn)行修補(bǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

1)以土∶砂石∶石灰=3∶6∶1的夯土材料為研究對(duì)象，適用于傳統(tǒng)夯土工具作業(yè)的混合料最優(yōu)含水率含量較改良的高16%，波動(dòng)幅度高13.4%。改良土料水分均勻度顯著優(yōu)于傳統(tǒng)。

2)使用傳統(tǒng)與改良夯土工具的夯筑試塊均有良好的抗壓強(qiáng)度穩(wěn)定性。使用改良夯土工具的夯筑試塊夯擊力度為4.5MPa，遠(yuǎn)高于使用傳統(tǒng)夯土工具夯筑試塊夯擊力度1.5MPa。以上述相同夯土材料為研究對(duì)象，改良試塊密度、抗壓強(qiáng)度均值分別為1.727g/cm3及0.609MPa，也較傳統(tǒng)試塊的1.571g/cm3及0.377MPa有所提高。

3)使用不同夯土工具夯筑試塊，其毛細(xì)吸水量規(guī)律基本一致。通過(guò)研究水分在夯土試塊中傳輸特性，也為進(jìn)一步對(duì)不同夯土工藝夯土的滲透性及吸水后強(qiáng)度研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4)傳統(tǒng)夯土工具制作和使用較改良夯土工具更便捷，適用性更廣泛。使用改良夯土工具施工工序較傳統(tǒng)夯土工具簡(jiǎn)易，但安裝及夯筑操作較復(fù)雜。改良夯土工具夯筑速度為10h/m2，較傳統(tǒng)夯土工具25h/m2能顯著提高施工效率。