生土綠色建筑材料研究現(xiàn)狀簡述

陳冬爾 李維 楊洋 李翔宇

生土建筑是由生土構(gòu)成，生土建筑由于有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如低耗能、熱工保溫性好、吸音小、防輻射及綠色環(huán)保等，贏得了國內(nèi)外非常多的關(guān)注。但傳統(tǒng)生土材料并不是沒有缺點(diǎn)，存在熱穩(wěn)定性差、力學(xué)性能差，使用中會有很多的麻煩。如何在發(fā)揚(yáng)繼承其優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，對于對傳統(tǒng)生土材料較差的方面進(jìn)行改進(jìn)，成為了國內(nèi)外研究者們研究的關(guān)鍵性問題。主要結(jié)合國內(nèi)對有關(guān)生土工程材料的技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)問題進(jìn)行細(xì)致研究分析，歸納總結(jié)改性技術(shù)、改性方法，以便尋找生土作為基材的最優(yōu)化建筑材料。

生土材料; 改性研究; 綠色建材

TU521.3 A

［定稿日期］2021-11-25

［作者簡介］陳冬爾（2000—），男，本科，研究方向?yàn)榻ㄖW(xué);李維（1982—），女，碩士，講師，研究方向?yàn)闅v史建筑保護(hù)、綠色建筑材料、城市更新;楊洋（2000—），男，本科，研究方向?yàn)榻ㄖW(xué);李翔宇（2000—），男，本科，研究方向?yàn)榻ㄖW(xué)。

生土材料，它的原料是生土，無論是生土的加工還是制造，都極其方便，它的形式多種多樣，滿足了不同地區(qū)人民的需要。幾千年前古代人就學(xué)會了采用生土建造房屋，生土在建筑方面的使用歷史久遠(yuǎn)。在新石器時(shí)代，古代人們就已經(jīng)利用黃土草泥等建造住所。春秋戰(zhàn)國以后，人們發(fā)明了夯土技術(shù)，夯土技術(shù)使用于筑墻造臺以及木建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。在歷史的長河中，生土一直都是可持續(xù)發(fā)展建筑的標(biāo)志，但是隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各種新型建材的出現(xiàn)，生土已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了人們對于建筑的設(shè)計(jì)需求和審美需要，為了保留古建筑文化特色，研究者們改進(jìn)材料工藝，使生土建筑重新回歸到人們視野中。

1 生土建筑材料

生土材料是一種節(jié)能、環(huán)保和綠色的建筑材料，具有保溫、調(diào)濕、通風(fēng)和防火等優(yōu)點(diǎn)，但其抗彎強(qiáng)度很低、抗剪強(qiáng)度很低、抗折強(qiáng)度很低，致使生土建筑在抗震能力方面存在著不足，這種情況是先天性不足。

1.1 生土材料的優(yōu)點(diǎn)

（1）生土在我國分布廣泛，易于取用，東北地區(qū)盛產(chǎn)黑土，黑土資源豐富易于采集。

（2）技術(shù)操作簡單，施工很方便，便工人于制造，造價(jià)對于那些偏遠(yuǎn)地區(qū)的人們來說價(jià)格比較便宜，建造時(shí)間周期相比于21世紀(jì)新型建筑建造時(shí)間短，在一定含水率條件下即可塑性，可根據(jù)功能和設(shè)計(jì)調(diào)整建筑形狀，深得農(nóng)村地區(qū)人們的喜愛歡迎。

（3）調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和濕度，建筑冬暖夏涼，同時(shí)，生土建筑隔聲性能良好，深受人民的喜愛。

（4）具有節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，在經(jīng)過拆除后經(jīng)過處理能繼續(xù)使用，方便回收。

（5）生土建筑在各個(gè)地方建筑風(fēng)格各異，體現(xiàn)當(dāng)?shù)氐孛蔡攸c(diǎn)，符合當(dāng)?shù)孛耧L(fēng)民俗，具有明顯的民族特點(diǎn)。

1.2 生土材料的缺點(diǎn)

（1）力學(xué)性能方面。傳統(tǒng)的生土結(jié)構(gòu)建筑材料的彈性強(qiáng)度包括抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，強(qiáng)度值相較于其他材料較低，不能令人滿意。許多生土建筑都絕大程度由于生土材料自身力學(xué)性能較差，導(dǎo)致建筑的結(jié)構(gòu)和整體受到很大的限制。

（2）耐久性方面。有的生土建筑一旦遭受狂風(fēng)暴雨或潮濕，其建筑耐久性能和穩(wěn)固性能就會大大變差，建筑容易發(fā)生破壞甚至倒塌崩塌。生土建筑材料的抗熱性能、耐水性能和高溫耐久性能普遍較差以及其他各種多方面環(huán)境因素的嚴(yán)重影響，使得我國建筑行業(yè)在大量使用這種傳統(tǒng)復(fù)合生土建筑材料過程中受到嚴(yán)重制約。

對于生土建筑材料產(chǎn)生的問題和其優(yōu)劣性能，如何保留繼承傳統(tǒng)生土材料的優(yōu)點(diǎn)，摒棄改進(jìn)其缺點(diǎn)，是當(dāng)前進(jìn)行生土建筑材料技術(shù)研究中亟需著力解決的重要問題之一。

2 生土基綠色材料改性研究

在生土材料改性研究與應(yīng)用的領(lǐng)域中，我國的發(fā)展水平是明顯低于一些其他國家的。美國在很早的時(shí)候就已經(jīng)通過了與生土建筑相關(guān)的法律，其立法詳細(xì)程度足以對生土建筑材料所包含的所有指標(biāo)進(jìn)行規(guī)范。時(shí)至今日，美國已經(jīng)在生土建筑材料的研究中取得了較大的成就，包括制備改性生土材料的配比方案和制作技術(shù)，以及新型生土材料在建筑中作為建筑結(jié)構(gòu)或立面造型的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。澳大利亞也是在生土建筑應(yīng)用方面嘗試較多的國家之一，在澳大利亞有大量的學(xué)者以及技術(shù)員在進(jìn)行生土材料的改性研究和創(chuàng)造新型生土材料的研究。當(dāng)今世界，隨著高速的現(xiàn)代化以及城市化進(jìn)程，人們對于可持續(xù)發(fā)展以及綠色發(fā)展越來越重視。綠色建筑領(lǐng)域已經(jīng)受到了相當(dāng)大的重視，并成為了目前行業(yè)的發(fā)展趨勢。

我國高等院校及科研院所系統(tǒng)廣泛地對生土材料進(jìn)行過一些研究，這些研究的主要包括生土的結(jié)構(gòu)和材料。其中在生土材料的研究當(dāng)中包括了對生土材料的改性研究。改性研究即在生土材料中添加各種其他材料后，測試此種改性對于生土材料的強(qiáng)度、耐久性、抗凍性能的影響。雖較相比于國外的研究還有一定差距，但是我國對生土的研究已經(jīng)有顯著飛速的起步。

謝冰等［1］對添加麥草植物纖維的生土建材進(jìn)行了重要參數(shù)力學(xué)性能的研究。通過使用RMT-301材料抗壓試驗(yàn)機(jī)對試樣材料進(jìn)行了單軸劈裂抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與巴西單軸劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，并由此得出一些結(jié)論。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均值確定為0.683 MPa，抗拉應(yīng)力強(qiáng)度試驗(yàn)均值確定為0.101 MPa。通過測試的結(jié)果得出，添加了適量麥草生物纖維后，新的生土建筑材料具有可持續(xù)循環(huán)，可再利用的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，添加麥草生物纖維材料也可以極大地增強(qiáng)生土構(gòu)筑建材的耐熱抗壓與拉伸抗拉等熱力學(xué)性能，強(qiáng)化了土體的塑性，提高生土建材的抗變形能力。

張坤等［2］以不同種類的河砂與原有生土材料摻合，同時(shí)使用濃度為3%的糯米漿作為摻合時(shí)使用的粘結(jié)劑，通過對改性生土試件進(jìn)行軸向抗壓試驗(yàn)，得到改性生土試件的荷載-位移曲線，并以此研究改性生土試件的軸向抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明：改性生土材料的粘結(jié)劑選擇為糯米漿可以有效地提高生土材料的抗壓強(qiáng)度和延性比;添加河砂來改性生土材料時(shí)，河砂的粒徑級配與摻量會在某種程度上影響改性生土試件的抗壓強(qiáng)度和延性比，當(dāng)摻入15%細(xì)砂+15%中砂時(shí)，其抗壓能力會有增強(qiáng)，這種情況下抗壓強(qiáng)度的平均值為2.840 MPa，而素土試件抗壓強(qiáng)度平均值2.272 MPa，可得出該組試件的抗壓強(qiáng)度是素土試件的1.25倍，選擇糯米漿和河砂作為改性生土材料，不僅綠色環(huán)保，同時(shí)也不會影響生土材料原本的生態(tài)特性，還可以改善生土材料的力學(xué)性能，是一種很有價(jià)值，值得推廣的改性生土配方。

王赟［3］將改性淀粉與生土用石灰和改性火堿根據(jù)一定比例進(jìn)行配置，得到水的改性氧化淀粉，再將3%和7%水的改性氧化淀粉與水和水性生土按一定比例進(jìn)行拌勻混合，拌合完成后，進(jìn)行了無生土側(cè)極限直接抗壓強(qiáng)度和無生土側(cè)極限直接抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。無生土側(cè)極限直接抗壓強(qiáng)度剪切試驗(yàn)結(jié)果表明，3%淀粉改性生土和7%淀粉改性生土的抗壓能力，相較于素土的抗壓能力，均有提高。摻入3%淀粉的改性生土的抗壓強(qiáng)度提高46.5%， 摻入7%淀粉的改性生土抗壓強(qiáng)度提高12.7%。淀粉改性生土的抗剪強(qiáng)度明顯相較于素土抗剪強(qiáng)度有增強(qiáng)， 改性后材料的摩擦角有一定提高，粘聚力也有一定增強(qiáng)。 其中3%淀粉改性生土和7%淀粉改性生土提高程度程度是相差不大的。試驗(yàn)得出結(jié)論：使用淀粉來改性生土可以在一定程度上增強(qiáng)生土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度， 但是當(dāng)?shù)矸酆砍^一定的比例， 改性生土的抗壓能力會變低， 抗剪能力不會出現(xiàn)的明顯的變化。結(jié)果表明將淀粉作為摻入材料與生土材料摻合改性，新得出的改性生土的抗壓能力比素土增強(qiáng)10%～40%， 同時(shí)也增強(qiáng)了生土的抗剪能力，提高了生土的粘聚力。本實(shí)驗(yàn)充分說明了淀粉在改性生土材料，甚至開發(fā)綠色建筑材料都有很大的發(fā)揮空間。

劉志華等［4］在無機(jī)材料改性玻璃水泥和塑料水泥的研究基礎(chǔ)上，通過添加不同摻量的麻纖維、秸稈纖維等植物纖維，對各種生土基和墻體復(fù)合材料進(jìn)行無機(jī)復(fù)合材料改性的試驗(yàn)，并測試了使用復(fù)合改性前后的墻體材料對于墻體力學(xué)性能和耐久老化性能的影響。以不同摻量添加不同的材料配合比為基礎(chǔ)，分析了多種植物纖維對不同生土基材料和復(fù)合材料的改性反應(yīng)機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，摻加水泥熟料和水玻璃的試塊可承擔(dān)荷載相較于未改性生土試塊增強(qiáng)了20%。對于摻入1%麻纖維的生土試樣，其強(qiáng)度相比于未摻加纖維的試樣有一定的增加，但不明顯；當(dāng)麻纖維摻量提高至1.5%時(shí)，生土試樣的強(qiáng)度有顯著的降低。當(dāng)摻加1%的秸稈纖維時(shí)，改性的生土試樣與素土試樣相比，強(qiáng)度差距不明顯。

王毅紅等［5］選用竹纖維、糯米漿、廢玻璃碎渣等作為改性摻和料。摻料在生土材料中按不同的含量加入，形成綠色改性復(fù)合生土基材料。運(yùn)用試件軸心的抗壓程度為原理試驗(yàn)，又和素土標(biāo)準(zhǔn)試塊進(jìn)行對比，研究其基本力學(xué)性能以及每一種摻料的合理含量配比，得出生土摻和竹纖維、糯米漿、廢玻璃碎渣可以使其抗壓強(qiáng)度荷載有一定提高、變形能力進(jìn)一步增強(qiáng)。在改性摻和材料當(dāng)中，竹纖維和玻璃碎渣為環(huán)保材料，符合綠色持續(xù)發(fā)展國家戰(zhàn)略理念;素土標(biāo)準(zhǔn)試件摻入糯米漿平均增強(qiáng)了43%的抗壓強(qiáng)度荷載。當(dāng)其額外摻加竹纖維和玻璃碎渣時(shí)，抗壓強(qiáng)度荷載增強(qiáng)達(dá)到12%～18%，略有降低。證明摻入糯米漿可以增強(qiáng)生土材料強(qiáng)度荷載。生土中摻料的不同其破環(huán)特征不同。素土試件遭破環(huán)時(shí)為突然脆性破壞。而加入糯米漿后則變?yōu)榧?xì)腰狀破壞，至于摻入竹纖維和玻璃碎渣的試件則具有較好的完整性。

李航航［6］等用青藏高原地區(qū)特有的青稞秸稈、碎石摻入生土材料形成低成本、低耗能、綠色生土基改性復(fù)合材料，研究青稞秸稈、碎石改性生土后變化的力學(xué)性能以及最佳含量配合比。相較標(biāo)準(zhǔn) ，0.25%～1% 含量的青稞秸稈生土試件的抗壓荷載提高了 0.23～1.62 倍，改性后的試件抗壓強(qiáng)度隨青稞秸稈含量的升高而升高，擁有良好的延展性和塑性破壞特征。要避免使用高含量青稞秸稈試件，容易出現(xiàn)分層和縮小開裂。摻入砂子、石子等材料后，試件的抗壓荷載明顯提高，極限位移也有一定變化。相較標(biāo)準(zhǔn)，10%～20% 含量碎石改性生土試件抗壓荷載提高1.18～1.38倍，其抗壓強(qiáng)度荷載隨著碎石比例的增加呈下降趨向。

藺廣涵［7］以棉花秸稈為主輔以砂土改性生土材料。研究其改性生土材料的最好含量配比及其抗壓荷載。得出棉花秸稈的摻量不同對生土試塊力學(xué)性能荷載的影響程度不同。與素土標(biāo)準(zhǔn)試塊抗壓強(qiáng)度荷載相應(yīng)平均值2.53 MPa作比較，摻入長度2 cm、4 cm、6 cm棉花秸稈可使試塊抗壓荷載各自提高2%、28%、1%，可知道合適的棉花秸稈可以很大程度改性生土。棉花秸稈與中砂各地產(chǎn)量豐富，符合可持續(xù)發(fā)展國家戰(zhàn)略原則。摻入5%的中砂對生土試塊力學(xué)性能荷載提高最大。相較于標(biāo)準(zhǔn)，0.5%棉花秸稈和5%中砂的一起使用可以很好兼顧試塊的變形能力，還能最大程度增加試塊力學(xué)性能。

王毅紅等［8］以糯米漿為粘結(jié)劑，摻入廢舊玻璃渣和廢舊橡膠得到改性綠色生土復(fù)合材料。對其進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，研究得到的改性生土材料的軸心抗壓性能和抗延伸性能，2種綠色材料在改性生土復(fù)合材料中的合理含量。得出相較標(biāo)準(zhǔn)，在摻入3%濃度、含量為13%的糯米漿的干燥土體材料各項(xiàng)力學(xué)基本性能中，開裂荷載提高了159%，延展性提高101%，抗壓荷載達(dá)到3.28 MPa，提高了143%。使用這種糯米漿可以極大增強(qiáng)生土材料的防水抗壓抗腐蝕性能以及抗震抗開裂的能力。與添加糯米漿的生土試塊相比，摻入不同含量廢舊玻璃殘?jiān)蛷U舊橡膠的試塊的抗壓荷載雖有較大提升，但還是略低。且其隨著摻料比例的不斷加大先升至3.12 MPa后不斷下降，破壞時(shí)間延長，斷裂位置降低。得到的高抗壓振動強(qiáng)度荷載的理論最大值為3.17 MPa。廢舊玻璃殘?jiān)c廢舊橡膠的合理使用摻量的含量比例各自分別為8.1%～11%、0.81%～1.1%。改性生土材料可有效吸納大量工業(yè)建筑廢料，有利于保護(hù)環(huán)境和生態(tài)，同時(shí)，能有效率地提高耐水性和改善生土建筑材料的整體力學(xué)性能荷載指標(biāo)，為我國生土建筑材料工程改性技術(shù)研究發(fā)展提供有效的實(shí)驗(yàn)價(jià)值參考。

3 結(jié)論

綜上所述，我國許多高校以及相關(guān)科研機(jī)構(gòu)的主要研究者都在為我國生土建筑材料工程改性技術(shù)研究方面不斷努力并最終獲得較好的科研研究結(jié)果，進(jìn)一步充分證明了我國生土建筑材料改性技術(shù)研究成果的重要價(jià)值，為我國生土建筑材料工程改性技術(shù)研究發(fā)展提供寶貴研究經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

但是其中涉及到生土與綠色材料的結(jié)合改性的開展研究較少，隨著社會的不斷發(fā)展，人們需要更加重視如何可以綠色環(huán)保地改性生土材料，如何使改性生土建材更加貼合可持續(xù)發(fā)展原則。當(dāng)今時(shí)代，在生土基綠色建筑材料方向，還有較大的可探索可研究空間。

參考文獻(xiàn)

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