第四章　生土建筑材料

在不同地方的土，生土的性質(zhì)和組成會(huì)有所不同。一般說來，山區(qū)的土質(zhì)較適合夯筑土墻制作土坯，而沖積平原地區(qū)的土若用來夯筑土墻需要更厚，高度也受到限制，更適合用來制作土坯?？捎糜诮ㄖ纳粮鞯囟加?，只是合適與不合適的問題。對(duì)于不滿足要求的土，可通過摻入添加劑或其他有機(jī)材料來改善土質(zhì)，也可以通過適當(dāng)?shù)臉?gòu)造措施，來滿足結(jié)構(gòu)的需要。

從經(jīng)濟(jì)的角度，直接利用當(dāng)?shù)赝羴砗恢翂蛘咧谱魍僚髯詈?。南方地區(qū)大多在土中加入石灰等添加劑，而北方地區(qū)則一般直接用土來夯筑土墻或者僅僅加入少量有機(jī)材料來制作土坯。這樣土質(zhì)條件影響著房屋的質(zhì)量和墻體的厚度高度等等，而對(duì)于直接應(yīng)用土壤做生土建筑材料的情況，最佳的級(jí)配是保證生土材料物理性質(zhì)的最好方法。

在夯筑土墻時(shí)，既要有黏結(jié)力大的黏性土又要適量的摻入砂、卵石，塊石。但決定夯筑墻堅(jiān)固與耐久性的關(guān)鍵還是黏性土，在這里簡(jiǎn)單介紹一下黏性土性質(zhì)的主要影響因素。土是一種松散的顆粒堆積物，是由顆粒、水和氣所組成的三相體系。三相組成決定了土的物理力學(xué)性質(zhì)。

4.1　生土的物理性質(zhì)指標(biāo)

對(duì)于黏性土，含水量對(duì)其影響最大，含水量多，則軟；含水量少，則硬。黏性土在界限含水量以內(nèi)可以保持良好的可塑性。而界限含水量和土粒組成、礦物成分、土粒表面吸附陽(yáng)離子性質(zhì)有關(guān)。在土力學(xué)中，為進(jìn)一步描述土的物理力學(xué)性質(zhì)，使用了一些具體的物理指標(biāo)表示。如含水量、密度、重度、土粒比重、孔隙比、孔隙率和飽和度等。

從粒度成分測(cè)試分析夯土大多數(shù)級(jí)配比較好，說明了夯土顆粒對(duì)級(jí)配的要求，級(jí)配越好則越容易夯實(shí)。生土比較分散，因此其選擇性比較小，土粒只能是先存的土體，不能對(duì)其改造和摻配。

干密度：①夯土的干密度分布范圍較寬，從1.25g/cm3至1.95g/cm3，但以1.6g/cm3左右分布居多，生土的干密度較小，一般不超過1.7g/cm3，說明夯筑過程使得土體更為密實(shí)，提高了力學(xué)性能。②版筑泥的干密度與夯土相當(dāng)，夯土和版筑泥都是在施工手段和建造方法上對(duì)生土的改造，在很大程度上使土體的密實(shí)度提高。

孔隙比：夯土的孔隙比總體小于生土，夯土孔隙比一般為0.42～1.15，這說明不同夯土條件下夯土的性質(zhì)有很大差異。版筑泥的干密度與夯土相當(dāng)，但孔隙比卻大于夯土，但由于版筑泥的黏聚力大于夯土，因此二者力學(xué)性能相當(dāng)。

含水率：①總體來說幾種土的含水量相差不是很大，夯土的含水量分布范圍較寬，說明在不同的施工條件下夯土含水量各有所異，且陽(yáng)面和陰面對(duì)土的含水量的影響也很大。②版筑泥的含水量與夯土相當(dāng)或略大些。③與干密度、孔隙比相同，生土的含水量也表現(xiàn)出很大的地區(qū)差異性。

液限、塑限和塑性指數(shù)：①各種土的液限、塑限和塑性指數(shù)大致相當(dāng)，與夯土過程中各種土的類型變化關(guān)系比較密切，不同地區(qū)時(shí)，土的性質(zhì)差別較大。②塑限指數(shù)大都超過了10%，以16%者左右居多；大多數(shù)土的塑性指數(shù)都在3%～10%之間，其中以8%左右居多。③總體來說，夯土的塑性指數(shù)分布范圍大于生土，這說明夯土粒度成分的變化大于生土，它可以摻和不同粒徑的土，以達(dá)到更大的密實(shí)度。

4.2　生土建筑材料性能

土作為建筑材料有如下特點(diǎn)：遇水軟化，而后膨脹、崩解，水分蒸發(fā)后收縮出現(xiàn)裂縫。土在浸水后隨著含水量不斷增加，土的狀態(tài)變化為固態(tài)—半固態(tài)—可塑狀態(tài)—液態(tài)，相應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)也會(huì)逐漸下降。土中的水分為結(jié)合水（分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水）和重力水，其中緊靠在土粒表面的為強(qiáng)結(jié)合水，使土體具有極大的粘滯度、彈性和抗剪強(qiáng)度；而存在于強(qiáng)結(jié)合水外圍的是一層弱結(jié)合水，當(dāng)土中含有較多的弱結(jié)合水時(shí)，土具有一定的可塑性；毛細(xì)水存在于潛水位以上的透水土層中，是一種自由水形式，適量的毛細(xì)水可使土體具有微弱的黏聚力。

由此可見，適當(dāng)?shù)臏p小土料中的水，加強(qiáng)夯實(shí)縮小顆粒間的距離，增大土的干重度。土料中黏性土的比例應(yīng)該適中，若黏性土太多，則會(huì)使土的黏性過大，結(jié)果往往難以充分拌和土料和夯實(shí)，筑墻時(shí)會(huì)使土墻的膨脹與收縮加大，從而出現(xiàn)大量裂縫，降低耐水性和耐久性。

為了增加墻體的抗壓強(qiáng)度，防止土墻出現(xiàn)裂縫，提高墻體的穩(wěn)定性和耐水性，在夯筑土墻時(shí)在土料里加入一定量的石子，或者瓦片、碎磚；在制作土坯塊時(shí)保證土中含有一定量的有機(jī)材料如麥秸、稻草、竹條等。某種意義上說夯筑土墻的材料是一種黏土混凝土。這也是為什么生土墻體整體性較好的原因。

生土材料的熱工性能是相比于其他建筑材料最大的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，其各項(xiàng)熱工參數(shù)關(guān)系到材料的隔熱保溫性能。氣候影響著人類的舒適感。為了舒適的目的，建筑需要能承受風(fēng)雨和冷熱，其構(gòu)造形式和各部分的處理，都要能適應(yīng)氣候的變化。氣候?qū)θ梭w的影響表現(xiàn)在人體的熱感覺上，這是一個(gè)氣候、建筑和人三者相互作用的過程。由于相對(duì)濕度主要是通過通風(fēng)的方式來調(diào)節(jié)，因此，建筑物調(diào)節(jié)氣候最主要的技術(shù)，在于對(duì)室內(nèi)外溫差、太陽(yáng)輻射以及對(duì)風(fēng)的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)氣溫差的建筑技術(shù)就是絕熱，調(diào)節(jié)太陽(yáng)輻射的手段主要是太陽(yáng)能采暖與遮陽(yáng)技術(shù)，而風(fēng)的調(diào)節(jié)則是通過防風(fēng)和通風(fēng)措施來解決的。

生土材料墻體要比磚混的熱惰性指標(biāo)稍好一些，但是屋頂要稍微差些。建筑結(jié)構(gòu)主體是最大的蓄能體，所以建筑外墻的熱惰性是一個(gè)重要指標(biāo)。有些地方生土住房的墻體厚達(dá)80cm，除了堅(jiān)固結(jié)實(shí)的原因之外，就是增大熱惰性，平衡冷熱峰值，達(dá)到冬暖夏涼。濕度方面生土建筑最高，磚混結(jié)構(gòu)坡屋頂居中，而磚混平屋頂建筑最低。由此可見，生土建筑夏季室內(nèi)溫度較低且波動(dòng)較小，比較適合居住。從而節(jié)約了由于采用空調(diào)調(diào)節(jié)室溫而浪費(fèi)的能源，有效地說明生土建筑在節(jié)能降耗方面所具備的優(yōu)勢(shì)。但是，生土建筑還存在潮濕等缺點(diǎn)。

生土材料的好壞直接關(guān)系到墻體的堅(jiān)固性和耐久性，選取合適的生土材料對(duì)整個(gè)建筑的結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。生土建筑用來夯筑土墻的生土通常選擇干凈的黏性土，其含水量和顆粒級(jí)配是影響墻體強(qiáng)度的兩個(gè)主要因素。

1）含水量

生土材料的含水量是影響生土墻體質(zhì)量最重要因素之一。若生土材料的含水量過高，由于水具有不可壓縮的特性，土墻夯實(shí)過程中部分夯擊能被水消耗且可能會(huì)發(fā)生水析現(xiàn)象，使土墻較難夯實(shí)；若含水量偏高，夯土墻不易干燥，且后期會(huì)出現(xiàn)收縮變形裂縫；若含水量過低則黏性差，土中所含水分起不到潤(rùn)滑作用，土顆粒間摩擦力過大，生土墻體也很難夯實(shí)［41］。

因此，夯筑之前宜控制好土料的含水量，保證其處于最優(yōu)含水量的狀態(tài)，即在一定夯擊能作用下夯土墻能達(dá)到最大密實(shí)度（最大干密度）。一般建議夯土材料的干密度控制在1 700kg/m3～2 200kg/m3之間，其強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值不小于2.0MPa；最佳含水率因地各異，建議其偏差控制在±1%以內(nèi)。

目前，施工現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)夯土材料含水量仍采用“手握成團(tuán)，落地開花”的傳統(tǒng)方法，即用手握住一團(tuán)土?xí)r可以黏成整體，落到地上土團(tuán)會(huì)自動(dòng)散開。這種傳統(tǒng)方法雖然簡(jiǎn)單易行，但有失準(zhǔn)確性。建議生土建筑施工現(xiàn)場(chǎng)可采用小球下落法和搓滾法兩種同樣簡(jiǎn)單而又科學(xué)合理的方法來估測(cè)生土的最佳含水量。

（1）小球下落法，將攪制均勻的土料捏成一個(gè)直徑約4cm的小球，使其從1.5m高處自由落下，觀察小球落地后的形態(tài)。若小球落下仍為一個(gè)整體則說明含水量偏低，可適量加水重試；若小球落下后為一片，說明黏土含量太高，應(yīng)加入其他改性材料；若小球墜地分為幾個(gè)碎片，則可認(rèn)為土質(zhì)接近最佳含水量。

（2）搓滾法，即將土加水拌成小球，再將其搓成泥條直到泥條直徑為3mm。如果所搓泥條能達(dá)到上述要求且易斷裂，那么說明此土可作為夯筑的優(yōu)良土。

經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)通常配制好的生土材料不直接用來夯筑，而要經(jīng)過調(diào)勻、反復(fù)摻水和攪拌使其發(fā)酵。若干月后待生土材料發(fā)酵完全才可使用。因?yàn)榘l(fā)酵完全的熟土和易性好，夯筑的土墻縮水率小、縮水速度緩慢均勻且不易出現(xiàn)干縮裂縫。

2）顆粒級(jí)配

土的顆粒級(jí)配是指土中所含各骨料大小及組成情況，通常是以各粒組的相對(duì)含量來表示。各國(guó)家對(duì)土的粒組劃分有不同的規(guī)定，甚至同一國(guó)家不同地區(qū)對(duì)粒組劃分也存在差異，我國(guó)從20世紀(jì)70年代開始對(duì)土的粒組劃分給出了詳細(xì)規(guī)定，如《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50145—2007）（表4.1）和《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）（表4.2）對(duì)粒組骨料粒徑大小上下限給出具體的劃分。

表4.1　粒組劃分

表4.2　粒組劃分標(biāo)準(zhǔn)

土的顆粒級(jí)配通常有好壞之分。顆粒級(jí)配良好的土中粗、細(xì)粒組含量適當(dāng)，各骨料間的空隙被互相填補(bǔ)，土的空隙率較小、密實(shí)度較大、收縮較小，故較容易被夯實(shí)；反之，顆粒級(jí)配不好是指組成土料的骨料粒徑大小尺寸均勻，各骨料間的空隙率較大、密實(shí)度小、收縮較大，故不易被夯實(shí)。因此土顆粒級(jí)配良好與否是影響夯土墻體抗壓強(qiáng)度的重要因素之一。

綜上所述，要選取含水量適中且土顆粒級(jí)配良好且不富含有機(jī)物的生土材料。

4.3　改善生土材料性能的方法

生土建筑中生土墻為主要承重構(gòu)件，生土材料的力學(xué)性能直接影響墻體的強(qiáng)度、剛度及耐久性。傳統(tǒng)的生土材料由于耐水性差、穩(wěn)定性差、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)限制了生土建筑的發(fā)展應(yīng)用，無意間加速其走向消亡。因此，為增強(qiáng)生土材料的強(qiáng)度、改善生土材料的耐水性和耐久性等問題，從素生土出發(fā)引出了改性生土材料的研究。

所謂改性生土，是指土料中加入一種或幾種物質(zhì)，通過夯實(shí)可以達(dá)到改進(jìn)原土體各種性能的土。土中加入的改性材料可以不同程度地提高土的力學(xué)性能，減少孔隙，改善體積變化，增強(qiáng)體積穩(wěn)定性，增強(qiáng)夯土墻體的強(qiáng)度及抗風(fēng)化雨蝕的能力。生土改性根據(jù)改性材料的改性機(jī)理可以分為物理改性和化學(xué)改性兩大類?；瘜W(xué)改性材料，是指所加入的材料與土體發(fā)生各種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，以此來改善土體的強(qiáng)度和耐久性等；物理改性材料是指所加入的材料不與土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。

我國(guó)地域廣闊，生土建筑分部較為分散，不同地區(qū)生土材料中摻入改性材料的種類和摻量也不盡相同。當(dāng)所選用的生土材料中含砂石較多，黏性成分較少時(shí)，建議優(yōu)先選用水泥或礦渣、石膏、石灰等復(fù)合改性劑；當(dāng)生土組成中含黏性成分較多時(shí)，建議優(yōu)先選用石灰礦渣或石灰復(fù)合改性劑；當(dāng)所建生土民居處于潮濕多雨地區(qū)時(shí)，建議優(yōu)先選用有機(jī)材料或水泥作為改性劑；當(dāng)生土建筑處于干燥且寒冷地區(qū)時(shí)，建議優(yōu)先選用級(jí)配良好的土質(zhì)并且摻入水泥作為改性劑。

為了提高廣大鄉(xiāng)村夯土民居建筑建造過程中改性劑摻入量的準(zhǔn)確性，經(jīng)過調(diào)查研究，綜合分析即有文獻(xiàn)總結(jié)出摻入改性材料的范圍見表4.3。

表4.3　改性材料摻量表（重量比）

（1）摻加有機(jī)拌和料———在土料中加入少量的有機(jī)植物材料，如麥稈、稻草等，可以增加土料的抗拉強(qiáng)度，減少裂縫。

（2）化學(xué)處理———對(duì)于沙質(zhì)土以及對(duì)土料要求較高的情況，可采用此法，即在土料中摻入化學(xué)材料。如水泥、石灰和粉煤灰等，它們既可單獨(dú)使用，也可按一定的比例混合使用。在常溫下單一的摻和材料能夠直接膠結(jié)土體中的土壤顆粒并與黏土礦物反應(yīng)生成膠凝物質(zhì)。復(fù)合摻和料一般是由生（熟）石灰、粉煤灰、脫硫石膏、礦渣、水泥等按適當(dāng)?shù)呐浔炔⒎勰ブ烈欢?xì)度后制得的，可有效激活固體廢棄物及黏土礦物的潛在活性，從而改善和提高土的技術(shù)性能。

4.4　拉結(jié)材料

生土建筑中所采用的拉結(jié)材料也是改性材料的一種，拉結(jié)材料僅起到物理改性的作用。傳統(tǒng)生土材料除了加入上述的改性劑外，還加入有機(jī)纖維類材料以此來增強(qiáng)生土材料的抗剪強(qiáng)度和墻體的整體性。

生土中加入有機(jī)纖維材料構(gòu)成各種類型的加筋土。這里所謂“筋”是廣義的范疇，可以是木筋、荊棘、藤蔓，而使用更多的是草筋、碎麥秸、稻草、蘆葦?shù)软g性好的纖維植被。承重生土墻體在滿足抗壓強(qiáng)度的前提下，向生土中加筋的目的主要是為了提高土的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，用加筋土可以明顯提高夯土墻的抗裂能力，且能降低墻體的收縮性，提高土體的變形能力。加筋土從古代城墻的夯筑到現(xiàn)代鄉(xiāng)村生土建筑工程中都在廣泛應(yīng)用，但是各地對(duì)生土中加筋率根據(jù)土性要求不盡相同，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得出纖維拉結(jié)材料摻入重量比為0.5%。

夯筑土墻所用生土材料應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度隨拌隨用，盡量控制在拌和均勻后30min內(nèi)裝模夯實(shí)。

4.5　其他材料

1）木材

土木結(jié)構(gòu)是中國(guó)傳統(tǒng)房屋結(jié)構(gòu)，木材對(duì)房屋建設(shè)至關(guān)重要。木材通常被用作圈梁、墻體內(nèi)部構(gòu)造柱、屋頂?shù)臋_條及椽條等，因此木材的質(zhì)量直接關(guān)系到房屋的安全性、整體性及耐久性。

有句俗話對(duì)木材的耐久性做出了形象的說明：“干千年，泡萬年，半干半濕兩三年”。木材腐朽是由于其本身的濕度、空氣中氧氣、溫度及養(yǎng)分等條件適于木腐菌及寄生蟲生長(zhǎng)造成的。因此，在木材的選用和防腐處理上要注意排除上述各種產(chǎn)生腐朽的條件，所以木材的選用應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：木材一般要求紋理順直、節(jié)巴少；原木要求去皮、干燥、端頭及與墻體接觸部分做適當(dāng)防腐處理；主桿無腐蝕，木材表面允許有少許較淺的蟲溝，嚴(yán)禁有蟲眼、蟲蛀碳化現(xiàn)象。

2）石材

毛石多用來砌筑鄉(xiāng)村夯土建筑的基礎(chǔ)、墻腳、臺(tái)基、階石及路面鋪設(shè)，所選毛石要求抗壓性能和耐久性較好。一般選用質(zhì)地堅(jiān)實(shí)，且表面無風(fēng)化、剝落和裂縫現(xiàn)象的石材，若在嚴(yán)寒地區(qū)砌筑使用還要求有一定的抗凍性。選用的毛石應(yīng)成塊狀，其中部厚度不宜大于150mm，毛石強(qiáng)度等級(jí)不應(yīng)低于MU20。

毛石砌筑之前要進(jìn)行選石和做石兩個(gè)基本的步驟。選石是指從眾多石料中選出在應(yīng)砌筑部位大小合適的石塊，并選擇其中一個(gè)面為砌體的外面。做石是指將石塊上凸起部分或者不需要的部分用工具去掉，做出一個(gè)面。以此保證毛石砌體外表面整齊美觀，紋理清晰。

3）竹材

在木材匱乏的地區(qū)，可用竹材部分代替木材用作圈梁、墻體內(nèi)部構(gòu)造柱、屋頂?shù)臋_條及椽條等結(jié)構(gòu)性構(gòu)件，同時(shí)竹材還可以作為上下墻版筑時(shí)豎向銷鍵及夯土墻水平拉結(jié)材料。所以，竹材的質(zhì)量同木材一樣重要，一樣決定著房屋的安全性、整體性和耐久性。

建筑一般要求采用生長(zhǎng)期為3～5年材質(zhì)較好的毛竹，且同木材一樣要求竹材干燥，做好相應(yīng)防腐處理。通常所用竹材建議在旱季砍伐，防止竹材主桿因糖分含量過高糟受蟲蝕，新伐竹材建議至少放置一個(gè)月之后再使用。

4）磚瓦

生土民居建筑所用的磚主要有黏土燒結(jié)磚和生土土坯磚兩種。黏土燒結(jié)磚一般用途和石材相同，主要用于砌筑鄉(xiāng)村生土建筑的基礎(chǔ)、墻腳、臺(tái)基、階石及路面鋪設(shè)。采用的均為當(dāng)?shù)卮u窯燒制的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)磚，其尺寸為240mm×115mm×53mm，要求磚無缺棱、掉角、裂縫和翹曲等現(xiàn)象。生土土坯磚塊主要用于墻體局部無法夯筑的部分，其尺寸一般為400mm×200mm×100mm，但也有部分地區(qū)土磚尺寸不同。

鄉(xiāng)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、油氈瓦和水泥瓦；后者用瓦主要小青瓦蓋瓦和筒瓦蓋瓦。平瓦是長(zhǎng)方形平面帶溝槽的片狀瓦，有紅、青兩色，按我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)：平瓦的尺寸為400mm×240mm～360mm×220mm，單片抗折荷載不應(yīng)小于600N；覆蓋一平方米屋面的瓦吸水后重量不得超過55kg，且應(yīng)無開裂、無分層、掉角、脫邊等現(xiàn)象，燒制的成品瓦中不應(yīng)有欠火瓦。小青瓦又名蝴蝶瓦、陰陽(yáng)瓦，是一種青灰色弧形瓦。尺寸一般為長(zhǎng)200～250mm，寬150～200mm，廣泛用于鄉(xiāng)村民居建筑。