粘土“混凝土”

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摘要：夯土是一种具有悠久历史且应用广泛的生土建造方式。随着生土材料的生态优越性在当今建筑领域的日益显现，关于夯土建筑的研究，包括建造技术的工程应用研究，及其生土材料的性能研究已上升到科学的层面。当代的夯土建造有据可依，施工质量得以控制，建筑质量可以保证。夯土，这种天然的粘土“混凝土”正在世界各地扮演着越来越重要的角色。

关键词：生土材料 生土建筑 粘土混凝土 夯土建造

0、引言

作为建筑材料的生土，是指天然土未经焙烧，仅改变其组成成分的比例（如含水率或颗粒配比等），并经过简单的物理加工（如压实或涂抹等）而用于建造的材料。生土材料基于其土质的差别有多种相应的建造方式。夯土是生土建造中常见的一种方式。是利用夯锤将生土在模板内击实成型，作为建筑墙体或者楼地面层。

1、夯土

1.1 一种历史悠久、应用广泛的建造技术

在全世界六大洲都可以看到历史上留存下来的夯土建筑或构筑物（图1），不同的地区各自发展出特定的建造体系来适应当地的环境、使用方式和地域文化。在我国。至今仍留存大量的夯土民居和夯土城墙。在我国的世界文化遗产中。长城、山西平遥古城和福建土楼（图2）等都使用到了夯土技术。尤其是福建土楼墙体的夯土建造。无论从形式上还是技术上都达到了一个高峰。

在欧洲，夯土同样是古老的建造技术，并在19世纪经历了一场复兴。法国里昂的一位建筑承包商、建筑师兼测绘员的Frangois Cointeraux（1740～1830）。通过出版于1790年的《3eme Cahier d’Ecoled’Architecture Rurale（乡村建筑学校第三册）》，推广健康的、乡土的、经济的夯土建造。该书的翻译和宣传对欧洲、澳大利亚和美国夯土建造体系的更新起到了积极的作用。

随着现代建筑的兴起和现代材料的普及。夯土建造一度退出了人们的视野。但20世纪70年代的能源危机使得人们重新审视生土的应用。20世纪80年代的澳大利亚。夯土重现于当代建筑。如今。越来越多的建筑师使用夯土，如美国的Rick Joy、德国的Martin Rauch、中国的王澍与张永和。从居住建筑、宗教建筑到文化建筑，夯土已成为生土建造中最受欢迎的建造方式。在当代建筑文化中扮演着越来越重要的角色（图3）。

1.2 一种适应当代需求的可持续建造技术

生土的材料自然性以及夯土的层次肌理唤起了人们对自然界中层积岩的联想。当代建筑师对夯土的兴趣正是来自于夯土建造的环保价值和美学价值。

生土的优势体现在以下几点：1）可就地取材，节约开采和运输能耗；2）无需深加工。节约生产能耗；3）可循环再利用或是回归土地，最大限度地减少对生态环境的影响；4）夯土墙体厚重密实，可用于室内外结构承载、围护或分隔构件。亦可作为热工性能调节的重要构件。保温隔热性能好。并能调节空气湿度。减少能耗；5）夯土延续了原产地的地域特征。易于产生自然的亲切感，是乡土建筑地域性的重要显现。

值得一提的是。澳大利亚是第一批制定夯土建造建筑规范的国家之一。在当地。这种“粘土混凝土”因其性状与水泥混凝土相似。被认为是一种现代化、大规模、可再生的建造材料。但由于他们向夯土中添加了水泥。已偏离了生土应用的初衷。消减了材料可循环使用和低碳节能的优势。尽管如此。澳大利亚的夯土建筑仍为夯土在当代的复兴做出了贡献。

2、生土材料

土壤是地球的表层。在自然力的作用下。由岩石分解分化而来。因此，从地质断面可以看到土壤由不同厚度的堆积层构成（图4）。

2.1 建造用土及其颗粒组成

适用于建造的土质位于种植层以下、岩石层以上。这是由于这一土层为无机矿物质。避免了种植层内有机物的生长对建造物的破坏。同时。这一土层的颗粒组成丰富，较为坚硬。

事实上，土是由不同粒径的颗粒组成，包括石块、石砾、砂、粉土和粘土（图5）。显然。因地质形成的差异。各地土质的颗粒组成比例也不同。因此。不同地区的生土应根据其颗粒组成的比例选择相应的建造方式。比如。颗粒分布均衡的生土适用于夯土建造。而以细小颗粒的砂和粘土为主的生土适用于作为抹面。

2.2 粘土“混凝土”一一夯土材料的工作原理

夯土可以被视为一种天然的混凝土。它与我们所熟知的混凝土的基本工作原理是一致的。都是通过粘结剂将形成骨架的粗骨粒和细骨粒粘结在一起。差别在于。夯土中作为粘结剂的不是人工生产的水泥。而是同样来自于大自然的粘土——生土中最小的颗粒。

当然。由于粘土产生粘结性的原理与水泥水化作用产生粘结性的原理大不相同。因此夯土不是通过“浇捣”而是通过“夯击”来实现材料在模板内的成型和密实度。

2.2.1 骨架——砂石颗粒

同普通混凝土一样。夯土材料的骨架是生土中的石块、石砾和砂，要求各颗粒比例均衡。对颗粒组成比例的要求。可以从ApollonianStacking的原理中得知（图6）。只有当材料中大小粒径的颗粒组成合理，才能有效减少颗粒间的空隙。生土中。这些空隙通常为水或空气。空隙的存在将削弱夯土墙体的强度。并潜在为裂缝产生的路径。

2.2.2 粘结剂——粘土+水

粘土是生土中最小的颗粒。粘土在湿润状态下。粘土颗粒间水膜的引力呈现为粘结力。将粘土颗粒粘结起来。并使其排列有序（图7）。适用于建造的粘土在显微镜下呈现为扁平的片状颗粒，与组成土壤的其他颗粒完全不同。由于粘土的层片状结构增大了与水接触的表面积。因此增加了粘结性，能够有效充当夯土的粘结剂，将生土的其他颗粒一起粘结成整体。

需要强调的是，由于粘土有多种类型。不是所有的粘土都可作为夯土的粘结剂。用于建造的粘土不应具有明显的吸水膨胀性。否则建成的构件干煤后将产生明显的收缩和裂缝。极大地影响材料强度。

夯土技术中生土应呈潮湿状态。因此需控制水的用量（含水率10%左右）。以避免因含水量太高导致最终构件产生裂缝。在夯土现场，用于检验生土含水量是否合适的简易方法即是“手握成团、落地开花”。这是我国民间检验含水率的经验之法。事实上也是国际上通用的方法。只不过后者在操作的细节上有更详细的规定。

2.2.3 密实性一一夯击技术

夯土技术中的备土环节主要就是将颗粒组成合理的生土加入适当的水后搅拌均匀，即为生土拌合物。为下一步倒土入模和夯击做好准备。

生土拌合物呈松散状态。含有大量的空隙。约占总体积的1/3。空隙是结构材料的薄弱点。夯击的目的正是通过减少空隙。将生土拌合物变成均质、密实的固体材料。夯实后，空隙率主要取决于生土材料的颗粒粒径组成。通过夯击这一技术操作。增大了材料的密实度。不仅提高材料强度。还可减少表面渗水。

2.3 生土材料性能及其测试

从夯土的原理可知。生土作为建筑材料最重要的性能在于颗粒粒径组成比例、塑性、粘结性和压缩性，其他性能还包括收缩性、渗透性和膨胀性等。事实上。不同的建造方式对生土某些材料性能的要求存在差异。因此。生土材料分析试验的目的是判断该土是否适用于建造。以及用于何种建造方式。

在进行精确的实验室测试之前，应首先进行野外测试。所谓野外测试，即在可能作为生土来源的采土现场，利用一些简单轻便的器材（如玻璃瓶、尺子等）和水。快速地对当地土质进行初步判断。相对而言。实验室测试则耗时耗力。因此。只有当野外测试的结果说明该土可以用于建造，那么才需要正式采集土样。做进一步的实验室分析（图8）。

野外测试主要包括4种。1）闻味测试。判断土是否含有腐殖质；2）沉淀瓶测试。快速了解土中不同粒径颗粒的组成及比例；3）冲洗测试。判断土质为砂质土、粉土质土或粘土质土，及粘土的粘性；4）雪茄条测试，判断土的塑性和粘结性5）圆饼测试，判断土的粘结性和收缩性，以及强度。

实验室测试则要复杂得多。其中最基本的为颗粒分析试验。即利用湿筛分和沉淀试验得出土样中各颗粒组成的比例关系。并绘制粒径分布曲线图。从而判断该土适用于何种建造方式。其中，夯土用土的曲线应处于图表中的灰色区域（图9）。如果试验显示土样的粒径分布不符合夯土要求。可以通过添加或减少特定粒径的砂石或粘土。或是混合几种颗粒结构不同的生土即配比的方法改善土的颗粒组成。

实验室的其他试验有界限含水率试验、击实试验、收缩试验、渗透试验和膨胀性试验等。实际上。目前我国没有专门针对生土作为建筑材料的性能测试试验方法标准。但可以参考相关的土工试验方法。此外亦可参考国外已有的试验方法。如法国CRATerre生土建筑研究中心在三十多年的材料分析和工程应用的研究基础上已形成了一套完整的生土材料测试方法和标准。

3、夯土建造

夯土墙的建造简单来说就是将各好的生土拌合物倒人支好的模板内（每次约12～15cm厚）。然后借助手动或气动的夯锤一遍遍地逐层夯实。一版夯完后。拆除模板。继续下一版的夯筑。如此循环反复。尽管不同的地区发展出了各具特点的夯土技术。但其核心都是类似的。即方便高效地支拆模板。有效地夯实土，使其成为均质坚硬的墙体。并保证不同版墙体之间的整体性，以及土墙的防水和防护。

3.1 夯土建造流线

夯土建造的施工过程可以分为各土和夯筑两个环节，其中，备土环节包括采土（运送）、存放、配比（当土颗粒组成不符合要求时）、搅拌和醒土（一般约24h）；夯筑环节包括支模、倒土入模、夯实、拆模和防护（图10）。

3.2 夯土工具与设备

3.2.1 模板系统

在我国。传统的夯土模板可分为板式和椽式。这是从模板组件的形式来区分（图11）。但如果从这两种模板在建造墙体的方式上进行区分。它们可以被称之为小型的横向模板和竖向模板。

事实上。小型横向模板无论是过去还是现在，都是夯土建造中最常见的模板系统。模板横向移动夯筑。其主要优点是支模拆模灵活方便。可以把使用这种模板系统的夯土墙看作是大型的夯土块垒砌而成。遵循砌体错缝搭接的原则。

我国传统的椽式模板多用于北方。作为模具的木椽由下而上交替成模。可形成下宽上窄的梯形墙体断面。如今。小型竖向模板多用于柱间墙体的夯筑。施工快捷且可避免不同版夯土墙之间的竖向裂缝。

如今还有一种整体模板。即按照墙体尺寸整体支模、整体夯筑。此种模板系统下墙体整体性较好，但安装过程复杂且耗时。当建筑方案中夯土墙为简单的模块化设计或作为独立空间的整体墙面时，可选用这种系统。

现代夯土的模板系统多借鉴或直接搬用混凝土装配模板（图12）。因此。一个地区的混凝土施工的工业化程度将大大影响夯土在当地应用的效率和成本。

3.2.2 夯打工具

用来在模板内夯土的工具称为夯锤。传统的手动夯锤由木制或金属的锤头和手柄组成。其夯打效果主要取决于锤头的材质、重量、形状和击打面积。以及手柄的形状和尺寸。总的来说。既要保证夯锤有一定的重量以便产生足够的夯击力。又要考虑人工操作的便易性。在一些地区。同一工程中会根据夯击部位的不同使用不同击打面积的夯锤，达到更好的夯实效果（图11）。

使用手动夯锤耗时耗力。因此出现了以机械代替人力进行夯土。机械夯锤有多种选择。使用最广泛的是气动夯锤。它直接来源于铸造工业用的捣实仪（图12）。气动夯锤的夯打机能类似于手动夯锤。却拥有高得多的击打力和击打率，因此极大地提高了施工效率和夯实质量。

3.3 夯土墙基本建造原则

3.3.1 结构墙体与非结构墙体

夯土密度为1 800～2000kg/m3，抗压强度可达2.4MPa，可作为承重或自承重的结构墙体材料。但由于生土材料的特殊性。使得夯土建造在许多国家还没有相应的建筑规范。因此在当代建筑的应用中。夯土墙多用作非结构围护墙体。

考虑到墙体的稳定性。当夯土墙作为空间中的独立墙体时，其高厚比不宜大于10：1。但如夯土墙与其他构件（如墙、柱或梁）相互支撑或拉结，其高厚比可适当增大，但不宜大于20：1。

3.3.2 墙体的防护和加强措施

夯土是一种自然材料，是否防护得当将决定夯土的耐久性。夯土怕水怕湿是其弱点，因此在夯土墙的设计和建造时，顶部和脚部的防水防潮处理尤为重要。

常见的处理方式即是利用屋顶出檐的遮挡雨水。一方面防止雨水从顶部渗入墙体内部，另一方面减少雨水对墙体外表面的冲刷。事实上。在少雨地区。夯土墙顶部仅需做防水面层覆盖。墙体外表面也可通过设置横向凸起的挡雨条（图13），减弱雨水的冲刷速度和力度即可。为防止地下水通过毛细作用上升腐蚀夯土墙。通常使用混凝土或石头作为墙脚。在少雨地区。也可增加墙脚处夯土的厚度。以保护墙身主体不受损坏。

此外。考虑到夯土墙的抗震性。在我国的夯土民居中。大量使用在土墙内分层铺设竹片或木条的做法。利用其拉结作用增强墙体的整体性。而夯土墙边缘由于易受碰撞而剥落，最简单的护角措施是在夯土时利用在模板角落边缘插入断面为等腰直角三角形的木垫块将直墙角倒成135°。

4、结语

综上所述，当今在建筑领域关于夯土建筑的研究，包括建造技术的工程应用研究和生土材料的性能研究已上升到科学的层面。夯土建造从此有据可依，施工质量得以控制，建筑质量可以保证。可以想见，通过技术提升和建成实例将让人们改变对“土”房子的固有观念。夯土。这种天然的粘土“混凝土”必将在不远的未来扮演越来越重要的角色。