红壤土质夯土材料改性研究与实践

石磊，张福鹏，柳思勉，韩佳倪，胡淞楠，侯荣帅

红壤土质夯土材料改性研究与实践

石磊1, 2，张福鹏1, 2，柳思勉1, 2，韩佳倪1, 2，胡淞楠1, 2，侯荣帅1, 2

(1. 中南大学 建筑与艺术学院，湖南 长沙 410083；2. 中南大学 健康建筑研究中心，湖南 长沙 410083)

夯土建筑因其具有节能、环保、低造价、就地取材、施工简单、造价低廉、冬暖夏凉等优点，是我国长久以来最常见的一种建筑类型。通过选取红壤土典型地区——长沙地区夯土进行野外测试、最优含水率、材料配比和性能优化等实验，得到改性夯土材料的最优配比进行实践应用。研究结果表明：长沙地区改性夯土材料最优配比为土:砂:石:石灰:水泥:水配比为5:3:2:1/3:1:1;最优含水率为8%~12%。夯土材料改性应从材料野外试验、最优含水率探究、粒径配比优化、材料性能改良等方面进行实践探究。以期为不同地区的夯土材料改良提供配比优化方法和应用参考，为现代夯土优化应用提供理论基础。

红壤土；改性夯土；配比优化；研究应用；长沙地区

生土作为最古老的建筑材料之一至今仍广泛使用[1]。据联合国最新统计，至今全球仍有约30%的人口居住在多种形式的生土建筑之中[2]，我国也仍有超过1亿的人以各类生土建筑为居，分布遍及全国。夯土作为生土材料应用最典型的类型之一，具有优越的生态性能和材料性能，在地域化材料的应用、民宿营建、绿色建筑、健康建筑等方面具有巨大的应用前景[3]。夯土材料也被国际公认为性价比最高的一种健康生态建材[4-5]。然而传统夯土建筑存在着抗震性能差、结构形式单一、耐久性以及缺乏科学的现代化改良等问题，已满足不了居民的需求。国内外研究机构和建筑师对此进行了大量的研究和实践[6]：法国“国际生土建筑研究和应用中心”建立了生土材料优化理论体系，美国新墨西哥政府制定实施了《新墨西哥土培于夯土建筑规范》，穆钧等人完成了“现代夯土绿色民居建造研究示范”项目，任卫东创办了泥土学校等。在现代建筑语汇与传统夯土工艺结合应用、夯土的可持续性和生态性、现代夯土技术的优化推广等方面的实践探究取得了突破性的进展[7]。然而由于地域性之间存在差异，夯土营造材料也不尽相同，在不同地区夯土条件和地域性方面的应用还缺乏相关的研究。调研发现，湖南地区传统夯土材料之间也存在差异。因此，研究团队以长沙地区生土条件为载体，通过野外试验以及含水率、粒径配比等实验对传统夯土材料进行优化研究，总结了适合长沙地区夯土材料优化配比方法，并对优化材料进行实践应用，以期为长沙地区夯土材料配比提供优化方法和其他地区夯土材料优化提供理论依据和实践方法。

1 长沙地区红壤土夯土应用概况

长沙地区夯土材料应用有着悠久的历史。西汉时期马王堆汉墓辛追夫人“千年不腐”与其夯土棺椁有着密切的关联，长沙西北三汉矶附近现存有宋代所筑的夯土城墙，各县仍保留着大量60~70年代修建的夯土建筑。但随着居民生活水平的提高，其功能、形式、耐久性等方面已满足不了居民需求，现存夯土建筑多数功能已由居住转变为杂物房或弃置，甚至有多数民居存在着极大的安全隐患，夯土民居情况不容乐观。长沙地区夯土主要改良方面有：1) 若红壤土具有明显的吸水膨胀性能，则墙体干燥后会产生明显的收缩和裂缝，使墙体的稳定性和耐久性降低。2) 长沙地区年平均降水量1 200~ 1 700 mm，月平均相对湿度均高达70%，传统夯土材料在耐水性方面有着明显的不足。3) 由于暴雨和高温的气候因素，长沙地区土质为质地黏重且砂粒比重较多的红壤土，其因富含褐铁矿与赤铁矿等化合物土质颜色呈深红色，而传统夯土民居土砖墙呈浅红色。基于长沙地区红壤土夯土需求和问题，本文对夯土材料含水率、耐久性、颜色等方面进行了优化研究。

2 长沙地区夯土材料优化研究

2.1 长沙地区土质野外测试实验

实验所取原料为长沙地区典型的红壤土，取土地点为安沙镇花桥村，前期通过野外测试的方法对原料成分和性能进行定性分析[8]。1)通过闻味测试得知原料基本不含植物根系或腐败物等有机质，组分纯净；2)图1所示为原土沉淀瓶测试颗粒分布实验。由图1可见：原土基本不含胶体和有机碎屑，黏粒和粉粒所占比重约3/4，细沙和砂子所占比重约为1/4，基本不含石子；3)通过触摸试验观察试块表面有水时依旧保持原有形态得知原料与水混合后密实度好，黏性充足；4)通过手洗试验观察黏稠状试块触感柔软且清洗时皮肤依旧残留红色黏粒得知原料为黏性土质；5)图2所示为原土圆饼试验，由图2可见：观察试块湿干前后收缩3 mm得知土壤含有较高的黏粒。

图1 沉淀瓶测试

图2 圆饼试验

通过简易野外试验分析，初步得知红壤成分主要以黏粒、粉粒为主，化学活性稳定，塑性和黏结性良好，收缩性需要进一步的优化，符合夯土材料的使用要求，为下一步夯土配比优化试验提供基础的红壤相关信息。

2.2 长沙地区红壤土夯土配比优化研究

2.2.1 混合料各组分粒径试验

夯土材料的粒径分布是决定夯土材料配比的关键因子[9]。为了对所用原料粒径分布进行定量分析，研究团队对实验所用的花桥村的红壤、河沙、细沙采用干法筛析法进行粒径筛分，对不同粒径区间的筛粒进行统计对比分析。

图3所示为各材料粒径分析试验统计图。由图3可见：基地红壤土的粒径在2.36 mm以上的约占10%，0.3~2.36 mm的约占30%，小于0.3 mm的约占60%，整体来说土壤较细，也存在较大颗粒。依据“国际生土建筑研究和应用中心”建立了土石混合料的粒径级配曲线的区间范围，对原料粒径分布曲线和最优级配区间进行对比[10]，图4所示为各材料粒径分布曲线图，由图4可见，红壤土的黏性颗粒充足，石子和砂子的比重偏少，需要添加一定比例较大粒径的石子和砂子来获得良好的粒径配比。

2.2.2 含水率试验

王毅红等[11-12]研究表明，含水率与墙体强度、夯筑操作、墙体稳定性等方面有着极大的关联。是影响夯土建筑强度和耐久性的关键因子之一。长沙地区红壤土的湿度、夯筑时天气状况、民居周边环境等因素都会对夯土材料的含水率造成一定的影响。因此研究团队采用Takeme-10土壤水分温度测定仪(湿度精度为±3%)对基地红壤土进行10次测量，测得平均含水率为2%。在试验前期，以试块成型效果作为含水率是否合适的主要指标。为了探究砂石添加比例对最佳含水率的影响，实验组采用标准轻型夯击对不同含水率的土、土沙、土砂混合物分别进行试块夯筑。图5为不同含水率的试块统计图。由图5可知：当含水率在8%~12%时，红壤土试块可达到理想的效果。当沙子的比例增加时，所需的水会减少，当含水率低于6%时，试块容易开裂和掉沙，当含水率高于11%时，试块不易成形；砂子的粒径增大时，砂子与红壤的黏结越差，墙体表面越粗糙；当红壤和砂石混合物的含水率在6%~8%时，试块效果最佳。

图3 各材料粒径分析试验统计

图4 各材料粒径分布曲线图

图5 不同含水率的试块统计

2.2.3 夯土材料配比优化试验

夯筑材料的配比直接影响着夯筑墙的稳定性和强度。夯土材料的强度和密实度与土、砂、石以及水的配比有着直接的关系[8]。对不同配比的混合料进行粒径分析试验和夯筑试验, 以粒径级配曲线的最优级配区间为参照，对长沙地区的夯土材料的最佳配比进行试验探究。选取土:砂:石质量比为6:3:1/3，6:3:1/2，6:3:1和6:3:2等多组夯土材料，12%的含水率进行夯筑试验。按照《土木试验方法标准》，夯筑试验采用标准轻型夯实，分3层夯实，每层25击，夯筑成150 mm×150 mm×150 mm试块，在相对湿度60%~70%，温度20±2 ℃的条件下养护至测试龄期，对同配比试块3个一组进行抗压强度试验，并通过观察法对不同配比的试块夯筑效果进行统计对比。

表1所示为不同夯土材料配比效果统计表。由表1可知：土:砂:石质量比为6:3:2时的试块抗压强度和成型效果最佳。当添加石灰后，试块的耐水性、颜色和光滑程度均有所改善。为了进一步验证配比的合理性，对各颗粒比粒径分布曲线与粒径级配曲线的最优级配区间进行对照。图6所示为不同配比夯土材料粒径分布曲线图。由图6可见, 该配比粒径分布曲线处于最优级配区间范围，为理想的夯筑材料。为了验证配比的可实践性，也对不同配比的夯土材料进行了等比例夯筑，图7所示为不同配比夯土材料等比例夯筑试验。由图7可见, 实践结果和上述实验一致。

表1 不同夯土材料配比试块效果统计表

图6 不同配比夯土材料粒径分布曲线图

图7 不同配比夯土材料等比例夯筑试验

2.2.4 夯土材料性能优化试验

研究表明, 水泥、石灰能够极大地提高夯土材料的强度和湿热性能[13-14]。为了改善土料强度，添加了不同比例的水泥进行试验。由于红壤土自身的红色致使以长沙当地红壤土为主要原料，加以一定比例的砂、石进行夯筑时，夯筑试块的颜色呈深红色，与当地民居风格不够协调。实验发现，添加一定比例的石灰和水泥能够改善夯土颜色和墙体的纹理。石灰粉粒也填充了较大颗粒之间的空隙，能够有效改善夯块表皮的光滑程度。

运用上述同样的方法，选取效果理想的土石砂比例6:3:2加入不同比例的石灰进行试块实验，比较6:3:2:1/3，6:3:2:2/3和6:3:2:1的夯土试块强度和效果。图8所示为不同石灰配比试块效果。由图8可见：适合民居夯土材料颜色最佳的石灰比例为1/3。表2所示为添加不同比例的石灰、水泥试块效果统计表。由表2可知：当加入1/3比例的石灰时，夯块颜色与红壤土颜色相近，偏深红色；石灰量为2/3时，夯块颜色偏白，与红壤土有可视的颜色差异；当加入1比例的石灰时，夯块的颜色与红壤土相差较大，有明显的石灰粉末掉落。

图8 不同石灰配比试块效果图

表2 添加不同比例的石灰、水泥试块效果统计表

经过多组试验以及夯土试块对比试验，得出最适合本次夯筑实践的土：砂:石:石灰:水泥:水各材料配比为5:3:2:1/3:1:1。对其依据GB/T70—2009《砂浆基本性能试验方法标准》成型尺寸为150 mm× 150 mm×150 mm的标准试块进行抗压强度测试，试块抗压强度为1.608 MPa。相较于传统夯土强度有显著的改善。为了对所取配比进行实验验证，对该配比材料采用筛分实验进行粒径分布分析，图9所示为夯土优化配比粒径分布曲线图，由图9可知，颗粒分布处于最优级配区间内，为良好的夯土配比。

为了进一步证明夯土优化配比的合理性和可实践性，试验组对优化配比进行了1:1的夯筑模拟试验，采用改良夯土模具和气动夯锤进行夯土实践。图10所示为改性夯土夯筑试验。结果表明改良夯土平均收缩高度尺寸为0.02%。

此外，依据Guettala等[15-16]研究，研究团队对改良夯土墙体进行了为期2年的耐候性试验。图11所示为夯土优化配比耐候性试验。由图11可知，墙体表面无开裂、侵蚀现象，抗风蚀性能、耐水性能良好，可在实践中推广应用。

图9 夯土优化配比粒径分布曲线图

图10 改性夯土夯筑试验

图11 耐候性试验

3 现代夯土配比优化应用实例

基于前期对长沙地区夯土材料进行配比优化研究，实验组在安沙镇花桥村民居进行了适应性的夯土技艺改造应用实践。针对民居现状及户主需求，最终改造方案是保留原有民居的基本格局和主体结构进行加建，将原来的三合院布局形式更新为四合院。加建部分也依旧采用原有构筑材料，选用长沙当地的红壤土、细沙、砾石，就地取土，原址夯筑。为了更好地计量各材料比重，实践时土石料以上口直径30 cm，底部口径19 cm，总高19 cm的桶为计量，水以6 L洒水壶为计量，现场施工比例为土:砂:石:石灰:水泥:防水剂:水为7桶半:4桶半:3桶:1桶半:1桶半:1壶:1壶。此外，施工时采用了气动夯锤代替人工夯筑，机器搅拌代替人工搅拌的现代夯土夯筑工具改良措施，极大地提高了施工效率和夯筑质量，成本也在户主的预计范围之内。建成后得到了业主以及村民的高度认可。图12所示为改造民居现状图。

图12 改造民居现状图

4 结论

1)长沙地区红壤土土质黏性含量高且质地细腻，为良好的夯土材料。改性夯土材料最优配比为土:砂:石:石灰:水泥:水配比为5:3:2:1/3:1:1，最优含水率的高低与夯土材料各组分比例和沙、石、石灰等掺量有关，改性夯土材料最优含水率最优含水率为8%~12%。

2) 夯土改良在材料野外试验、最优含水率、粒径配比、材料性能等方面进行探究和优化。较传统夯土材料，其能够显著改善力学及其综合性能。基于改性夯土配比以民居改造为应用实践，取得了良好的反馈和示范效果。

3) 优化后夯土材料强度、耐久性和效果虽然能够满足实际工程的需求，但对于改良后性能的定量评估和现代夯土工艺、工具的地域适应性研究还不够充足，之后需要对该方面展开进一步的研究。

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Modification research and practice of rammed red clay type earth material

SHI Lei1, 2, ZHANG Fupeng1, 2, LIU Simian1, 2, HAN Jiani1, 2, HU Songnan1, 2, HOU Rongshuai1, 2

(1. School of Architecture and Art, Central South University, Changsha 410083, China;2. Central South University Health Building Research Center, Changsha 410083, China)

Because of its advantages of energy saving, environmental protection, low cost, local materials, simple construction, low cost, warm winter and cool summer, the rammed earth building is the most common building types in China for a long time. Through the field test, optimum moisture content, material proportions and performance optimization of the rammed earth materials in the typical area of red clay in Changsha, the optimal ratio of modified rammed earth materials was obtained and then applied in practice. The research result shows that the optimal ratio of modified rammed earth materials in Changsha is soil: sand: stone: lime: cement: water ratio of 5:3:2:1/3:1:1; and the optimal moisture content is 8%~12%. The modification of rammed earth materials should be carried out in the field test, as well as the exploration of optimal moisture content, the optimization of particle size ratio and the improvement of material properties. In order to provide a ratio optimization method and application reference for the improvement of rammed earth materials in different regions, a theoretical basis for the optimization and application of modern rammed earth building was provided.

red clay; modification of rammed earth; proportioning optimization; research application; Changsha area

TU521.3

A

1672 − 7029(2020)08 − 1978 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20190871

2019−10−08

教育部人文社科基金资助项目(20YJCZH105)；湖南省自然科学基金资助项目(2020JJ4720)；湖南省重点研发项目(2019SK2183)；中南大学研究生科研创新项目(2020zzts345)

柳思勉(1981−)，男，湖南长沙人，讲师，博士，从事建筑设计及其理论研究；E−mail：lsmdean@163.com

(编辑 涂鹏)