傳統與改良版筑法夯筑性能及施工工藝對比研究*

石 磊，張福鵬，柳思勉，李 哲，石佳祺

(1.中南大學建筑與藝術學院，湖南 長沙 410083；2.中南大學健康建筑研究中心，湖南 長沙 410083)

生土建筑作為最古老的建筑類型之一至今仍廣泛使用[1]。據聯合國最新統計，全球仍有約30%的人口居住在多種形式的生土建筑中[2]。我國也至少有1億人以各類生土建筑為居，其中超過一半為夯土建筑[3]。夯土建筑作為生土建筑最典型的應用類型之一，具有施工簡易、造價低廉、熱工性能良好、生態性能等優點，在地域化材料的應用、綠色建筑、健康建筑及夯土民居改善方面具有巨大的應用前景[4]。夯土材料也被國際公認為性價比最高的一種健康生態建材[5-6]。然而傳統夯土建筑存在抗震性能差、結構形式單一、耐久性能差等固有缺陷，這嚴重制約著夯土建筑的發展。國內外研究機構和建筑師進行了大量研究和實踐[7]，在傳統夯土材料改良更新的理論研究、夯土的可持續性和生態性、現代夯土技術的優化推廣、夯土力學性能等方面的實踐探究取得了突破性進展[8-9]。然而夯土建筑耐久性、墻體密實度、強度等性能與工具有直接關聯，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]對傳統夯土技術進行改良和標準化研究及周鐵剛等[11]對現代夯土墻體施工技術進行研究。

調研發現，隨著鋼筋混凝土的廣泛使用和從事夯土營建的匠人驟減，在長沙地區，掌握傳統夯土技藝的匠人每村<5%，年齡<40歲的<1%。為了提高夯土營建速率和效果，傳統夯土工具也逐漸被改良夯土工具替代，傳統工藝也面臨著失傳的險境，但改良夯土工具的普及狀況也不容樂觀。因此，通過田野調查對長沙地區傳統版筑法夯土工具和工藝進行梳理，對傳統夯土工具和改良工具定量、定性對比研究，進行試塊夯筑性能對比研究和操作夯筑實踐，以期為傳統夯土工具的改良及推廣提供理論依據，更好地推動傳統夯土建筑文化的傳承與發展。

1 版筑法不同夯土工具概況

1.1 傳統版筑法夯土工具

夯土建筑主要營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，版筑法主要分布在華南、華中等地區。研究選取華中地區典型版筑法分布地區——長沙地區開展田野調查及對其民間匠人進行訪談，對長沙地區傳統版筑法夯土工具及改良工具進行對比總結。

長沙地區夯土夯筑工具主要由木材制作而成,分為夯筑模板、夯錘、其他相關設備與工具。傳統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固定位置。夯錘形制有多種，用來夯實置于模具內的虛土。拍板為用以修補的工具，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

改良夯土工具相關設備及工具與傳統工具相同，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。木墻板由模數組成，可按需求進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夯錘，動力由電動空氣壓縮機提供。此外，傳統夯土材料由人工攪拌而成，當夯筑較少時，改良夯土材料由平口攪拌機攪拌，當大批量夯筑施工時，一般由滾動攪拌機攪拌。改良版筑法夯土工具分為T形、L形、一字形，如圖1所示。

圖1 版筑法改良夯土工具

2 夯筑性能對比試驗研究

王毅紅等研究表明，含水率直接影響夯土墻體強度，耐水性能、抗壓強度是影響夯土材料耐久性和安全性的關鍵因素[11-12]。因此，主要從不同夯土工具對夯土材料適宜含水率的分布范圍、夯筑試塊吸水性、抗壓強度3個方面的影響進行對比研究。試驗取夯土材料為長沙地區典型紅壤土，取土地點為安沙鎮花橋村，依據傳統匠人經驗，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含水率的影響，對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行對比研究。適宜傳統夯土工具土料(以下簡稱“傳統土料”)含水率由匠人依據“手握成團，落地成花”傳統經驗決定，土料采用人行攪拌；適宜改良夯土工具土料(以下簡稱“改良土料”)含水率由實踐團隊依據標準夯筑試驗和對不同含水率土料進行夯筑試塊分析得出，土料采用平口攪拌機攪拌。對適宜不同夯土工具工作的夯土材料，采用Takeme-10土壤水分溫度測定儀(見圖2)，對不同深度、位置的夯土材料進行20次測試，精度為±3%(當水分<53%時)。

圖2 土壤水分溫度測定儀

適宜不同夯土工具工作的夯土材料含水率統計如圖3所示。由圖3可知，傳統土料最優含水率為24%～30%，波動幅度為17.5%，標準差為2.262 7，改良土料最優含水率為8%～14%，波動幅度為4.1%，標準差為0.141 4。改良土料含水率均勻度明顯優于傳統土料。研究發現：傳統土料具有較高的含水率，因為較高的含水率土料易于人工夯筑成型。傳統夯土工序拆模后還有拍打工序，即使用拍板對墻體進行拍打，高含水率土料也易于拍打。較高含水率夯土材料也是導致傳統夯筑效率較低的原因之一。

圖3 夯土材料含水率統計

2.2 抗壓強度

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

圖4 試塊抗壓強度測試

使用不同夯土工具夯筑試塊抗壓強度如圖5所示，由圖5可知，使用傳統與改良夯土工具的夯土試塊均有良好的抗壓強度穩定性。使用傳統夯土工具的夯筑試塊(以下簡稱“傳統試塊”)抗壓強度均值為0.377MPa，標準差為0.064 2。使用改良夯土工具的夯筑試塊(以下簡稱“改良試塊”)抗壓強度均值為0.609MPa,標準差為0.072 5。表明改良夯土工具能提高夯土強度性能。

圖5 試塊抗壓強度

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，傳統試塊表觀密度平均值為1.571g/cm3，標準差為0.081。改良試塊密度較傳統試塊有所提高，表觀密度平均值為1.727g/cm3，試塊密實度也較均勻，標準差為0.013。改良土料含水率范圍明顯低于傳統土料，其試塊強度也有顯著提升。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度相吻合。

圖6 使用不同夯土工具夯筑試塊密實度分析

2.3 耐水性能

耐水性能直接決定著夯土墻體耐久性和強度，而吸水性能是影響耐水性能的關鍵因素之一。為研究不同夯土工具作用下夯土材料中的水分傳輸特性，對不同夯筑方法的標準試塊進行毛細吸水試驗。按JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》成型尺寸為150mm×150mm×150mm的標準試塊，選取相同配合比土料，分別采用傳統夯錘和改良氣動夯錘進行試驗，土料分2次夯筑密實成型，0.5h后脫模，在溫度(20±2)℃條件下養護至測試齡期。測試前，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個面用于測試，試塊耐水性能試驗如圖7所示。在一定時間取出18個試件稱量記錄吸水量[16]。稱量時間間隔為：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

使用不同夯筑工具的試塊毛細吸水量隨時間變化曲線如圖8所示。由圖8可知，使用不同夯筑工具的試塊毛細吸水速率隨時間變化規律一致，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吸水量-時間平方根的關系如圖9所示，該直線的斜率即為試塊毛細吸水系數[16-17]，均基本呈線性趨勢。使用不同夯筑工具的夯筑試塊毛細吸水系數在不同時間段內變化規律一致，相差不大，改良后較傳統降低了0.7%。

圖8 試塊毛細吸水量隨時間的變化曲線

圖9 試塊毛細吸水量隨時間平方根變化曲線

3 版筑法夯土工具操作性能對比

3.1 操作實踐

傳統夯土工具試驗組工具為傳統夯土工具、鐵鍬、桶、噴壺、推車，夯土材料和配合比與夯土工具性能試驗研究相同，經過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，使用夯錘進行夯筑。首先從端頭進行夯筑，然后按人字形夯筑，最后按一字形夯筑。傳統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4次以上操作，按錯峰搭接的方法繼續夯筑。

圖10 版筑法傳統夯筑方法

5)傳統夯土工具制作、操作優于改良夯土工具。改良夯土工具施工過程中，也需使用傳統拍板及工藝進行操作。改良夯土工具在動力來源及持續穩定性、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化空間。

改良夯土工具試驗組工具為改良夯土工具、鐵鍬、桶、噴壺、推車、攪拌機，夯土材料與配合比與傳統夯土工具試驗相同，在鋪平料層后，采用氣動夯錘進行夯筑，首先按之字形夯實料層，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 結果對比

對傳統夯土工具和改良夯土工具夯筑墻體性能進行對比，如表1所示。由表1可知，改良夯土工具在夯筑效率、工序方面明顯優于傳統夯土工具。

表1 夯土工具改良試驗結果對比

在實踐操作方面，改良夯土工具夯擊力度為傳統夯土工具的3倍，夯筑速率為傳統夯土工具的2.5倍，夯筑墻體光滑程度、收縮程度也明顯優于傳統夯土工具。但改良夯錘制作及使用復雜，提供動力的空氣壓縮機使用要求也較高。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，也需使用傳統拍板進行修補。

4 結語

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

2)使用傳統與改良夯土工具的夯筑試塊均有良好的抗壓強度穩定性。使用改良夯土工具的夯筑試塊夯擊力度為4.5MPa，遠高于使用傳統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象，改良試塊密度、抗壓強度均值分別為1.727g/cm3及0.609MPa，也較傳統試塊的1.571g/cm3及0.377MPa有所提高。

3)使用不同夯土工具夯筑試塊，其毛細吸水量規律基本一致。通過研究水分在夯土試塊中傳輸特性，也為進一步對不同夯土工藝夯土的滲透性及吸水后強度研究提供數據依據。

4)傳統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夯土工具簡易，但安裝及夯筑操作較復雜。改良夯土工具夯筑速度為10h/m2，較傳統夯土工具25h/m2能顯著提高施工效率。