生土綠色建筑材料研究現狀簡述

陳冬爾 李維 楊洋 李翔宇

生土建筑是由生土構成，生土建筑由于有很多的優點，比如低耗能、熱工保溫性好、吸音小、防輻射及綠色環保等，贏得了國內外非常多的關注。但傳統生土材料并不是沒有缺點，存在熱穩定性差、力學性能差，使用中會有很多的麻煩。如何在發揚繼承其優點的同時，對于對傳統生土材料較差的方面進行改進，成為了國內外研究者們研究的關鍵性問題。主要結合國內對有關生土工程材料的技術優缺點問題進行細致研究分析，歸納總結改性技術、改性方法，以便尋找生土作為基材的最優化建筑材料。

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，研究方向為建筑學;李維（1982—），女，碩士，講師，研究方向為歷史建筑保護、綠色建筑材料、城市更新;楊洋（2000—），男，本科，研究方向為建筑學;李翔宇（2000—），男，本科，研究方向為建筑學。

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，滿足了不同地區人民的需要。幾千年前古代人就學會了采用生土建造房屋，生土在建筑方面的使用歷史久遠。在新石器時代，古代人們就已經利用黃土草泥等建造住所。春秋戰國以后，人們發明了夯土技術，夯土技術使用于筑墻造臺以及木建筑的圍護結構。在歷史的長河中，生土一直都是可持續發展建筑的標志，但是隨著科學技術的快速發展，各種新型建材的出現，生土已經遠遠滿足不了人們對于建筑的設計需求和審美需要，為了保留古建筑文化特色，研究者們改進材料工藝，使生土建筑重新回歸到人們視野中。

1 生土建筑材料

生土材料是一種節能、環保和綠色的建筑材料，具有保溫、調濕、通風和防火等優點，但其抗彎強度很低、抗剪強度很低、抗折強度很低，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 生土材料的優點

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

（2）技術操作簡單，施工很方便，便工人于制造，造價對于那些偏遠地區的人們來說價格比較便宜，建造時間周期相比于21世紀新型建筑建造時間短，在一定含水率條件下即可塑性，可根據功能和設計調整建筑形狀，深得農村地區人們的喜愛歡迎。

（3）調節室內溫度和濕度，建筑冬暖夏涼，同時，生土建筑隔聲性能良好，深受人民的喜愛。

（4）具有節能環保的優點，在經過拆除后經過處理能繼續使用，方便回收。

（5）生土建筑在各個地方建筑風格各異，體現當地地貌特點，符合當地民風民俗，具有明顯的民族特點。

1.2 生土材料的缺點

（1）力學性能方面。傳統的生土結構建筑材料的彈性強度包括抗壓強度和抗剪強度，強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性能較差，導致建筑的結構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暴雨或潮濕，其建筑耐久性能和穩固性能就會大大變差，建筑容易發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境因素的嚴重影響，使得我國建筑行業在大量使用這種傳統復合生土建筑材料過程中受到嚴重制約。

對于生土建筑材料產生的問題和其優劣性能，如何保留繼承傳統生土材料的優點，摒棄改進其缺點，是當前進行生土建筑材料技術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用的領域中，我國的發展水平是明顯低于一些其他國家的。美國在很早的時候就已經通過了與生土建筑相關的法律，其立法詳細程度足以對生土建筑材料所包含的所有指標進行規范。時至今日，美國已經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，以及新型生土材料在建筑中作為建筑結構或立面造型的應用經驗。澳大利亞也是在生土建筑應用方面嘗試較多的國家之一，在澳大利亞有大量的學者以及技術員在進行生土材料的改性研究和創造新型生土材料的研究。當今世界，隨著高速的現代化以及城市化進程，人們對于可持續發展以及綠色發展越來越重視。綠色建筑領域已經受到了相當大的重視，并成為了目前行業的發展趨勢。

我國高等院校及科研院所系統廣泛地對生土材料進行過一些研究，這些研究的主要包括生土的結構和材料。其中在生土材料的研究當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行了重要參數力學性能的研究。通過使用RMT-301材料抗壓試驗機對試樣材料進行了單軸劈裂抗壓強度試驗與巴西單軸劈裂強度試驗，并由此得出一些結論。單軸抗壓強度試驗均值確定為0.683 MPa，抗拉應力強度試驗均值確定為0.101 MPa。通過測試的結果得出，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循環，可再利用的優點；同時，添加麥草生物纖維材料也可以極大地增強生土構筑建材的耐熱抗壓與拉伸抗拉等熱力學性能，強化了土體的塑性，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，同時使用濃度為3%的糯米漿作為摻合時使用的粘結劑，通過對改性生土試件進行軸向抗壓試驗，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度。試驗結果表明：改性生土材料的粘結劑選擇為糯米漿可以有效地提高生土材料的抗壓強度和延性比;添加河砂來改性生土材料時，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度和延性比，當摻入15%細砂+15%中砂時，其抗壓能力會有增強，這種情況下抗壓強度的平均值為2.840 MPa，而素土試件抗壓強度平均值2.272 MPa，可得出該組試件的抗壓強度是素土試件的1.25倍，選擇糯米漿和河砂作為改性生土材料，不僅綠色環保，同時也不會影響生土材料原本的生態特性，還可以改善生土材料的力學性能，是一種很有價值，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一定比例進行配置，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行拌勻混合，拌合完成后，進行了無生土側極限直接抗壓強度和無生土側極限直接抗剪強度試驗。無生土側極限直接抗壓強度剪切試驗結果表明，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度提高46.5%， 摻入7%淀粉的改性生土抗壓強度提高12.7%。淀粉改性生土的抗剪強度明顯相較于素土抗剪強度有增強， 改性后材料的摩擦角有一定提高，粘聚力也有一定增強。 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。試驗得出結論：使用淀粉來改性生土可以在一定程度上增強生土的抗壓強度和抗剪強度， 但是當淀粉含量超過一定的比例， 改性生土的抗壓能力會變低， 抗剪能力不會出現的明顯的變化。結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10%～40%， 同時也增強了生土的抗剪能力，提高了生土的粘聚力。本實驗充分說明了淀粉在改性生土材料，甚至開發綠色建筑材料都有很大的發揮空間。

劉志華等［4］在無機材料改性玻璃水泥和塑料水泥的研究基礎上，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合材料進行無機復合材料改性的試驗，并測試了使用復合改性前后的墻體材料對于墻體力學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，分析了多種植物纖維對不同生土基材料和復合材料的改性反應機理。

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

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，形成綠色改性復合生土基材料。運用試件軸心的抗壓程度為原理試驗，又和素土標準試塊進行對比，研究其基本力學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度荷載有一定提高、變形能力進一步增強。在改性摻和材料當中，竹纖維和玻璃碎渣為環保材料，符合綠色持續發展國家戰略理念;素土標準試件摻入糯米漿平均增強了43%的抗壓強度荷載。當其額外摻加竹纖維和玻璃碎渣時，抗壓強度荷載增強達到12%～18%，略有降低。證明摻入糯米漿可以增強生土材料強度荷載。生土中摻料的不同其破環特征不同。素土試件遭破環時為突然脆性破壞。而加入糯米漿后則變為細腰狀破壞，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、綠色生土基改性復合材料，研究青稞秸稈、碎石改性生土后變化的力學性能以及最佳含量配合比。相較標準 ，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。相較標準，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性能荷載的影響程度不同。與素土標準試塊抗壓強度荷載相應平均值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量豐富，符合可持續發展國家戰略原則。摻入5%的中砂對生土試塊力學性能荷載提高最大。相較于標準，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性能。

王毅紅等［8］以糯米漿為粘結劑，摻入廢舊玻璃渣和廢舊橡膠得到改性綠色生土復合材料。對其進行力學試驗，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合材料中的合理含量。得出相較標準，在摻入3%濃度、含量為13%的糯米漿的干燥土體材料各項力學基本性能中，開裂荷載提高了159%，延展性提高101%，抗壓荷載達到3.28 MPa，提高了143%。使用這種糯米漿可以極大增強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渣和廢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，破壞時間延長，斷裂位置降低。得到的高抗壓振動強度荷載的理論最大值為3.17 MPa。廢舊玻璃殘渣與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建筑廢料，有利于保護環境和生態，同時，能有效率地提高耐水性和改善生土建筑材料的整體力學性能荷載指標，為我國生土建筑材料工程改性技術研究發展提供有效的實驗價值參考。

3 結論

綜上所述，我國許多高校以及相關科研機構的主要研究者都在為我國生土建筑材料工程改性技術研究方面不斷努力并最終獲得較好的科研研究結果，進一步充分證明了我國生土建筑材料改性技術研究成果的重要價值，為我國生土建筑材料工程改性技術研究發展提供寶貴研究經驗和實驗經驗。

但是其中涉及到生土與綠色材料的結合改性的開展研究較少，隨著社會的不斷發展，人們需要更加重視如何可以綠色環保地改性生土材料，如何使改性生土建材更加貼合可持續發展原則。當今時代，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

［1］ 謝冰，吳昌勇.含麥草纖維生土建材的拉壓力學性能試驗研究［J］. 綠色環保建材，2020（10）.

［2］ 張坤，王毅紅，楊戰社，等.以河砂為摻料的改性生土材料抗壓試驗研究［J］.建筑結構，2019，49（4）.

［3］ 王赟.淀粉基綠色建筑材料應用及試驗研究［J］.化工新型材料.2011，39（4）.

［4］ 馬軍濤，劉志華，張磊，等.植物纖維增強生土基復合材料的性能研究［J］.混凝土與水泥制品，2016（7）.

［5］ 王毅紅， 丁思遠，楊世豪，等.摻入玻璃和竹纖維的生土基材料性能試驗研究［J］.西安科技大學學報，2016，36（5）.

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