材料科学 建造技术


因研究目的和侧重的差异,不同的学科对于“土”的定义不尽相同。目前,以土为对象的研究文献成果多集中于农业和环境科学领域,主要以“土壤”一词指代土的概念,并形成了专门的土壤学科。与土壤学科相较,当土被作为建筑材料对待时,土壤中的有机质通常被作为不利因素需要加以避规,而关注的重心更多集中于其自身的物理特性。其中,土壤中土粒的水分物理与表面性质,是决定其可作为建筑材料使用的核心要素。自然界中存在的土,是由大小不同的土粒组成,不同粒径的土粒,在水分物理性质与表面性质上存在着巨大差异。为便于研究分析,通常土粒大小和其特性将土壤内的颗粒分为若干组,称为土壤粒级。

根据国际制划分标准,粒径大于2mm的土粒被称为砾石(Gravel),粒径在2mm-0.02mm之间的为沙粒(Sand)。石砾与沙粒性质相近,矿物组成以原生矿物(指由岩浆冷凝而形成的矿物,多为石英、长石)为主,具有很强的刚度,但无黏结性、黏着性与可塑性。粒径在0.02mm-0.002mm之间的土粒为粉粒(Silt)。粉粒的粒径大小介于黏粒与沙粒之间,其性质也介于黏粒与沙粒之间,具有一定的刚度、可塑性、黏结性、黏着性和吸附性。粒径小于0.002mm的土粒为黏粒。黏粒是土壤形成过程中的产物,是土壤中最细小的部分,其成分主要为次生矿物(指由原生矿物经过化学变化形成的新矿物),常见的土壤次生矿物包括高岭石、蒙脱石、伊利石等次生硅酸盐矿物。为便于分类研究与分析,把土壤中各粒级土粒的配合比例,或各粒级土粒占土壤质量的百分数叫做土壤质地(Soil texture)。国际生土建筑界目前主要参考国际制进行土壤质地分类。其根据黏粒的含量多少将土壤质地划分为沙土、壤土、黏壤土和黏土四大类,界限分别为15%、25%、45%、65%。美国农业部以此为基础,采用三角坐标图解法进一步将土壤质地的分类图像化,以便于进行分析判断。

在电子显微镜下观察,黏粒的形状与沙粒、石子和粉粒不同,并非是球体或块状,而是因黏粒形成来源不同,呈薄片状、板条状、管状、纤维状、絮状等多种层状晶体形态,可提供的液桥接触面远大于块状土粒,加之黏粒粒径小于0.002mm,黏粒区间内的土粒比表面积(是指每克土壤中所有土粒表面积的总和,单位:㎡/g)之大往往超出常规想象。黏粒在水的帮助下,对骨料的粘粘聚合作用,并不会在土墙干燥后消失。这是因为黏粒层片与层片之间,黏粒层片与骨料之间多为仅有几纳米的毛细空隙,因毛细冷凝现象,即使在土墙完全干燥后,这一纳米级的空隙间始终存在液态水,仿佛被永远“锁”在此处,持续发挥其液桥力的粘接作用,进而确保土墙的经久稳固。这也是土楼、长城等大量生土建筑或构筑物,历经数百年甚至数千年却屹立不倒的主要原因。

黏粒的类型及其含量的多少,是直接影响生土材料土源及其利用方式选择的核心要素。在自然界,不同地域,以及同一地域不同区域的土质存在很大的差异。甚至在同一取土位置地面以下不同深度的土壤,其粒级构成往往也会不同。以全国各省部分典型土壤数据为例,各地区土壤黏粒含量多则高达近80%,少则仅有百分之几。尽管如此,根据国际土壤信息数据库的统计,绝大多数类型的土壤中黏粒含量超过5%,当低于这一数值时,在土壤学、土力学领域往往不会将其视为“土”,而是作为“沙”或“粉沙”看待。这恰恰与国内外各个地区,千百年来形成的传统生土材料应用经验高度吻合。只要待选“物质”被人们称为“土”,其中黏粒的实际含量普遍在5%以上,便具有一定的可塑性、黏粘性和黏着性,故而从理论上均可被作为生土材料用于房屋建造,这也是生土能成为全世界应用最为广泛的传统材料的主要原因之一。另一方面,从黏粒类型的角度来看,当土壤中富含具有极强湿胀性的蒙脱石、蛭石类黏粒时,会导致生土材料在干燥过程中产生最高可达20%的干缩,因此难以用于生土建造。当然,具有极强湿胀性黏粒的土壤分布实际并不广泛。

传统生土材料的有着施工简易,造价低廉;低能耗,低污染,可循环再生;平衡室内环境湿度的“调节器”等性能优势

在过去,农村居住生活质量与需求普遍不高的情况下,传统生土材料存在的以上问题表现并不突出。然而,随着人们居住生活需求的日益提升和多元化,以及工业化材料的大量普及,传统生土材料在力学性能和耐候性能方面存在的不足,逐渐成为制约其进一步应用发展的相对缺陷。如今,在许多农户甚至地方政府的心目中,生土建筑即意味着农村危房,更是贫困落后的象征。这也是诸多传统营建工艺普遍面临的发展窘境。


材料性能优化

鉴于生土应用传统的广泛分布基础,及其蕴含着巨大的生态应用潜力,自1970 年代第一次全球能源危机开始,在欧美发达国家,以法国“国际生土建筑中心”(CRATerre-ENSAG)为代表的科研机构,便着手展开对于传统生土建筑技术的现代化应用研究。这些机构通过大量系统的基础研究试验,已取得了具有突破性的研究成果,有效克服了传统生土材料在力学和耐候性能等方面的固有缺陷,形成了适用于绝大多数土质类型,具有广泛应用价值的一系列生土材料性能优化理论及相关应用技术,并通过世界范围内的工程实践的验证,至今已走向成熟。目前,现代生土材料及其建造技术已成为实现绿色建筑最为有效的途径之一。在全世界具有生土营建传统的地区,尽管土质差异较大,但人们历经数千年的探索与实践,逐渐形成了可通过含水率控制、辅料添加、加工处理、构造设计等措施,让就地可取的土料成为可用之材,满足相应的房屋营建需求。这其中蕴含着大量具有科学合理性的经验智慧。根据国际生土建筑中心对全世界具有代表性的12 种生土材料工艺的调查与量化分析发现,土料粒径构成与含水量控制是各类工艺土源选择与加工应用的关键要素。尽管各类工艺对二者的要求差异较大,但不同地区同类工艺的做法却高度一致,完全符合生土材料的应用科学机理(图2.3-1)。而现代生土材料优化,也正是在这些传统经验智慧的发掘、整理与量化评价的基础上,结合现代材料科学理论,所进行的科学凝练与系统提升。目前,根据科学机理的不同,生土材料性能优化的方法,可被归纳为物理改性和化学改性两类技术路径。

传统生土材料的物理改性

物理改性是指在生土原料中加入秸秆、麻绒、动物毛发等有机物或砂、石、火山石等无机物作为添加料,通过混合、压制等机械类加工所产生的物理作用,来提升生土材料的力学和耐候性能。物理改性对于生土材料性能的提升作用,相对而言虽不及化学改性,但其可以有效地保持传统生土材料在蓄热、吸湿、能耗、降解等方面的生态性能优势。因此,物理改性已成为欧美发达国家生土建筑实践中首选的技术改良途径,土砂石级配改性是其中应用最为普遍也最具代表性的物理改性方法。

生土材料的化学改性

生土材料的化学改性是指在土料中加入添加剂,通过化学反应来提升生土材料性能的方法。化学改性的方法在传统生土营建中的应用历史悠久,也较为普遍。红糖、糯米水、桐油、松香、动物血、粪便等有机类胶凝剂,以及熟石灰等矿物原料是国内外传统生土营建常用的添加剂,其在土料中发挥胶凝作用,可以有效地提升生土材料的力学和耐候性能。根据考古发现(方世强, 2015),我国大量墓葬、古建筑遗址的夯土或土坯材料中,大多含有糖类、蛋白质以及熟石灰成分。在华南、华中等多雨水地区的传统生土民居中,蒸煮后的糯米浆或经过发酵的淘米水常被加入土料中,可起到“生物胶水”的作用,增强土料的黏粘性,并在一定程度上可降低生土材料的干缩率。从当今生态可持续的理念来看,这些传统改性剂的应用,可在提升生土材料性能的同时,有效地确保其生态性能不被破坏。

现代夯土建筑设计与施工

现代生土材料优化工艺与传统工艺的区别,如同今天的纯棉制品与传统“土布”的关系。以夯土工艺为例,传统夯土就像过去人们穿的土布,用棉花土法手工织造,曾经被视为只有穷人才会用的布料。随着聚酯纤维的发明,可机械化量产,且更为平整光鲜、更易于裁剪塑型的“的确良”布料,一度风靡全国。而今天,因为人们已经意识到,穿着的舒适健康与外表的光鲜靓丽同等重要,所以同样取自棉花但兼具前二者之优点的纯棉制品,便成为人们日常使用最普遍、最贴身的布料。相类似的,以夯土为例,现代夯土同样基于“夯”的原理,采用与传统夯土一样的原状土料,但由于整个施工工艺系统性的革新升级,在保有其固有的生态热工性能的同时,使得夯筑施工的效率,以及夯土墙的力学与耐侯性能够得到极大的提升。