浙江安吉低能耗夯土房建筑材料試驗研究

1、浙江安吉低能耗夯土房建筑材料試驗研究第8卷第1期2008年o3月徐州建筑職業(yè)技術(shù)學院journalofxuzhouinstituteofarchitecturaltechnol0gyv0l8no.1mar.2008浙江安吉低能耗夯土房建筑材料試驗研究棟,馬全明(1.中國礦業(yè)大學建筑工程學院,江蘇徐州221008;2.東南大學建筑學院,江蘇南京210096)摘要:夯土建筑具有優(yōu)越的室內(nèi)熱環(huán)境和耐久性.目前國內(nèi)尚缺乏夯土建筑材料的科學定量化研究,阻礙了夯土建筑發(fā)展.為此,通過試驗,結(jié)合不同地域建筑特征,對夯土建筑材料的物理性質(zhì),熱物性指標,力學性能和改性問題進行了探索,以期對傳統(tǒng)夯土材料作有效改進

2、,更好地發(fā)揮夯土建筑的低能耗特性.關(guān)鍵詞:夯土房;建筑材料;熱物性指標;力學指標中圖分類號:tu521.3文獻標識碼:a文章編號:10098992(2008)01004704experimentalstudyonbuildingmaterialsoflowenergyrammedearthhousesinanjiofzhejiangwangdong.maquanruing.(1.schoolofarchitecturalengineering,chinauniversityofminingandtechnology,xuzhou,jiangsu221008,china;2.schoolofar

3、chitecture,southeastuniversity,nanjing,jiangsu210096,china)abstract:therammedearthbuildingpossessessuperiorindoorthermalenvironmentanddurability.atpresent,chinaislackinginscientificquantitativestudyonrammedearthbuildingmaterials,whichhindersthedevelopmentoframmedearthconstruction.basedontestsandthec

4、onsiderationofbuildingcharacteristicsindifferentregions,thispaperprobesintothephysicalproperties,thermophysicalindexes,mechanicalpropertiesandmodificationsoframmedearhbuildingmaterials,soastomakeeffectiveimprovementstothetraditionalrammedearthbuildingmaterialsandgivefullplaytothelowenergyperformance

5、oframmedearthconstruction.keywords:rammedearthhouse;buildingmaterial;thermophysicalindex;mechanicalindex夯土建筑是我國傳統(tǒng)民居建筑采用的主要形式之一,其圍護結(jié)構(gòu)采用生土材料,不需大量生產(chǎn)加工能源,可循環(huán)利用,幾乎不對外界產(chǎn)生負面影響,是典型的鄉(xiāng)土生態(tài)建筑.在當前對能源和生態(tài)環(huán)境越來越收稿日期基金項目作者簡介20071121江蘇省建筑節(jié)能工程技術(shù)研究開發(fā)中心科研項目(zx20055)王棟(1979一),男,山東泰安人,碩士研究生.重視的趨勢下,夯土建筑材料優(yōu)越的生態(tài)特性值得進行深入研究.本文通

6、過試驗測試對夯土材料進行探索,對當?shù)氐慕ㄔ旖?jīng)驗進行合理的量化和詮釋,旨在總結(jié)夯土建筑的生態(tài)建筑經(jīng)驗,尋求改善夯土居住建筑室內(nèi)熱環(huán)境和提高夯土建筑質(zhì)量的技術(shù)途徑,為傳統(tǒng)民居建筑設計提供技術(shù)指標參考.1試驗研究背景浙江省安吉縣是全國首個生態(tài)示范縣,生態(tài)壬48徐州建筑職業(yè)技術(shù)學院第8卷立縣的觀念和行動已深入到全縣.2005年.當?shù)剞r(nóng)民任衛(wèi)中在安吉縣劍山村對夯土生態(tài)建筑進行了設計,建造,現(xiàn)已形成一組,包括4座單體(分別為農(nóng)宅,旅館,茶館和廚房).在安吉,夯土民居有著悠久的歷史,至今仍有不少村民居住在夯土房中,許多夯土住宅經(jīng)歷幾十年甚至上百年風雨的沖刷仍完好無損.任衛(wèi)中的夯土房即是在當?shù)貍鹘y(tǒng)夯土民居材料

7、選擇和建造經(jīng)驗的基礎(chǔ)上設計并建造出來的.本試驗選擇其中有代表性的夯土生態(tài)旅館(見圖1)進行研究.圖1夯土生態(tài)旅館fig.1rammedearthecologicalhotel生態(tài)旅館所用建筑材料是當?shù)睾煌磷≌?jīng)常使用的一種混合土,其成分為素土,當?shù)厣惩?熟石灰(其中素土和沙土在當?shù)卣鷾氏戮∽苑歉灿玫?,配比為5:4:1.現(xiàn)代住宅無論建筑層數(shù),空間布局還是結(jié)構(gòu)受力均比傳統(tǒng)民居要求高,對建筑材料的使用提出了更高的標準.本試驗以上述配比為基準,通過改變夯土材料中石灰和沙土的含量,對不同配合比夯土材料的物理性質(zhì),力學性能和熱物性指標進行試驗研究,以期對傳統(tǒng)夯土材料進行有效改進.2物理性質(zhì)測定2

8、.1材料干密度與最大干密度材料干密度反映材料密實的程度,材料愈密實干密度愈大,材料內(nèi)部的空隙則愈少.夯土材料干密度與含水量關(guān)系密切,這里的含水量是指夯土材料成型時加入的用水量,其與土質(zhì)自身反映的塑性指數(shù)有一定關(guān)系,更重要是它決定著夯土材料的密實程度以及抗壓強度.實踐證明,對過濕的土進行夯實時會出現(xiàn)軟彈現(xiàn)象,此時土的密實度不會增大.而對很干的土也不能充分夯實,因此,要使土的壓實效果最好,其含水量一定要適當.在一定夯擊能量下,土容易夯實,并能達最大密實度時的含水量(稱土的最佳含水量,相對應的干密度稱最大干密度).最大干密度的獲得反映了土體此時的含水狀態(tài),土粒子固體顆粒達到了最大組合排列,土體的密度

9、在一定的夯實能量下,與含水量的關(guān)系呈拋物線,最大干密度對應著一個最佳含水量.從夯實效果來看,它反映的是土體在此時是最密實的,即土粒子固體達到了最佳組合排列.所以含水量對土體的最大干密度影響顯著,夯土墻體的強度與土體密實度有著重要的關(guān)系.本文借鑒已成熟的地基土擊實理論,通過擊實試驗瞳對不同配比的夯土材料含水量,密度,強度三者之間的內(nèi)在規(guī)律進行了分析,得出不同配比混合土的壓實曲線(如圖2所示)和不同配比下夯土建筑材料的最大干密度(見表1)./%圖2不同配比混合土的壓實曲線fig.2compactingcurvesofdifferentproportioningcompositesoils表1不同配

10、比夯土建筑材料的最大干密度tab.1topdrydensitiesofdifferentproportioningrammedearthbuildingmaterials編號土:沙土:熟石灰最優(yōu)皇水量最大干密g?cm一注:采用輕型土工擊實儀,擊實層數(shù)3層,每層擊數(shù)25.2.2孔隙率孔隙率對于夯土材料是一個重要指標.這是因為土?？克慕Y(jié)合力將散粒土石粘聚一起,構(gòu)成逐級嵌固緊密狀態(tài),由于大多數(shù)水屬于吸附水,完成粘附,聚合,密實作用后,隨外界濕度變化開始發(fā)生蒸發(fā),水分跑掉,留下孑l隙.可以通過下式求得孑l隙率nf1一巴1100,(1)p/式中:fo為密度;為干密度.由式(1)可得出在相同夯實條件下不

11、同配合比的混合土材料在最大干密度時對應的孑l隙率分布范圍(見表2).第1期王棟,等:浙江安吉低能耗夯土房建筑材料試驗研究49表2不同配比夯土建筑材料的孔隙率tab.2porositiesofdifferentproportioningrammedearthbuildingmaterials編號土:熟石灰孔率目前,我國承重空心磚的孔隙率一般小于25,發(fā)達國家的承重空心磚的孔隙率可達到4o,高孔隙率的砌體對于外墻保溫的優(yōu)勢不言而喻.現(xiàn)在各國都在努力研發(fā)高空隙率的保溫磚.通過試驗測定,由表2可以看出,浙江安吉夯土房所用夯土材料的孔隙率在35以上,非常接近發(fā)達國家的承重空心磚,保證了夯土房良好的保溫性

12、能.3力學指標測試3.1抗剪強度夯土材料抗剪強度設計值的確定,對提高夯土墻體抗剪破壞能力,增強夯土結(jié)構(gòu)體系的抗震能力至關(guān)重要.本試驗采用的方法如下:以4種不同配合比混合土材料的最大干密度為基準,分別制備成2組d為62mm,h為20mm的圓柱體(如圖3所示),在常溫條件下于自然空氣中養(yǎng)護28d后,應用應變控制式直剪儀測試各自的抗剪強度,測得不同正壓力下不同配比混合土的抗剪強度(見表3),并得出相應的直剪試驗曲線(如圖4所示).依據(jù)圖4可求得不同配比混合土的粘聚力和內(nèi)摩擦角(見表4).通過試驗數(shù)據(jù)可以看出,在夯土中添加一定量的熟石灰后,試塊的抗剪強度比單純的土和沙土的混合體明顯提高.隨著熟石灰含量

13、逐漸增加,試塊的抗剪強度基本上不再增加,甚至有下降的趨勢.眾所周知,熟石灰的成分是氫氧化鈣,氫氧化鈣具有一切可溶性堿的通性,容易與空氣中的二氧化碳結(jié)合生成碳酸鈣晶體,結(jié)成硬塊.碳酸鈣本身就是一種非膨脹礦物,當摻拌料中的熟石灰達到一定含量時,這些碳酸鈣晶體能夠形成連續(xù)性網(wǎng)狀格架,對提高土體的強度,減小土的脹縮性起到重要作用.同時由表2可知,隨著熟石灰含量增加,夯土材料的最大干密度逐漸降低,密實度逐漸下降,孔隙率增大,則會對抗剪切能力產(chǎn)生不利的影響.當?shù)竭_一定的峰值后,抗剪強度會隨著土體結(jié)構(gòu)變松而逐漸削弱.因此,為了提高抗剪強度,一味增加熟石灰含量并非合適之舉,通過試驗確定熟石灰摻量對提高夯土建筑

14、抗震性意義重大.圖3試塊制備fig.3preparationoftestblocks表3不同正壓力下各種配比混合土的抗剪強度tab.3shearingstrengthesofvariousproportioningcompositesoilsunderdifferentpositivepressures垂直壓力抗剪強度(i00kpa)(i00kpa)5:5:05:4:15:3.5:1.55:3:2圖4不同配比混合土的直剪試驗曲線fig.4directsheartestcurvesofdifferentproportioningcompositesoils表4不同配比混合土粘聚力和內(nèi)摩擦角tab

15、.4cohesiveforcesandinternalfrictionanglesofdifferentproportioningcompositesoils土:沙土:熟石灰5:5:05:4:15:3.5:l55:3:2摩擦角/.23.619.727.121.0粘聚力f/kpa213.5307.0291.5293.83.2抗壓強度夯土材料在夯土承重結(jié)構(gòu)中承受荷載并抵抗外力,其中是以抗壓強度作為反映夯土結(jié)構(gòu)安全性的重要指標_5.本試驗采用的方法如下:以混合土材料的最大干密度為基準,在不同的壓實度下每種配比的夯土材料分別制備成3組d為50mm,h5o徐州建筑職業(yè)技術(shù)學院第8卷為501ti1ti的圓

16、柱體,常溫條件下于自然空氣中養(yǎng)護28d后,測試各自的抗壓強度.測得的數(shù)據(jù)見表5.表5不同配比混合土的抗壓強度tab.5compressionstrengthesofdifferentproportioningcompositesoils壓實度/抗壓強度/mpa由表5可以看出,摻入熟石灰對試件的抗壓強度的影響還是比較顯著的,碳酸鈣晶體所形成的連續(xù)性網(wǎng)狀格架起到骨架作用,增加了土的整體抗力.當然,不同配比的混合土所含成分在土體內(nèi)進行的復雜作用對抗壓強度產(chǎn)生的影響,僅通過以上幾組數(shù)據(jù)還不能確定其規(guī)律所在.安吉低能耗夯土房采用1o的熟石灰含量,沿襲了當?shù)財?shù)十年的建造經(jīng)驗.浙江各地土質(zhì),氣候存在差異,當

17、前還無法對當?shù)厮蓄愋偷暮煌磷≌M行完備的科學定量分析,難以確定不同地區(qū)夯土材料的摻加劑含量.但通過以上試驗分析和實地調(diào)研可以得出,對于安吉地區(qū)夯土民居的建造,10熟石灰不失為一個經(jīng)濟合理的摻量.大的材料內(nèi)部孔隙愈少,其導熱性能也就越強.在工程實例中,在考慮使夯土墻體的密實度盡可能大的同時,必須追求圍護結(jié)構(gòu)最佳的熱工性能,這就要求在作為夯土材料密實度極限值的最大干密度與導熱系數(shù)達到最小值的最佳干密度之間達到一個平衡,既保證夯土墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,又能獲得優(yōu)越的室內(nèi)熱環(huán)境.5結(jié)語夯土建筑在許多國家的民居建筑都占有重要一席,在我國也是傳統(tǒng)民居建筑采用的重要形式之一.然而,從目前狀況看,國內(nèi)對夯土建筑,

18、特別是夯土民居建筑構(gòu)造和建筑技術(shù)層面上的研究還處于起步階段,而世界上一些發(fā)達國家對夯土建筑設計和施工方面尚未形成完善的規(guī)范和依據(jù)_9,與一些發(fā)達國家的相關(guān)研究存在一定差距.本文以一幢農(nóng)民a建房為例,對當?shù)貍鹘y(tǒng)的建造經(jīng)驗進行了定量化研究,對夯土材料的特性進行了初探.希望籍此改進一些傳統(tǒng)夯土材料表現(xiàn)出的性能缺陷,揭示混合夯土材料力學性能與摻加劑品種,摻量,夯實之間的變化規(guī)律,提出不同土體所適應的摻加劑及其選擇依據(jù).4熱物性指標測試參考文獻:材料或物質(zhì)的導熱系數(shù)的大小主要受材質(zhì),材料干密度和材料含濕量因素的影響.本次試驗應用了中國礦業(yè)大學巖土力學試驗室最新引進的美國產(chǎn)導熱系數(shù)測定儀.試驗方法如下:取4種不同配合比的混合土材料,以各自的最大干密度為基準,分別制備成4組d為1001ti1ti,h為100mm的圓柱體,在常溫條件下于自然空氣中養(yǎng)護28d后,測試各自的導熱系數(shù)