国内生土建筑材料改性进展研究

张福鹏 ，石磊 ，柳思勉 ，石佳祺 ，张莹 ，张津悦

(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)

生土建材使用距今已有1万年。当今世界有超过一半的人口仍以生土建筑为居，我国也至少有6 000万的人口居住在各类生土建筑中[1]。生土材料因其低碳环保、可持续性、蓄热性能及调湿性能优异等良好的性能，在现代城镇建设和乡村振兴事业中具有广阔的应用前景，此外，发展生土环保建材，也是减少水泥等高碳排放建材用量、助力“碳达峰”、“碳中和”的有效手段[2]。生土材料存在固有力学性能、耐水性能等缺陷，对其通过掺料进行改性是改善性能的关键措施。专家及学者对其开展了大量的研究，已对河南、陕西、天津、新疆、甘肃、重庆、安徽、四川、江西9个省市地区生土建材，主要在抗压、抗剪、抗震力学性能、耐水性能、导热性能、吸湿性能等方面进行了适宜性的优化研究。此外，在各地区开展了大量的生土民居改造设计实践，极大地改善了生土建筑抗震、防潮、耐水等性能，取得了较为显著的研究成果。而我国地域辽阔，不同地区生土材料特性存在较大差异(图1)，不同气候、文化类型下生土材料改性重点也不尽相同。本文基于生土材料及其改性的中英文相关文献，通过科学计量学的方法，对其近20年研究热点进行可视化分析研究，从生土建筑研究地域、人群属性、发文研究机构、作者、关键词方面解析了其研究热点和总体趋势，依据文献梳理对不同地区改性添加量和性能开展了统计分析，以期为我国各地区生土材料改性研究提供参考。

1 研究方法与数据

1.1 生土建筑研究地域、人群属性

基于“百度指数”网民行为数据搜索平台，对“生土建筑”方面研究地域和人群属性进行分析[3]。其中，关键词为“生土建筑”，趋势研究搜索指数、地域分布、人群属性时间均选取为全部(2013-07-01至2021-08-16)。

1.2 生土材料改性发文量、作者及其机构、关键词

数据来源于中国知网(CNKI)和 Web of Science(WoS) 数据库。其中，CNKI文献时间选取为近20年，WoS文献为全部文献。

基于CNKI库文献全文数据，通过选择“文献”的主题检索，条件为(“生土”OR“生土材料”“生土基材料”)AND(“改性”OR“改良”OR“优化”)共计“生土民居研究”文献194篇(2021年9月1日检索)，剔除农业、会议、生土民居设计优化、生土民居物理环境等不相关论文，最终共计分析文献177篇。基于WOS核心库文献全文数据，通过选择“高级检索”的主题检索，条件为(TS=(Raw earth materials) OR TS=(Rammed earth materials)) OR (TS=(modify*) OR TS=(design)OR TS=(build*) OR TS=(wall*) )，时间为2000-01-01至2020-12-31，选择国家地区为中国，对其进行筛选，最终共计分析文献49篇。

关键词的频次与该领域研究的热点呈正相关关系。关键词是文章主要内容、核心方法及研究热点的重要体现。关键词聚类和凸显图谱是探究某领域研究热点、关键问题及发展趋势的有效手段[4]。因此通过Citespace软件采用Log likelihood ratio检验算法对研究数据进行关键词聚类及凸显图谱分析。

1.3 生土材料改性添加剂及性能

基于1.2中国知网和Web of Science 数据库生土建材相关文献检索最终筛选数据，依据所研究省份及市区对生土建材改性添加剂的类型进行梳理，同时，依据现有研究所主要关注的重点性能，包括抗压、抗剪力学性能、耐水性能、导热性能、吸湿性能，进行改性添加料及性能优化结果分类统计分析。

2 研究结果

2.1 生土建筑地域、人群属性

生土建筑趋势研究搜索指数如图2所示。2011～2021年搜索指数整体呈波动增长的趋势。2017～2018年出现波峰，搜索指数超过200，2018年后搜索指数趋势有所下降，依旧远高于2011～2015年的搜索指数。生土建筑研究趋势地域分布方面前五的分别为：华东、华北、西北、华中、西南地区。省份分布方面前五的分别为：北京、陕西、广东、四川、江苏。城市分布方面前五的分别为：北京、西安、成都、上海、重庆，与地域分布趋势一致。生土建筑趋势研究人群属性结果表明，人群年龄分布在20～29岁的群体，生土建筑搜索占比超过一半，占比全网分布约1/3，TGI高达169.67%，在其余年龄分布中，30～39岁的人群占比超过1/3。在性别分布方面，不同性别属性人群占比相差不大，全网分布占比男性超过女性不足1%，对于生土建筑方面，女性多于男性约10%(图3)。

2.2 生土建筑材料改性发文量、作者、机构、关键词

2.2.1 生土建筑材料改性发文量

生土材料及其改性相关论文发表情况如图4所示。近15年生土材料改性领域研究的发文量呈先增后减的趋势。2005年至2015年，总体呈增长的趋势，2013～2014年发文量虽有所降低，但依旧高于2008年之前的发文量。2016～2019年是现阶段发文的主要时期，此阶段的发文量占近15年的总发文量超过60%。2020年发文量较低，但依旧高于2010～2015年的平均发文量。

2.2.2 生土建筑材料改性发文机构及作者

发文机构位于前五的分别为西安建筑科技大学、天津城建大学、长安大学、重庆大学及上海交通大学，其中西安建筑科技大学和天津城建大学发文总占比超过1/5(图5)。发文作者方面，CNKI库文献分析表明(图6左)，天津城建大学杨久俊、刘志华等发文主要在2016年，西安建筑科技大学张磊、杨柳等主要在2017～2018年，天津城建大学荣辉、杨勇、张树青等主要在2018～2019年。WOS库发文作者分析表明(图6右)，其发文机构及作者主要为中南大学龙广成、西安建筑科技大学周铁刚、长安大学王毅红等。中外文献结果显示，各机构及作者之间合作少，基本没有跨学科或领域的合作，现阶段以学科领域能力较强的团队内部合作为主。

2.2.3 生土建筑材料改性文献关键词

生土建筑材料及其改性相关文献数据关键词聚类图谱结果表明(图7)，CNKI库关键词聚类共有节点232个、连接288条、密度为0.010 2。其中，节点大小与关键词频率、连接线粗细与关键词相关度均呈正相关，聚类显示关键词频率超过5的有8个，前7位生土材料、抗压强度、改性、生土、力学性能、生土建筑、强度均出现在2016年，第8位导热系数出现在2017年。WOS库关键词聚类共有节点63个，连接149条，密度0.076 3。聚类显示关键词频率超过3的有4个，依次为durability(2019)、behavior(2019)、construction(2016)、strength(2012)。关键词可概况分类为生土、生土建筑、生土材料、材料性能四类。材料性能主要有抗压强度、耐久性、耐水性、抗震性能。导热系数(2017)、relative humidity(2020)等关键词出现时间相对较晚，已成为近年生土材料改性前沿领域研究的热点问题。

生土建筑材料改性关键词凸显图谱如图8所示，前期研究热点问题以生土材料热湿性能、耐水性能研究改善为主，中期的热点问题以抗压强度及试验、抗震性能、耐久性及数值模拟为主，导热性能和材料表现关键词热度持续至2021年，可能是今后热点研究内容之一。

关键词时区图谱结果表明，国内现代生土材料改性大致可分为3个阶段。2007～2012年为初探阶段，生土材料、生土、改性等关键词出现频率较多，主要基于陕西窑洞及其他高震地区生土农房材料特征，对材料耐水性能、力学性能进行改善研究，重塑当代生土民居建构。2012～2015年为稳定发展阶段，建造技术、标准规范、技术规程等关键词出现频率较多，部分专家学者开始探索、研究生土民居营建技术和标准规程。同时，部分学者深层挖掘生土建材环保特性，也将研究目光由窑洞、高震地区转向其他地区生土民居。另一方面，生土改性添加材料类型增多，由石灰开始发展为矿渣、植物纤维、激发剂、减水剂等物理化学改性材料，生土材料制备方法也由传统夯筑、压实转向现代浇筑式制备工艺，开始更全面的考虑国内不同地区土质特性、生土民居特征和生土材料性能研究，探索生土绿色建材在当代建筑中的应用。

2015年至今为快速发展阶段，建筑学、材料科学及环境工程等多学科开始整合到相关领域开展探究。生土建材改性添加剂类型多样，部分学者通过单掺磷石膏、剑麻纤维、青稞秸秆、棉花秸秆及复掺水泥、石灰、粉煤灰、减水剂等用于改善材料性能，同时通过试验探究生土改性微观形貌、组成结构，解析改性肌理。生土性能改善方面由耐水性、力学强度等单一固有材料缺陷转向导热性能、热湿性能、耐久性能、抗冻性等综合性能提升研究。浇筑式生土材料、生土材料热湿性能、生土材料建造及表现是2019年后的高频关键词，并且具有发展延续的趋势(图9)。

2.3 生土建筑材料改性材料及性能

力学强度低、耐水性能差等是限制生土建材应用的关键因素之一。添加材料可以显著改善生土材料的综合性能。通过对现有改性添加材料频率进行统计分析，石灰、水泥频率占比超过40%，为最主要的改性添加材料，其次是粉煤灰、石膏、矿渣、麦秸等植物纤维，减水剂、黏结剂、缓凝剂等频率较少，主要用于浇筑式生土改性研究(图10)。

2.3.1 力学性能

力学性能作为生土建筑材料应用重要的因素之一，一直是研究的热点话题和重点问题，其关键词频率仅次于“生土材料”。我国地域辽阔，不同地区土质特性和改性条件不尽相同，因此力学改性添加材料及影响也存在差异。现阶段力学改性主要为陕西、河南、甘肃(兰州)、重庆、天津、新疆、安徽、四川、江西(南昌)、湖南10个地区，其中陕西地区研究最多，河南、甘肃(兰州)、重庆地区次之，天津、新疆、安徽、四川、江西(南昌)、湖南地区最少，力学性能主要以抗压强度评价力学改性的效果。

陕西地区生土力学性能改性方面，浇筑式生土材料抗压强度远高于传统夯筑式，采用陕西黄黏土，当生土、矿渣、砂、激活剂、减水剂质量比0.6∶0.2∶0.2∶0.01∶0.01时[5]，效果最好，浇筑式生土抗压强度可达25.3 MPa，添加1.5%CMC-0.5%硅酸钾溶液进行夯筑式改性，强度可达6 MPa[6]，添加4.5%水泥-0.2%麦秸进行压制式改性，强度为2.31 MPa[7]。河南地区，现有研究中浇筑式改性最佳强度低于传统夯筑式改性。采用黄河泥沙，添加25%(水泥∶生石灰∶粉煤灰1∶1∶1.2)-1.8%丙烯酸钙-0.8%黄麻纤维进行夯筑式改性时效果最佳，强度为12 MPa[8]，通过采用河岸黏土添加10%水泥-5%矿渣或黄河泥沙添加1.2%改性黄麻纤维进行浇筑式改性，强度均约为9.4 MPa[9]。甘肃(兰州)，生土改性选取黄土，添加剂主要有羧甲基纤维素钠、水泥、磷石膏、粉煤灰、土聚水泥、离子固化剂，制备方式有夯筑、浇筑和压制，其中，采用浇筑式添加10%硅酸盐水泥-8%磷石膏-15%粉煤灰进行生土改性时效果最好，强度可达13.5 MPa[10]。重庆地区，改性土料以红色黏土为主，添加剂有水泥、石膏、粉煤灰、秸秆、固硫灰、聚羧酸减水剂。其中采用浇筑式添加15%石膏-5%粉煤灰-1%氧化钙-0.8%聚羧酸减水剂进行改性时效果最好，强度为8.3 MPa[11]。天津地区以吹填土为原料，采用浇筑式添加1%减水剂(萘系∶木质素＝1∶1)时强度可达40 MPa[12]。四川地区以红色黏土为原料，采用浇筑式添加14.1%煅烧煤矸石-10.5%矿渣-5.3%粉煤灰-20%碱性激发剂时强度为17.9 MPa[13-14]，湖南地区以红壤土为原料添加石灰水泥改性强度为1.6 MPa。

2.3.2 耐水性能

关键词凸显图谱显示耐水性自2009年起成为热点问题一直持续到2016年，同时，耐水性也是生土材料性能研究的重点内容。现阶段耐水性研究主要以重庆、陕西、天津、河南、江西(南昌)地区为主，其中，重庆地区耐水性相关研究最多，其次是陕西地区，天津、河南、江西(南昌)地区最少。生土材料耐水性指标以软化系数为主，也有学者以耐水指数和材料吸水率为指标。

耐水性研究试块制备以浇筑式为主，以河南地区为例，浇筑式和夯筑式对材料耐水性影响不大，采用不同改性材料可以达到同等的耐水性能。重庆地区耐水改性添加材料类型最多，主要有桐油、植物纤维、脱硫石膏-粉煤灰-熟石灰、矿渣-粉煤灰-页岩、聚羧酸减水剂、脱硫石膏-固硫灰，其中桐油改性耐水性最好，软化系数为0.66[15]。陕西地区耐水性添加剂主要有水泥-增稠剂、水泥-防水剂、磷石膏-粉煤灰-石灰、水泥-减水剂-粉煤灰-激活剂4种类型，其中添加磷石膏-粉煤灰-石灰、水泥-减水剂-粉煤灰-激活剂，改性耐水系数均约0.9[5-6]，耐水性能最佳。天津地区主要对盐渍土进行改性研究，添加剂有粉煤灰、丙烯酰胺-过硫酸铵-亚硫酸氢钠，均采用浇筑式进行试验，粉煤灰改性耐水性最好，软化系数可达0.79[16]。河南地区对普通黏土添加10%石灰-5%矿渣或黄河泥沙添加1%改性黄麻纤维进行改性，软化系数均为0.92[9,17]。

2.3.3 其他性能

关键词凸显图谱表明导热性能2018年成为热点问题一直持续至今，并且具有继续延续的趋势，是当下生土材料研究的热点话题。导热系数材料添加主要以石灰、粉煤灰、矿渣为主。新疆地区，采用黏土原料压制制备通过添加6.24%石灰-8.93%粉煤灰，使导热系数达0.72 W/(m·K)[18]，重庆地区采用紫色黏土土坯制作添加8%矿渣，使导热系数达0.261 W/(m·K)[19]，宁夏地区采用黏土压制制备添加7%水泥-8%石灰-5%粉煤灰，使导热系数达0.363 4～0.515 3 W/(m·K)[20]。其他改性方面主要有：抗折强度方面，天津地区采用盐渍土通过浇筑制备添加4%AM-10%高岭土-3%APS亚硫酸钠-1%交联剂，抗折强度可达5.59 MPa[21]，河南地区采用黄河泥沙浇筑制备添加1.2%改性黄麻纤维，抗折强度为2.85 MPa[17]。抗剪性能方面，云南地区采用红黏土土坯制备，添加松针改性，强度为1.255 MPa[22]。吸湿性能方面，新疆地区采用黏土压制制备，添加0.8%石膏改性试块最大平衡吸放湿量为0.052 9 g/g和0.053 4 g/g[23]。

在对生土建材性能改善研究中，刘志华等[24]基于甘肃黄土掺加10%硅酸盐水泥-8%磷石膏-15%粉煤灰-聚羧酸高效减水剂改性，试块28 d强度可达13.5 MPa，陈秋雨等[25]采用陕西类似黄土掺加10%水泥-5% 磷石膏-20%粉煤灰-5%石灰-萘系减水剂改性，试块强度为4.5 MPa。对比分析两者原料及实验方案，除各材料组份配比不同外，掺料水泥、减水剂成分存在差别，制备过程也不相同，导致其结果相差较大。此外，王丽娜等[26]基于陕西黄土掺加10%水泥改性，试块软化系数为0.4～0.5，余海燕等[5]选取类似黄土掺加等比水泥改性，试块软化系数为0.85，两者材料制备、试验设备差异是导致结果不同的因素之一。对于不同地区不同土质添加材料类似改性、相同地区类似土质添加相同材料改性研究，结果却出现差异现象，表明我国现有生土建材改性研究缺乏统一的研究手段、试验设备，对各性能评价尚无统一的试验方法和评价标准，因此，构建我国生土建材统一试验标准和评价体系也是研究问题之一。

3 有待解决的问题

上述研究表明，我国生土材料建筑改性研究已取得了显著的成果，不同地区也形成比较鲜明的改性方法，生土材料作为绿色可持续的建筑材料，现阶段以乡村地区民宿、城镇地区公共建筑为主，在建材应用普及并不广泛，仍存在很多亟待解决的问题：

1) 生土改性材料综合性能探究。改善生土材料固有力学性能和耐久性能缺陷是生土材料适用性的关键，现阶段研究主要探究如何提升材料力学性能和耐久性。但添加剂对性能的作用往往并不是单一的，如力学性能最优时其他性能并不符合条件，如何兼顾生土材料蓄热性能、调湿性能、可再生性、低碳性能等固有良好性能，针对弱项进行综合性能改善探究也是当下研究的重点内容之一。

2) 生土建筑改性材料可再生性评估。取材便利、材料服役后可回归自然是生土材料重要的优势之一。添加剂的改性可以改善生土材料的固有性能缺陷，添加材料的同时也形成新的化学产物，对于改性材料服役期满后的可持续性能、复垦性能等可再生性方面缺乏相应的评估。

3) 生土建筑材料改性成本。掺加物理、化学添加剂是改善生土材料性能的关键措施之一。添加剂的掺量和价格直接影响生土材料的成本和普及。各地区宜结合地区特点，合理选取掺加材料类型和配比，控制改性成本。

4) 生土改性材料肌理探究。传统生土建筑表现形式单一，缺乏丰富的表皮肌理，改性生土材料性能满足使用要求的同时，材料的肌理表达也是其应用普及的重要内容，兼具美学特性，提高居民对材料的认可度和满意度。

4 结论

1) 我国生土建筑材料在理论及应用研究方面均取得了较大突破，西安建筑科技大学、天津城建大学、长安大学、重庆大学及上海交通大学等科研院校及其专家学者取得了大量的研究成果，但各机构及其学者之间合作少，基本没有跨学科或领域的合作，现阶段以学科领域能力较强的团队内部合作为主。

2) 在生土建材性能方面，主要有抗压强度、耐久性、耐水性、抗震性能，进行了显著的改善，涉及10个省市地区，现阶段强度最优为天津地区采取吹填土进行浇筑式掺料改性研究，抗压强度可达40 MPa，耐水性最好为陕西、河南地区，软化系数均在0.9左右，抗折性能方面天津地区盐渍土浇筑式掺加改性，强度可达5.59 MPa。

3) 改性添加剂的种类愈趋多样，石灰、水泥为最主要的改性添加材料，频率占比超过40%，其次是粉煤灰、石膏、矿渣、麦秸等植物纤维，减水剂、黏结剂、缓凝剂等主要用于浇筑式生土改性研究，现阶段使用频率较少。

4) 浇筑式生土建材、生土材料热湿性能、生土材料建造及表现是现阶段研究的热点话题，同时，如何对其兼顾固有材料优势进行综合性能改善，对材料服役期满的可持续性、复垦性等再生性方面开展评估，以及对生土建材改性成本经济性、添加材料可行性、材料施工匠人认可度、应用实践居民满意度、建材表现肌理地区适宜性等方面，仍需继续深入探讨和研究。