生土绿色建筑材料研究现状简述

陈冬尔 李维 杨洋 李翔宇

生土建筑是由生土构成，生土建筑由于有很多的优点，比如低耗能、热工保温性好、吸音小、防辐射及绿色环保等，赢得了国内外非常多的关注。但传统生土材料并不是没有缺点，存在热稳定性差、力学性能差，使用中会有很多的麻烦。如何在发扬继承其优点的同时，对于对传统生土材料较差的方面进行改进，成为了国内外研究者们研究的关键性问题。主要结合国内对有关生土工程材料的技术优缺点问题进行细致研究分析，归纳總结改性技术、改性方法，以便寻找生土作为基材的最优化建筑材料。

生土材料; 改性研究; 绿色建材

TU521.3 A

［定稿日期］2021-11-25

［作者简介］陈冬尔（2000—），男，本科，研究方向为建筑学;李维（1982—），女，硕士，讲师，研究方向为历史建筑保护、绿色建筑材料、城市更新;杨洋（2000—），男，本科，研究方向为建筑学;李翔宇（2000—），男，本科，研究方向为建筑学。

生土材料，它的原料是生土，无论是生土的加工还是制造，都极其方便，它的形式多种多样，满足了不同地区人民的需要。几千年前古代人就学会了采用生土建造房屋，生土在建筑方面的使用历史久远。在新石器时代，古代人们就已经利用黄土草泥等建造住所。春秋战国以后，人们发明了夯土技术，夯土技术使用于筑墙造台以及木建筑的围护结构。在历史的长河中，生土一直都是可持续发展建筑的标志，但是随着科学技术的快速发展，各种新型建材的出现，生土已经远远满足不了人们对于建筑的设计需求和审美需要，为了保留古建筑文化特色，研究者们改进材料工艺，使生土建筑重新回归到人们视野中。

1 生土建筑材料

生土材料是一种节能、环保和绿色的建筑材料，具有保温、调湿、通风和防火等优点，但其抗弯强度很低、抗剪强度很低、抗折强度很低，致使生土建筑在抗震能力方面存在着不足，这种情况是先天性不足。

1.1 生土材料的优点

（1）生土在我国分布广泛，易于取用，东北地区盛产黑土，黑土资源丰富易于采集。

（2）技术操作简单，施工很方便，便工人于制造，造价对于那些偏远地区的人们来说价格比较便宜，建造时间周期相比于21世纪新型建筑建造时间短，在一定含水率条件下即可塑性，可根据功能和设计调整建筑形状，深得农村地区人们的喜爱欢迎。

（3）调节室内温度和湿度，建筑冬暖夏凉，同时，生土建筑隔声性能良好，深受人民的喜爱。

（4）具有节能环保的优点，在经过拆除后经过处理能继续使用，方便回收。

（5）生土建筑在各个地方建筑风格各异，体现当地地貌特点，符合当地民风民俗，具有明显的民族特点。

1.2 生土材料的缺点

（1）力学性能方面。传统的生土结构建筑材料的弹性强度包括抗压强度和抗剪强度，强度值相较于其他材料较低，不能令人满意。许多生土建筑都绝大程度由于生土材料自身力学性能较差，导致建筑的结构和整体受到很大的限制。

（2）耐久性方面。有的生土建筑一旦遭受狂风暴雨或潮湿，其建筑耐久性能和稳固性能就会大大变差，建筑容易发生破坏甚至倒塌崩塌。生土建筑材料的抗热性能、耐水性能和高温耐久性能普遍较差以及其他各种多方面环境因素的严重影响，使得我国建筑行业在大量使用这种传统复合生土建筑材料过程中受到严重制约。

对于生土建筑材料产生的问题和其优劣性能，如何保留继承传统生土材料的优点，摒弃改进其缺点，是当前进行生土建筑材料技术研究中亟需着力解决的重要问题之一。

2 生土基绿色材料改性研究

在生土材料改性研究与应用的领域中，我国的发展水平是明显低于一些其他国家的。美国在很早的时候就已经通过了与生土建筑相关的法律，其立法详细程度足以对生土建筑材料所包含的所有指标进行规范。时至今日，美国已经在生土建筑材料的研究中取得了较大的成就，包括制备改性生土材料的配比方案和制作技术，以及新型生土材料在建筑中作为建筑结构或立面造型的应用经验。澳大利亚也是在生土建筑应用方面尝试较多的国家之一，在澳大利亚有大量的学者以及技术员在进行生土材料的改性研究和创造新型生土材料的研究。当今世界，随着高速的现代化以及城市化进程，人们对于可持续发展以及绿色发展越来越重视。绿色建筑领域已经受到了相当大的重视，并成为了目前行业的发展趋势。

我国高等院校及科研院所系统广泛地对生土材料进行过一些研究，这些研究的主要包括生土的结构和材料。其中在生土材料的研究当中包括了对生土材料的改性研究。改性研究即在生土材料中添加各种其他材料后，测试此种改性对于生土材料的强度、耐久性、抗冻性能的影响。虽较相比于国外的研究还有一定差距，但是我国对生土的研究已经有显著飞速的起步。

谢冰等［1］对添加麦草植物纤维的生土建材进行了重要参数力学性能的研究。通过使用RMT-301材料抗压试验机对试样材料进行了单轴劈裂抗压强度试验与巴西单轴劈裂强度试验，并由此得出一些结论。单轴抗压强度试验均值确定为0.683 MPa，抗拉应力强度试验均值确定为0.101 MPa。通过测试的结果得出，添加了适量麦草生物纤维后，新的生土建筑材料具有可持续循环，可再利用的优点；同时，添加麦草生物纤维材料也可以极大地增强生土构筑建材的耐热抗压与拉伸抗拉等热力学性能，强化了土体的塑性，提高生土建材的抗变形能力。

张坤等［2］以不同种类的河砂与原有生土材料掺合，同时使用浓度为3%的糯米浆作为掺合时使用的粘结剂，通过对改性生土试件进行轴向抗压试验，得到改性生土试件的荷载-位移曲线，并以此研究改性生土试件的轴向抗压强度。试验结果表明：改性生土材料的粘结剂选择为糯米浆可以有效地提高生土材料的抗压强度和延性比;添加河砂来改性生土材料时，河砂的粒径级配与掺量会在某种程度上影响改性生土试件的抗压强度和延性比，当掺入15%细砂+15%中砂时，其抗压能力会有增强，这种情况下抗压强度的平均值为2.840 MPa，而素土试件抗压强度平均值2.272 MPa，可得出该组试件的抗压强度是素土试件的1.25倍，选择糯米浆和河砂作为改性生土材料，不仅绿色环保，同时也不会影响生土材料原本的生态特性，还可以改善生土材料的力学性能，是一种很有价值，值得推广的改性生土配方。

王赟［3］将改性淀粉与生土用石灰和改性火碱根据一定比例进行配置，得到水的改性氧化淀粉，再将3%和7%水的改性氧化淀粉与水和水性生土按一定比例进行拌匀混合，拌合完成后，进行了无生土侧极限直接抗压强度和无生土侧极限直接抗剪强度试验。无生土侧极限直接抗压强度剪切试验结果表明，3%淀粉改性生土和7%淀粉改性生土的抗压能力，相较于素土的抗压能力，均有提高。掺入3%淀粉的改性生土的抗压强度提高46.5%， 掺入7%淀粉的改性生土抗压强度提高12.7%。淀粉改性生土的抗剪强度明显相较于素土抗剪强度有增强， 改性后材料的摩擦角有一定提高，粘聚力也有一定增强。 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。试验得出结论：使用淀粉来改性生土可以在一定程度上增强生土的抗压强度和抗剪强度， 但是当淀粉含量超过一定的比例， 改性生土的抗压能力会变低， 抗剪能力不会出现的明显的变化。结果表明将淀粉作为掺入材料与生土材料掺合改性，新得出的改性生土的抗压能力比素土增强10%～40%， 同时也增强了生土的抗剪能力，提高了生土的粘聚力。本实验充分说明了淀粉在改性生土材料，甚至开发绿色建筑材料都有很大的发挥空间。

刘志华等［4］在无机材料改性玻璃水泥和塑料水泥的研究基础上，通过添加不同掺量的麻纤维、秸秆纤维等植物纤维，对各种生土基和墙体复合材料进行无机复合材料改性的试验，并测试了使用复合改性前后的墙体材料对于墙体力学性能和耐久老化性能的影响。以不同掺量添加不同的材料配合比为基础，分析了多种植物纤维对不同生土基材料和复合材料的改性反应机理。

实验研究结果表明，掺加水泥熟料和水玻璃的试块可承担荷载相较于未改性生土试块增强了20%。对于掺入1%麻纤维的生土试样，其强度相比于未掺加纤维的试样有一定的增加，但不明显；当麻纤维掺量提高至1.5%时，生土试样的强度有显著的降低。当掺加1%的秸秆纤维时，改性的生土试样与素土试样相比，强度差距不明显。

王毅红等［5］选用竹纤维、糯米浆、废玻璃碎渣等作为改性掺和料。掺料在生土材料中按不同的含量加入，形成绿色改性复合生土基材料。运用试件轴心的抗压程度为原理试验，又和素土标准试块进行对比，研究其基本力学性能以及每一种掺料的合理含量配比，得出生土掺和竹纤维、糯米浆、废玻璃碎渣可以使其抗压强度荷载有一定提高、变形能力进一步增强。在改性掺和材料当中，竹纤维和玻璃碎渣为环保材料，符合绿色持续发展国家战略理念;素土标准试件掺入糯米浆平均增强了43%的抗压强度荷载。当其额外掺加竹纤维和玻璃碎渣时，抗压强度荷载增强达到12%～18%，略有降低。证明掺入糯米浆可以增强生土材料强度荷载。生土中掺料的不同其破环特征不同。素土试件遭破环时为突然脆性破坏。而加入糯米浆后则变为细腰状破坏，至于掺入竹纤维和玻璃碎渣的试件则具有较好的完整性。

李航航［6］等用青藏高原地区特有的青稞秸秆、碎石掺入生土材料形成低成本、低耗能、绿色生土基改性复合材料，研究青稞秸秆、碎石改性生土后变化的力学性能以及最佳含量配合比。相较标准 ，0.25%～1% 含量的青稞秸秆生土试件的抗压荷载提高了 0.23～1.62 倍，改性后的试件抗压强度随青稞秸秆含量的升高而升高，拥有良好的延展性和塑性破坏特征。要避免使用高含量青稞秸秆试件，容易出现分层和缩小开裂。掺入砂子、石子等材料后，试件的抗压荷载明显提高，极限位移也有一定变化。相较标准，10%～20% 含量碎石改性生土试件抗压荷载提高1.18～1.38倍，其抗压强度荷载随着碎石比例的增加呈下降趋向。

蔺广涵［7］以棉花秸秆为主辅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压荷载。得出棉花秸秆的掺量不同对生土试块力学性能荷载的影响程度不同。与素土标准试块抗压强度荷载相应平均值2.53 MPa作比较，掺入长度2 cm、4 cm、6 cm棉花秸秆可使试块抗压荷载各自提高2%、28%、1%，可知道合适的棉花秸秆可以很大程度改性生土。棉花秸秆与中砂各地产量丰富，符合可持续发展国家战略原则。掺入5%的中砂对生土试块力学性能荷载提高最大。相较于标准，0.5%棉花秸秆和5%中砂的一起使用可以很好兼顾试块的变形能力，还能最大程度增加试块力学性能。

王毅红等［8］以糯米浆为粘结剂，掺入废旧玻璃渣和废旧橡胶得到改性绿色生土复合材料。对其进行力学试验，研究得到的改性生土材料的轴心抗压性能和抗延伸性能，2种绿色材料在改性生土复合材料中的合理含量。得出相较标准，在掺入3%浓度、含量为13%的糯米浆的干燥土体材料各项力学基本性能中，开裂荷载提高了159%，延展性提高101%，抗压荷载达到3.28 MPa，提高了143%。使用这种糯米浆可以极大增强生土材料的防水抗压抗腐蚀性能以及抗震抗开裂的能力。与添加糯米浆的生土试块相比，掺入不同含量废旧玻璃残渣和废旧橡胶的试块的抗压荷载虽有较大提升，但还是略低。且其随着掺料比例的不断加大先升至3.12 MPa后不断下降，破坏时间延长，断裂位置降低。得到的高抗压振动强度荷载的理论最大值为3.17 MPa。废旧玻璃残渣与废旧橡胶的合理使用掺量的含量比例各自分别为8.1%～11%、0.81%～1.1%。改性生土材料可有效吸纳大量工业建筑废料，有利于保护环境和生态，同时，能有效率地提高耐水性和改善生土建筑材料的整体力学性能荷載指标，为我国生土建筑材料工程改性技术研究发展提供有效的实验价值参考。

3 结论

综上所述，我国许多高校以及相关科研机构的主要研究者都在为我国生土建筑材料工程改性技术研究方面不断努力并最终获得较好的科研研究结果，进一步充分证明了我国生土建筑材料改性技术研究成果的重要价值，为我国生土建筑材料工程改性技术研究发展提供宝贵研究经验和实验经验。

但是其中涉及到生土与绿色材料的结合改性的开展研究较少，随着社会的不断发展，人们需要更加重视如何可以绿色环保地改性生土材料，如何使改性生土建材更加贴合可持续发展原则。当今时代，在生土基绿色建筑材料方向，还有较大的可探索可研究空间。

参考文献

［1］ 谢冰，吴昌勇.含麦草纤维生土建材的拉压力学性能试验研究［J］. 绿色环保建材，2020（10）.

［2］ 张坤，王毅红，杨战社，等.以河砂为掺料的改性生土材料抗压试验研究［J］.建筑结构，2019，49（4）.

［3］ 王赟.淀粉基绿色建筑材料应用及试验研究［J］.化工新型材料.2011，39（4）.

［4］ 马军涛，刘志华，张磊，等.植物纤维增强生土基复合材料的性能研究［J］.混凝土与水泥制品，2016（7）.

［5］ 王毅红， 丁思远，杨世豪，等.掺入玻璃和竹纤维的生土基材料性能试验研究［J］.西安科技大学学报，2016，36（5）.

［6］ 李航航， 李辉， 张吾渝， 等.基于青稞秸秆纤维及碎石的改性生土抗压性能试验研究［J］. 青海大学学报， 2021，39（2）.

［7］ 蔺广涵，叶洪东.棉花秸秆改性生土材料试验研究［J］.天津城建大学学报，2018，24（3）.

［8］ 王毅红，刘芳，刘亮，等.掺入工业废料的改性生土材料抗压试验［S］. 长安大学建筑工程学院学报，2016，38（6）.

［9］ 吴永成，张军武.密度影响下秸秆生土砖导热性能研究［J］.甘肃科学报，2017，29（6）.