國內外生土材料研究進展

關鍵詞：生土材料；生土改性；力學性能；耐久性能中圖分類號：TQ172.4 ；TU44 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）05-0073-04

Abstract：Asan important partof traditional building materials，raw soil is widely used at home and abroad because of its green，energy-saving，andeasy to obtain materials，butits por mechanical properties and durabilityand other shortcomings limit its development.Through the introduction of the history and current situation of soil building at home and abroad，as wellas its mechanicsand durability properties，and the modification methods of soil materials at home and abroad were reviewed，focusing on the current situation and trend of mechanical properties，durability properties，moisture absorption and heat storage properties of soil materials，as well as the development of physical modification，chemical modification and compound blending，the experience thatcan be used for reference in the research of soil materials modification at home and abroad was summarized，and the further problems that need to be solved in the aspects of soil materials and blocks were proposed.

Key words ：raw soil materials；raw soil modification； mechanical properties ；durability

生土結構作為一種傳統且經濟環保的建筑技術，通常被用于窯洞和夯土結構當中，國內外均可見到生土材料的應用[1]。根據統計數據顯示，世界各地仍有10多億人居住在由生土材料制成的建筑中，且大多居住在中東和中亞等地區[2]。這些地區由于經濟較為落后，因此生土建筑成為了其為數不多的選擇[34]。而在中國，生土建筑在農村地區較為常見，其主要分布于中國西南、東部、中部等地區[5]。作為一種傳統的建筑材料，生土不僅具有綠色環保，易于取材，施工方便，便宜等優點，還具有良好的蓄熱和吸濕性能[6]。但隨著時代的發展，其較差的力學性能及耐久性能已經不能滿足人們日常所需，因此人們對生土材料的研究也越來越深入，其中生土材料的物理與化學改性成為研究的重點之一，通過添加不同的物理材料及化學材料，來改善生土材料的力學性能、耐久性能等[]。本研究對生土材料的性能特點進行了分析，隨后重點介紹了生土材料改性的研究現狀，包括國內外學者采用的化學改性、物理改性和復合改性等方法，旨在為改善生土材料的力學性能和耐久性等方面提供新的思路。

1生土材料的性能特點

1.1生土材料的力學性能和耐久性能

相較于其他墻體材料而言，生土材料由于其較差的力學性能及耐久性能一直未得到廣泛的應用。根據中國城鄉建設部對全國農村危房的調查顯示，中國農村地區大概有 35% 左右的危房。根據國內外學者的研究發現[8-9]，相較于燒結磚、混凝土等材料而言，生土材料的抗壓強度仍有較大差距，如圖1所示[10] 。

1.2生土材料的吸濕和蓄熱性能

生土材料作為一種多孔材料，具有很強的吸濕能力。大量的研究表明，生土材料在調節室內溫度和濕度方面提供了一定的幫助，與瓷磚相比，生土材料可以吸收10 倍左右瓷磚質量的水分[11-12]。這是由于外部環境的相對濕度與生土結構孔隙內的相對濕度之間保持了平衡[1-14]。因此，生土材料由于其較強的吸濕能力，可以平衡室內溫度，實現冬暖夏涼。

生土材料和其他材料的蓄熱和導熱系數的對比如圖2所示[15]

2 國內外生土材料改性現狀

2.1 生土材料化學改性

世界各地的研究人員對生土材料進行了大量的化學改性研究。這些方法主要包括將單一或復合形式的化學改性材料與生土材料相結合，通過化學反應制造成新型生土材料，從而增強生土材料[的力學性能和耐久性能。常用的化學改性材料通常為石灰、水泥和石膏[17]，以及工業副產品等[18]。

2.1.1化學改性對力學性能的影響

不同膠凝材料對抗壓強度的影響[19]如圖3所示。

統計數據表明，目前水泥是改善生土材料性能最重要的添加劑，但單純依靠水泥的添加并不是一個完美的改性劑；在單摻水泥改性的情況下，主要水化產物是纖維狀水化硅酸鈣，它附著在生土的孔隙中，為改性后的生土提供一定的強度。然而但它不能充分填充生土孔隙，從而限制了生土強度的進一步增強。

實驗研究表明，堿激發礦渣改性生土的抗壓強度比水泥改性生土的抗壓強度提高了2倍以上[20]。胡明玉等通過使用鋼鐵廠廢渣和少量無機添加劑作為無機土壤固化劑，對普通粘土進行改性，并通過實驗發現當無機土壤固化劑摻入量在 20%～25% 時，生土材料的抗壓強度達到了 。Singhi等的研究表明，堿激發改性的生土材料強度是水泥改性的6倍左右[22]。這些研究表明，合理利用工業副產品和堿激發劑技術可以顯著提高生土材料的力學性能，為生土材料可持續發展提供新的路徑。

2.1.2化學改性對耐久性能的影響

Kariyawasam通過實驗表明，單獨添加石膏并不能有效提高生土材料的耐水性。因為石膏是一種硬化膠凝材料，與水接觸后會迅速發生水化反應，從而形成石膏漿。相反，加入水泥、礦渣或石灰和水泥的混合物，可以顯著增強生土材料的抗水性能，這是因為在加入水泥、礦渣、粉煤灰和石灰后，石膏和石灰或水泥組分之間會發生相互作用，從而形成更穩定的結構[23]。Degirment 等通過在生土材料中加入天然石膏和磷石膏后發現，試件的耐水性能得到一定改善[24]。李欣等通過將活性微粉添加到水泥改性的生土材料中，發現當微粉含量小于 10% 時，其耐水性能會顯著提高，同時吸濕率也會降低，而且其耐水性能比使用再生混凝土粉的效果要好[25]。錢覺時等在研究中發現，將聚羧酸減水劑作為改性材料，可以有效提升生土材料的耐水性能[26]。

凍融損傷也是影響生土墻體長久使用的重要因素之一，這是因為生土材料很容易因反復的凍融循環而受到破壞。為了減輕這類損傷，劉軍等通過在生土材料中摻入粉狀固化劑，并測試了其凍融循環后的強度損失情況，研究結果表明，隨著固化劑摻量達到 15% 時，其表現出明顯的抗凍效果[27]；胡明玉等通過使用鋼鐵廠廢渣和少量無機添加劑作為無機土壤固化劑，對普通粘土進行改性，并通過實驗發現當無機土壤固化劑摻入量在 20%～25% 時，生土材料的抗凍性指標（BDR）達到了 38.38% ，這表明生土在加人改性材料后具有良好的抗凍性[21]

綜上所述，國內外學者在改善生土材料力學性能與耐久性能方面選擇了多種多樣的改性材料，并進行了大量的實驗研究，開發了各種改性材料的組合與摻量。在這些改性方法中，石灰、水泥等化學添加劑被認為是最為常見改性劑[28]。這些研究成果為后續的實際工程應用提供了一定的參考，為生土材料的可持續發展提供了新的思路。

2.2生土材料物理改性

生土材料的物理改性主要包括：加入骨料來改變顆粒組成和級配，以及在生土中引入纖維材料。這些方法主要利用了纖維與土壤之間的結合力，從而提高生土材料的強度和變形能力[29]

常見的物理改性方法則是通過添加纖維材料，包括植物纖維和合成纖維。根據以往的大量研究表明，纖維的添加增加了生土材料的表面積，為生土和纖維之間的相互作用提供了更多的界面，從而增強了抗壓強度[30]。最新的研究表明，利用合成纖維改性的生土材料，也會提高生土材料的力學性能[31]Kim等使用廢棄的聚乙烯漁網來改造輕質土壤。實驗結果表明，添加適量的廢棄漁網可顯著提高試塊的抗壓強度，且最佳摻量為 0.25% 左右[32]。Illam-pas等使用玻璃纖維來改性生土材料，實驗結果表明，玻璃纖維的加入可以提高生土材料的強度和抗裂性。然而，與合成纖維相比，天然纖維在提高生土材料強度方面的效果更為明顯[33]。陶忠等通過在土坯中摻入松針，并通過改變松針和土的不同質量配合比，制成改性土壞試件，并對其進行抗壓、抗剪和抗折試驗，得出松針的最佳添加量為 O王毅紅等通過在生土中加入玻璃渣和竹纖維，發現加入玻璃和竹纖維的生土試件在破壞后整體性較好，其因是竹纖維抑制了生土試件中裂縫的發展，且碎玻璃在試件內部起到了類似混凝土中粗骨料的作用[35]。劉俊霞等通過改變植物纖維的表面形態和用量，來研究植物纖維對生土材料的力學性能、抗水性能和微觀結構的影響。通過實驗結果表明：相比于未改性的控制組，改變植物纖維的表面形態和用量可以顯著提高并穩定生土材料的力學性能、抗水性能和微觀結構。最后經過實驗結果表明改性黃麻纖維最佳摻量為 0.8%～1.2% 。不同纖維對生土材料抗壓強度的影響如圖4所示[36-37] 。

3展望

由上述內容可以看出國內外關于生土材料改性方面的研究已經取得了一定的成果，且在農村地區已經得到了一定的應用，但是相較于鋼筋混凝土結構、鋼結構等結構體系而言，還有很多待解決的問題：

（1）世界各地生土材料分布較廣，目前尚缺乏對生土材料力學性能與耐久性能統一的測試方法；

（2）世界各地的生土材料基本性能各異，因此相同的改性配比可能會造成不同的改性效果，因此還需要投入大量的工作在改性材料和配比等方面進行整理歸納；

（3）在進行改性材料的選取時，由于生土材料其本身的特點，不應只追求改性效果，還應該注意改性成本以及改性后生土材料的回收利用等問題。

4結語

生土材料作為一種天然建筑材料，受到了國內外相關領域的廣泛關注，并在過去的幾十年間研究人員進行了大量研究，目前對生土材料改性的研究主要分為物理改性與化學改性，多以復摻為主，且對生土材料的提升主要體現在抗壓性能、抗折性能、凍融性能等方面。因此，在生土結構后續研究中，應當在保留其綠色，造價低，可持續發展等優點的同時，注入現代技術，對其力學性能及其耐久性能等方面進行改良，使生土結構在未來能夠成為具有地域特色、經久不衰的建筑。

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（責任編輯：蘇幔）