Уплотненная земля как строительный материал для влажных грунтов.

Введение

Строительный материал из влажных грунтов

Трамбовка земли – это техника строительства фундаментов, полов и стен с использованием уплотненных природных материалов, таких как земля, мел, известь или гравий. Это древний метод, который в последнее время вновь получил распространение как экологически устойчивый способ строительства. Под французским названием "pisé" он также используется для создания скульптур, как правило, небольших и изготовленных в формах. Особенно широко он применялся в искусстве Центральной Азии и Тибета, а также иногда в Китае. Сооружения, возведенные методом трамбовки земли, встречаются на всех континентах, кроме Антарктиды, в различных климатических условиях, включая умеренный, влажный, полузасушливый, горный и тропический. Благоприятными факторами для его использования являются наличие подходящей почвы и проект здания, соответствующий местным климатическим условиям. Французский термин "pisé de terre" или "terre pisé" иногда использовался в английском языке для обозначения архитектурных применений, особенно в XIX веке.

Строительный процесс

Изготовление трамбованной земли включает в себя уплотнение влажной смеси грунта, содержащей в подходящих пропорциях песок, гравий, глину, ил и стабилизатор (при его наличии), в опалубку – внешне поддерживаемую раму или форму. Исторически для стабилизации использовались такие добавки, как известь или кровь животных. Почвенная смесь заливается в опалубку на определенную глубину, а затем уплотняется примерно до 50% от первоначального объема. Грунт уплотняется итеративно, слоями, чтобы постепенно возводить стену до верха опалубки. Раньше трамбовка осуществлялась вручную длинным трамбовочным столбом, но современные строительные системы могут использовать пневматические трамбовки. После завершения стены она становится достаточно прочной для немедленного снятия опалубки. Это необходимо, если требуется применить текстуру поверхности, например, путем проволочной щетки, резьбы или отпечатка формы, поскольку стены становятся слишком твердыми для обработки примерно через час. Прочность трамбованной земли на сжатие увеличивается по мере твердения. Трамбованная земля, стабилизированная цементом, твердеет в течение минимум 28 дней. В современных зданиях из трамбованной земли стены возводятся на обычные фундаменты или на плиту из железобетона. Строительство всей стены начинается с временной рамы – "опалубки", которая обычно изготавливается из дерева или фанеры и служит формой для желаемой формы и размеров каждого участка стены. Опалубка должна быть прочной и хорошо укрепленной, а две противоположные стороны должны быть надежно скреплены вместе, чтобы предотвратить выпучивание или деформацию, вызванную большими сжимающими усилиями. Опалубка играет важную роль в строительстве стен из трамбованной земли. Исторически для строительства стен использовались деревянные доски, связанные веревкой. Современные строители используют фанеру и/или сталь для изготовления опалубки.

Характеристики

Прочность на сжатие грунта, уплотненного трамбовкой, определяется такими факторами, как тип почвы, гранулометрический состав, степень уплотнения, влажность смеси и тип/количество используемого стабилизатора. Хорошо изготовленные стены из грунта, стабилизированного цементом, могут варьироваться в пределах… Более высокая прочность на сжатие может потребовать большего количества цемента. Однако добавление большего количества цемента может повлиять на водопроницаемость стен. Действительно, правильно построенные сооружения из грунта, уплотненного трамбовкой, существуют тысячелетиями, что демонстрируют многочисленные древние постройки, сохранившиеся по всему миру. В районах с высокой сейсмической активностью стены из грунта, уплотненного трамбовкой, армируются стальной арматурой. Добавление цемента в почвенные смеси с низким содержанием глины также может увеличить несущую способность зданий из грунта, уплотненного трамбовкой. В 1925 году Министерство сельского хозяйства США отметило, что конструкции из грунта, уплотненного трамбовкой, могут служить неопределенно долго и могут быть построены по цене менее чем в две трети стоимости стандартных каркасных домов. Для работ с грунтом, уплотненным трамбовкой, требуется как минимум один квалифицированный специалист для контроля качества. Остальные рабочие могут быть неквалифицированными или полуквалифицированными. Значительным преимуществом грунта, уплотненного трамбовкой, является его высокая теплоемкость: как кирпич или бетон, он поглощает тепло днем и отдает его ночью. Это смягчает суточные колебания температуры и снижает потребность в кондиционировании и отоплении. В более холодных климатических условиях стены из грунта, уплотненного трамбовкой, можно утеплять, вставляя утеплитель, такой как пенопласт или жесткие панели из стекловолокна, во внутренние и внешние слои грунта. В зависимости от типа и содержания вяжущего вещества, материал также необходимо защищать от сильного дождя и изолировать пароизоляционными мембранами. Грунт, уплотненный трамбовкой, может эффективно регулировать влажность, если необработанные стены, содержащие глину, открыты для внутреннего пространства. Влажность регулируется в пределах 40–60%. Масса материала и содержание глины в грунте, уплотненном трамбовкой, позволяют зданию "дышать" больше, чем бетонным зданиям. Это предотвращает проблемы с конденсацией и значительные потери тепла. Стены из грунта, уплотненного трамбовкой, имеют цвет и текстуру натуральной земли. Некоторые люди не используют влагонепроницаемые покрытия, такие как цементная штукатурка, поскольку они ухудшают способность стены отдавать влагу, что необходимо для сохранения ее прочности. Дефекты можно исправить, используя почвенную смесь в качестве штукатурки и отшлифовав ее до гладкости. Толщина сильно варьируется в зависимости от региона и строительных норм. Она может составлять всего… для ненесущих стен и до… для несущих стен. Толщина и плотность стен из грунта, уплотненного трамбовкой, делают их пригодными для звукоизоляции. Они также по своей природе огнестойки, устойчивы к повреждению термитами и нетоксичны.

The compressive strength of rammed earth is dictated by factors such as soil type, particle size distribution, amount of compaction, moisture content of the mix and type/amount of stabiliser used. Well produced cement stabilised rammed earth walls can be anywhere between Higher compressive strength might require more cement. But addition of more cement can affect the permeability of the walls. Indeed, properly constructed rammed earth endures for thousands of years, as many ancient structures that are still standing around the world demonstrate. Rammed earth walls are reinforced with rebars in areas of high seismic activity. Adding cement to soil mixtures low in clay can also increase the load bearing capacity of rammed earth edifices. The United States Department of Agriculture observed in 1925 that rammed earth structures endure indefinitely and can be constructed for less than two thirds of the cost of standard frame houses. Rammed earth works require at least one skilled person for quality control. All other workers can be unskilled or semi skilled. One significant benefit of rammed earth is its high thermal mass: like brick or concrete, it absorbs heat during the day and releases heat at night. This action moderates daily temperature variations and reduces the need for air conditioning and heating. In colder climates, rammed earth walls can be insulated by inserting insulation such as styrofoam or rigid fibreglass panels within internal and external layers of rammed earth. Depending on the type and content of binder, it must also be protected from heavy rain and insulated with vapour barriers. Rammed earth can effectively regulate humidity if unclad walls containing clay are exposed to an internal space. Humidity is regulated between 40% and 60%. The material mass and clay content of rammed earth allows an edifice to breathe more than concrete edifices. This avoids problems of condensation and prevents significant loss of heat. Rammed earth walls have the colour and texture of natural earth. Moisture impermeable finishes, such as cement render, are not used by some people because they impair the ability of a wall to desorb moisture, which quality is necessary to preserve its strength. Blemishes can be repaired using the soil mixture as a plaster and sanded smooth. The thickness varies widely based on region and code. It can be as little as for non load bearing walls and up to for load bearing walls. The thickness and density of rammed earth walls make them suitable for soundproofing. They are also inherently fireproof, resistant to termite damage, and non toxic.

Экологические последствия и устойчивость

Здания из утрамбованной земли более устойчивы и экологичны, чем другие строительные технологии, использующие больше цемента и других химических веществ. Поскольку для строительства из утрамбованной земли используются местные материалы, они обычно имеют низкое воплощенное энергопотребление и производят очень мало отходов. Используемые почвы, как правило, представляют собой подпочву, что позволяет сохранить плодородный слой для сельского хозяйства. Если для строительства можно использовать грунт, выкопанный при подготовке фундамента, затраты и энергозатраты на транспортировку будут минимальными. Утрамбованная земля, вероятно, является наименее вредным для окружающей среды строительным материалом и технологией, которые сегодня легко и коммерчески доступны для возведения прочных зданий. Утрамбованная земля имеет потенциально низкое воздействие на производство, зависящее от количества используемого цемента и степени его локального происхождения; часто это добываемый щебень, а не "земля" в чистом виде. Утрамбованная земля может способствовать общей энергоэффективности зданий: благодаря своей плотности, толщине и теплопроводности она является особенно подходящим материалом для пассивного солнечного отопления. Для прохождения тепла сквозь толстую стену требуется почти 12 часов. Хотя теоретически выбросы парниковых газов невелики, транспортировка и производство цемента могут значительно увеличить общие выбросы при современном строительстве из утрамбованной земли. Самый простой вид традиционной утрамбованной земли характеризуется очень низкими выбросами парниковых газов, но более сложные и обработанные варианты утрамбованной земли могут приводить к значительным выбросам.

История

Доказательства древнего использования трамбованной земли были обнаружены в неолитических археологических памятниках, таких как памятники Плодородного полумесяца, датируемые 9–7 тысячелетием до н.э., и культуры Яншао и Луншань в Китае, датируемые 5000 годом до н.э. К 2000 году до н.э. технологии строительства из трамбованной земли (夯土 Hāng tǔ) широко использовались для возведения стен и фундаментов в Китае.

Соединенные Штаты и Канада

В 1800-х годах в Соединенных Штатах книга S. W. Johnson "Сельская экономика" способствовала популяризации строительства из утрамбованной земли. Эта техника была использована при возведении плантации Borough House и церкви Святого Креста в Стейтсбурге, Южная Каролина, обе из которых являются национальными историческими памятниками. Выдающимся примером сооружения из утрамбованной земли в Канаде является англиканская церковь Святого Фомы в Шанти-Бей, Онтарио, построенная в период с 1838 по 1841 год. С 1920-х по 1940-е годы в США проводились исследования в области строительства из утрамбованной земли. Южно-Дакотский государственный колледж провел обширные исследования и построил около ста образцов стен из утрамбованной земли, устойчивых к атмосферным воздействиям. Более 30 лет колледж изучал применение красок и штукатурок в связи с коллоидами в почве. В 1943 году Сельскохозяйственный колледж Клемсона в Южной Каролине опубликовал результаты своих исследований об утрамбованной земле в брошюре под названием "Строительство зданий из утрамбованной земли". В 1936 году недалеко от Гардендейла, штат Алабама, Министерство сельского хозяйства США совместно с архитектором Томасом Хиббеном построило экспериментальные сооружения из утрамбованной земли на фермерском участке. Дома строились недорого и продавались населению вместе с достаточным количеством земли для садов и небольших участков для домашнего скота. Проект оказался успешным, обеспечив жильем семьи с низким доходом. После Второй мировой войны интерес к строительству из утрамбованной земли снизился, поскольку стоимость современных строительных материалов уменьшилась. Утрамбованная земля считается не соответствующей стандартам, и многие подрядчики, инженеры и строители выступают против ее использования.

Китай XX века

Строительство из утрамбованной земли имело важное практическое и идеологическое значение во время стремительного строительства нефте месторождения Дацин и сопутствующего развития города Дацин. "Дух Дацина" выражал глубокую личную преданность достижению национальных целей, самообеспечение и бережливый образ жизни, а также комплексное использование земель в городских и сельских районах. Утверждалось, что городская и сельская среда Дацина воплощала идеальное коммунистическое общество, описанное Карлом Марксом, поскольку она устраняла (1) разрыв между городом и деревней, (2) разрыв между рабочими и крестьянами и (3) разрыв между физическим и интеллектуальным трудом. Эта политика нашла выражение в лозунге: "Сначала завод, а затем жилье".