Строительство из земляных мешков: доступная и прочная технология.

Введение

Метод строительства

Строительство из земляных мешков – это недорогой метод возведения зданий, в котором в основном используется местная почва для создания прочных и быстро возводимых конструкций.

Особенности

Это естественная строительная техника, разработанная на основе исторических методов строительства военных бункеров и временных методов возведения дамб для защиты от наводнений. Для её реализации требуются очень простые строительные материалы: прочные мешки, наполненные органическим материалом, обычно доступным на месте. Стандартный материал для заполнения земляных мешков обладает внутренней устойчивостью. Используется либо влажный субстрат, содержащий достаточно глины для обеспечения связности при трамбовке, либо водостойкий угловатый гравий или дробленая вулканическая порода. Стены постепенно возводятся путем укладки мешков рядами, образуя ступенчатый узор, аналогичный кирпичной кладке. Стены могут быть изогнутыми или прямыми, покрытыми землей или традиционными крышами. Изогнутые стены обеспечивают хорошую поперечную устойчивость, формируя круглые помещения и/или купольные потолки, как у иглу. Здания с прямыми стенами длиной более определенного значения нуждаются в пересекающихся стенах или контрфорсах. Существуют международные стандарты для определения размеров и расположения распорок для земляных конструкций в различных зонах сейсмического риска, в частности, стандарты Новой Зеландии, рекомендованные стандартами строительства из земли ASTM International. Статические испытания на сдвиг показывают, что земляные мешки могут достигать прочности, сопоставимой со стандартами армированного саманного кирпича Новой Зеландии при определенных характеристиках грунта и армировании, хотя неармированные земляные мешки со слабым грунтом могут иметь более низкую прочность на сдвиг, чем неармированный саманный кирпич. Для улучшения трения между мешками и прочности стены между рядами обычно укладывают колючую проволоку. Веревку также иногда обматывают вокруг мешков, чтобы соединить ряды между собой, удерживать конструкцию в процессе строительства и обеспечивать надежную посадку рядов на зубцы колючей проволоки. Арматуру можно забивать в стены для усиления углов и краев проемов, а также для обеспечения сопротивления опрокидыванию. Обычно конструкцию отделывают штукатуркой – цементной на прочном сетчатом слое или глинобитной или известковой штукатуркой – для отвода воды и защиты ткани от ультрафиолетового излучения. Отделка может варьироваться в зависимости от условий применения: от защищенных внутренних поверхностей до открытых наружных. Эта строительная техника является одним из самых универсальных методов природного строительства и может использоваться для скамеек, отдельно стоящих стен, временных убежищ, временного или постоянного жилья, а также для амбаров и коммерческих зданий. Земляные мешки часто выбирают для строительства небольших и средних институциональных сооружений в развивающихся странах. Подземные конструкции, включая подземные и полузаглубленные жилища (например, Earthships), цистерны, колодцы, погреба и подпорные стены, могут быть построены с использованием стабилизированного грунта или с дополнительным армированием и водостойким гравием или песком.

It is a natural building technique developed from historic military bunker construction techniques and temporary flood control dike building methods. The technique requires very basic construction materials: sturdy sacks filled with organic material usually available on site. Standard earthbag fill material has internal stability. Either moist subsoil that contains enough clay to become cohesive when tamped, or a water resistant angular gravel or crushed volcanic rock is used. Walls are gradually built up by laying the bags in courses—forming a staggered pattern similar to bricklaying. The walls can be curved or straight, domed with earth or topped with conventional roofs. Curved walls provide good lateral stability, forming round rooms and/or domed ceilings like an igloo. Buildings with straight walls longer than in length need intersecting walls or bracing buttresses. International standards exist for bracing wall size and spacing for earthen construction in different types of seismic risk areas, most notably the performance based standards of New Zealand recommended by the ASTM International's earth building standards. Static shear testing shows that earthbag can reach similar strengths to New Zealand's reinforced adobe standards with specific soil strengths and reinforcement although unreinforced weak soil earthbag can have lower shear strength than unreinforced adobe. To improve friction between bags and wall tensile strength barbed wire is usually placed between courses. Twine is also sometimes wrapped around the bags to tie one course to the next, to hold in progress structures together and keep courses well seated on barbed wire prongs. Rebar can be hammered into walls to strengthen corners and opening edges and provide resistance against overturning. The structure is typically finished with plaster, either cement stucco on a strong mesh layer or an adobe or lime plaster, to shed water and prevent fabric UV damage. Finishes can differ from protected interior applications to exposed external applications. This construction technique is one of the most versatile natural building methods and can be used for benches, freestanding walls, emergency shelters, temporary or permanent housing, or barns and commercial buildings. Earthbag is frequently chosen for many small to medium sized institutional structures in the developing world. Subgrade structures including underground and bermed dwellings (such as Earthships), cisterns, spring boxes, root cellars, and retaining walls can be built with stabilized soil fill or with additional reinforcement and water resistant gravel or sand fill.

Писатели

Хотя Джозеф Кеннеди, вероятно, и придумал термин "земляной мешок" (а также концепцию земляной массы, заключенной в мешки), Паулина Войцеховская написала первую книгу по строительству из земляных мешков в 2001 году – "Строительство с землей: руководство по строительству из земляных мешков с использованием гибкой опалубки". Келли Харт создала обширную онлайн-базу данных информации о строительстве из земляных мешков, способствуя обмену идеями. Каки Хантер и Дони Киффмайер работали над различными проектами после обучения у Халили, называя технологию "уплотненной землей в гибкой опалубке". Их книга 2004 года "Строительство из земляных мешков: инструменты, приемы и технологии" доступна в электронном формате. Различные авторы, включая Оуэна Гейгера и Патти Стоутер, разработали бесплатные онлайн-буклеты, содержащие результаты структурных исследований и методы полевых испытаний, разработанные для сельской местности. Электронная книга Гейгера 2011 года "Руководство по строительству из земляных мешков: вертикальные стены шаг за шагом" содержит фотоиллюстрации процесса и обсуждение новых техник для регионов с низким уровнем риска.

Сторонники

Многие, такие как Акио Иноуэ из университета Тенри в Японии и Скотт Говард из Earthen Hand, испытывали и строили здания. Харт вместе с Гейгером способствовал развитию строительства из земляных мешков, адаптируя его к различным культурным и климатическим условиям. Роберт Шир построил дом из земляных мешков в Юте, а Морган Каравей из Школы устойчивой жизни также строит дом, использующий принципы проектирования земляных кораблей. В то время как Гернот Минке, немецкий профессор глиняной архитектуры, первым разработал технику строительства стен из мешков, наполненных пемзой, архитектор и строитель Надер Халили способствовал возрождению строительства из земляных мешков как современной технологии, известной как суперадобе, для гуманитарных целей (особенно для жилых зданий), а также для естественного контроля над наводнениями. Доктор Джон Андертон из Южной Африки испытал трехканальный мешок, который снижает проблемы проседания, свойственные несвязным заполнителям, таким как песок, и разработал систему узких песчаных стен, которую он назвал E khaya. Фернандо Пачеко из Бразилии первым начал использовать более легкие сетчатые трубки из полиэтилена высокой плотности (ПЭВД) для упрощенных стен из гиперадобе. Строительство из земляных мешков используется при восстановлении после стихийных бедствий и в регионах с низким уровнем дохода по всему миру. Хотя тяжелые земляные стены обычно опасны во время землетрясений, весенние землетрясения 2015 года в Непале оставили здания из земляных мешков в хорошем состоянии рядом с разрушенными строениями. Инженер Набиль Таха разработал первые общие технические условия для одного типа наружного армирования, подходящего для зон с самым высоким сейсмическим риском. Несколько студентов-инженеров испытывали не затвердевшие или малопрочные земляные мешки, а Build Simple – затвердевшие связные стены. Строительные организации в Непале в настоящее время работают с инженерами над улучшением и совершенствованием вариантов армирования для сейсмостойких зданий из земляных мешков.

Способ изготовления

Строительство обычно начинается с выемки траншеи до нетронутого минерального грунта, который частично заполняется камнями и/или гравием для создания фундамента в виде щебеночной траншеи. В регионах с высокой сейсмической активностью может быть рекомендован железобетонный фундамент или ростверк. Здания из земляных мешков также могут быть построены на обычных бетонных плитах (хотя это более дорогостоящий и энергозатратный вариант по сравнению с щебеночной траншеей) и могут иметь примыкающий или подземный "плавающий" фундамент, как в домах типа "земляной корабль". Несколько слоев гравия в двойных тканых мешках формируют водонепроницаемый фундамент. Каждый слой обычно имеет два отрезка колючей проволоки сверху, которые крепятся к мешку для предотвращения скольжения и сопротивления тенденции к наружному расширению купольных или прямоугольных стен. Мешки в следующем слое смещаются на половину ширины стены, подобно перевязке кирпичной кладки. Мешки могут быть предварительно заполнены материалом и подняты, либо мешки или трубы заполняются непосредственно на месте. Вес земляной засыпки фиксирует мешок на колючей проволоке снизу. Легкое трамбование мешков или труб уплотняет влажную глинистую засыпку и создает взаимосвязанные мешки или трубы, закрепленные на колючей проволоке.

Типы контейнеров

Наиболее популярен плотнотканый полипропилен, который доступен по всему миру для транспортировки риса или других зерновых. Полипропилен недорог и устойчив к повреждениям от воды, гниению и насекомым. Трубы часто можно приобрести у производителей, которые сшивают их в мешки. Также используются сетчатые трубки из мягких вязаных поливолокон, хотя можно использовать и жесткую экструдированную сетку или тканые мешки. Допускается использование органических/натуральных материалов, таких как конопля и джут (например, "мешковина"). Поскольку эти материалы могут гнить, их следует использовать только со связными заполнителями (содержащими значительное количество глины), которые при уплотнении образуют монолитные массы.

Терминология

Земляные мешки – это разнообразная группа технологий. Каждый тип наполнителя и контейнера имеет различные требования к прочности и армированию. Для опасных участков необходима точная терминология. Удерживаемая земля (CE) основана на оригинальной технике, но с определенными характеристиками прочности грунта и армированием, подобранными в соответствии с уровнем опасности. CE использует влажный, когезионный, уплотненный наполнитель в мешках, который прочно связывается с колючей проволокой и другим армированием по мере затвердевания стены. CE – это не песочные мешки. Песок в контейнере (CS) использует песчаный наполнитель или любой наполнитель, слишком сухой или с плохой когезией, который ведет себя структурно как песочные мешки. CS должен строиться из мешков из плотной ткани и иметь надежную защиту от повреждения ткани, опираясь на прочность ткани мешка для обеспечения прочности стены. CS требует большего количества вертикального армирования для сопротивления сдвигу и внеплоскостной прочности, чем CE, или может потребоваться несущая оболочка. Некоторые строители используют узкие мешки с песком в качестве заполнителя стен. Удерживаемый гравий (CG) использует наполнитель из любого крупного заполнителя, большего, чем крупный песок, обычно в двойных рисовых мешках, хотя можно использовать и прочную сетку. CG ограничивает передачу влаги от фундамента. Модульная CE строится из мешков для зерна или аналогичных труб. Стены опираются на сцепление между колючей проволокой и/или дополнительными штырями между слоями. Цельная CE – это гиперадоба, построенная в каком-либо типе вязаной сетчатой трубы, так что влажный земляной наполнитель затвердевает между слоями.

Материалы для заполнения мешков

Как правило, в качестве наполнителя используется неорганический материал, но некоторые органические материалы (например, рисовая шелуха) могут быть использованы, если прочная матрица, такая как проволочная сетка, укрепляет штукатурку. Земляная засыпка может содержать 5–50% глины и может представлять собой "мелкий отсев", "дорожный грунт", "инженерную засыпку" или местный подпочвенный слой. "Сырые" или не стабилизированные почвы твердеют, образуя монолит, но не выдерживают длительного замачивания. Подпочвы с глиной хорошо формуются и прочно прилегают к колючей проволоке и арматуре. Засыпка может содержать большое количество заполнителя, если он хорошо трамбуется и затвердевает. Можно использовать раздавленные бутылки, крепкий строительный мусор или пластиковые отходы, но смеси с высоким содержанием заполнителя могут затруднить установку арматуры. Песок, каменная крошка и гравий могут выдерживать длительное затопление, но большинству из них требуется дополнительное укрепление во время строительства, а также какая-либо форма несущей оболочки. Песчаная засыпка может быть уместна для нескольких слоев, чтобы обеспечить виброизолирующее основание здания, но становится нестабильной в обычных мешках при высоте более [указать высоту]. Стабилизация цементом, известью или битумом может позволить глинистой почве выдерживать затопление или использовать песок в традиционных мешках с не несущей штукатурной оболочкой. Поскольку стены из земляных мешков обычно толстые, требуется большое количество стабилизатора. Теплоизоляционные свойства важны для климата с экстремальными температурами. Теплоизоляционная способность материала напрямую связана как с его пористостью, так и с толщиной стены. Дробленый вулканический камень, пемза или рисовая шелуха обладают более высокой теплоизоляцией, чем глина или песок. Необработанные органические материалы, подверженные гниению, не следует использовать в качестве части несущей стены, хотя их можно использовать в качестве заполнителя. Компания United Earth Builders опробовала легкую глину с соломой в трубчатой конструкции гиперadobe для создания слоя толщиной 200 мм (8") снаружи купола. Теплоаккумулирующие свойства земляной засыпки смягчают колебания температуры в климате с большими суточными перепадами температур. Этот эффект теплового маховика делает массивные земляные стены идеальными для умеренного или жаркого и сухого климата. Глина или песок также обладают отличными характеристиками удержания тепла и, при надлежащей изоляции от внешней среды, могут служить теплоаккумулятором в пассивном солнечном дизайне здания в холодном климате, поддерживая стабильную температуру внутри круглый год.

Generally inorganic material is used as filler, but some organic material (such as rice hulls) can be used if a strong matrix like wire mesh reinforces the plaster. Earthen fill may contain 5–50% clay, and can be "reject fines", "road base", "engineered fill", or local subsoil. "Raw" or un stabilized soils cure as solid units but cannot withstand prolonged soaking. Subsoils with clay mold tightly and attach well to barbed wire prongs and rebar. Soil fill can contain a high proportion of aggregate, as long as it tamps and cures strongly. Crushed bottles, strong rubble, or plastic trash can be used, but high aggregate mixes may interfere with inserting rebar. Sands, stone dust and gravels can survive prolonged flood conditions, but most require special bracing during construction as well as some form of structural skin. Sand fill may be appropriate for several courses to provide a vibration damping building base, but becomes unstable in ordinary bags above in height. Cement, lime or bitumen stabilization can allow clay soil to withstand flooding or allow sands to be used in traditional bags with a non structural plaster skin. Because earthbag walls are usually thick a large amount of stabilizer is needed. Thermal insulating properties are important for climates that experience temperature extremes. The thermal insulating value of a material is directly related to both the porosity of the material and the thickness of the wall. Crushed volcanic rock, pumice or rice hulls yield higher insulation value than clay or sand. Untreated organic materials that could decay should not be used as part of a structural wall, although they can be used as infill. United Earth Builders has tried a light straw clay in the hyperadobe mesh tubing to form a layer 200 mm (8") thick outside of a dome. Thermal mass properties of earthen fill moderate temperature swings in climates that experience high temperature fluctuations from night to day. This thermal flywheel effect makes massive earth walls ideal for mild or hot and dry climates. Clay or sand also have excellent heat retention characteristics and, when properly insulated from the home's exterior, can serve as thermal mass in a passive solar building design in cool climates, keeping interior temperatures stable year round.

Укрепление и конструктивные характеристики

Твердый CE может быть построен с меньшим количеством колючей проволоки в районах с низким уровнем риска, поскольку стены затвердевают между слоями. Земляные мешки, использующие тканые мешки или трубы, нуждаются в колючей проволоке при любом уровне природной опасности, так как поверхности мешков скользкие. Штыри между слоями не обеспечивают значительной линейной прочности вне плоскости. Стены из земляных мешков с колючей проволокой более гибкие, чем из саманного кирпича, и могут сопротивляться обрушению при тщательном проектировании. Земляные мешки из слабого грунта без стали могут иметь вдвое меньшую прочность на сдвиг, чем неармированный саман, который легко повреждается при землетрясениях. Строительные нормы и планы Новой Зеландии допускают, чтобы неармированные саманные стены выдерживали силы до 0,6 g (сопоставимо со значениями Ss для вероятности превышения 2% за 50 лет), но для достижения такой же прочности земляным мешкам требуется более прочный грунт. Земляные мешки в Непале немного превысили эту прочность, выдержав силы более 0,7 g в начале 2015 года. Купола, испытанные в Калифорнии, выдерживали силы около 1 g благодаря стабильной форме этих зданий диаметром менее основания. Современные методы строительства земляных мешков, при которых арматура вставляется без крепления к основанию и перекрывается без соединения, могут выдерживать только 1,2 g или меньше, даже при использовании очень прочного грунта. Требуется специальное армирование.

Твердый CE из прочного грунта обладает большей прочностью на сдвиг и вне плоскости, чем модульный CE. Он также может допускать использование сетки для горизонтального армирования в дополнение к колючей проволоке или вместо нее. Засыпной гравий или засыпной песок могут работать лучше всего с проволокой, обернутой вокруг боковых сторон прямых участков стены, чередуясь со следующим слоем, имеющим колючую проволоку, обернутую под и над теми же прямыми участками. Фундаментные стены из засыпного грунта в регионах с высоким уровнем риска могут потребовать дополнительных контрфорсов на уровне фундамента, если строители не могут позволить себе железобетонную (RC) балку или фундамент. Узкую пластиковую сетчатую трубу, часто используемую для защиты от эрозии, можно заполнить гравием, чтобы создать полуширокое RC кольцо под широкими стенами.

Формирование дома

Крышу можно сформировать, постепенно наклоняя стены внутрь для создания купола. Сводчатые крыши можно возводить на опалубке. Альтернативно, под традиционной крышей используется обвязочный балок. Для снижения наружного давления на земляные стены могут потребоваться вальмовые крыши, стропильные системы двускатного типа или виги. Земляные купола относительно недороги в строительстве, однако их гидроизоляция в регионах с высокой влажностью может быть сложной или дорогостоящей. Окна и двери можно выполнить с использованием традиционного перемычного камня, а также техник наклонной кладки или кирпичных арок на временной опалубке. Естественное освещение также можно обеспечить с помощью световых фонарей, труб с остеклением или бутылок, укладываемых между рядами мешков в процессе строительства.

Завершение

Для предотвращения повреждения мешков от ультрафиолетовых лучей или влаги покройте стены штукатуркой на цементной основе, известковой или глиняной штукатуркой. Если стены сделаны из "сырой" земли, для заполнения неровностей между мешками или рядами используется заполняющая штукатурка из земли с соломой. Поверх наносится финишная штукатурка. Выступы крыши помогают снизить требования к гидроизоляции штукатурки, хотя штукатурка на нижних стенах может быть прочнее и более водостойкой, чем на верхних. В некоторых зданиях используют "живую" ("зеленую") крышу из земли, покрывающую конструкцию, а в других – более традиционную стропильную систему и крышу, установленную поверх стен из земляных мешков.

Экологичность

Строительство из земляных мешков потребляет значительно меньше энергии по сравнению с другими долговечными методами строительства. В отличие от бетона, кирпича или дерева, для производства земляной засыпки не требуется энергии, кроме как для сбора почвы. Если используется местная почва, затраты энергии на транспортировку минимальны. В отличие от строительства из трамбованной земли, для уплотнения почвы требуется только ручной труд. Энергоемкие материалы, такие как пластик (для мешков и шпагата), стальная проволока и, возможно, внешний слой штукатурки или глины, используются в относительно небольших количествах по сравнению с другими видами строительства, часто составляя менее 5% от общего объема строительных материалов. При должном уходе здания служат долго. Однако, если в качестве засыпки используется "сырая" или не стабилизированная почва, то после завершения срока службы здания земляную засыпку можно использовать повторно для создания садов, обратной засыпки или новых зданий из земляных мешков.

Использование в районах бедствий

Методы строительства из земляных мешков также изучались на Шри-Ланке после цунами 2004 года. На Гаити было завершено несколько проектов строительства из земляных мешков, большинство из которых – после землетрясения. Организация First Steps Himalaya и другие благотворительные организации построили более 50 зданий из земляных мешков в Непале до землетрясения в апреле 2015 года. После этого местные строители стали активно посещать обучающие курсы по строительству из земляных мешков, в том числе проводимые компанией Good Earth Global, что привело к официальному включению этой технологии в строительные нормы Непала для жилых домов. Международные НПО также построили сотни зданий из утрамбованной земли или земляных мешков в Непале, причем жилых домов было построено больше, чем крупных клиник или школ. НПО запрашивают больше данных о несущей способности конструкций, чтобы более эффективно выбирать типы и количество армирования, соответствующие прочности местных грунтов и сейсмической опасности. Начались университетские исследования, но требуется больше данных.

Колонизация Луны и Марса

Халили предложил использовать технологии строительства из земляных мешков для возведения сооружений на Луне или других планетах. В настоящее время доставка грузов с положительной массой с Земли обходится весьма дорого. Таким образом, методы Халили представляются идеальным решением, поскольку необходимые материалы будут состоять из легких мешков и небольшого количества инструментов для их наполнения. Он уточнил, что такие мешки, вероятно, будут оснащены предварительно пришитыми полосками застежки "липучка" (т.е. Velcro) вместо колючей проволоки.