Саман: древний строительный материал из земли и органики.

Введение

Строительный материал из земли и органических материалов – это строительный материал.

Адобе (/ə/'/d//oʊ//b//i//audio=En us adobe. ogg/ əDOHbe; aˈðoβe) – строительный материал, изготовленный из земли и органических материалов. Слово «адобе» в переводе с испанского означает «саманный кирпич». В некоторых англоязычных регионах с испанским наследием, таких как юго-запад США, этот термин используется для обозначения любого вида строительства из земли или различных архитектурных стилей, таких как стиль Пуэбло Ривайвл или Территориальный Ривайвл. Большинство зданий из адобе по внешнему виду схожи со зданиями, построенными из коба и утрамбованной земли. Адобе – один из древнейших строительных материалов, который используется по всему миру. Археологические данные свидетельствуют об использовании адобе в архитектуре еще до 5100 года до нашей эры.

Описание

Кирпичи из Adobe – это прямоугольные призмы, достаточно небольшие, чтобы они могли быстро высыхать на воздухе по отдельности, не растрескиваясь. Их впоследствии собирают, используя глиняный раствор для скрепления отдельных кирпичей в конструкцию. Стандартного размера не существует, размеры существенно варьируются с течением времени и в разных регионах. В некоторых районах популярный размер составляет, весящий около; в других случаях размер составляет, весящий около. Максимальные размеры могут достигать; при весе выше этого становится сложно перемещать кирпичи, и предпочтительнее трамбовать глину непосредственно на месте, что приводит к другой технологии, известной как глинобитный дом.

Сила

В сухом климате строения из саман чрезвычайно долговечны и представляют собой одни из старейших сохранившихся зданий в мире. Здания из самана обладают значительными преимуществами благодаря своей большой теплоемкости, но известно, что они особенно уязвимы к повреждениям при землетрясениях, если не усилены. Примеры масштабных разрушений саманных строений во время землетрясений включают землетрясение в Гватемале в 1976 году, землетрясение в Баме в 2003 году и землетрясение в Чили в 2010 году.

Распространение

Здания, построенные из земли, высушенной на солнце, распространены по всему миру (Ближний Восток, Западная Азия, Северная Африка, Западная Африка, Южная Америка, юго-запад Северной Америки, юго-западная и восточная Европа). Саман использовался коренными народами Америки в юго-западной части Соединенных Штатов, Мезоамерике и Андах на протяжении нескольких тысяч лет. Народы Пуэбло возводили свои саманные строения, используя горсти или корзины самана, пока испанцы не научили их изготавливать кирпичи. Кирпичи из самана использовались в Испании с позднего бронзового и железного веков (с VIII века до нашей эры и далее). Широкое распространение этого материала объясняется простотой его конструкции и изготовления, а также его экономичностью.

Этимология

Слово adobe /ə/'/d//oʊ//b//iː/ существует около 4000 лет с незначительными изменениями в произношении или значении. Происхождение слова можно проследить до среднеегипетского (ок. 2000 г. до н.э.) слова ḏbt, означающего «глиняный кирпич» (с не прописанными гласными). Среднеегипетский язык эволюционировал в поздний египетский, а затем в коптский (ок. 600 г. до н.э.), где оно стало известно как ⲧⲱⲃⲉ tōbə. Это слово было заимствовано арабским языком как الطوب aṭ ṭawbu или aṭ ṭūbu, с добавлением определённого артикля al к корню tuba. Затем оно было ассимилировано древнеиспанским языком как adobe, вероятно, через мосарабский. Английский язык заимствовал это слово из испанского в начале XVIII века, и оно по-прежнему обозначало строительство из глиняных кирпичей. В современном английском языке термин "адоб" стал обозначать также стиль архитектуры, популярный в пустынных районах Северной Америки, особенно в Нью-Мексико, независимо от используемого метода строительства.

Состав

Кирпич из саманного сырья – это композитный материал, изготовленный из земли, смешанной с водой и органическим материалом, таким как солома или навоз. Обычно состав почвы включает песок, ил и глину. Солома полезна для связывания кирпича и обеспечивает равномерное высыхание, предотвращая растрескивание из-за неравномерной усадки. Навоз дает аналогичное преимущество. Наиболее подходящая текстура почвы для изготовления саманной массы – 15% глины, 10–30% ила и 55–75% мелкого песка. Другой источник указывает 15–25% глины, а остальное – песок и более крупные частицы, вплоть до щебня, что не оказывает негативного влияния. Современный саманный кирпич стабилизируется эмульгированным асфальтом или портландцементом в количестве до 10% по весу. Не более половины глинистого материала должно состоять из набухающих глин, а остальное – из не набухающих иллитов или каолинитов. Слишком большое количество набухающей глины приводит к неравномерному высыханию кирпича и, как следствие, к растрескиванию, в то время как избыток каолинита делает кирпич непрочным. Как правило, почвы юго-западных Соединенных Штатов, где эта технология строительства широко распространена, имеют подходящий состав.

Свойства материала

Стены из Adobe являются несущими, то есть они передают собственный вес в фундамент, а не опираются на другую конструкцию, поэтому Adobe должен обладать достаточной прочностью на сжатие. В Соединенных Штатах большинство строительных норм требуют минимальной прочности на сжатие для блока 300 фунтов на квадратный дюйм (2,07 ньютона на мм2). Конструкция из Adobe должна быть спроектирована таким образом, чтобы избегать поперечных структурных нагрузок, которые могли бы вызвать изгибающие моменты. Строительные нормы требуют, чтобы здание выдерживало сейсмическую нагрузку с боковым ускорением 1 g. Такое ускорение создаст поперечные нагрузки на стены, вызывая сдвиг и изгиб, а также растягивающие напряжения. Для сопротивления таким нагрузкам нормы обычно требуют предел прочности при изгибе не менее 50 фунтов на квадратный дюйм (0,345 ньютона на мм2) для готового блока. Помимо того, что это недорогой материал с небольшими затратами ресурсов, Adobe может служить значительным аккумулятором тепла благодаря тепловым свойствам, присущим массивным стенам, характерным для строительства из Adobe. В климате с жаркими днями и прохладными ночами высокая теплоемкость Adobe смягчает высокие и низкие температуры дня, регулируя температуру в жилом помещении. Массивные стены требуют значительного и относительно продолжительного притока тепла от солнца (излучение) и окружающего воздуха (конвекция), прежде чем они прогреются насквозь. После захода солнца и понижения температуры теплая стена продолжит передавать тепло внутрь в течение нескольких часов благодаря эффекту временной задержки. Таким образом, хорошо спроектированная стена из Adobe соответствующей толщины очень эффективно контролирует температуру внутри помещения при значительных суточных колебаниях, характерных для пустынного климата, что способствовало ее долговечности как строительного материала. Термодинамические свойства материала значительно варьируются в литературе. Некоторые эксперименты показывают, что стандартное рассмотрение теплопроводности недостаточно для этого материала, поскольку его основным термодинамическим свойством является инерция, и заключают, что экспериментальные испытания следует проводить в течение более длительного периода времени, чем обычно, предпочтительно с переменными тепловыми скачками. Эффективное значение R для стены, обращенной на север, толщиной 10 дюймов составляет R0 = 10 ч.фут²°F/БТЕ, что соответствует теплопроводности k = 10 дюймов x 1 фут/12 дюймов / R0 = 0,33 БТЕ/(ч.фут°F) или 0,57 Вт/(м·К), что согласуется с теплопроводностью, указанной в другом источнике. Для определения общего значения R стены умножьте R0 на толщину стены в дюймах. Тепловое сопротивление Adobe также указывается как значение R для 10-дюймовой стены R0 = 4,1 ч.фут²°F/БТЕ. Другой источник предоставляет следующие свойства: теплопроводность = 0,30 БТЕ/(ч.фут°F) или 0,52 Вт/(м·К); удельная теплоемкость = 0,24 БТЕ/(фунт°F) или 1 кДж/(кг·К) и плотность = 106 фунтов/фут³ или 1700 кг/м³, что дает теплоемкость = 25,4 БТЕ/(фут³°F) или 1700 кДж/(м³·К). Используя среднее значение теплопроводности k = 32 БТЕ/(ч.фут°F) или 0,55 Вт/(м·К), теплодиффузия рассчитывается как 0,013 фут²/ч или 3,3 x 10⁻⁷ м²/с.

Adobe walls are load bearing, i. e. they carry their own weight into the foundation rather than by another structure, hence the adobe must have sufficient compressive strength. In the United States, most building codes call for a minimum compressive strength of 300 lbf/in2 (2.07 newton/mm2) for the adobe block. Adobe construction should be designed so as to avoid lateral structural loads that would cause bending loads. The building codes require the building sustain a 1 g lateral acceleration earthquake load. Such an acceleration will cause lateral loads on the walls, resulting in shear and bending and inducing tensile stresses. To withstand such loads, the codes typically call for a tensile modulus of rupture strength of at least 50 lbf/in2 (0.345 newton/mm2) for the finished block. In addition to being an inexpensive material with a small resource cost, adobe can serve as a significant heat reservoir due to the thermal properties inherent in the massive walls typical in adobe construction. In climates typified by hot days and cool nights, the high thermal mass of adobe mediates the high and low temperatures of the day, moderating the temperature of the living space. The massive walls require a large and relatively long input of heat from the sun (radiation) and from the surrounding air (convection) before they warm through to the interior. After the sun sets and the temperature drops, the warm wall will continue to transfer heat to the interior for several hours due to the time lag effect. Thus, a well planned adobe wall of the appropriate thickness is very effective at controlling inside temperature through the wide daily fluctuations typical of desert climates, a factor which has contributed to its longevity as a building material. Thermodynamic material properties have significant variation in the literature. Some experiments suggest that the standard consideration of conductivity is not adequate for this material, as its main thermodynamic property is inertia, and conclude that experimental tests should be performed over a longer period of time than usual preferably with changing thermal jumps. There is an effective R value for a north facing 10 in wall of R0=10 hr ft2 °F/Btu, which corresponds to thermal conductivity k=10 in x 1 ft/12 in /R0=0.33 Btu/(hr ft °F) or 0.57 W/(m K) in agreement with the thermal conductivity reported from another source. To determine the total R value of a wall, scale R0 by the thickness of the wall in inches. The thermal resistance of adobe is also stated as an R value for a 10 inch wall R0=4.1 hr ft2 °F/Btu. Another source provides the following properties: conductivity=0.30 Btu/(hr ft °F) or 0.52 W/(m K); specific heat capacity=0.24 Btu/(lb °F) or 1 kJ/(kg K) and density=106 lb/ft3 or 1700 kg/m3, giving heat capacity=25.4 Btu/(ft3 °F) or 1700 kJ/(m3 K). Using the average value of the thermal conductivity as k = 32 Btu/(hr ft °F) or 0.55 W/(m K), the thermal diffusivity is calculated to be 0.013 ft2/h or 3.3x10−7 m2/s.

Стены из глины, залитой и залитой лужками

Залитый и уплотненный саман (уплотненная глина, наваленная земля), сегодня известный как коб, изготавливается путем укладки мягкого самана слоями, а не путем изготовления отдельных высушенных кирпичей или использования опалубки. "Уплотнение" – это общий термин для глины или материала на основе глины и песка, доведенного до плотного, пластичного состояния. Это самые древние способы строительства из самана в Америке, до того как для опалубки стали использовать вырытые в земле углубления, а позже испанцы принесли деревянные формы для изготовления отдельных кирпичей.

Кирпичи из адной

Обычно кирпичи из саманa изготавливают, вдавливая глиняную смесь в открытую деревянную раму. В Северной Америке кирпич обычно имеет размер около . Смесь формуют в раму, которую снимают после первоначального схватывания. После высыхания в течение нескольких часов кирпичи переворачивают на бок для окончательной сушки. Медленная сушка в тени снижает образование трещин. Ту же смесь, без соломы, используют для приготовления раствора и часто штукатурки для внутренних и наружных стен. Некоторые культуры использовали цемент на основе извести для штукатурки, чтобы защитить от повреждений, вызванных дождем. В зависимости от формы, в которую прессуется смесь, саман может иметь практически любую форму и размер, при условии равномерной сушки и наличия армирования в составе смеси для более крупных кирпичей. Армирование может включать навоз, солому, цемент, арматуру или деревянные столбы. Добавление соломы, цемента или навоза в стандартную глиняную смесь позволяет получить более прочный кирпич, устойчивый к растрескиванию. Сначала проводят анализ содержания почвы. Для этого образец почвы смешивают с водой в прозрачной емкости, создавая почти полностью насыщенную жидкость. Емкость энергично встряхивают в течение одной минуты. Затем ее оставляют на сутки, пока почва не осядет слоями. Более тяжелые частицы оседают первыми, затем песок, выше – ил, а очень мелкая глина и органические вещества могут оставаться во взвешенном состоянии в течение нескольких дней. После осветления воды можно определить процентное содержание различных частиц. 50–60% песка и 35–40% глины дают прочные кирпичи. Государственная служба кооперативных исследований, образования и распространения при Университете штата Нью-Мексико рекомендует смесь, содержащую не более 1/3 глины, не менее 1/2 песка и не более 1/3 ила. Во время Великой депрессии дизайнер и строитель Хью Комсток использовал более дешевые материалы и создал специализированный саманный кирпич под названием «Bitudobe». Его первый дом из самана был построен в 1936 году. В 1948 году он опубликовал книгу «Post Adobe; Упрощенное строительство из самана, сочетающее прочную деревянную раму и современный стабилизированный саман», в которой описал свой метод строительства, включая способ изготовления «Bitudobe». В 1938 году он был консультантом архитекторов Franklin & Kump Associates, которые построили среднюю школу Carmel High School, используя его систему Post adobe.

Bricks made from adobe are usually made by pressing the mud mixture into an open timber frame. In North America, the brick is typically about in size. The mixture is molded into the frame, which is removed after initial setting. After drying for a few hours, the bricks are turned on edge to finish drying. Slow drying in shade reduces cracking. The same mixture, without straw, is used to make mortar and often plaster on interior and exterior walls. Some cultures used lime based cement for the plaster to protect against rain damage. Depending on the form into which the mixture is pressed, adobe can encompass nearly any shape or size, provided drying is even and the mixture includes reinforcement for larger bricks. Reinforcement can include manure, straw, cement, rebar, or wooden posts. Straw, cement, or manure added to a standard adobe mixture can produce a stronger, more crack resistant brick. A test is done on the soil content first. To do so, a sample of the soil is mixed into a clear container with some water, creating an almost completely saturated liquid. The container is shaken vigorously for one minute. It is then allowed to settle for a day until the soil has settled into layers. Heavier particles settle out first, sand above, silt above that, and very fine clay and organic matter will stay in suspension for days. After the water has cleared, percentages of the various particles can be determined. Fifty to 60 percent sand and 35 to 40 percent clay will yield strong bricks. The Cooperative State Research, Education, and Extension Service at New Mexico State University recommends a mix of not more than 1/3 clay, not less than 1/2 sand, and never more than 1/3 silt. During the Great Depression, designer and builder Hugh W. Comstock used cheaper materials and made a specialized adobe brick called "Bitudobe." His first adobe house was built in 1936. In 1948, he published the book Post Adobe; Simplified Adobe Construction Combining A Rugged Timber Frame And Modern Stabilized Adobe, which described his method of construction, including how to make "Bitudobe." In 1938, he served as an adviser to the architects Franklin & Kump Associates, who built the Carmel High School, which used his Post adobe system.

Строительство стен из Adobe

Земля, на которой возводится конструкция из саманного кирпича, должна быть уплотнена, поскольку вес саманной стены значителен, а проседание фундамента может привести к образованию трещин в стене. Глубина заложения фундамента должна быть ниже глубины промерзания грунта. Толщина фундамента и цокольной стены обычно составляет 24 и 14 дюймов соответственно. Современные строительные нормы предписывают использование армирующей стали в фундаменте и цокольной стене. Саманный кирпич укладывается порядно. Саманные стены обычно не возводятся выше двух этажей, так как они являются несущими, а саман обладает низкой несущей способностью. При создании оконных и дверных проемов над проемом устанавливается перемычка для поддержки кирпичей выше. На верхнем ряду кирпичной кладки укладываются обвязочные балки из массивных деревянных балок или современного железобетона, чтобы обеспечить горизонтальную опорную плиту для балок перекрытия и перераспределить сейсмические нагрузки на сдвиговые стены, способные выдерживать эти силы. Для защиты внутренних и внешних саманных стен можно применять отделочные материалы, такие как глиняная штукатурка, побелка или штукатурка. Они защищают саманную стену от повреждений водой, но требуют периодического обновления. В качестве альтернативы стены можно отделывать другими, нетрадиционными штукатурками, обеспечивающими более длительную защиту. Кирпичи, изготовленные из стабилизированного самана, как правило, не нуждаются в защите штукатуркой.

Крыша из адоба

Традиционная крыша из Adobe строится из смеси почвы/глины, воды, песка и органических материалов. Затем смесь формируется и прессуется в деревянные формы, образуя ряды высушенных глиняных кирпичей, которые укладываются на деревянную несущую конструкцию и оштукатуриваются на месте дополнительным количеством Adobe. В зависимости от доступных материалов, крыша может быть собрана с использованием деревянных или металлических балок для создания каркаса, на который начинают укладывать кирпичи Adobe. В зависимости от толщины кирпичей, каркас может быть выполнен из стального каркаса с наложением металлической сетки или проволоки для обеспечения равномерной нагрузки, поскольку массы Adobe распределяются по металлической сетке подобно кобу и высушиваются соответствующим образом. Этот метод был продемонстрирован с использованием смеси Adobe, обильно пропитанной цементом, для обеспечения равномерного высыхания и предотвращения растрескивания. Более традиционные плоские крыши из Adobe функциональны только в сухом климате, не подверженном снеговым нагрузкам. Самые массивные деревянные балки, называемые вигами, лежат поверх стены. Поперек виг располагаются более мелкие элементы, называемые латильями, а на них укладывается хворост. Наконец, наносится слой Adobe. Для строительства плоской крыши из Adobe укладываются деревянные балки, перекрывающие здание, концы которых крепятся к верхним частям стен. После укладки виг, латилий и хвороста укладываются кирпичи Adobe. Крыша из Adobe часто укладывается кирпичами немного большей ширины, чтобы обеспечить покрытие большей площади при укладке кирпичей на крышу. За каждым отдельным кирпичом должен следовать слой Adobe-раствора, рекомендуемой толщины не менее, чтобы обеспечить достаточную прочность между краями кирпичей, а также создать относительный барьер против влаги во время дождя. Конструкция крыши развивалась примерно с 1850 года на американском Юго-Западе. Три дюйма глиняной массы наносились поверх латилий, затем 18 дюймов сухой глины на крышу. Грязь формировалась в небольшой уклон к водосточному желобу, также известному как «канал». При нанесении влаги на крышу частицы глины расширялись, создавая водонепроницаемую мембрану. Раз в год необходимо было удалять сорняки с крыши и при необходимости перепрофилировать грязь. В зависимости от материалов, крыши из Adobe могут быть по своей сути огнестойкими. Строительство дымохода может существенно повлиять на конструкцию крыши, создавая дополнительную необходимость в осторожности при выборе материалов. Строители могут построить дымоход из Adobe, укладывая простые кирпичи аналогичным образом, как и окружающие стены. В 1927 году в Соединенных Штатах был принят Унифицированный строительный кодекс (UBC). Местные постановления, ссылающиеся на UBC, добавили требования к строительству из Adobe, включая: ограничение высоты зданий из Adobe до 1 этажа, требования к смеси Adobe (прочность на сжатие и сдвиг) и новые требования, согласно которым каждое здание должно быть спроектировано для выдерживания сейсмической активности, в частности, боковых сил. Однако к 1980-м годам изменения, связанные с сейсмической активностью, в Строительном кодексе Калифорнии фактически прекратили строительство сплошных стен из Adobe в Калифорнии; однако каркасно-балочная конструкция Adobe и облицовка все еще используются.

The traditional adobe roof has been constructed using a mixture of soil/clay, water, sand and organic materials. The mixture was then formed and pressed into wood forms, producing rows of dried earth bricks that would then be laid across a support structure of wood and plastered into place with more adobe. Depending on the materials available, a roof may be assembled using wood or metal beams to create a framework to begin layering adobe bricks. Depending on the thickness of the adobe bricks, the framework has been preformed using a steel framing and a layering of a metal fencing or wiring over the framework to allow an even load as masses of adobe are spread across the metal fencing like cob and allowed to air dry accordingly. This method was demonstrated with an adobe blend heavily impregnated with cement to allow even drying and prevent cracking. The more traditional flat adobe roofs are functional only in dry climates that are not exposed to snow loads. The heaviest wooden beams, called vigas, lie atop the wall. Across the vigas lie smaller members called latillas and upon those brush is then laid. Finally, the adobe layer is applied. To construct a flat adobe roof, beams of wood were laid to span the building, the ends of which were attached to the tops of the walls. Once the vigas, latillas and brush are laid, adobe bricks are placed. An adobe roof is often laid with bricks slightly larger in width to ensure a greater expanse is covered when placing the bricks onto the roof. Following each individual brick should be a layer of adobe mortar, recommended to be at least thick to make certain there is ample strength between the brick's edges and also to provide a relative moisture barrier during rain. Roof design evolved around 1850 in the American Southwest. Three inches of adobe mud was applied on top of the latillas, then 18 inches of dry adobe dirt applied to the roof. The dirt was contoured into a low slope to a downspout aka a 'canal'. When moisture was applied to the roof the clay particles expanded to create a waterproof membrane. Once a year it was necessary to pull the weeds from the roof and re slope the dirt as needed. Depending on the materials, adobe roofs can be inherently fire proof. The construction of a chimney can greatly influence the construction of the roof supports, creating an extra need for care in choosing the materials. The builders can make an adobe chimney by stacking simple adobe bricks in a similar fashion as the surrounding walls. In 1927, the Uniform Building Code (UBC) was adopted in the United States. Local ordinances, referencing the UBC added requirements to building with adobe. These included: restriction of building height of adobe structures to 1 story, requirements for adobe mix (compressive and shear strength) and new requirements which stated that every building shall be designed to withstand seismic activity, specifically lateral forces. By the 1980s however, seismic related changes in the California Building Code effectively ended solid wall adobe construction in California; however Post and Beam adobe and veneers are still being used.

Adobe во всем мире

Самая большая структура, когда-либо построенная из саманного кирпича, — это Арг-е Бам, возведенный Империей Ахеменидов. Другие крупные саманные сооружения — это Уака-дель-Соль в Перу, состоящая из 100 миллионов кирпичей с надписями, а также цитадели Чан-Чан и Тамбо Колорадо, обе расположенные в Перу.