Строительство из мешков с землей — это недорогой метод строительства с использованием преимущественно местной почвы для создания прочных и быстровозводимых конструкций.
Это естественная строительная техника, разработанная на основе исторических методов строительства военных бункеров и временных методов строительства дамб для защиты от наводнений . Для этой техники требуются самые простые строительные материалы: прочные мешки, заполненные органическим материалом, который обычно доступен на месте.
Стандартный материал для заполнения мешков с землей имеет внутреннюю стабильность. Используется либо влажный подпочвенный слой, содержащий достаточно глины , чтобы стать связным при утрамбовке, либо водостойкий угловатый гравий или измельченная вулканическая порода . Стены постепенно возводятся путем укладки мешков рядами, образуя шахматный рисунок, похожий на кирпичную кладку .
Стены могут быть изогнутыми или прямыми, куполообразными из земли или с обычными крышами . Изогнутые стены обеспечивают хорошую боковую устойчивость, образуя круглые комнаты и/или куполообразные потолки, как в иглу .
Здания с прямыми стенами длиной более 5 м (16,4 фута) нуждаются в пересекающихся стенах или опорных контрфорсах. Существуют международные стандарты для размеров опорных стен и расстояния между ними для земляного строительства в различных типах сейсмоопасных зон, в частности, стандарты Новой Зеландии на основе эксплуатационных характеристик [1], рекомендованные стандартами земляного строительства ASTM International . [2] Статические испытания на сдвиг показывают, что земляной мешок может достигать прочности, аналогичной новозеландским стандартам армированного самана с определенной прочностью грунта и армированием [3], хотя неармированный слабый грунтовый мешок может иметь более низкую прочность на сдвиг, чем неармированный саман.
Для улучшения трения между мешками и прочностью стены на разрыв между рядами обычно размещают колючую проволоку . Иногда мешки также обматывают шпагатом, чтобы связать один ряд с другим, чтобы удерживать вместе строившиеся конструкции и удерживать ряды на зубцах колючей проволоки. [4] Арматуру можно забивать в стены для укрепления углов и краев отверстий, а также для обеспечения устойчивости против опрокидывания.
Структура обычно отделана штукатуркой , либо цементной штукатуркой на прочном сетчатом слое, либо штукатуркой из самана или извести, чтобы слить воду и предотвратить повреждение ткани ультрафиолетом. Отделка может различаться от защищенных внутренних применений до открытых внешних применений.
Эта строительная техника является одним из самых универсальных методов естественного строительства и может использоваться для скамеек, отдельно стоящих стен, аварийных убежищ , временного или постоянного жилья или амбаров и коммерческих зданий. Earthbag часто выбирают для многих малых и средних институциональных структур в развивающихся странах. Конструкции подземного основания, включая подземные и обнесенные бермами жилища (например, Earthships ), цистерны , родниковые ящики , корневые погреба и подпорные стенки, могут быть построены с засыпкой стабилизированного грунта или с дополнительным армированием и водостойким гравием или песчаным заполнением.
Хотя Джозеф Кеннеди, вероятно, изобрел термин earthbag (а также containgem earth), Паулина Войцеховска написала первую книгу на тему earthbag building в 2001 году, Building with Earth: A Guide to Flexible-Form Earthbag Construction . Келли Харт разработала огромную онлайн-базу данных earthbag, которая поощряла обмен идеями. Каки Хантер и Дони Киффмейер работали над различными проектами после обучения у Халили, называя earthbag «гибкой формой утрамбованной земли». Их книга 2004 года Earthbag Building: the Tools, Tricks and Techniques доступна в виде электронной книги. [5]
Бесплатные онлайн-буклеты были разработаны разными авторами, включая Оуэна Гейгера и Патти Стаутер. Они включают структурные исследования и методы полевых испытаний, разработанные для сельской местности. [6]
Электронная книга Гейгера 2011 года «Руководство по строительству мешков с землей: вертикальные стены шаг за шагом » содержит фотоиллюстрации процесса и обсуждения новых методов для зон с низким уровнем риска. [7]
Многие, как Акио Иноуэ из Университета Тэнри в Японии и Скотт Ховард из Earthen Hand, испытывали и строили здания. Харт, вместе с Гейгером [8], поощряли развитие мешков с землей в различных культурно и климатически подходящих формах. Роберт Шир построил дом из мешков с землей в стиле earthship в Юте, а Морган Карауэй из Sustainable Life School строит дом, который также включает принципы проектирования earthship.
В то время как Гернот Минке, немецкий профессор глинобитной архитектуры, первым разработал метод использования мешков, наполненных пемзой, для возведения стен, архитектор и строитель Надер Халили помог возродить строительство из мешков с землей в качестве современной технологии, называемой «суперадоб» , для гуманитарных целей (особенно для жилых зданий), а также для борьбы с естественными наводнениями. [9]
Доктор Джон Андертон из Южной Африки испытал версию с трехканальным мешком, которая уменьшает проблемы с оседанием, присущие несвязным наполнителям, таким как песок, [10] и стал пионером в работе с узкой стенкой, содержащей песчаную систему, которую он назвал E-khaya.
Фернандо Пачеко из Бразилии был пионером в использовании более легких сетчатых труб из полиэтилена высокой плотности для более простых стен из гиперглинобитного кирпича. [11]
Восстановление после стихийных бедствий и в регионах с низким уровнем дохода по всему миру включало использование мешков с землей. Хотя тяжелые земляные стены обычно опасны при землетрясениях, землетрясения в Непале весной 2015 года оставили здания из мешков с землей в хорошем состоянии рядом с разрушенными зданиями.
Инженер Набиль Таха разработал первые общие спецификации для одного типа внешней штифтовой арматуры, подходящей для зон с самым высоким сейсмическим риском. [12] Несколько студентов-инженеров испытали невыдержанные или малопрочные мешки с землей, а Build Simple испытала выдержанные связные стены. [13] Строительные организации в Непале в настоящее время работают с инженерами над улучшением и доработкой вариантов армирования для сейсмостойких мешков с землей.
Строительство обычно начинается с рытья траншеи до нетронутого минерального грунта , которая частично заполняется камнями и/или гравием для создания фундамента из щебня . В регионах с высоким сейсмическим риском может быть рекомендовано железобетонное основание или балка основания. Здания из мешков с землей также могут быть построены на обычных бетонных плитах (хотя это дороже и требует больше энергии , чем фундамент из щебня) и могут иметь бермированный или подземный «плавающий» фундамент, как у earthship.
Несколько слоев гравия в двойных плетеных мешках образуют водонепроницаемую основу . Каждый слой обычно имеет две нити колючей проволоки сверху, которая крепится к мешку, чтобы предотвратить скольжение и противостоять любой тенденции к расширению наружу купола или прямоугольных стен.
Мешки на ряду выше смещены на 200 мм (8 дюймов) — половина ширины стены 450 мм (18 дюймов) — аналогично бегущей перевязке в кладке. Мешки могут быть либо предварительно заполнены материалом и подняты, либо мешки или трубки заполняются на месте. Вес земляного наполнителя фиксирует мешок на месте на колючей проволоке ниже. Легкое трамбование мешков или трубок консолидирует влажный глинистый наполнитель и создает взаимосвязанные мешки или трубки, закрепленные на колючей проволоке.
Наиболее популярен полипропилен с цельным переплетением , доступный по всему миру для транспортировки риса или других зерновых. Полипропилен имеет низкую стоимость и устойчив к воздействию воды, гниению и насекомым . Трубы часто доступны у производителей, которые сшивают их в мешки. Также используются сетчатые трубки из мягких вязаных поливолокон, хотя жесткие экструдированные сетки или тканые сетчатые мешки также могут использоваться.
Можно использовать органические/натуральные материалы, такие как пенька , мешковина (например, « джутовые мешки »). Поскольку они могут гнить, их следует использовать только с когезивными наполнителями (содержащими значительную долю глины), которые при утрамбовке образуют твердые массы.
Earthbag теперь представляет собой разнообразное семейство технологий. Каждый тип наполнителя и контейнера имеет различные требования к прочности и армированию.
Для опасных мест нужна точная терминология. Закрытая земля (CE) основана на оригинальной технике, но с определенными значениями прочности грунта и арматуры, выбранными для уровней опасности. CE использует влажный, связный, утрамбованный мешочный заполнитель, который прочно связывается с колючей проволокой и другой арматурой по мере застывания стены.
CE — это не «мешки с песком». В замкнутом песке (CS) используется песчаный заполнитель или любой слишком сухой или с плохой связностью заполнитель, который структурно работает как мешки с песком. CS должен быть построен с использованием мешков из цельной ткани и иметь хорошую защиту от повреждения ткани, полагаясь на прочность ткани мешка для прочности стены. [14] CS нуждается в большем вертикальном армировании как для прочности на сдвиг, так и для прочности вне плоскости, чем CE, или может потребоваться структурная оболочка. Некоторые строители используют узкие мешки с замкнутым песком в качестве заполнения стены.
Защищенный гравий (CG) использует заполнение любым заполнителем крупнее крупного песка, обычно в двойных мешках для риса, хотя можно использовать прочную сетку. CG ограничивает передачу влаги от фундаментов.
Модульный CE строится в мешках для зерна или подобных трубах. Стены опираются на крепление между колючками колючей проволоки и/или добавленными штифтами между рядами. Твердый CE — это гиперадоб, построенный в каком-то типе сетчатой трубы из плетеной сетки, так что влажная земляная засыпка затвердевает между рядами.
Обычно в качестве наполнителя используется неорганический материал, но можно использовать и некоторые органические материалы (например, рисовую шелуху), если штукатурку укрепляет прочная матрица, например, проволочная сетка.
Земляная засыпка может содержать 5–50% глины и может быть «отбракованной мелочью», «дорожным основанием», «инженерной засыпкой» или местным подпочвой. «Сырые» или нестабилизированные грунты застывают как твердые блоки, но не выдерживают длительного замачивания. Подпочвы с глиной плотно формуются и хорошо прикрепляются к зубцам колючей проволоки и арматуре.
Засыпка грунта может содержать большую долю заполнителя, если она хорошо утрамбовывается и застывает. Можно использовать измельченные бутылки, прочный щебень или пластиковый мусор, но смеси с высоким содержанием заполнителя могут помешать вставке арматуры.
Песок, каменная пыль и гравий могут выдерживать длительные наводнения, но большинство из них требуют специального укрепления во время строительства, а также некоторой формы структурной оболочки. Песчаная засыпка может быть подходящей для нескольких рядов, чтобы обеспечить виброгасящую основу здания, но становится нестабильной в обычных мешках выше 60–100 см (24–39 дюймов) в высоту.
Стабилизация цементом, известью или битумом может позволить глинистой почве выдерживать наводнения или позволяет использовать пески в традиционных мешках с неструктурной штукатуркой. Поскольку толщина стенок мешков с землей обычно составляет 38 см (15 дюймов), требуется большое количество стабилизатора.
Теплоизоляционные свойства важны для климата, в котором наблюдаются экстремальные температуры. Теплоизоляционная ценность материала напрямую связана как с пористостью материала, так и с толщиной стены. Дробленая вулканическая порода , пемза или рисовая шелуха обеспечивают более высокую теплоизоляцию, чем глина или песок. Необработанные органические материалы, которые могут разлагаться, не следует использовать в качестве части структурной стены, хотя их можно использовать в качестве заполнения.
Компания United Earth Builders попробовала использовать легкую соломенную глину в сетчатой трубке из гипердоба, чтобы сформировать слой толщиной 200 мм (8 дюймов) снаружи купола. [15]
Тепловые свойства массы земляного наполнителя умеренные колебания температуры в климате, где наблюдаются высокие колебания температуры от ночи ко дню. Этот тепловой эффект маховика делает массивные земляные стены идеальными для мягкого или жаркого и сухого климата. Глина или песок также обладают превосходными характеристиками сохранения тепла и, при надлежащей изоляции от внешней части дома, могут служить тепловой массой в пассивном солнечном проекте здания в прохладном климате, поддерживая внутреннюю температуру стабильной круглый год.
Сплошной CE может быть построен с меньшим количеством колючей проволоки в зонах с низким уровнем риска, поскольку стены затвердевают между рядами. Earthbag с использованием плетеных мешков или трубок нуждается в колючей проволоке для любого уровня природной опасности, поскольку поверхности мешка к мешку скользкие. Штифты между рядами не вносят важный вклад в линейную прочность из плоскости. [16] Стены из earthbag с колючей проволокой более гибкие, чем саман, и могут противостоять разрушению при тщательной детализации.
Earthbag из слабой почвы без стали может иметь половину прочности на сдвиг неармированного самана, который легко повреждается при землетрясениях. Детализация и планы кодекса Новой Зеландии позволяют неармированным стенам из самана выдерживать почти 0,6 g силы (сравнимо со значениями Ss для 2% вероятности превышения за 50 лет), но earthbag нуждается в более прочной почве, чтобы соответствовать этой прочности. Earthbag в Непале немного превзошел эту прочность, выдержав силы свыше 0,7 g в начале 2015 года. [17] Купола, испытанные в Калифорнии, выдержали приблизительно 1 g силы из-за стабильной формы этих зданий диаметром менее 7 м (23 фута). [18]
Современные методы установки мешков с землей, когда арматура не прикреплена к основанию и перекрывается без соединения, могут выдерживать только 1,2 г или меньше, даже при использовании очень прочного грунта. Необходимо специальное армирование
Твердый CE из прочного грунта имеет более высокую прочность на сдвиг и из плоскости, чем модульный CE. [19] Он также может позволить использовать сетку для горизонтального армирования в дополнение к колючей проволоке или вместо нее.
Задержанный гравий или содержащийся песок могут работать лучше всего с проволокой, обернутой вокруг сторон прямых секций стены, чередуясь со следующим рядом, имеющим подарочную упаковку колючей проволоки под и над теми же прямыми секциями. Базовые стены CG в регионах с высоким риском могут нуждаться в дополнительных контрфорсах на уровне фундамента, где строители не могут позволить себе железобетонную (ЖБ) балку или фундамент. Более узкая пластиковая сетчатая трубка, часто используемая для плетня по борьбе с эрозией, может быть заполнена гравием, чтобы позволить использовать полуширинную ЖБ кольцевую балку под широкими стенами.
Крыша может быть сформирована путем постепенного наклона стен внутрь для создания купола. Сводчатые крыши могут быть построены на формах. Или связевая балка используется под традиционным типом крыши. Шатровые крыши, фермы типа щипцов или вигас могут быть необходимы для снижения внешнего напряжения на земляных стенах.
Земляные купола обходятся недорого, но их гидроизоляция во влажных регионах может оказаться сложной или дорогостоящей.
Окна и двери могут быть сформированы с помощью традиционной каменной перемычки или с помощью техники консолей или кирпичных арок на временных формах. Свет также может поступать через световые люки, стеклянные трубы или бутылки, помещенные между рядами мешков во время строительства.
Покройте стену, чтобы предотвратить повреждение мешков от УФ- лучей или влаги, цементной штукатуркой , или известковой или глиняной штукатуркой . Если стены сделаны из «сырой» земли, то для заполнения щелей между мешками или рядами используется заполняющая штукатурка из земли с соломой. Сверху наносится финишная штукатурка.
Свесы крыши позволяют снизить требования к гидроизоляции штукатурки , хотя штукатурка на нижних стенах может быть прочнее и водостойче, чем штукатурка на верхних стенах.
В некоторых зданиях для возведения конструкции используется «живая крыша» («зеленая крыша») из высаженной земли, в то время как в других используется более традиционный каркас и крыша, размещенная поверх стен из мешков с землей.
Строительство мешков с землей потребляет очень мало энергии по сравнению с другими методами долговечного строительства. В отличие от бетона, кирпича или дерева, для производства земляной засыпки не требуется никакой энергии, кроме сбора почвы. Если используется грунт на месте, для транспортировки требуется мало энергии. В отличие от строительства из утрамбованной земли , для легкой утрамбовки почвы требуется только человеческая рабочая сила. Энергоемкие материалы, которые используются , — пластик (для мешков и шпагата), стальная проволока и, возможно, внешняя оболочка из штукатурки или лепнины — используются в относительно небольших количествах по сравнению с другими типами строительства, часто составляя менее 5% от всех строительных материалов. Здания служат долго, если за ними ухаживать. Однако, если в качестве засыпки используется «сырая» или нестабилизированная почва, когда здание больше не будет использоваться, земляную засыпку можно переработать либо в садовые зоны, либо в обратную засыпку, либо в новые земляные здания. [ требуется цитата ]
Методы строительства из мешков с землей также были изучены в Шри-Ланке после цунами 2004 года . [20] Несколько проектов по строительству из мешков с землей были завершены на Гаити, большинство из них после землетрясения. [21] First Steps Himalaya [22] и другие благотворительные организации построили более 50 зданий из мешков с землей в Непале до землетрясения в апреле 2015 года. С тех пор местные строители стекались на постоянные возможности обучения работе с мешками с землей, в том числе от Good Earth Global, что привело к официальному принятию Непальским строительным кодексом этой технологии для жилых домов. Международные НКО также построили сотни зданий из замкнутой земли или мешков с землей в Непале, больше жилых домов, чем крупных клиник или школ. НКО запрашивают больше структурной информации, чтобы иметь возможность лучше выбирать типы и интенсивность армирования, соответствующие прочности местного грунта и сейсмическому риску. Университетские испытания начались, но необходимо больше. [ необходима цитата ]
Халили предложил использовать методы строительства мешков с землей для строительства сооружений на Луне или других планетах. В настоящее время подъем груза с положительной массой с Земли обходится довольно дорого. Таким образом, методы Халили кажутся идеальным решением, поскольку необходимые материалы будут состоять из легких мешков и нескольких инструментов для их заполнения. Он уточнил, что такие мешки, вероятно, будут иметь предварительно пришитые полосы застежек « липучки » (т. е. липучки ) вместо колючей проволоки. [ требуется цитата ]