Строительство из мешков с землей — это недорогой метод строительства, в котором в основном используется местный грунт для создания прочных и быстровозводимых конструкций.
Разработка мешков с землей
Функции
Это естественная технология строительства, разработанная на основе исторических методов строительства военных бункеров и методов строительства временных дамб для защиты от наводнений. Для этой техники требуются самые простые строительные материалы: прочные мешки, наполненные органическим материалом, которые обычно доступны на месте.
Стандартный наполнитель земляного мешка обладает внутренней стабильностью. Используется либо влажный грунт, содержащий достаточно глины, чтобы стать связным при утрамбовке, либо водостойкий угловатый гравий или измельченная вулканическая порода. Стены возводятся постепенно, укладывая мешки рядами, образуя шахматный узор, похожий на кирпичную кладку.
Стены могут быть изогнутыми или прямыми, куполообразными, покрытыми землей, или покрытыми обычной крышей. Изогнутые стены обеспечивают хорошую боковую устойчивость, образуя круглые комнаты и/или куполообразные потолки, подобные 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 интервалов для земляного строительства в различных типах сейсмоопасных зон, в частности, стандарты Новой Зеландии, основанные на эксплуатационных характеристиках, рекомендованные стандартами земляного строительства ASTM International. Статические испытания на сдвиг показывают, что земляной мешок может достигать прочности, аналогичной новозеландским стандартам армированного самана с определенной прочностью грунта и армированием, хотя неармированный слабый грунтовый мешок может иметь более низкую прочность на сдвиг, чем неармированный саман.
Для улучшения трения между мешками и стеной между рядами обычно прокладывают колючую проволоку. Иногда мешки обматывают шпагатом, чтобы связать один ряд с другим, скрепить вместе строящиеся конструкции и обеспечить хорошую посадку рядов на зубцах колючей проволоки. Арматуру можно забить в стены, чтобы укрепить углы и края проемов и обеспечить устойчивость к опрокидыванию.
Конструкция обычно покрывается штукатуркой: либо цементной штукатуркой на прочном сетчатом слое, либо глинобитной или известковой штукатуркой для отвода воды и предотвращения повреждения ткани ультрафиолетом. Отделка может варьироваться от защищенного внутреннего применения до открытого внешнего применения.
Этот метод строительства является одним из наиболее универсальных естественных методов строительства и может использоваться для возведения скамеек, отдельно стоящих стен, аварийных укрытий, временного или постоянного жилья, а также сараев и коммерческих зданий. Earthbag часто выбирают для многих институциональных структур малого и среднего размера в развивающихся странах. Конструкции земляного полотна, включая подземные жилища и жилища с бермами (такие как Earthships), цистерны, родниковые ящики, корневые подвалы и подпорные стены, могут быть построены с насыпью из стабилизированного грунта или с дополнительным армированием и насыпкой из водостойкого гравия или песка.
Писатели
Хотя Джозеф Кеннеди, вероятно, изобрел термин earthbag (а также containgeground), 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.
Бесплатные онлайн-буклеты были разработаны разными авторами, в том числе Оуэном Гейгером и Патти Стаутер. К ним относятся методы структурных исследований и полевых испытаний, разработанные для сельских районов.
В электронной книге Гейгера 2011 года Руководство по возведению мешков с землей: вертикальные стены, шаг за шагом представлены фотоиллюстрации процесса и обсуждения новых методов для зон с низким уровнем риска.
Сторонники
Многие, как Акио Иноуэ из Университета Тэнри в Японии и Скотт Ховард из Earthen Hand, испытывали и строили здания. Харт вместе с Гейгером 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 земляной архитектуры, первым разработал технику использования мешков, наполненных пемзой, для строительства стен, архитектор и строитель Надер Халили помог вновь представить строительство мешков с землей как современную технику, называемую суперсаман, для гуманитарных усилий (особенно для жилых зданий), поскольку а также борьба с естественными наводнениями.
Доктор Джон Андертон из Южной Африки протестировал версию мешка с тремя каналами, которая уменьшает проблемы оседания, присущие несвязному наполнителю, такому как песок, и первым разработал систему с узкими стенками для песка, которую он назвал E-khaya.
Фернандо Пачеко из Бразилии первым применил более легкие сетчатые трубы из полиэтилена высокой плотности для создания более простых стен из гиперадоба.
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 арматуры, подходящего для зон с самым высоким сейсмическим риском. Несколько студентов-инженеров протестировали неотвержденный или малопрочный земляной мешок, а компания Build Simple протестировала затвердевшие связные стены. Строительные организации в Непале в настоящее время работают с инженерами над улучшением и уточнением вариантов усиления сейсмостойких земляных мешков.
Метод строительства
Строительство обычно начинается с рытья траншеи в ненарушенном минеральном грунте, который частично заполняется камнями и/или гравием для создания основания траншеи из щебня. В регионах с высоким сейсмическим риском может быть рекомендовано железобетонное основание или балка. Здания из мешков с землей также могут быть построены на обычных бетонных плитах (хотя это дороже и требует больше энергии, чем фундамент из траншеи из щебня), а также могут иметь бермовой или подземный «плавающий» фундамент, как у земного корабля.
Несколько рядов гравия в мешках из двойной ткани образуют водостойкий фундамент. Каждый слой обычно имеет две нити колючей проволоки сверху, которые прикрепляются к мешку, чтобы предотвратить скольжение и противодействовать любой тенденции расширения купола или прямоугольных стен наружу.
Мешки на ряду выше смещены на 200 мм (8 дюймов) — половину ширины стены 450 мм (18 дюймов) — аналогично прокладке стяжки в каменной кладке. Мешки могут быть либо предварительно заполнены материалом и подняты, либо мешки или тюбики заполняются на месте. Вес земляного наполнителя удерживает мешок на колючей проволоке внизу. Легкая трамбовка мешков или трубок уплотняет влажный, содержащий глину наполнитель и образует взаимосвязанные мешки или трубки, закрепленные на колючей проволоке.
Типы контейнеров
Наиболее популярен полипропилен с цельным переплетением, который доступен 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 конопля, мешковина (например, «мешки из мешковины»). Поскольку они могут гнить, их следует использовать только с связными наполнителями (содержащими значительную долю глины), которые при утрамбовке образуют твердые массы.
Терминология
Earthbag теперь представляет собой разнообразное семейство техник. Каждый тип наполнителя и контейнера предъявляет разные 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 составе песка (CS) используется песчаная засыпка или любая слишком сухая или с плохой связностью засыпка, которая по своей конструкции аналогична мешкам с песком. CS должен быть изготовлен из мешков из плотной ткани и иметь хорошую защиту от повреждений ткани, при этом прочность ткани мешка зависит от прочности стенок. CS требует большего вертикального армирования как для прочности на сдвиг, так и для прочности вне плоскости, чем CE, или может потребовать структурной оболочки. Некоторые строители используют узкие мешки с песком в качестве заполнения стен.
Для гравия в гравии (CG) используется любой заполнитель размером больше крупного песка, обычно в двойных мешках для риса, хотя можно использовать и прочную сетку. CG ограничивает передачу влаги от фундаментов.
Модульный CE состоит из мешков для зерна или аналогичных трубок. Стены основаны на креплении колючей проволоки и/или дополнительных штырях между рядами. Solid CE представляет собой гиперадоб, построенный в трубке из какой-то вязаной сетки, так что влажная земляная насыпка затвердевает между рядами.
Материалы для наполнения мешков
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 насыпь может содержать 5–50% глины и может представлять собой «отбракованную мелочь», «дорожное основание», «инженерную насыпь» или местные недра. «Сырые» или нестабилизированные почвы затвердевают как твердые агрегаты, но не выдерживают длительного замачивания. Грунт плотно формуют глиной и хорошо прикрепляют к зубцам колючей проволоки и арматуре.
Почвенный наполнитель может содержать большое количество заполнителя при условии, что он сильно утрамбовывается и затвердевает. Можно использовать разбитые бутылки, крепкий щебень или пластиковый мусор, но смеси с высоким содержанием заполнителя могут мешать вставке арматуры.
Песок, каменная пыль и гравий могут выдержать длительное наводнение, но большинство из них требуют специального крепления во время строительства, а также некоторой формы структурного покрытия. Засыпка песком может подойти для нескольких слоев, чтобы обеспечить гашение вибрации основания здания, но становится нестабильной в обычных мешках высотой более 60–100 см (24–39 дюймов).
Цементная, известь или битумная стабилизация могут позволить глинистой почве выдерживать наводнения или позволять 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 с экстремальными температурами. Теплоизоляционная способность материала напрямую связана как с пористостью материала, так и с толщиной стены. Измельченная вулканическая порода, пемза или рисовая шелуха обеспечивают более высокую изоляционную ценность, чем глина или песок. Необработанные органические материалы, которые могут разлагаться, не следует использовать в качестве части несущей стены, хотя их можно использовать в качестве заполнения.
Компания United Earth Builders попробовала использовать легкую соломенную глину в сетчатой трубке из гиперадоба, чтобы сформировать слой толщиной 200 мм (8 дюймов) за пределами купола.
Термические массовые свойства земляных масс восполняют умеренные перепады температур в климате, где наблюдаются большие колебания температуры от ночи ко дню. Этот эффект теплового маховика делает массивные земляные стены идеальными для мягкого или жаркого и сухого климата. Глина или песок также обладают отличными характеристиками сохранения тепла и при правильной изоляции от внешней части дома могут служить тепловой массой в конструкции пассивного солнечного здания в прохладном климате, поддерживая стабильную внутреннюю температуру круглый год.
Армирование и структурные характеристики
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 линейный вклад в прочность из плоскости. 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 силы почти 0,6 g (сравнимые 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. Купола, испытанные в Калифорнии, выдержали силы примерно 1 g из-за стабильной формы этих зданий диаметром менее 7 м (23 фута).
Современные методы установки арматурных мешков без прикрепления к основанию и перекрытия без соединений могут выдерживать нагрузку только 1,2 г или меньше, даже при использовании очень прочного грунта. Необходимо специальное усиление
Твердый CE из прочного грунта имеет более высокую прочность на сдвиг и внеплоскость, чем модульный CE. Также может быть разрешено использование сетки 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.
Формирование дома
Крышу можно сформировать, постепенно наклоняя стены внутрь, образуя купол. Сводчатые крыши могут быть построены на формах. Либо под традиционный тип крыши используется связующий брус. Вальмовые крыши, фермы двускатного типа или виги могут потребоваться для уменьшения внешней нагрузки на земляные стены.
Земляные купола недорого построить, но их гидроизоляция сложна или дорога во влажных регионах.
Окна и двери могут быть выполнены с использованием традиционной каменной перемычки или с помощью карнизной или кирпичной арочной техники на временных формах. Свет также может проникать через световые люки, трубы со стеклянными крышками или бутылки, помещенные между рядами мешков во время строительства.
Отделка
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 помогают снизить требования к гидроизоляции штукатурки, хотя штукатурка на нижних стенах может быть более прочной и водостойкой, 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.
Экологичность
Строительство из земляных мешков требует очень мало энергии по сравнению с другими методами прочного строительства. В отличие от бетона, кирпича или дерева, для создания земляной насыпи не требуется никакой энергии, кроме сбора почвы. Если используется почва на месте, для транспортировки требуется мало энергии. В отличие от строительства из утрамбованной земли, для легкого утрамбования грунта требуется лишь человеческая рабочая сила. используемые энергоемкие материалы – пластик (для мешков и шпагата), стальная проволока и, возможно, внешняя оболочка из гипса или штукатурки – используются в относительно небольших количествах по сравнению с другими типами строительства. часто составляет менее 5% строительных материалов. Здания служат долго, если за ними ухаживать. Однако, если в качестве насыпи используется «сырой» или нестабилизированный грунт, когда здание больше не используется, земляную насыпь можно переработать либо в садовые участки, либо в засыпку, либо в новые земляные постройки.
Использование в зонах стихийных бедствий
Методы строительства мешков с землей также изучались в Шри-Ланке после цунами 2004 года. На Гаити было завершено несколько проектов по строительству мешков с землей, большинство из них после землетрясения. До апрельского землетрясения 2015 года компания First Steps Himalaya и другие благотворительные организации построили в Непале более 50 зданий из мешков с землей. С тех пор местные строители устремились к постоянным возможностям обучения мешкам с землей, в том числе от Good Earth Global, что привело к принятию этой технологии для жилых домов официальными строительными нормами Непала. Международные НКО также построили в Непале сотни зданий из глины или мешков с землей – больше жилых домов, чем более крупные клиники или школы. НКО запрашивают дополнительную информацию о конструкции, чтобы иметь возможность лучше выбирать типы и интенсивность армирования, соответствующие прочности местного грунта и сейсмическому риску. Университетское тестирование началось, но необходимо больше.
Колонизация Луны и Марса
Халили предложил использовать методы строительства мешков с землей для строительства сооружений на Луне или других планетах. В настоящее время поднять с Земли полезный груз положительной массы довольно дорого. Таким образом, методы Халили кажутся идеальным решением, поскольку необходимые материалы будут состоять из легких мешков и нескольких инструментов для их наполнения. Он уточнил, что такие сумки, вероятно, будут иметь заранее пришитые полосы застежек «липучка» (т.е. липучки) вместо колючей проволоки.