چگونگی تهیه ی خشت و آجر و استحکام خانه های خشتی

شناخت دقیق مصالح ساختمانی سنتی و نحوه فرآوری آن ها، پایه و اساس درک مهندسی بناهای تاریخی و بهسازی سازه های بومی است. خاک رس به عنوان یکی از قدیمی ترین و در دسترس ترین مواد اولیه در فلات ایران، نقش محوری را در شکل گیری دو عنصر کلیدی معماری یعنی خشت و آجر ایفا کرده است. در این مقاله به بررسی عمیق ساختاری، شیمیایی و فیزیکی تولید این دو ماده و تحلیل پایداری سازه های مرتبط با آن ها می پردازیم.

ریشه یابی ساختار مصالح سنتی: خاک رس مهد معماری ایرانی

خاک رس به عنوان ماده اولیه و مشترک در ساخت خشت و آجر، حاوی کانی های هیدروسیلیکات آلومینیوم مانند کائولینیت، ایلیت و مونت موریلونیت است. رفتار فیزیکی این کانی ها در مواجهه با آب، تعیین کننده اصلی خواص نهایی سازه خواهد بود.

میزان چسبندگی و پلاستیسیته خاک رس نقشی حیاتی در کیفیت نهایی مصالح دارد؛ به طوری که برای ساخت خشت و آجر استاندارد، معمولاً از ترکیب حدود ۷۰ درصد خاک رس چرب و ۳۰ درصد ماسه یا شن ریز به عنوان استخوان بندی سازه استفاده می شود تا از ترک خوردگی و تغییر حجم فاحش قطعات در مراحل بعدی جلوگیری به عمل آید.

مراحل گام به گام تهیه خشت خام سنتی

تولید خشت سنتی فرآیندی عمدتاً فیزیکی و متکی بر نیروهای طبیعی است که مراحل آن به ترتیب زیر در کارگاه های خشت زنی طی می شود:

• ۱

  آماده سازی و الک کردن: در اولین مرحله، خاک رس کلوخه ای کاملاً آسیاب شده و از الک های مخصوص عبور می کند تا سنگریزه ها، ریشه گیاهان و ناخالصی های درشت آن به طور کامل جدا شوند.

• ۲

  آخوره بستن و ورز دادن: مخلوط خاک رس و آب با نسبت مشخصی از کاه یا الیاف گیاهی (حدود ۱۰ تا ۱۵ درصد حجم گل) ترکیب می شود. مخلوط حاصل را به شدت ورز می دهند تا حباب های هوا کاملاً خارج شوند. افزودن کاه مقاومت کششی خشت را بالا برده و مانع از ترک خوردگی گل در زمان خشک شدن سریع می شود.

• ۳

  خشت زنی و قالب گیری: گل آماده شده که به قوام مناسبی رسیده است، در قالب های چوبی سنتی (معمولاً در ابعاد ۲۰×۲۰×۱۰ یا ۵×۱۱×۲۳ سانتی متر) با دست فشرده، صاف و قالب گیری می شود.

• ۴

  عمل آوری در هوای آزاد: قالب ها بلافاصله برداشته شده و خشت های مرطوب به مدت ۷ تا ۱۴ روز (بسته به شرایط اقلیمی) ابتدا در سایه و سپس زیر نور مستقیم خورشید قرار می گیرند تا رطوبت سطحی آن ها کاملاً تبخیر و سخت شوند.

تکنولوژی فرآیند تولید آجر فشاری کوره ای

فرآیند تولید آجر اگرچه با همان خاک رس آغاز می شود، اما به دلیل ورود به فاز صنعتی و حرارتی، مسیری کاملاً متفاوت را طی می کند:

دگرگونی های شیمیایی؛ مرز جادویی خشت و آجر

تفاوت اساسی ماهیت خشت و آجر در ساختار میکروسکوپی و واکنش های درون کوره نهفته است:

در فرآیند تولید خشت سنتی، هیچ گونه تغییر شیمیایی در بافت خاک رخ نمی دهد و تنها آب سطحی بین ذرات گل تبخیر می شود؛ به همین دلیل پیوند بین ذرات صرفاً فیزیکی، وابسته به چسبندگی طبیعی رس و بسیار سست است که با ورود مجدد آب به راحتی گسسته می شود.

در سمت مقابل، هنگامی که خشت در کوره قرار می گیرد، با رسیدن دما به بالای ۵۰۰ درجه سانتی گراد، آب ساختاری و تبلور درون کانی های رس خارج می شود. در دمای بالاتر از ۹۰۰ درجه سانتی گراد، پدیده سینترینگ (تف جوشی) رخ می دهد. در این حالت، ذرات خاک دچار ذوب جزئی شده و به یکدیگر جوش می خورند که این امر موجب شکل گیری فازهای سیلیکاتی پایدار و جدیدی مانند مولایت می شود. وجود اکسید آهن در خاک آجر نیز به عنوان ماده گدازآور عمل کرده و در اثر واکنش های حرارتی کوره، رنگ آجر را سرخ می کند، در حالی که خشت خام رنگ طبیعی کرم یا خاکستری خود را حفظ می کند.

تحلیل سازه ای و مقایسه استحکام خانه های خشتی و آجری

بررسی رفتار مکانیکی، نقاط ضعف و ویژگی های عملکردی این دو نوع سازه نشان دهنده تفاوت های عمیق آن ها در مواجهه با پدیده های طبیعی است:

• مقاومت فشاری: مقاومت فشاری آجر فشاری حدود ۵۰ تا ۲۰۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع (۵ تا ۲۰ مگاپاسکال) است، در حالی که مقاومت فشاری خشت خام تنها ۱۰ تا ۲۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع است؛ این یعنی ساختمان های آجری ظرفیت باربری فوق العاده بالاتری در طبقات دارند.
• پایداری در برابر رطوبت: بزرگ ترین ضعف ذاتی خانه های خشتی، حساسیت مطلق آن ها به آب و باران است. خشت خام در مواجهه با رطوبت صعودی پی یا بارندگی های شدید به سرعت جذب آب کرده، وا می رود و مقاومت خود را کاملاً از دست می دهد؛ در حالی که آجر پخته پایداری بالایی در اقلیم های مرطوب دارد.
• رفتار لرزه ای (زلزله): خانه های خشتی قدیمی به دلیل وزن بسیار زیاد دیوارهای باربر و نبود اسکلت یا کلاف بندی مهندسی، عملکردی کاملاً ترد دارند و در زلزله دچار ریزش ناگهانی و تولید آوار سنگین می شوند؛ در حالی که خانه های آجری مدرن در صورت اجرای کلاف بندی بتنی یا فولادی، تاب آوری لرزه ای مناسبی از خود نشان می دهند.
• جرم حرارتی و اقلیم: در حوزه اقلیم شناسی، خانه های خشتی به دلیل منافذ ریز هوا و وجود بقایای کاه، جرم حرارتی و عایق بندی صوتی و حرارتی فوق العاده عالی دارند و فضای داخلی را در تابستان کویر خنک و در زمستان گرم نگه می دارند؛ امتیازی که آجر فشاری متراکم به این کیفیت از آن برخوردار نیست.

راهکارهای مهندسی و مدرن مقاوم سازی بناهای خشتی قدیمی

امروزه با تکیه بر اصول بهسازی لرزه ای سازه های سنتی (مانند ضوابط نشریه ۳۷۶)، می توان استحکام خانه های خشتی موجود را به شکل چشمگیری افزایش داد:

کلاف بندی محیطی و مخفی: ایجاد کمربندها و کلاف های افقی و قائم با تسمه های فولادی یا چوب های فرآوری شده در تراز سقف و گوشه های دیوار، برای یکپارچه سازی سازه و تبدیل رفتار ترد دیوار خشتی به یک سیستم شکل پذیر انجام می شود.

مسلح سازی با شبکه های الیافی مدرن (FRP): چسباندن ورق ها یا ماتریکس های الیاف شیشه (Glass FRP) روی سطح دیوارهای خشتی، بدون افزایش وزن مرده سازه، مقاومت کششی و برشی درون صفحه و برون صفحه دیوار را در برابر تکان های زلزله به شدت بالا می برد.

تکنیک شاتکریت (بتن پاششی): نصب شبکه میلگرد فولادی (مش متالیک) روی دیوار خشتی با بولت های عبوری مهار شده و سپس پاشش لایه ای نازک از بتن، عملکرد کامپوزیتی محکم و شبه مدرنی به دیوارها می بخشد.

سبک سازی و صلب سازی سقف: جایگزین کردن سقف های گلی و طاق ضربی بسیار سنگین سنتی با سازه های چوبی یا پیش ساخته سبک و اجرای شبکه بتن آرمه نازک روی طاق ها، جهت افزایش صلبیت دیافراگم سقف و کاهش نیروی اینرسی زلزله الزامی است.

تزریق دوغاب های هیدرولیکی: پر کردن ترک های ساختاری و حفره های داخلی دیوارهای خشتی فرسوده با تزریق دوغاب آهک هیدرولیکی یا رزین های مهندسی مهارکننده، پیوستگی داخلی بافت خاک را مجدداً احیا می کند.