土坯砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

阿肯江?托呼提，沙吾列提?拜開(kāi)依，曹 耿，丁廣林，趙 成

(新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830008)

新疆地處地震多發(fā)區(qū)，歷次震害表明，生土建筑的破壞尤為嚴(yán)重.自1996年以來(lái)自治區(qū)內(nèi)發(fā)生破壞性地震30多次，造成327人死亡，5000余人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)35億元.據(jù)2004年統(tǒng)計(jì)，自治區(qū)內(nèi)共有農(nóng)村住房223萬(wàn)戶，仍有169萬(wàn)戶民居沒(méi)有達(dá)到抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn).生土建筑沿用至今，一方面由于居住條件受制于經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)，反映出村鎮(zhèn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后;另一方面由于其因地制宜、施工便捷、環(huán)保舒適等特點(diǎn)受到廣大村鎮(zhèn)居民的青睞，并成為建筑領(lǐng)域的一種文化傳承[1].雖然歷次地震后生土建筑的震害相當(dāng)嚴(yán)重，但也有一些結(jié)構(gòu)合理、施工質(zhì)量好的生土建筑保持完好[2]，而且試驗(yàn)也表明，結(jié)構(gòu)合理、施工質(zhì)量合格的生土建筑可以在8度區(qū)保證結(jié)構(gòu)的安全性[3-5].2008年頒布的《鎮(zhèn)(鄉(xiāng))村建筑抗震技術(shù)規(guī)程》對(duì)生土建筑的抗震構(gòu)造措施及施工方面提出了規(guī)范化要求，其中涉及土坯墻體抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，但沒(méi)有提及抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，因此研究土坯砌體的抗壓強(qiáng)度是完善生土建筑規(guī)范的基礎(chǔ)性工作.

目前，國(guó)內(nèi)外可供查閱的與生土建筑相關(guān)的文獻(xiàn)不多，且大部分是對(duì)生土材料或其改性后的力學(xué)性能的研究[6-9]，砌體構(gòu)件、夯土墻片、生土結(jié)構(gòu)體系的試驗(yàn)研究也很少[10-13].本文通過(guò)對(duì)濕法制作的土坯砌體的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)提出了抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，并對(duì)提高土坯砌體抗壓強(qiáng)度提出了一些建議.

1 土坯砌體試件的制作

制作土坯所用土料取自烏魯木齊郊區(qū).新疆地區(qū)土坯形狀以矩形見(jiàn)多，其尺寸(長(zhǎng)×寬×厚)約為310mm×150mm×100mm.試件由用濕法制作的成品土坯(尺寸為310mm×150mm×100mm)砌筑，泥漿隨拌隨用，室溫下養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗(yàn).

參照普通黏土磚的試驗(yàn)方法[14]進(jìn)行試驗(yàn).將土坯沿長(zhǎng)度方向從中間鋸斷，斷口反向疊砌，灰縫厚度約10mm，上下表面用泥漿找平，用水平尺檢查其平整度，共制作6件單塊土坯的抗壓強(qiáng)度試件.參照GBJ129—90《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]，砌筑尺寸為310mm×470mm×870mm、高厚比為2.9的素土坯砌體抗壓強(qiáng)度試件6件.改性土坯砌體試件砌筑方法與素土坯砌體試件相同，僅在砌筑泥漿中加入1%的麥秸稈，砌筑3件.土坯砌體試件砌于10mm鋼墊板之上，首皮座漿，土坯砌筑時(shí)用水將表面浸潤(rùn)，以消除干土坯表面與砌筑泥漿之間黏結(jié)不牢、界面易脫離的問(wèn)題.土坯砌體試件頂部以約12mm厚泥漿找平，其上以薄膜覆蓋養(yǎng)護(hù).本次試驗(yàn)的試件制作與抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)均在新疆大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大廳進(jìn)行.

2 單塊土坯試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)加載方案

單塊土坯試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在100kN的小型壓力機(jī)上進(jìn)行，壓力機(jī)可自動(dòng)記錄豎向位移和荷載，并繪制荷載-位移曲線.試件表面不平整處需打磨，由水平尺檢查平整度.在與壓力機(jī)配套的操作軟件中填入試件尺寸、加載速率、試驗(yàn)結(jié)束條件等基本選項(xiàng)后，將試件對(duì)中，采用連續(xù)加載方式，加載速率為0.05kN/s，以破壞作為試驗(yàn)結(jié)束條件，預(yù)壓2或3次，預(yù)加荷載3～5kN.確保壓力機(jī)正常運(yùn)行并與試件緊密接觸后開(kāi)始試驗(yàn).

2.2 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

單塊土坯試件破壞過(guò)程可以分為開(kāi)裂、裂縫穩(wěn)定發(fā)展、破壞3個(gè)階段.加載初期，荷載-位移曲線并非線性，而是呈現(xiàn)下凸的特征.當(dāng)荷載加載至約50%極限荷載時(shí)，裂縫迅速開(kāi)展并貫穿試件，走向大致與受壓方向平行，隨著荷載的增加，主裂紋增寬，繼而出現(xiàn)若干平行裂縫，裂縫間有更為細(xì)小的裂紋相連，伴有局部壓潰剝落.試件編號(hào)及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，破壞形態(tài)見(jiàn)圖1，荷載-位移曲線見(jiàn)圖2.

表1 單塊土坯試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Resutlts of compressive strength tests on single adobe brick

圖1 單塊土坯試件破壞形態(tài)Fig.1 Failure shape of single adobe brick

圖2 單塊土坯試件荷載-位移曲線Fig.2 Relationship between load and displacement for singe adobe brick

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表1可以看出，單塊土坯的軸向受壓試驗(yàn)峰值荷載和峰值位移的平均值分別為27.3kN和3.58mm，由此得到的峰值應(yīng)變?yōu)?.019.與同尺寸(指試件受壓高度)的素土立方體試塊的抗壓試驗(yàn)結(jié)果相比[16]，可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)二者在相同荷載作用下，峰值應(yīng)變相差較大，高度為190mm的立方體試塊荷載為27kN時(shí)的峰值應(yīng)變?yōu)?.0084，相差1倍多.分析產(chǎn)生較大差異的原因，一是土坯試件中的灰縫產(chǎn)生較大壓縮所致，二是和受壓方向有關(guān).經(jīng)分析第一種原因基本可以排除，因?yàn)樵诳箟哼^(guò)程中灰縫并沒(méi)有先于土坯壓碎.立方體試塊垂直于澆筑方向受壓，土坯試件平行于澆筑方向受壓，導(dǎo)致二者在相同荷載作用下產(chǎn)生了不同的壓應(yīng)變.這說(shuō)明濕法制作的生土試件是各向異性材料.

3 素土坯砌體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)加載方案

素土坯砌體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)在5000kN的長(zhǎng)柱壓力機(jī)上進(jìn)行，壓力機(jī)可自動(dòng)記錄豎向位移和荷載，并繪制荷載-位移曲線，試驗(yàn)方法與單塊土坯試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法相同，加載速率為0.3kN/s.

3.2 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

素土坯砌體試件破壞過(guò)程可以分為開(kāi)裂、裂縫穩(wěn)定發(fā)展、破壞3個(gè)階段.荷載小于35%峰值荷載時(shí)，荷載-位移曲線不是線性關(guān)系，也表現(xiàn)出明顯的下凸特征.當(dāng)加載至45%極限荷載時(shí)，試件的正面與側(cè)面中部單皮磚內(nèi)出現(xiàn)細(xì)微豎向裂縫，并緩慢擴(kuò)展，至60%峰值荷載時(shí)裂縫擴(kuò)展至4～5皮磚，隨著荷載增長(zhǎng)，豎向裂縫連通，局部少量剝落掉渣.豎向灰縫不飽滿處最容易先出現(xiàn)裂縫，側(cè)面豎向灰縫在此時(shí)也處于穩(wěn)定的發(fā)展階段，荷載-位移曲線接近于線性關(guān)系.當(dāng)加載至85%峰值荷載時(shí)，荷載略有增長(zhǎng)，位移增長(zhǎng)加快，接近極限荷載時(shí)，試件突然破壞，邊角局部壓潰，正面與側(cè)面均已出現(xiàn)較寬豎向裂縫，砌體試件已被分成若干小柱，即將潰散.試件編號(hào)及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，試件破壞形態(tài)見(jiàn)圖3，荷載-位移曲線見(jiàn)圖4.

表2 素土坯砌體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of compressive strength tests on plain adobe masonry specimens

圖3 素土坯砌體試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure shapes of plain adobe masonry specimens

圖4 素土坯砌體試件荷載-位移曲線Fig.4 Relationship between load and displacement for plain adobe masonry specimens

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表2可以看出，素土坯砌體試件的峰值位移平均值、抗壓強(qiáng)度平均值分別為8.7mm和0.78MPa，強(qiáng)度值結(jié)果較離散，在平均值的基礎(chǔ)上浮動(dòng)高達(dá)54%.受壓過(guò)程中，水平灰縫并沒(méi)有先于土坯破壞，而豎向灰縫成了裂縫發(fā)展的主導(dǎo)方向，說(shuō)明豎向灰縫容易形成原始缺陷并導(dǎo)致應(yīng)力集中，試件在橫向無(wú)有效約束而被拉裂，最終形成若干小柱失穩(wěn)而破壞，呈明顯脆性破壞特征.

4 改性土坯砌體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)加載方案

抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)裝置與加載方案和素土坯砌體試件相同.

4.2 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

改性土坯砌體試件的破壞過(guò)程也經(jīng)歷了開(kāi)裂、裂縫穩(wěn)定發(fā)展、破壞這3個(gè)階段.整個(gè)過(guò)程較改性前穩(wěn)定，試件的荷載-位移曲線連續(xù)光滑，當(dāng)荷載加至45%極限荷載時(shí)，可以聽(tīng)見(jiàn)草筋被拉斷的聲音，試件表面開(kāi)始出現(xiàn)裂縫，中部幾坯被豎向灰縫貫通，走向平行于受壓方向.與素土坯砌體試件不同，裂縫相對(duì)較多，細(xì)密呈網(wǎng)狀，擴(kuò)展較慢.極限荷載時(shí)試件中下部壓潰剝落，表面鼓突，但正面的豎向裂縫沒(méi)有貫通，裂縫寬度較素土坯砌體試件窄許多，厚度方向出現(xiàn)斜向裂縫，側(cè)面主裂紋伴有若干次裂縫，位移迅速增長(zhǎng)，喪失承載力后試件仍保持完整，不會(huì)像素土坯砌體試件自行坍塌.試件編號(hào)及抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，破壞形態(tài)見(jiàn)圖5，整個(gè)荷載-位移曲線(圖6)過(guò)程接近線性.

表3 改性土坯砌體試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of compressive strength tests on modified adobe masonry specimens

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從表3可以看出，灰縫中摻和了麥秸稈的土坯砌體試件的平均抗壓強(qiáng)度達(dá)到了0.83MPa，從荷載-位移曲線上可以看出它的力學(xué)性能更加穩(wěn)定，即強(qiáng)度和峰值位移等波動(dòng)較素土坯砌體試件大大減小，而且強(qiáng)度平均值較素土坯砌體試件的0.78MPa有所提高.試件中下部壓潰，一方面說(shuō)明土坯強(qiáng)度已經(jīng)充分發(fā)揮，另一方面說(shuō)明土坯塊體自身的強(qiáng)度很低.試件峰值位移由改性前的7.8mm增加到9.1mm，脆性得到改善，但脆性破壞的特征仍無(wú)明顯改觀.灰縫在砌體養(yǎng)護(hù)后的干縮裂縫相當(dāng)嚴(yán)重，這使得砌體在受力過(guò)程中應(yīng)力在缺陷處集中，導(dǎo)致材料強(qiáng)度有可能得不到充分利用便提早破壞.用同批次泥漿將2塊土坯黏結(jié)，同條件養(yǎng)護(hù)后剝離，可見(jiàn)內(nèi)部灰縫的干縮裂縫同樣很?chē)?yán)重，如圖7所示.提高土坯砌體承載力，不僅要從提高土坯強(qiáng)度出發(fā)，還不能忽視灰縫的作用.生土材料的干縮是不可避免的，如同混凝土干縮.生土中黏土的含量是影響干縮的主要原因，也是生土產(chǎn)生強(qiáng)度的主要原因，合理控制生土料中黏土含量很重要.土坯砌體試件受壓往往從中部開(kāi)裂，這是生土料抗拉強(qiáng)度低被拉斷所致.如果灰縫能夠提供一個(gè)約束土坯橫向變形的作用，就像混凝土柱中的箍筋一樣，當(dāng)灰縫材料變形模量高于土坯變形模量時(shí)，就會(huì)使原本為壓-拉-拉應(yīng)力狀態(tài)的土坯變?yōu)槿蚴軌籂顟B(tài)，而原本三向受壓的灰縫變?yōu)閴?拉-拉應(yīng)力狀態(tài)，若灰縫具備一定的抗拉強(qiáng)度，則土坯砌體的承載力可得到顯著改觀.

圖6 改性土坯砌體試件荷載-位移曲線Fig.6 Relationship between load and displacement for modified adobe masonry specimens

圖7 灰縫內(nèi)部缺陷Fig.7 Internal defects in ash seams

5 土坯砌體的抗壓強(qiáng)度取值

砌體能承受的最大壓應(yīng)力，稱(chēng)為砌體抗壓強(qiáng)度，它是確定砌體及其構(gòu)件破壞能力的一個(gè)重要指標(biāo).目前國(guó)內(nèi)外的砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式仍建立在以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)公式之上.砌體強(qiáng)度主要由塊體和砂漿的強(qiáng)度共同決定，GB5003—2001《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出的軸心受壓砌體抗壓強(qiáng)度平均值計(jì)算公式[17]為

式中:fm——砌體抗壓強(qiáng)度平均值，MPa;f1——塊體抗壓強(qiáng)度等級(jí)或平均值，MPa;f2——砂漿抗壓強(qiáng)度平均值，MPa;k1——與塊體類(lèi)別有關(guān)的參數(shù);k2——砂漿強(qiáng)度較低或較高時(shí)對(duì)抗壓強(qiáng)度的修正系數(shù);α——與塊體高度和砌體類(lèi)別有關(guān)的參數(shù).

由表1、表2可知，單塊土坯抗壓強(qiáng)度平均值為1.22MPa，素土坯砌體的抗壓強(qiáng)度平均值為0.78MPa，泥漿抗壓強(qiáng)度平均值為2.6MPa，套用砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式(1)，k2=1[17]，由此算出的土坯砌體抗壓強(qiáng)度平均值為1.04MPa，顯然誤差很大.其中，單塊土坯抗壓強(qiáng)度值是可信的，但f2，k2的取值則值得懷疑;另一方面就是磚的抗壓強(qiáng)度平均值計(jì)算公式不適用于土坯是造成誤差較大的主要原因.因?yàn)橥僚髌鲶w砌筑用的灰漿的抗壓強(qiáng)度具體是多少值得探究，灰漿是在豎向壓應(yīng)力、上下土坯吸收水分的情況下凝結(jié)硬化的，而鋼模中70.7mm立方體試塊的硬化條件與此截然不同，圖7可以說(shuō)明，70.7mm立方體試塊的抗壓強(qiáng)度并不能代表砌體中泥漿的真實(shí)抗壓強(qiáng)度，灰縫在受壓之前早已形成網(wǎng)狀的裂縫，推測(cè)其真實(shí)抗壓強(qiáng)度已小于或等于塊體的強(qiáng)度.假設(shè)式(1)對(duì)土坯適用，土坯抗壓強(qiáng)度可信，則可以反推出泥漿的抗壓強(qiáng)度為0.51MPa，k2為0.8.由此反推出的灰漿抗壓強(qiáng)度比泥漿立方體抗壓強(qiáng)度實(shí)測(cè)值更可信，但是缺乏根據(jù).雖然砌體承受均布?jí)毫?，但砌體單塊磚內(nèi)卻產(chǎn)生了復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，使塊體受彎、受剪，這使得砌體抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)低于塊體和砂漿的抗壓強(qiáng)度[18].可見(jiàn)公式(1)還是具有實(shí)踐代表性的，因此在公式(1)基礎(chǔ)上，依據(jù)6個(gè)素土坯砌體試件和3個(gè)改性土坯砌體試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，建立土坯砌體抗壓強(qiáng)度平均值簡(jiǎn)化計(jì)算式如下:

式中k2為灰漿強(qiáng)度較低時(shí)對(duì)砌體抗壓強(qiáng)度的修正系數(shù)，其他參數(shù)含義不變.改性土坯砌體試件的試驗(yàn)結(jié)果表明，即便灰漿在養(yǎng)護(hù)期內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)的裂縫，土坯砌體抗壓強(qiáng)度仍沒(méi)有得到顯著改觀，因此公式(2)沒(méi)有考慮灰漿對(duì)砌體抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)作用，僅用來(lái)體現(xiàn)灰漿對(duì)砌體抗壓強(qiáng)度的削弱，取為0.80.k1參考GB50003—2001《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]取0.78，得土坯砌體抗壓強(qiáng)度平均值為0.76MPa.

土坯砌體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值是抗壓強(qiáng)度的基本代表值，由概率分布的0.05分位數(shù)確定，即砌體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值具有95%的保證率.采用砌體結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算式[18]:

表2中土坯砌體抗壓強(qiáng)度變異系數(shù)為0.3158，這是沒(méi)有剔除可疑數(shù)據(jù)的結(jié)果.如果將抗壓強(qiáng)度平均值浮動(dòng)±15%以外的值剔除，則變異系數(shù)會(huì)小于0.2，對(duì)于受壓土坯砌體，取.按此法算得素土坯砌體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為0.56MPa.

土坯砌體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f是考慮了影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件可靠因素后的材料抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，由標(biāo)準(zhǔn)值除以材料性能分項(xiàng)系數(shù) γf而得，按施工等級(jí)為B級(jí)考慮，取

按照公式(4)算出的土坯砌體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=0.35MPa，約為抗壓強(qiáng)度平均值的45%.

6 影響土坯砌體抗壓強(qiáng)度的主要因素

土坯砌體宏觀上是由土坯和灰漿砌筑而成的整體材料，但灰縫層內(nèi)部的開(kāi)裂和豎向灰縫的缺陷使得土坯砌體并不連續(xù)，也不是完全彈性材料.影響土坯砌體抗壓強(qiáng)度的因素很多，主要有塊體和灰漿自身的物理力學(xué)性能、施工質(zhì)量、試驗(yàn)方法等[19].

a.土坯和灰漿的抗壓強(qiáng)度是影響土坯砌體抗壓強(qiáng)度的首要因素.雖然土坯和灰縫的成分相同，但又不同于一個(gè)整體.灰漿作為黏結(jié)劑，不僅與土坯存在黏結(jié)界面，其內(nèi)部也分布著較多裂縫.此外，土坯尺寸、幾何形狀及表面平整度，灰漿砌筑時(shí)的含水率等都會(huì)影響土坯砌體受力后應(yīng)力傳遞的路徑.

b.施工質(zhì)量.主要是指水平和豎向灰縫的飽滿度、平整度、均勻度以及試件的垂直度.

c.試驗(yàn)方法.試件的尺寸、標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件和時(shí)間、抗壓試驗(yàn)的加載速率以及砌體工作狀態(tài)的不同，抗壓試驗(yàn)強(qiáng)度不同.

7 結(jié) 論

a.造成土坯砌體抗壓強(qiáng)度低的原因較多，諸如干縮產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷、砌筑質(zhì)量和施工方法、受壓面平整度等.灰縫是很重要也最容易被忽視的一方面，豎向灰縫不飽滿處形成應(yīng)力集中是影響土坯砌體抗壓強(qiáng)度的重要因素.

b.土坯砌體抗壓強(qiáng)度平均值的計(jì)算可采用本文公式(2)，由此得出的土坯砌體抗壓強(qiáng)度平均值為0.76MPa，基本符合試驗(yàn)值.

c.從土坯砌體試件的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果看，無(wú)論是否摻和麥秸稈土坯砌體抗壓強(qiáng)度都很低，因此不建議建造中使用濕法制作土坯砌筑承重墻.建議從生土料的顆粒級(jí)配、生土料中黏土含量、新的加強(qiáng)材料、新的生產(chǎn)工藝方面探究改善其力學(xué)性能.

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