不同摻合料對土坯墻泥漿抗壓強度影響研究

童麗萍， 李 聰

(鄭州大學 土木工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著自然資源的大量消耗，生態(tài)環(huán)境日益惡化，氣候變暖、能源危機等引起人們重視，可持續(xù)發(fā)展的建筑理念深入人心[1].土坯建筑是一種良好的綠色建筑形式，其材料無需燒結(jié)，取之自然，碳排放少，節(jié)能環(huán)保，具有良好的生態(tài)性能，它既是傳統(tǒng)文化的傳承與保護，又能適應旅游業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)[2-4].在人們?nèi)找鏋樯鷳B(tài)環(huán)境擔憂，倡導可持續(xù)發(fā)展的今天，它以獨特的生態(tài)性能引起了學術(shù)界的廣泛關(guān)注[5].

泥漿是砌筑土坯墻體的主要材料，對提高土坯墻體整體受力性能具有重要作用[6].近年來，專家學者對泥漿的材料特性進行了大量的研究并取得一定的研究成果.根據(jù)研究成果，骨料種類及含量、含水率、石灰、纖維等添加料對泥漿立方體試塊的抗壓強度具有顯著影響[7-10].然而由于生土材料地域不同，其礦物含量離散性較大，現(xiàn)階段對摻合料耦合作用的影響及敏感性研究較少，泥漿強度對土坯砌體及墻體受力性能研究較為匱乏，不同摻合料對土坯墻泥漿抗壓強度的機理影響不明確[11-13]，因此研究不同摻合料對泥漿抗壓強度的影響，進而研究不同摻合料泥漿對土坯砌體及墻體的影響是很有必要的.

筆者通過土坯墻泥漿抗壓強度試驗，以稻草含量為定量，以粗砂、石灰為變量，分析試驗的破壞過程及結(jié)果，研究不同摻合料對泥漿抗壓強度的影響，給出泥漿的合理配合比，為進一步研究不同摻合料泥漿對土坯墻受力性能提供參考.

1 試驗概況

1.1 試驗材料

試驗制備了25種土樣，分別在天然土中添加定量的稻草和不同含量的粗砂和石灰.土料和稻草取自河南省鄭州市，稻草長度為2～3 mm，粗砂采用水洗砂，試驗前土料用孔徑5 mm的篩網(wǎng)過篩，水洗砂用孔徑0.5 mm和2 mm的土工篩過篩.

1.2 試件制作

參照《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)，結(jié)合目前生土材料的研究，選邊長為100 mm的立方體試塊抗壓強度作為生土材料的標準尺寸，每組制作5個.天然土樣與稻草(摻合量為0.5%[14])、粗砂、石灰配合比(與土質(zhì)量比)如表1所示.

采用精確度為0.5 g的電子秤稱量土樣、稻草、粗砂以及石灰，用三角鏟拌合均勻后，加入水攪拌均勻，控制含水率在35%左右[15].塑料試模內(nèi)涂刷薄層機油，將拌制好的泥漿一次性裝滿100 mm混凝土試模，用人工振搗方法，搗棒均勻地由邊緣向中心按螺旋方式插搗25次，使泥漿高出試模頂面6～8 mm，待表面水分稍干后，用土工刀將高出試模部分的泥漿沿頂面刮去并抹平[16].制作完成后靜置48 h，然后對試塊進行拆模、編號、稱重.試塊拆模后應在實驗室常溫下養(yǎng)護28 d，養(yǎng)護完后稱重，并用游標卡尺測量各試件的長寬高.

表1 土樣配比及試件個數(shù)

1.3 試驗步驟

泥漿立方體試塊抗壓強度試驗，采用300 kN電液伺服萬能試驗機，可自動記錄試件的荷載和位移，試驗時選擇量程為0～20 kN.進行抗壓強度試驗時，首先將試件放置在試驗機的下壓板上，使加載面中心與試件中心對正，若試件表面不平整，采用細砂找平.在正式加載前預壓一次，預壓荷載0.5～1.5 kN，以保證試件與加載面緊密接觸.試件放置完成后，采用荷載控制的加載方法進行連續(xù)加載，加載速率0.03～0.05 kN/s，控制試件6～10 min破壞，記錄破壞現(xiàn)象及破壞荷載.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 稻草因素影響

圖1為稻草試塊抗壓強度試驗破壞過程，在試件加載初期，荷載與位移成線性比例關(guān)系，此階段為彈性階段.當加載至破壞荷載的45%～55%時，有輕微的脆裂聲，此時試件內(nèi)部的稻草部分被拉裂.隨著荷載的增加，脆裂聲密集，試件表面出現(xiàn)細微裂縫，如圖1(a).裂縫一般首先出現(xiàn)在試塊的邊角部位，此時試塊上部開始掉渣，接著邊緣土體有崩落現(xiàn)象，有稻草裸露至外部，如圖1(b).接近破壞荷載時，表面裂縫多而細并上下貫通；達到破壞荷載后，試件沒有立刻破壞，此時仍然具有一定的承載能力，稻草的作用得以發(fā)揮；當荷載急劇下降至破壞荷載的75%左右時，下降速度變慢，試件大部分被壓崩，試件破壞[如圖1(c)]，試驗結(jié)束.

圖1 摻合稻草試塊抗壓強度試驗破壞過程Fig.1 Failure process of rice straw-mixed specimens for compressive strength tests

摻合稻草泥漿立方體試塊抗壓強度試驗結(jié)果如表2,其荷載位移曲線及擬合曲線如圖2所示.從表2中可以看出，添加稻草的泥漿立方體試塊抗壓強度為0.91～1.23 MPa，平均值為1.08 MPa.圖2表明，試塊經(jīng)歷了彈性階段、開裂階段、破壞階段，其破壞過程和混凝土類似.在試件加載初期，荷載位移曲線呈直線，斜率較小，有一個壓密階段，此階段持續(xù)時間較短.擬合曲線中AB段趨近于直線，試件土體處于彈性變形階段；BC段成凸形，試件土體開始屈服，產(chǎn)生微裂縫、鼓脹，并進一步發(fā)展；曲線C點為峰值(位移為3 mm左右)，試件達到破壞荷載；曲線CD段呈下降趨勢，裂縫發(fā)展迅速，試件破壞.

表2 A組試塊抗壓強度試驗結(jié)果平均值

2.2 粗砂含量影響

圖3為稻草粗砂試塊抗壓強度試驗破壞過程，由于試塊中同樣摻加了重量比0.5%的稻草，B組試塊與A組破壞現(xiàn)象類似.當加載至破壞荷載的55%～70%時，表面出現(xiàn)開裂裂縫，開裂荷載與A組試塊相比較大，裂縫除出現(xiàn)在試塊邊角部位及偏向邊緣處外，還明顯出現(xiàn)在試塊中部，如圖3(a)、(b)所示.隨著荷載的增加，試塊上部邊緣處有少量土塊掉落，裂縫逐漸增多并緩慢發(fā)展至貫通，此時稻草被拉結(jié)，斷裂聲密集；達到破壞荷載后，試塊裂縫急劇增寬，但沒有立即潰散，仍然有一定的承載力；繼續(xù)加載，試塊四周崩裂，呈現(xiàn)延性破壞，如圖3(c)所示.

圖2 A組立方體試塊荷載-位移曲線及擬合曲線Fig.2 Load-displacement curves and fitting curves of the cube specimens in group A

圖3 摻合稻草粗砂試塊抗壓強度試驗破壞過程Fig.3 Failure process specimens with rice straw and rough sand during compressive strength tests

以B2組摻合40%的粗砂為例具體分析試驗結(jié)果，如表3和圖4所示.分析可知，曲線AB段斜率較小，試件土體處于壓密階段，內(nèi)部空隙變小；曲線BC段趨近于直線，試件土體處于彈性變形階段；加載至破壞荷載的65%左右，荷載隨位移增長速度變緩，CD段呈凸形，試件土體開始屈服，產(chǎn)生微裂縫、鼓脹，并進一步發(fā)展；曲線D點為峰值(位移為3 mm左右)，試件達到破壞荷載；曲線DE段呈下降趨勢，裂縫發(fā)展迅速，試件破壞.

根據(jù)底棲動物的耐污染程度，判斷水質(zhì)的劣質(zhì)程度，底棲動物耐清潔種越多，指示河流水質(zhì)情況越好；根據(jù)底棲動物耐清潔程度來判斷水質(zhì)的優(yōu)良程度，如果有耐污底棲動物種類出現(xiàn)，說明河流水質(zhì)情況差，有污染物存在。

表3 B2組試塊抗壓強度試驗結(jié)果平均值

圖4 B2組立方體試塊荷載-位移曲線及擬合曲線Fig.4 Load-displacement curves and its fitting curves of the cube specimens in group B2

不同粗砂含量的試塊抗壓強度試驗結(jié)果如表4，不同粗砂含量立方體荷載位移擬合曲線如圖5.由表4可知，不同粗砂含量的試塊抗壓強度為1.21～1.45 MPa，相對A組提高了12.0%～34.3%.由圖5可知，當粗砂含量為30%～40%時，隨著含砂量的增高，立方體試塊抗壓強度增大，說明粗砂在土體中起到一定的骨架作用，增加了土體之間的咬合力，從而增大土體抗壓能力.當摻加粗砂比例為40%時，試塊破壞荷載達到最大，此時試塊具有一定的壓密階段，變形能力增加顯著.當粗砂含量為40%～60%時，試塊破壞荷載逐漸降低，有兩個原因：一是粗砂所占體積較大，加之有稻草的存在，兩種摻合料沒有與土體形成良好的黏結(jié)，內(nèi)部存在空隙，導致試塊強度降低；二是粗砂含量較大，加載過程中，粗砂與土體之間產(chǎn)生的微裂縫增多，使試塊強度降低.

表4 B組試塊抗壓強度試驗結(jié)果平均值

圖5 不同粗砂含量立方體試塊荷載-位移擬合曲線Fig.5 Load-displacement curves of the cubic specimenswith differen coarse sand content

對摻合粗砂試塊抗壓強度與粗砂含量進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)試塊抗壓強度與粗砂含量x(0≤x≤60%)呈現(xiàn)良好的3次多項式關(guān)系，如式(1)所示：

y= -0.000 01x3+0.000 6x2-0.001 1x+

1.078 9,

R2=0.965 5.

(1)

2.3 石灰含量影響

圖6為摻合稻草石灰試塊抗壓強度試驗破壞過程.試塊在加載初期，同樣經(jīng)歷彈性階段，當加載至破壞荷載的40%～55%時，試件發(fā)出輕微的脆裂聲，此時內(nèi)部稻草輕微拉裂，由于石灰凝結(jié)硬化，試塊表面土體脆性較大，表面崩裂如圖6(a)所示.隨著荷載增加，內(nèi)部形成貫通裂縫并急劇增加，當達到破壞荷載后，土體崩落加劇，試件迅速破壞.由于稻草的拉結(jié)作用，試塊整體呈延性破壞，但表面土體破壞現(xiàn)象與A組、B組有所不同，呈層狀崩落，如圖6(b)所示.

摻合不同石灰的試塊試驗結(jié)果如表5和圖7所示.從圖7可知，摻合石灰的泥漿立方體試塊，經(jīng)歷彈性、屈服、破壞3個階段，與添加粗砂的試塊相比，無明顯壓密階段，說明石灰的硬化作用增加了試塊的脆性，導致試塊延性減小.

表5 C組試塊抗壓強度試驗結(jié)果平均值

圖7 不同石灰含量立方體試塊荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of the cube specimens with different lime contents

分析表5可知，隨著石灰含量的增大，試件抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.石灰含量為2%～6%時，試塊抗壓強度增加約8.0%～11.2%，說明石灰在試塊養(yǎng)護過程中，吸收了部分水分，加快試塊固結(jié)硬化，增加試塊強度；石灰含量為6%～8%時，試塊抗壓強度反而略微減少，是由于石灰含量增大，養(yǎng)護過程中吸收的水分增加，減少了試塊的固結(jié)水分，固結(jié)速度過快，土體內(nèi)的膠結(jié)材料不能充分發(fā)育.從整體看，石灰含量的變化對試塊抗壓強度影響較小.

對摻合石灰試塊抗壓強度與石灰含量進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)試塊抗壓強度與石灰含量x(0≤x≤8%)呈現(xiàn)良好的3次多項式關(guān)系，

y=0.000 3x3-0.007 7x2+0.056x+1.080 4,

R2=0.997 1.

(2)

2.4 粗砂石灰含量影響

圖8 摻合稻草粗砂石灰試塊抗壓強度試驗破壞過程Fig.8 Failure process of the specimens with rice straw, sand and lime during the compressive strength tests

圖8為稻草粗砂石灰試塊抗壓強度試驗破壞過程，D組試塊和B組試塊破壞現(xiàn)象類似，加載初期為彈性階段，無明顯現(xiàn)象，隨著荷載增加，同樣是邊緣土體或中部首先出現(xiàn)細微裂縫，內(nèi)部稻草拉結(jié)發(fā)出輕微脆裂聲，但由于粗砂起骨架作用的同時石灰具有凝結(jié)硬化作用，造成試塊破壞過程中延性明顯減小，經(jīng)歷彈性階段后，試塊兩側(cè)裂縫貫通速度加快，如圖8(a)，快速達到破壞荷載，之后土塊崩落，試塊破壞，如圖8(b).

摻合不同含量粗砂和石灰的試塊抗壓強度試驗結(jié)果如表6所示，不同粗砂含量、石灰含量與試塊抗壓強度關(guān)系如圖9.

表6 D組試塊抗壓強度試驗結(jié)果平均值

圖9 不同石灰、粗砂含量與試塊抗壓強度關(guān)系圖Fig.9 Relationship between the coarse sand content of different lime and compressive strength of test block

同時摻合粗砂和石灰時，材料之間相互作用機理較為復雜，從表6可以看出，摻合不同含量粗砂石灰的試塊，抗壓強度為1.11～1.53 MPa.當粗砂含量為40%、石灰含量6%時，試塊抗壓強度最大，為1.53 MPa.由圖9可知，在相同石灰含量下，試塊抗壓強度隨粗砂含量增加基本呈先減少再增加再減少的趨勢.以石灰含量6%為例說明其原因：粗砂具有一定的棱角和硬度，當粗砂含量較小時，骨架作用沒有充分發(fā)揮，降低了試塊抗壓強度；隨粗砂含量增加，粗砂與摻合石灰的土體之間咬合作用得以發(fā)揮，試塊抗壓強度增大；當粗砂含量為40%～60%時，粗砂體積比較大，由于粗砂與土體之間形成的微裂縫增多，粗砂骨架作用提高的強度小于裂縫降低的強度，隨著粗砂含量增加，試塊抗壓強度降低.

為綜合分析石灰和粗砂兩變量的相關(guān)性，對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析，試塊抗壓強度z與粗砂含量x(0≤x≤60%)、石灰含量y(0≤y≤8%)呈3次多項式關(guān)系，

z= -8.865e-6x3+1.183e-3y3-1.507e-5x2y-

2.205e-4xy2+7.936e-3x2-2.694e-2y2+

3.377e-3xy-0.021 9x+0.017 9y+0.861 6，

R2=0.810 9.

(3)

3 結(jié)論

筆者通過系列試驗研究了不同含量摻合料下土坯墻泥漿立方體試塊抗壓強度，得出以下主要結(jié)論.

(1)添加稻草的試塊，抗壓強度平均值為1.08 MPa，破壞位移較大，達到破壞荷載后沒有立即崩裂潰散，仍具有一定承載力，破壞形式為延性破壞.

(2)隨著粗砂含量的增加，試塊抗壓強度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.摻合粗砂含量在40%左右時，對試塊破壞荷載影響較大，一定程度上提高試塊變形能力.試塊抗壓強度與粗砂含量呈現(xiàn)良好的3次多項式關(guān)系，受粗砂含量影響顯著.

(3)摻合石灰對試塊抗壓強度略有提高，石灰含量為6%時，抗壓強度值最大.試塊抗壓強度與石灰含量呈現(xiàn)良好的3次多項式關(guān)系.

(4)摻合粗砂石灰的試塊，粗砂含量40%、石灰含量6%時，試塊抗壓強度提高較大，變形能力無明顯變化.不同粗砂石灰含量下，試塊抗壓強度與粗砂含量(0～40%)、石灰含量(0～6%)呈3次多項式關(guān)系.