生土自嵌固空心磚抗壓抗折性能試驗(yàn)研究

王毅紅 ，劉樂 ，王天涯 ，郝振奮 ，徐荀

（1.長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710061；2.北京特種工程設(shè)計(jì)研究院，北京 100028）

0 引言

作為一種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類型，生土結(jié)構(gòu)因其易于就地取材、造價(jià)低廉、技術(shù)簡單、綠色環(huán)保、保溫與隔熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，在全球面臨能源和環(huán)境危機(jī)的今天，再次受到了廣泛的關(guān)注[1-4]?，F(xiàn)役生土結(jié)構(gòu)包含夯土、土坯砌體及窯洞等結(jié)構(gòu)形式，其中土坯砌體結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種。但傳統(tǒng)土坯砌體結(jié)構(gòu)砌筑工作繁重、砌筑過程中需要使用大量粘結(jié)劑、結(jié)構(gòu)性能受砌筑質(zhì)量影響大等一些自身缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響了生土結(jié)構(gòu)的發(fā)展。針對這一現(xiàn)狀，本課題組參考國內(nèi)外已有經(jīng)驗(yàn)[5-7]，設(shè)計(jì)出了一種生土自嵌固空心磚（見圖1），該空心磚尺寸為240mm×120mm×90mm，外形為上凸下凹，砌筑時通過塊材間機(jī)械咬合作用連接。與傳統(tǒng)生土砌塊相比具有可實(shí)現(xiàn)快速砌筑，減少粘結(jié)劑用量，更加綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，亦可利用磚孔與其他建筑材料（如鋼筋、混凝土）相結(jié)合，改善傳統(tǒng)生土結(jié)構(gòu)的抗震性能。

圖1 生土自嵌固空心磚外形示意

素土一般強(qiáng)度較低、脆性明顯，常需加入改性材料提高強(qiáng)度、改進(jìn)脆性，考慮到有效性和實(shí)用性，本研究選擇水泥和麥秸作為改性材料，采用定制的制磚設(shè)備制作生土自嵌固空心磚。通過對試塊進(jìn)行抗壓、抗折試驗(yàn)，得到該型磚的破壞形態(tài)、抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等，分析其受力性能。研究結(jié)果可為生土自嵌固空心磚砌體的后續(xù)研究和應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土料為陜西省關(guān)中地區(qū)黃土，水泥為P·O42.5水泥，麥秸長度為20mm。分別選擇水泥摻量（質(zhì)量百分比）為1.5%、3.0%、4.5%，麥秸摻量（質(zhì)量百分比）為0.2%、0.4%、0.8%。參考GB/T50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)對不同配合比土料的最優(yōu)含水率及最大干密度進(jìn)行測試。根據(jù)文獻(xiàn)[8]，少量麥秸對土的最優(yōu)含水率影響很小，因此麥秸土的最優(yōu)含水率和最大干密度可參考素土，測試結(jié)果見表1。

表1 生土基材料的最優(yōu)含水率及最大干密度

1.2 試塊制作

試塊制作所用機(jī)具為定制的YF1-40手工磚機(jī)，壓磚機(jī)內(nèi)有可拆卸的專用模具，試塊采用人工壓實(shí)，通過控制土料用量來保證每塊磚達(dá)到最大干密度。由于試塊上表面突起對抗壓、抗折試驗(yàn)加載存在影響，此次試驗(yàn)制作無凸起部分空心磚，此做法不改變自嵌固磚的受力特點(diǎn)。

制磚步驟為：拌料、入模、施壓、脫模。拌料前應(yīng)現(xiàn)場用酒精燃燒法測出待拌土料的天然含水率，加入摻合料并將土料拌制均勻。按照式（1）計(jì)算所需加入水量mw，將混合土料含水率調(diào)整至最優(yōu)含水率。

式中：mw——水的質(zhì)量，kg；

m0——土料質(zhì)量，kg；

ω——最優(yōu)含水率，%；

ω0——天然含水率，%。

為使所制作的磚盡量接近于實(shí)際工程狀態(tài)，土料不過篩，人工粉碎其中較大顆粒。土料拌和好后，將其送至模具內(nèi)，用壓磚機(jī)一次壓制成型，磚的尺寸為240mm×120mm×90mm。試塊壓制成型后，置于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為25～30℃，28 d后進(jìn)行性能測試。試塊編號及摻料配比見表2。

表2 生土自嵌固空心磚試塊編號及摻料配比

1.3 試驗(yàn)加載

生土自嵌固空心磚的抗壓和抗折試驗(yàn)在長安大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)與抗震實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載和控制，該試驗(yàn)系統(tǒng)可自動繪制試塊荷載-位移曲線，最大負(fù)荷為300kN。試驗(yàn)方法參考ASTM C67-17[9]，選擇表面無明顯缺陷的試塊進(jìn)行試驗(yàn)?？箟涸噳K置于球鉸上，加載前調(diào)整球鉸至水平，并使其居中。試驗(yàn)采用位移控制勻速加載，加載速率為2mm/min，當(dāng)荷載下降到峰值荷載的80%時試驗(yàn)結(jié)束?？拐墼噳K置于專用抗折輔助工具上，調(diào)整工具上活動支座，使其距離試塊兩端各20mm（見圖2），由于試塊凹面處孔洞距兩端較近，為避免試塊在孔洞處受集中力作用，將其倒置于抗折工具上，采用位移控制勻速加載，加載速率為0.6mm/min，加載至試塊破壞。

圖2 抗折試驗(yàn)

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

2.1 抗壓試驗(yàn)現(xiàn)象

對于素土試塊，加載至峰值荷載的40%時，試塊正面中部出現(xiàn)少量細(xì)小裂縫，左右兩邊表皮脫落，試塊角部被壓碎。隨著荷載的不斷增大，孔洞邊出現(xiàn)裂縫，左右兩邊裂縫增多，表皮脫落明顯，當(dāng)荷載增大至峰值荷載的80%左右時，裂縫迅速擴(kuò)散，達(dá)到極限荷載后，試塊出現(xiàn)數(shù)條貫通裂縫，四周漸被壓潰，試塊被完全壓壞[見圖3（a）]。剝開試塊表面破壞土體，破壞形態(tài)呈典型的雙錐形[見圖 3（b）]。

對于水泥土試塊，其表面較為光滑，成型較好，與素土試塊相比，強(qiáng)度較高，裂縫出現(xiàn)較晚，加載時間較長。最終破壞形態(tài)與素土試塊相似，為雙錐形破壞。

對于麥秸土試塊，由于麥秸的存在，其表面較為粗糙，且存在部分微裂紋。加載初期原有裂紋就開始擴(kuò)展，形成多條豎向裂縫，隨著荷載的增大，裂縫擴(kuò)展并貫通，部分麥秸被拉斷并發(fā)出聲響，但裂縫間土體并未脫落。試塊破壞時，豎向位移迅速增大，試塊被壓扁并向四周膨脹，試塊破壞后基本保持原有形狀[見圖4（a）]。剝下四周破壞土體，破壞形態(tài)也呈雙錐形[見圖 4（b）]。

圖3 素土試塊抗壓試驗(yàn)現(xiàn)象

圖4 M1試塊抗壓試驗(yàn)現(xiàn)象

2.2 抗折試驗(yàn)現(xiàn)象

素土試塊和水泥土試塊的抗折試驗(yàn)現(xiàn)象基本相同，隨荷載增大，很快在試塊下方空洞處出現(xiàn)裂縫，并伴隨輕微響聲。裂縫出現(xiàn)后，迅速斜向上發(fā)展，荷載即刻達(dá)到極限荷載，試塊斷為兩半，發(fā)出明顯響聲，荷載-位移曲線呈直線下降。斷面經(jīng)過試塊底面空洞處和頂面加載處[見圖5（a）]，表面較為平滑[見圖 5（b）]。

對于麥秸土試塊，其加載前期與素土和摻水泥試塊基本相同，在荷載作用下很快出現(xiàn)裂縫，隨著荷載增大，裂縫向上部發(fā)展并逐漸變寬。與素土和水泥土試塊相比，麥秸土試塊在受折時并非一裂就壞，而是存在一個裂縫擴(kuò)展的過程，期間可以聽到麥秸與土體摩擦發(fā)出的聲響。斷面也經(jīng)過試塊底面空洞處和頂面加載處[見圖6（a）]，表面較為粗糙，且能觀察到被拔出麥秸[見圖 6（b）]。

圖5 素土試塊抗折試驗(yàn)現(xiàn)象

圖6 M1試塊抗折試驗(yàn)現(xiàn)象

3 破壞形態(tài)分析

3.1 受壓破壞形態(tài)分析

試塊受壓時，上下表面與承壓板之間產(chǎn)生阻止試塊橫向變形的摩擦阻力，對試塊兩端形成約束，故遠(yuǎn)離上下承壓板的試塊中部先行破壞，形成雙錐形破壞形態(tài)。生土自嵌固空心磚有較大孔洞，且試塊底面由于孔洞凹陷的存在，面積小于試塊頂面，因此試塊受壓時，底面破壞較頂面嚴(yán)重。2個空洞的存在將試塊分為兩空洞中肋和空洞邊壁，空洞邊壁的厚度小于中肋厚度，在壓力作用下易在邊壁產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此試塊主要裂縫均穿越空洞。由于試塊高厚比較小，承壓板約束效應(yīng)在高度范圍都較明顯，當(dāng)試塊邊壁土體被壓碎以后，中間肋部形成核心區(qū)，其受力接近于一受壓短柱，此處土體脫落較少，并隨著荷載的增大而被逐漸壓密實(shí)，因此試塊加載到較大位移時荷載-位移曲線未出現(xiàn)較大幅度下降，仍具有一定承載力。

素土試塊與水泥土試塊的破壞特征相近，均為明顯脆性破壞；麥秸土試塊由于麥秸對土體的拉結(jié)作用，整體性較好，破壞時土體并未發(fā)生大量土體脫落，同時，麥秸的摻入使得土體之間空隙增大，因此試塊破壞時壓縮量較大，并向四周膨脹。

3.2 受折破壞形態(tài)分析

相較于受壓破壞，試塊受折時，從加載至破壞經(jīng)過的時間較短，破壞現(xiàn)象較為簡單，即從斷裂面裂縫的出現(xiàn)至試塊斷裂。生土自嵌固空心磚的抗折破壞與生土實(shí)心磚及土坯砌塊的抗折破壞形態(tài)不同，其斷裂面很難位于試塊中部，這是因?yàn)榭斩吹拇嬖谟绊懥嗽噳K內(nèi)的應(yīng)力分布。試塊受折時，實(shí)際受到彎矩和剪力的共同作用，彎矩使截面產(chǎn)生正應(yīng)力，剪力使截面產(chǎn)生剪應(yīng)力，兩者合成產(chǎn)生主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力。在集中荷載下，彎矩呈三角形分布，雖然試塊中部彎矩最大，但由于此處截面飽滿，應(yīng)力并非最大。試塊空洞處，彎矩明顯小于試塊中部，但空洞的存在使得截面慣性矩減小，因此彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力并未明顯減小，同時，由于截面突變，空洞處產(chǎn)生應(yīng)力集中，增大了截面應(yīng)力，導(dǎo)致試塊在底面空洞處率先開裂。此后，在主拉應(yīng)力作用下，裂縫沿著垂直于主拉應(yīng)力方向即主壓應(yīng)力方向發(fā)展，形成典型的彎剪斜裂縫。斜裂縫向上延伸，最終均經(jīng)過加載處，這是因?yàn)榧虞d處受到集中力作用，產(chǎn)生較大局部壓應(yīng)力，大大增加了該處的應(yīng)力。

素土和水泥土試塊的破壞表現(xiàn)為明顯脆性，即裂縫一旦形成便迅速擴(kuò)展至全截面；麥秸土試塊破壞時，裂縫形成以后麥秸能繼續(xù)承擔(dān)兩側(cè)土體拉力，略延緩了裂縫發(fā)展速度，但最終破壞仍為脆性破壞，僅表現(xiàn)出一定的延性特征。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 抗壓強(qiáng)度

抗壓試驗(yàn)每組5個試塊，通過試驗(yàn)機(jī)記錄的數(shù)據(jù)，得到試塊的峰值荷載、峰值位移，并計(jì)算得到其抗壓強(qiáng)度及變異系數(shù)，見表3?？紤]到實(shí)用性，抗壓強(qiáng)度在計(jì)算時采用未扣除空洞面積的受壓面毛面積，A=240 mm×120 mm。

表3 試塊的抗壓性能

素土試塊的抗壓強(qiáng)度為1.8 MPa，文獻(xiàn)[10-11]中的傳統(tǒng)土坯強(qiáng)度分別為0.85 MPa和1.19 MPa，說明生土自嵌固磚在強(qiáng)度上優(yōu)于傳統(tǒng)土坯，主要是因?yàn)閭鹘y(tǒng)土坯在制作過程中都依靠經(jīng)驗(yàn)，對土料的含水率控制不嚴(yán)格，并且土料中的大顆料雜質(zhì)較多，導(dǎo)致土料難以被充分壓實(shí)至其最大干密度，而按照本文前述制作方法制作的素土試塊基本達(dá)到了其最大干密度，從而表現(xiàn)出較高強(qiáng)度。比較表3中素土試塊和水泥土試塊強(qiáng)度，水泥摻量為1.5%，試塊抗壓強(qiáng)度較素土試塊無明顯提高；當(dāng)增大水泥摻量分別為3.0%和4.5%，試塊抗壓強(qiáng)度較素土分別提高了10%和28%，說明一定的水泥摻量能夠提高試塊的強(qiáng)度。水泥提高試塊抗壓強(qiáng)度主要是基于兩方面的原因：其一，本次試驗(yàn)制磚為盡量接近工程實(shí)際，未進(jìn)行篩土、粉土等作業(yè)，大顆粒土直接人工粉粹，因此土體中存在大小不同的顆粒，與土體顆粒相比，水泥粉末粒徑較小，水泥的摻入改善了土體顆粒級配，填補(bǔ)土粒之間空隙，使得土體更易壓實(shí)；其二，水泥和土體中的水發(fā)生水化反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)，在土體內(nèi)部相互膠結(jié)，提高土體黏聚力，從而提高土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性。隨著水泥摻量的提高，其改善土體顆粒級配的效果越好，產(chǎn)生的膠凝物質(zhì)越多，強(qiáng)度提高越顯著。但一味地增加水泥的摻量來提高生土強(qiáng)度，會失去生土結(jié)構(gòu)的意義，破壞生土結(jié)構(gòu)綠色環(huán)保的特性，因此，本文將水泥的最高摻量定為4.5%。素土與水泥土的峰值位移基本相同，說明摻入少量水泥對試塊的變形能力影響不大。

比較表3中素土和麥秸土試驗(yàn)結(jié)果，麥秸土試塊的抗壓強(qiáng)度均較低。麥秸摻量為0.2%、0.4%、0.8%的試塊，相較于素土試塊強(qiáng)度分別降低了31%、36%、55%。說明麥秸摻入會顯著降低試塊的抗壓強(qiáng)度，麥秸摻量為0.8%時，試塊強(qiáng)度已減半，實(shí)際中應(yīng)用意義已不大，因此建議實(shí)際工程中麥秸摻量控制在0.4%以下。麥秸降低試塊強(qiáng)度主要是因?yàn)椋蝴溄占尤胪馏w中，增大了土體之間的空隙，土體內(nèi)部變得松散，難以壓至其最大密實(shí)度；麥秸表面較為光滑，與土體間的粘結(jié)力較小，在土體內(nèi)部形成粘結(jié)力過渡區(qū)，過渡區(qū)內(nèi)的土體易在壓力作用下產(chǎn)生沿過渡界面的滑動。若制磚設(shè)備為機(jī)械加壓，麥秸摻入對試塊密實(shí)度的影響會有所改善，其強(qiáng)度可能會有所提高。比較各組的變異系數(shù)，麥秸土大于其他組，說明摻入麥秸會增大試塊的離散性，主要是因?yàn)辂溄兆鳛榉穷w粒摻料，難以與土料拌合至理想均勻狀態(tài)，后續(xù)應(yīng)用應(yīng)予以注意。麥秸土較水泥土的峰值位移有一定的增大，說明摻入麥秸對試塊的變形能力有一定的提高。

4.2 抗折強(qiáng)度

試驗(yàn)中測得抗折試塊折斷時的極限荷載，根據(jù)式（2）確定試塊抗折強(qiáng)度，

式中：R——抗折強(qiáng)度；

P——試塊極限荷載；

L——試塊下方兩支座距離，本試驗(yàn)中L=200 mm；

B——試塊寬度，取120 mm；

H——試塊高度，取90 mm。

抗折試塊每組10個，每組試塊抗折強(qiáng)度取該組試塊抗折強(qiáng)度的平均值，對與本組試塊均值相差20%以上者予以剔除，抗折強(qiáng)度取其余試塊均值。試塊的抗折強(qiáng)度測試結(jié)果見表4。

表4 試塊的抗折強(qiáng)度

由表4可見，與素土相比，當(dāng)水泥摻量為1.5%和3.0%時，試塊的抗折強(qiáng)度基本不變，少量的水泥對抗折強(qiáng)度基本無影響；增加水泥摻量至4.5%，抗折強(qiáng)度較素土提高了60%，說明土料中摻入適量水泥能較好改善試塊的抗折性能?？拐墼噳K的破壞屬于受拉破壞，水泥改善抗折性能的機(jī)理與抗壓類似：水泥水化膠凝產(chǎn)物增大土體間膠結(jié)力，增大了試塊斷裂面邊緣產(chǎn)生初始裂縫所需的拉應(yīng)力，延緩試塊裂縫的出現(xiàn)。

比較素土和麥秸土試件，麥秸摻量為0.4%和0.8%時，試塊抗折強(qiáng)度較素土分別下降了25%和40%，可見麥秸并未起到改善抗折強(qiáng)度的作用，其原因與受壓試塊基本相同。裂縫形成后，裂縫兩側(cè)土體拉力由穿過裂縫的麥秸承擔(dān)。麥秸喪失拉結(jié)作用的形式有兩種，即被拉斷和被拔出，前者是因?yàn)辂溄张c土體的粘結(jié)力大于兩側(cè)土體對麥秸的拉力，后者正好相反。本試驗(yàn)中麥秸長度較小，因此其與土體的粘結(jié)力較小，試驗(yàn)中大多數(shù)麥秸發(fā)生的破壞為拔出式破壞，未發(fā)揮出麥秸本身的強(qiáng)度。但麥秸土試塊在抗折試驗(yàn)現(xiàn)象上表現(xiàn)出與素土和水泥土試塊的不同，即在破壞時斷裂面存在一個裂縫發(fā)展的過程，這一特點(diǎn)對其在砌體中的應(yīng)用有著重要的意義。

4.3 折壓比

砌體的抗壓強(qiáng)度往往低于砌塊的抗壓強(qiáng)度，這是因?yàn)槠鲶w受壓時其中的塊材并非處于單純的受壓狀態(tài)，而是更接近于受折狀態(tài)[12]，砌塊良好的抗折強(qiáng)度有利于充分發(fā)揮砌體的抗壓強(qiáng)度?？拐蹚?qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間存在一定的關(guān)系，常用折壓比表示，合理的折壓比有利于改善砌塊的脆性，提高砌體的受力性能。各類試塊折壓比計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 各類試塊的折壓比

由表5可見，各類試塊的折壓比在0.2～0.3的范圍之內(nèi)，GB 50574—2010《墻體材料應(yīng)用統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定不同強(qiáng)度等級的承重墻多孔磚最小折壓比在0.21～0.32，參考此標(biāo)準(zhǔn)說明自嵌固生土磚有較適宜的折壓比。比較圖7中折壓比大小，麥秸土試塊折壓比基本上高于素土試塊和水泥土試塊，說明麥秸能夠改善試塊的脆性，且當(dāng)麥秸摻量為0.2%時改善效果最為明顯。素土試塊和摻1.5%、3.0%水泥土試塊的折壓比基本相同，增大水泥摻量至4.5%時，試塊的折壓比明顯增大。

5 結(jié)語

（1）選用水泥和麥秸為改性材料，制作了一種生土自嵌固空心磚，通過對不同配比試塊進(jìn)行抗壓、抗折試驗(yàn)，結(jié)果表明，生土自嵌固空心磚的抗壓強(qiáng)度高于傳統(tǒng)土坯，證明了該空心磚在強(qiáng)度方面能滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需要?？箟汉涂拐墼囼?yàn)中，試塊空洞部位破壞均較為明顯，說明空洞處是生土自嵌固空心磚受力薄弱部位。

（2）摻入一定量的水泥可以明顯提高試塊抗壓強(qiáng)度，摻4.5%水泥土試塊的抗壓強(qiáng)度較素土提高了28%，但水泥對試塊的變形性能基本沒有影響。摻入麥秸雖降低了抗壓強(qiáng)度，但在改善試塊延性特征方面有一定的作用。

（3）抗折試驗(yàn)結(jié)果表明，摻入一定量的水泥可提高試塊的抗折強(qiáng)度，摻入一定量的麥秸可提高試塊的折壓比，改善試塊破壞時的脆性。綜合比較抗壓和抗折試驗(yàn)結(jié)果，4.5%的水泥和0.2%的麥秸摻量改善試塊受力性能效果最優(yōu)。

（4）本文取得的單摻改性成果彌補(bǔ)了生土自嵌固空心磚在抗壓、抗折性能和變形能力方面的不足，后續(xù)將對其進(jìn)行復(fù)摻改性研究。