尺寸效應(yīng)對(duì)生土立方體試件抗壓強(qiáng)度的影響

張 坤,王毅紅,卜永紅,王天涯,楊戰(zhàn)社

(1. 西安石油大學(xué) 博士后創(chuàng)新基地,陜西 西安 710065; 2. 長(zhǎng)安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710061)

生土是中國(guó)乃至全世界應(yīng)用廣泛、歷史悠久的傳統(tǒng)建筑材料之一[1-2].其主要優(yōu)勢(shì)為就地取材、造價(jià)低廉、綠色環(huán)保、保溫與隔熱性能優(yōu)越、可降解再生、加工過(guò)程低耗能,是典型的“綠色環(huán)保建材”.生土建筑是中華民族建筑文化的傳承,可以保持建筑的多樣性,研究生土材料具有重要的意義[3-4].生土建筑主要應(yīng)用于農(nóng)村住宅,特別是在中國(guó)中西部,生土材料建筑比例超過(guò)60%.全球約有20億人口居住在此類(lèi)建筑當(dāng)中.對(duì)農(nóng)村地區(qū)而言，具有當(dāng)前常規(guī)節(jié)能材料無(wú)法比擬的環(huán)保優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用潛力[5-6].在生土建筑的設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制過(guò)程中,抗壓強(qiáng)度是材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)[7-8].生土基材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,材料本身是多相介質(zhì)的混合物,具有多尺度性和獨(dú)特的物理和力學(xué)性質(zhì),因此，試件尺寸效應(yīng)直接影響生土基材料的力學(xué)性能[9-10].現(xiàn)今國(guó)內(nèi)外關(guān)于生土基材料試件尺寸效應(yīng)研究較少,“國(guó)際生土建筑研究和應(yīng)用中心”編寫(xiě)的《Earth Construction: A Comprehensive Guide》(《生土建造：綜合指導(dǎo)》)和《Btir en terre》(《生土建造》)中僅對(duì)不同改性生土基土坯材料的提選、尺寸、制作等做部分規(guī)定[11-14].各個(gè)國(guó)家對(duì)不同材料的標(biāo)準(zhǔn)試件形狀和尺寸各不相同[15-16].在中國(guó),蘇捷等[17]對(duì)50、100、150、200 mm混凝土立方體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度研究,表明尺寸越小強(qiáng)度越高,初始缺陷是造成尺寸效應(yīng)的主要因素.朱爾玉[18]研究立方體、圓柱體、棱柱體C20混凝土試件與抗壓強(qiáng)度關(guān)系,以150 mm立方體試件為標(biāo)準(zhǔn)試件,建立與其他試件的強(qiáng)度關(guān)系式.王有宗等[19]引入體型影響系數(shù),研究不同形狀水泥砂漿試件之間換算關(guān)系.陳甦等[20]對(duì)立方體、圓柱體混凝土試件進(jìn)行試驗(yàn)研究,表明試件強(qiáng)度與試驗(yàn)時(shí)邊界條件處理有關(guān),并給出標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸及形狀.

以上研究多集中于混凝土及砂漿材料,而對(duì)生土基材料研究較少,生土基材料強(qiáng)度是生土建筑結(jié)構(gòu)的重要力學(xué)指標(biāo).因此,研究試件尺寸效應(yīng)對(duì)材料強(qiáng)度的影響是十分必要的.本次研究以陜西的黃土為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)3種尺寸(100、150、200 mm)60個(gè)立方體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),從試件破壞形態(tài)、強(qiáng)度、離散性方面,研究尺寸效應(yīng)對(duì)材料的影響規(guī)律,采用統(tǒng)計(jì)篩選法推算3種尺寸試件強(qiáng)度關(guān)系系數(shù).為生土基標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法試件尺寸提選和不同尺寸生土基材料試件強(qiáng)度推定提供依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

本次試驗(yàn)所用土樣為西安市長(zhǎng)安區(qū)的黃土.按照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[21]采用環(huán)刀法檢測(cè)黃土的最優(yōu)含水率為18.2%,最大干密度為2.04 g/cm3,塑限為15%,液限為26%,塑性指數(shù)為11.試驗(yàn)前土料過(guò)5 mm篩,經(jīng)初始含水率檢測(cè)確定后摻水拌合至最優(yōu)含水率,根據(jù)課題組研制的模具采用千斤頂成型材料方法,制作60個(gè)不同尺寸立方體試件[22],如圖1所示.

1.2 試驗(yàn)方法及步驟

試件分別采用3種尺寸制作.100 mm×100 mm×100 mm立方體試件(20個(gè)試件),150 mm×150 mm×150 mm立方體試件(20個(gè)試件),200 mm×200 mm×200 mm立方體試件(20個(gè)試件).試件制作完畢后,放置在25～30 ℃、濕度55%～60%標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù).各類(lèi)試件經(jīng)養(yǎng)護(hù)28 d后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),每20個(gè)試件一組.

試驗(yàn)采用壓力機(jī)型號(hào)為MTS-500伺服作動(dòng)器,儀器自動(dòng)記錄豎向位移和荷載,并繪制荷載-位移曲線.加載速率控制在1～3 mm/min,以試件峰值荷載的30%為結(jié)束條件,進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).

因此,試驗(yàn)原材料相同,試件的制作方法相同,試件養(yǎng)護(hù)狀態(tài)與時(shí)間相同,試驗(yàn)時(shí)加載儀器及參數(shù)設(shè)置相同,有效保證了立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性及可比性.

1.3 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

1.3.1100 mm立方體試件

隨著荷載的增大,100 mm×100 mm立方體試件在峰值荷載50%發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象,裂縫首先出現(xiàn)在試件角部.隨著荷載繼續(xù)增加,試件制樣分層處向外膨脹,角部有脫落現(xiàn)象.當(dāng)荷載到達(dá)峰值時(shí),出現(xiàn)豎向的貫通裂縫.繼續(xù)加載,材料表皮繼續(xù)脫落,直至試件破壞,試件已經(jīng)失去承載能力,最終近似“沙漏型”破壞形態(tài),破壞全過(guò)程各個(gè)階段表現(xiàn)明顯.試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示.

圖2 100 mm立方體試件開(kāi)裂及破壞

1.3.2150 mm立方體試件

隨著荷載的增大,150 mm×150 mm立方體試件破壞過(guò)程和破壞形態(tài)基本和100 mm×100 mm立方體生土試件相同.由于試件尺寸增大,材料內(nèi)部缺陷大,開(kāi)裂荷載基本為峰值荷載的40%.試件最終破壞形態(tài)近似“沙漏型”,表現(xiàn)出剪應(yīng)力破壞特點(diǎn).試驗(yàn)過(guò)程如圖3所示.

圖3 150 mm立方體試件開(kāi)裂及破壞

1.3.3200 mm立方體試件

隨著荷載的增大,200 mm×200 mm立方體試件破壞過(guò)程與破壞形態(tài)基本和100 mm×100 mm立方體生土試件相同,開(kāi)裂荷載僅為峰值荷載的30%.試件在受荷后開(kāi)裂點(diǎn)多沿受力方向出現(xiàn),在試件角部出現(xiàn)較少.隨著荷載繼續(xù)增加至峰值,試件外表面沿加載面向外膨脹并伴隨外表皮脫落,膨脹位置未出現(xiàn)在試件中間.最終破壞形態(tài)近似“沙漏型”.試驗(yàn)過(guò)程如圖4所示.

圖4 200 mm立方體試件開(kāi)裂及破壞Fig.4 Cracking and failure of 200 mm cube specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)記錄峰值荷載、峰值位移根據(jù)公式

P=F/A

(1)

計(jì)算試件抗壓強(qiáng)度,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 不同尺寸立方體生土試件抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 不同試件尺寸對(duì)材料破壞及強(qiáng)度影響

對(duì)比不同尺寸立方體試件在不同階段裂縫出現(xiàn)的區(qū)域發(fā)現(xiàn),小尺寸試件出現(xiàn)裂縫較少,基本為豎向的貫通裂縫,集中在試件的角部,較為明顯,隨著荷載的增大,試件表面發(fā)生龜裂且土體表面脫落.荷載增大至峰值時(shí)試件破壞為典型的“沙漏型”受壓破壞,基本可見(jiàn)破壞后試件中土顆粒之間聯(lián)接減弱,土體疏松,表明試件內(nèi)部在受力后發(fā)生不同程度的破壞.例如邊長(zhǎng)100 mm立方體試件,大尺寸試件發(fā)生破壞時(shí)裂縫出現(xiàn)較多,分布不均,角部和中部均出現(xiàn)貫通裂縫,隨著荷載增大至峰值,試件裂縫增寬,表面向外膨脹,但基本不發(fā)生脫落的情況,隨著峰值荷載后繼續(xù)加載,直到試件完全失去承載力時(shí),人工剝落試件表面,發(fā)現(xiàn)破壞形態(tài)與小尺寸試件相似,但土體內(nèi)部基本未發(fā)生破壞,土體堅(jiān)硬,土體顆粒之間表現(xiàn)出較高粘結(jié)性能.由于小尺寸試件制作壓實(shí)成型次數(shù)小,試件內(nèi)部初始缺陷少,所以裂縫出現(xiàn)與材料受力一致,受荷時(shí)荷載可以傳遞到試件的內(nèi)部,土體顆粒黏力喪失,試件發(fā)生土體脫落現(xiàn)象,破壞有一定的代表性.大尺寸試件在制作時(shí)壓實(shí)成型次數(shù)較多,試件內(nèi)部缺陷較多,在受到外力作用下試件裂縫出現(xiàn)隨機(jī)性強(qiáng),裂縫包括水平和豎向的裂縫.試件尺寸較大,在喪失承載能力后完全破壞時(shí),試件內(nèi)部基本為完好,受荷載影響較小.

圖5為不同尺寸立方體試件抗壓結(jié)果散點(diǎn)圖,結(jié)合表1可知,生土基材料立方體抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出隨尺寸的增大而減小的趨勢(shì).試件尺寸對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響顯著,其中100 mm立方體試件抗壓強(qiáng)度均值為3.39 MPa,相比150 mm與200 mm立方體試件表現(xiàn)出較好的材料力學(xué)性能,變異系數(shù)為0.13,試驗(yàn)結(jié)果的離散性小.150 mm生土基立方體試件抗壓強(qiáng)度均值為2.35 MPa,僅為100 mm立方體試件強(qiáng)度的0.69倍,相對(duì)100 mm立方體試件強(qiáng)度減少1.04 MPa.200 mm生土基立方體試件抗壓強(qiáng)度均值為1.42 MPa,僅為100 mm立方體試件強(qiáng)度的0.42倍,相對(duì)150 mm立方體試件強(qiáng)度減少0.92 MPa,變異系數(shù)為0.23,試驗(yàn)結(jié)果的離散性大.結(jié)果表明,生土基材料試件隨著尺寸增大,材料的離散性越大,材料強(qiáng)度降低的幅度越少.大尺寸試件成型時(shí)難以保證材料內(nèi)部土體顆粒均勻分布,導(dǎo)致試件內(nèi)部薄弱點(diǎn)增多,分布離散,這些薄弱點(diǎn)是促成大尺寸試件抗壓強(qiáng)度低、材料離散性大的主要原因.對(duì)離散數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)采用一次函數(shù)可以描述不同尺寸立方體生土基材料抗壓強(qiáng)度折算關(guān)系,相關(guān)性系數(shù)R2=0.832 3.

圖5 不同尺寸立方體試件抗壓強(qiáng)度結(jié)果散點(diǎn)圖Fig.5 Scatter plot of compressive strength results of cube specimens of different sizes

2.3 不同尺寸立方體試件強(qiáng)度關(guān)系

2.3.1抗壓強(qiáng)度關(guān)系系數(shù)定義

為進(jìn)一步驗(yàn)證試件尺寸對(duì)生土基材料抗壓強(qiáng)度的影響,建立各試件尺寸之間抗壓強(qiáng)度的數(shù)值關(guān)系.具體方法規(guī)定如下：以標(biāo)準(zhǔn)試件100 mm×100 mm×100 mm立方體試件抗壓強(qiáng)度均值為基準(zhǔn),即100 mm立方體試件抗壓強(qiáng)度為分母,150、200 mm立方體試件抗壓強(qiáng)度為分子,比值作為抗壓強(qiáng)度關(guān)系系數(shù)γ,如100 mm生土基立方體試件與150 mm生土基立方體試件抗壓強(qiáng)度關(guān)系系數(shù)以γ150,100表示,其表達(dá)式為

γ150,100=f150/f100

(2)

式中:f150為150 mm立方體試件抗壓強(qiáng)度值；f100為100 mm立方體試件抗壓強(qiáng)度值(各類(lèi)試件制作方法、加載方式、養(yǎng)護(hù)方式及齡期相同).

為精確抗壓強(qiáng)度關(guān)系系數(shù),引入統(tǒng)計(jì)篩選法,采用每個(gè)試件的強(qiáng)度數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算,方法如下：首先計(jì)算出每組所用試件抗壓強(qiáng)度尺寸折算系數(shù),考慮到試件制作過(guò)程、試驗(yàn)過(guò)程、數(shù)據(jù)采集過(guò)程等存在不可避免的制作誤差、觀測(cè)誤差和截?cái)嗾`差,為降低可能存在的影響,將偏離這組強(qiáng)度關(guān)系系數(shù)平均值15%的數(shù)據(jù)予以剔除,然后求剔除后的平均值.按照上述方法依次求解,直到不偏離平均值15%的數(shù)據(jù)出現(xiàn),將最終的平均值作為抗壓強(qiáng)度關(guān)系系數(shù).

2.3.2計(jì)算實(shí)例

1) 計(jì)算γ150,100抗壓強(qiáng)度關(guān)系系數(shù)

依據(jù)表1計(jì)算20個(gè)試件尺寸抗壓強(qiáng)度關(guān)系系數(shù),共20組數(shù)據(jù),結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 150/100抗壓強(qiáng)度尺寸折算系數(shù)

根據(jù)表2,計(jì)算得γi(150,100)=(0.67,0.70,0.91,0.68,0.78,0.57,0.64,0.90,1.22,0.68,0.98,0.71,0.67,0.53,0.61,0.51,0.57,0.62,0.59,0.63)(i=1～20),求得數(shù)據(jù)平均值:

(3)

(4)

2) 計(jì)算抗壓強(qiáng)度折算系數(shù)γ200,100

算法同上,經(jīng)表2計(jì)算20個(gè)試件尺寸抗壓強(qiáng)度關(guān)系系數(shù),計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 200/100抗壓強(qiáng)度尺寸折算系數(shù)

根據(jù)表3,計(jì)算得γi(200,100)=(0.44,0.38,0.48,0.50,0.39,0.39,0.40,0.64,0.70,0.51,0.43,0.34,0.09,0.41,0.44,0.55,0.42,0.39,0.31,0.44)(i=1～20),求得總體平均值:

(5)

(6)

3 結(jié)論

1) 不同尺寸生土基材料試件尺寸效應(yīng)顯著.相同原材料、制作方法、養(yǎng)護(hù)方式成型的不同尺寸立方體生土基試件,采用相同加載設(shè)備及速率進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),試件開(kāi)裂荷載、峰值位移、峰值荷載各不相同.小尺寸試件比大尺寸試件破壞全過(guò)程明顯,材料內(nèi)部缺陷少,離散性小.小尺寸試件考慮可作為生土基材料試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸.

2) 生土基材料抗壓強(qiáng)度受試件尺寸影響顯著.試件尺寸越大,抗壓強(qiáng)度越小,試件強(qiáng)度變化幅度呈減少趨勢(shì).不同尺寸立方體試件材料強(qiáng)度顯示出一次線性關(guān)系.

3) 通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì),計(jì)算得100 mm生土基立方體試件與150 mm立方體試件抗壓強(qiáng)度關(guān)系系數(shù)為0.67,100 mm生土基立方體試件與200 mm立方體試件抗壓強(qiáng)度關(guān)系系數(shù)為0.42,可為不同尺寸生土基材料試件強(qiáng)度推定提供依據(jù).