土坯力學(xué)性能及受壓本構(gòu)模型研究

蘭官奇，李曉光，張 坤，王毅紅，朱熹育

(1.西安石油大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710065；2.長安大學(xué) 西安市城鎮(zhèn)低碳建設(shè)重點實驗室，西安 710061)

土坯是由生土材料經(jīng)簡單加工塑型制成的一種無需燒制的建筑砌塊，曾被廣泛應(yīng)用于我國傳統(tǒng)民居的修建[1-2]。與新型建筑砌塊相比土坯雖在力學(xué)性能和耐久性方面存在缺陷，但在經(jīng)濟性、地區(qū)適應(yīng)性和環(huán)保性能方面擁有較大優(yōu)勢[3]。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進和“30·60”雙碳戰(zhàn)略的提出，這種古老的綠色建材再次煥發(fā)出新的生命力[4-6]。

1 試驗概況

1.1 材料

試驗分別選取陜南地區(qū)黃土(EM-1)及關(guān)中地區(qū)黃土(EM-2)作為制坯土料。根據(jù)《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)[14]分別測定了2個地區(qū)土料的顆粒級配、液塑限、最優(yōu)含水率和最大干密度，如表1所示。濕制土坯中摻入質(zhì)量比為1%的稻草，稻草長度為7～10 cm，干打土坯未加入摻合料。

表1 土的物理參數(shù)

1.2 土坯制作

選取尺寸為310 mm×150 mm×100 mm的濕制土坯和尺寸為370 mm×240 mm×60 mm的干打土坯進行試驗。其中，濕制土坯是將含水率為24±2%的土料在坯模內(nèi)濕塑成型；干打土坯是將含水率接近最優(yōu)含水率(18.5%)的土料填入坯模內(nèi)人工夯筑成型。由于含水率對生土塊材的強度影響顯著[15-16]，成型土坯置于室內(nèi)養(yǎng)護28 d，待土坯含水率基本維持恒定后進行試驗(養(yǎng)護溫度為25±5 ℃，相對濕度為60%)。采用與土坯相同工藝制作邊長為100 mm的立方體試件，與土坯同條件養(yǎng)護后測試其抗壓強度。

1.3 試驗方法及試件分組

參考我國《砌墻磚試驗方法》GBT 2542—2012[17]對兩類傳統(tǒng)土坯的單軸抗壓強度和抗折強度進行測試，每組10個，共40個試件?？箟涸囼灢捎眠B續(xù)均勻的加載方式，加載速率為0.2kN/min，當(dāng)荷載下降至峰值荷載80%時結(jié)束試驗?？拐墼囼灋槿c加載，以50 N/min的速率勻速加載至土坯斷裂。

1.4 破壞形態(tài)

抗壓試驗中，濕制土坯試件初始裂縫出現(xiàn)在兩磚接觸面，試件在受壓過程中發(fā)出清脆響聲；破壞時，試件壓縮變形及橫向變形均較大，但由于稻草的拉結(jié)作用，表層并未發(fā)生大面積剝落，如圖1(a)所示。干打土坯試件初始裂縫出現(xiàn)在試件側(cè)棱處。破壞時，試件壓縮變形較小，試件側(cè)面發(fā)生鼓出并伴有大量表皮剝落，如圖1(b)所示。

圖1 土坯單軸受壓破壞形態(tài)

濕制土坯抗折破壞形態(tài)如圖2(a)所示，加載至85%峰值荷載時，試件中下部產(chǎn)生裂縫并迅速延伸至加載點，開裂過程伴有稻草拉斷聲。達到峰值荷載后，試件中部裂縫已貫穿整個截面，但由于稻草拉結(jié)，土坯仍未發(fā)生脆斷。觀察試件破壞斷面圖2(b)，可以發(fā)現(xiàn)斷面下部稻草已全被拉斷，但斷面上部仍有稻草相連。干打土坯的抗折破壞形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的脆性，當(dāng)荷載達到最大值時，試件中部迅速產(chǎn)生裂縫，土坯發(fā)生脆斷，如圖3所示。與濕制土坯相比干打土坯的破壞斷面相對平整。

圖2 濕制土坯抗折破壞形態(tài)及破壞斷面

圖3 干打土坯抗折破壞形態(tài)及破壞斷面

2 試驗結(jié)果分析

由于生土材料的不均勻性，兩類傳統(tǒng)土坯的抗壓強度及抗折強度離散性均較大。為排除強度異常值對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大影響，采用Grubbs檢驗法[18]將所得土坯強度中的異常值進行剔除。剔除異常值后兩類土坯的抗壓強度均值、抗折強度均值及其變異系數(shù)如表2所示。

表2 試驗結(jié)果

2.1 土坯抗壓性能

從表2可以看出，干打土坯的單軸抗壓強度均值高達2.33 MPa，約為濕制土坯單軸抗壓強度均值的3倍。濕制土坯在制作過程中所采用土料的含水率遠高于干打土坯所用土料，導(dǎo)致成型后的濕制土坯在養(yǎng)護過程中喪失更多水分，土坯內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，密實度較差；干打土坯制作過程中的夯實工序提高了土坯整體密實度和土坯的強度。通過對兩類土坯的密度進行測量，得到濕制土坯的平均密度為1.51 g/cm3，干打土坯的平均密度為1.69 g/cm3。此外，稻草的摻入也對濕制土坯的抗壓強度產(chǎn)生了負(fù)面影響，稻草中空的結(jié)構(gòu)進一步降低了土坯的密度，導(dǎo)致濕制土坯強度較低。文獻[19]表明在濕制土坯中摻入質(zhì)量比15%的麥秸稈(長度為5 cm)后土坯的單軸抗壓強度降低了40%。表2顯示濕制土坯抗壓強度的變異系數(shù)遠小于干打土坯。干打土坯采用人工夯實，難以保證每塊土坯具有相對統(tǒng)一的夯實度，導(dǎo)致干打土坯的抗壓強度離散性較大。

2.2 土坯抗折性能

圖4 斷裂能示意圖

折壓比是材料抗折強度與抗壓強度的比值，被廣泛用于描述材料抗壓強度和抗折強度的關(guān)系。經(jīng)計算得到濕制土坯的折壓比為0.46，干打土坯的折壓比為0.20，這是由于稻草的摻入極大地改善了濕制土坯的抗裂性能。同時，兩類土坯尺寸的差異也是造成這種差異的原因之一。

2.3 應(yīng)力應(yīng)變曲線及破壞機理分析

圖5 平均應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 濕制土坯試件破壞過程

圖7 干打土坯試件破壞過程

2.4 單軸受壓本構(gòu)模型

采用Weibull函數(shù)反映土坯的非線性壓縮性能。通過對比本構(gòu)方程所對應(yīng)的可決系數(shù)R2確定最佳擬合曲線。同時，為了保證本構(gòu)模型的有效性，提出的方程需滿足以下要求：1)擬合曲線需經(jīng)過坐標(biāo)軸原點；2)擬合曲線需經(jīng)過(1,1)點；3)擬合方程的一階導(dǎo)數(shù)在其應(yīng)變比變化范圍內(nèi)連續(xù)。

滿足以上要求的擬合曲線通過MATLAB的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化程序計算得到，式(1)和式(2)分別為濕制土坯和干打土坯對應(yīng)的壓縮本構(gòu)方程。

(1)

(2)

圖8 擬合曲線

3 結(jié) 論

1)本次制作的干打土坯的抗壓強度為濕制土坯的3倍，抗折強度為濕制土坯的1.3倍。干打土坯在抗壓、抗折試驗中均表現(xiàn)出明顯的脆性破壞現(xiàn)象，而濕制土坯的脆性性質(zhì)不顯著，且在受折破壞過程中，濕制土坯比干打土坯具有更好的耗能能力。

4)將《砌墻磚試驗方法》中砌墻磚抗壓及抗折試驗方法應(yīng)用到傳統(tǒng)土坯的抗壓及抗折試驗中，得到穩(wěn)定的抗壓及抗折強度值，說明該試驗方法可作為傳統(tǒng)土坯抗壓及抗折強度試驗方法。