加筋夯土墙片的平面内抗剪性能试验

李志华，周明卿，陈伟康，CIANCIO Daniela



加筋夯土墙片的平面内抗剪性能试验

李志华1，周明卿1，陈伟康1，CIANCIO Daniela2

(1. 扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州，225009；2. 西澳大学土木和能源工程学院，澳大利亚珀斯，WA 6009)

对由废弃混凝土夯筑而成的试件进行抗压试验、劈裂试验及墙片斜压试验，研究水泥稳定夯土材料在静载作用下的破坏特征及强度特性，并着重研究夯土墙片的平面内抗剪性能及各种加筋形式对其抗剪性能的影响。此外，根据试验结果，参考澳大利亚混凝土结构设计规范AS 3600—2009建议的抗剪强度计算公式，探讨水泥稳定夯土材料抗压强度与抗剪强度之间的相互关系。研究结果表明：这种材料的抗压强度、抗剪强度、抗拉强度可分别达到8.68~10.11，1.55和1.01~1.23 MPa；加筋夯土墙片的抗剪强度、延性可分别提高6%~42%和35%~92%；采用聚丙烯纤维可使墙片的刚度提高49%；钢筋的位置及布置方向对其与夯土间的黏结性能有明显影响。且对于竖向分层夯筑的试件，按规范AS 3600—2009公式计算的抗剪强度比试验结果的抗剪强度大。

夯土墙片；抗剪性能；斜压试验；加筋；废弃混凝土

夯土建筑是指用夯筑工具将填加在模板之间的土体逐层夯实的方法建造起来的建筑。它是一种古老的建筑形式，具有非常悠久的历史，是人类历史文明的结晶。然而，随着混凝土、钢材等新型材料在建筑工程中的广泛应用，在我国的现代城镇中夯土建筑已较少见，即使在农村也难看到大片的夯土民居。尽管如此，由于夯土建筑具有可就地取材、施工技术简单、可循环利用、造价低廉、保温隔热性能优越等诸多优点，自20世纪70年代第一次全球能源危机开始，以夯土建筑为代表的绿色建筑再一次受到普遍关注。最近数十年来，在世界范围内特别是美国、英国、澳大利亚等一些发达国家，夯土技术得到了极大地复 兴[1−3]。国内外学者[3−18]就夯土材料的基本力学性能及其结构性能已开展了一些研究。但是，与混凝土、钢材等其他建筑材料相比，针对夯土材料进行的研究还比较有限。目前，人们对夯土材料的基本力学性能和结构性能尚缺乏足够的认识。工程师们主要依靠经验进行夯土结构设计[9]，这可能导致安全隐患或增加建造费用，并会阻碍这种生态建筑材料的推广应用。为了提高夯土建筑的安全性，促进该绿色建筑的推广应用，针对夯土材料就其基本力学性能和结构性能开展一些研究十分必要。由于传统夯土材料的强度较低且为脆性材料，传统夯土建筑的抗震性能普遍较差，这成为地震区夯土建筑面临的主要安全问题[15]。如何改善夯土材料本身的缺陷以提高夯土结构的抗震性能，成为夯土建筑在推广应用过程中急需解决的问题。已有的研究[9−11]结果表明：水泥稳定夯土材料具有较高的抗压强度，但是利用该材料夯筑的墙片其平面内抗剪性能如何还有待进一步研究。由于目前还没有专门的试验方法用于测试夯土构件的抗剪性能，在已有的试验研究中，研究者们[17−18]通常采用土工剪切试验或砌体构件的抗剪试验方法来确定夯土构件的抗剪性能。针对砌体墙片的平面内抗剪性能国内外已经进行了大量的试验研究[19−25]，试验方法可归纳为以下2类：1) 水平墙片试验，即施加的水平力平行于墙片的顶部；2) 斜压试验，即沿着墙片的对角线施加荷载以获得剪切破坏形态。已有的水平墙片试验[19−23]结果表明：在试验过程中墙体易于转动，难以获得剪切破坏形态；为了获得剪切破坏形态，通常需要施加较大的竖向力或通过其他方法来约束墙体的转动，这使测得的抗剪强度提高18%~190%。斜压试验是ASTM E−519—2002[26]规定的一种针对砌体墙片的标准试验方法，但一些研究者在试验过程中改动了某些参数。考虑到夯土墙片与砌体墙片的平面内抗剪破坏形态及破坏机理具有相似性[18]，本文作者对5片由废弃混凝土夯筑而成的墙片进行斜压试验(其中4片墙体分别采用了不同的加筋形式进行增强)，研究它们的平面内抗剪性能以及不同的加筋形式对其平面内抗剪性能的影响。同时，对12个圆柱体试件分别进行抗压试验和劈裂试验，研究夯筑废弃混凝土材料的抗压强度、抗拉强度，并据此分析该材料抗剪强度与抗压强度之间的关系。

1 试验

1.1 原材料选用

本试验使用一种在澳大利亚西部城市珀斯广泛使用的夯筑材料：压碎的废弃混凝土(RC)，其最大公称粒径为19 mm。根据规范AS 1141.11.1—2009[27]采用筛分析法获得了这种材料的粒径级配曲线如图1所示。这种材料几乎不含黏土，必须利用水泥进行稳定，本试验采用的水泥质量比掺量(即水泥与土颗粒的质量之比)为8%。根据规范AS 1289.5.2.1—2003[28]采用改良击实试验获得了这种RC+8%水泥混合材料的最优含水量(质量分数)为9%。由于所有试件均在施工现场制作完成，严格控制其水泥掺量和含水量非常困难，只能大致控制其水泥掺量和含水量。

图1 粒径级配分布

1.2 试件制作

1) 墙片试件。在施工现场制作了6个长为 600 mm，高为600 mm，厚为300 mm的墙片，其中：2个墙片未进行增强，记为REW−N1和REW−N2；其余4个墙片分别采用焊接钢筋网、聚丙烯土工格栅、玻璃纤维土工格栅及聚丙烯纤维进行增强，依次记为REW−S，REW−P，REW−G和REW−F。墙片REW−S所用的焊接钢筋网被竖向放置在墙体中间，其钢筋直径为6 mm、网格间距为200 mm、屈服强度为 500 MPa。墙片REW−P所用的聚丙烯土工格栅网格长×宽为235 mm×22 mm，肋宽和肋厚分别为6 mm和0.9 mm。由于该加筋材料为单向土工格栅，为了使其在2个方向均发挥加筋作用，2片土工格栅被垂直叠合在一起并被竖向放置在墙体中间。墙片REW−G所用的玻璃纤维土工格栅被竖向放置在墙体中间，其网格长×宽为50 mm×50 mm，肋宽和肋厚分别为6.2 mm和1.2 mm、抗拉强度为348~457 MPa。REW−F的纤维掺入量为3 kg/m3，该纤维的长度为 54 mm、直径为0.3 mm、抗拉强度为620~758 MPa。

墙片试件均采用锤头直径为150 mm的专业气动锤夯筑而成。在制作过程中，RC材料的质量未称，而是按照其体积进行估算；水通过水管逐渐施加，直到建造者认为已达到最优含水量(一般通过“跌落试验”等具有主观性的试验方法确定[29−30])。试件均在模板中养护2 d后拆模，之后覆盖上塑料薄膜在试验室内常规条件下(温度为10~25 ℃的干燥空气中)养护28 d。

2) 圆柱体试件。在施工现场制作了4个直径×高为100 mm×200 mm和4个直径×高为150 mm× 300 mm的圆柱体试件(其中1个试件里掺入了3 kg/m3的聚丙烯纤维)。试件均采用电动手提锤夯筑而成，在模具中养护1 d后拆模，之后仍然在温度为21 ℃和相对湿度为85%的潮湿空气中养护，其养护期为28 d。

待墙片试件养护结束后，通过钻芯取样技术从未加筋墙片REW−N1上取得4个直径×高为100 mm× 200 mm的圆柱体试件。4个试件均沿着竖直方向取样，即试件的纵轴平行于墙片的夯筑方向。

1.3 试验方案

本文分别按照标准AS 1012.9—1999[31]和AS 1012.10—2000[32]规定的试验方法进行抗压试验及劈裂试验。试验时在受压试件上、下表面分别放置了厚度为5 mm的teflon薄片(如图2所示)。斜压试验参照标准ASTM E−519—2002[26]规定的方法进行，其加载装置见图3，为荷载。该试验在2 MN液压伺服万能试验机上进行，墙片的两侧面各布置一个位移计用以测量其水平拉应变，各粘贴一个应变片用以量测其纵向压应变。所有试验均在澳大利亚西澳大学结构实验室完成。

图2 受压破坏形态

图3 墙片斜压试验加载图

2 试验结果及分析

2.1 试验现象及破坏特征

各圆柱体试件在轴向压力作用下的破坏形态基本相同，其典型的破坏形态如图2所示。由图2可见：受压破坏时试件产生的裂缝基本上平行于荷载的作用方向，与上、下表面涂了润滑剂的混凝土试件在压力作用下的破坏形态类似[33]。这是由于teflon薄片减小了试件表面所受的摩擦力，使试件接近于单向受压状态，其横向变形受到的约束沿高度差别较小。

各圆柱体试件的劈裂破坏形态基本相同，掺入聚丙烯纤维试件的劈裂破坏形态并没有表现出显著的差异。

在斜压试验中，当达到极限荷载时墙片突然开裂，破坏时的裂缝形态可分为2类，如图4所示。由图4可知：一种是沿加载方向的单个竖向裂缝，另外一种是伴随着沿加载方向的竖向裂缝出现了垂直于夯筑方向(即平行于夯筑面)的裂缝。其中，第2种裂缝形态仅发生在采用焊接钢筋网和聚丙烯土工格栅增强的墙体中。在已破坏的试件中，可用肉眼观测到穿过竖向裂缝的增强体。此外，分别对采用焊接钢筋网和聚丙烯纤维增强的墙体沿其竖向裂缝进行了剖切，观察发现：3根垂直于夯筑方向的钢筋及1根平行于夯筑方向的钢筋均已被拔出，另外2根平行于夯筑方向的钢筋未被拔出；在截面内纤维分布不均匀，出现了结团现象。

(a) 沿加载方向的单个竖向裂缝；(b) 沿加载方向的竖向裂缝和垂直于夯筑方向的裂缝

图4 斜压试验破坏形态

Fig. 4 Crack patterns of tested panels in diagonal compression test

2.2 圆柱体试件的强度特性分析

各圆柱体试件的抗压强度及其密度如图5所示。CIANCIO等[10]认为：对于抗压强度大于5 MPa的水泥稳定夯土材料，水的毛细作用对其抗压强度无显著影响，因此，本文选用密度作为一个参数)。各类试件的平均抗压强度cm见表1。由图5和表1可知：各试件的抗压强度均较高，其值大于7 MPa；密度对其抗压强度有明显影响，这可能是因为密度反映了试件的压实程度(一般情况下，材料的压实度越大，其强度越高)；相比RC钻芯试件，RC试件的密度具有较大的离散性，相应地其抗压强度也具有较大的离散性，这可能是因为在施工现场，未能严格按照实验室的制作步骤控制其制作过程而导致的。

图5 抗压强度与密度的相互关系

表1 试件的强度特征值