生土自嵌固空心砖抗压抗折性能试验研究

2018-10-19王毅红刘乐王天涯郝振奋徐荀

新型建筑材料 2018年8期

王毅红，刘乐，王天涯，郝振奋，徐荀

（1.长安大学建筑工程学院，陕西西安 710061；2.北京特种工程设计研究院，北京 100028）

0 引言

作为一种传统的结构类型，生土结构因其易于就地取材、造价低廉、技术简单、绿色环保、保温与隔热性能好等优点，在全球面临能源和环境危机的今天，再次受到了广泛的关注[1-4]。现役生土结构包含夯土、土坯砌体及窑洞等结构形式，其中土坯砌体结构是目前应用最为广泛的一种。但传统土坯砌体结构砌筑工作繁重、砌筑过程中需要使用大量粘结剂、结构性能受砌筑质量影响大等一些自身缺点，严重影响了生土结构的发展。针对这一现状，本课题组参考国内外已有经验[5-7]，设计出了一种生土自嵌固空心砖（见图1），该空心砖尺寸为240mm×120mm×90mm，外形为上凸下凹，砌筑时通过块材间机械咬合作用连接。与传统生土砌块相比具有可实现快速砌筑，减少粘结剂用量，更加绿色环保等优点，亦可利用砖孔与其他建筑材料（如钢筋、混凝土）相结合，改善传统生土结构的抗震性能。

图1 生土自嵌固空心砖外形示意

素土一般强度较低、脆性明显，常需加入改性材料提高强度、改进脆性，考虑到有效性和实用性，本研究选择水泥和麦秸作为改性材料，采用定制的制砖设备制作生土自嵌固空心砖。通过对试块进行抗压、抗折试验，得到该型砖的破坏形态、抗压强度、抗折强度等，分析其受力性能。研究结果可为生土自嵌固空心砖砌体的后续研究和应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验所用土料为陕西省关中地区黄土，水泥为P·O42.5水泥，麦秸长度为20mm。分别选择水泥掺量（质量百分比）为1.5%、3.0%、4.5%，麦秸掺量（质量百分比）为0.2%、0.4%、0.8%。参考GB/T50123—1999《土工试验方法标准》采用轻型击实试验对不同配合比土料的最优含水率及最大干密度进行测试。根据文献[8]，少量麦秸对土的最优含水率影响很小，因此麦秸土的最优含水率和最大干密度可参考素土，测试结果见表1。

表1 生土基材料的最优含水率及最大干密度

1.2 试块制作

试块制作所用机具为定制的YF1-40手工砖机，压砖机内有可拆卸的专用模具，试块采用人工压实，通过控制土料用量来保证每块砖达到最大干密度。由于试块上表面突起对抗压、抗折试验加载存在影响，此次试验制作无凸起部分空心砖，此做法不改变自嵌固砖的受力特点。

制砖步骤为：拌料、入模、施压、脱模。拌料前应现场用酒精燃烧法测出待拌土料的天然含水率，加入掺合料并将土料拌制均匀。按照式（1）计算所需加入水量mw，将混合土料含水率调整至最优含水率。

式中：mw——水的质量，kg；

m0——土料质量，kg；

ω——最优含水率，%；

ω0——天然含水率，%。

为使所制作的砖尽量接近于实际工程状态，土料不过筛，人工粉碎其中较大颗粒。土料拌和好后，将其送至模具内，用压砖机一次压制成型，砖的尺寸为240mm×120mm×90mm。试块压制成型后，置于室内养护，养护温度为25～30℃，28 d后进行性能测试。试块编号及掺料配比见表2。

表2 生土自嵌固空心砖试块编号及掺料配比

1.3 试验加载

生土自嵌固空心砖的抗压和抗折试验在长安大学建筑结构与抗震实验室进行，采用电液伺服结构试验系统进行加载和控制，该试验系统可自动绘制试块荷载-位移曲线，最大负荷为300kN。试验方法参考ASTM C67-17[9]，选择表面无明显缺陷的试块进行试验。抗压试块置于球铰上，加载前调整球铰至水平，并使其居中。试验采用位移控制匀速加载，加载速率为2mm/min，当荷载下降到峰值荷载的80%时试验结束。抗折试块置于专用抗折辅助工具上，调整工具上活动支座，使其距离试块两端各20mm（见图2），由于试块凹面处孔洞距两端较近，为避免试块在孔洞处受集中力作用，将其倒置于抗折工具上，采用位移控制匀速加载，加载速率为0.6mm/min，加载至试块破坏。

图2 抗折试验

2 试验现象

2.1 抗压试验现象

对于素土试块，加载至峰值荷载的40%时，试块正面中部出现少量细小裂缝，左右两边表皮脱落，试块角部被压碎。随着荷载的不断增大，孔洞边出现裂缝，左右两边裂缝增多，表皮脱落明显，当荷载增大至峰值荷载的80%左右时，裂缝迅速扩散，达到极限荷载后，试块出现数条贯通裂缝，四周渐被压溃，试块被完全压坏[见图3（a）]。剥开试块表面破坏土体，破坏形态呈典型的双锥形[见图 3（b）]。

对于水泥土试块，其表面较为光滑，成型较好，与素土试块相比，强度较高，裂缝出现较晚，加载时间较长。最终破坏形态与素土试块相似，为双锥形破坏。

对于麦秸土试块，由于麦秸的存在，其表面较为粗糙，且存在部分微裂纹。加载初期原有裂纹就开始扩展，形成多条竖向裂缝，随着荷载的增大，裂缝扩展并贯通，部分麦秸被拉断并发出声响，但裂缝间土体并未脱落。试块破坏时，竖向位移迅速增大，试块被压扁并向四周膨胀，试块破坏后基本保持原有形状[见图4（a）]。剥下四周破坏土体，破坏形态也呈双锥形[见图 4（b）]。

图3 素土试块抗压试验现象

图4 M1试块抗压试验现象

2.2 抗折试验现象

素土试块和水泥土试块的抗折试验现象基本相同，随荷载增大，很快在试块下方空洞处出现裂缝，并伴随轻微响声。裂缝出现后，迅速斜向上发展，荷载即刻达到极限荷载，试块断为两半，发出明显响声，荷载-位移曲线呈直线下降。断面经过试块底面空洞处和顶面加载处[见图5（a）]，表面较为平滑[见图 5（b）]。

对于麦秸土试块，其加载前期与素土和掺水泥试块基本相同，在荷载作用下很快出现裂缝，随着荷载增大，裂缝向上部发展并逐渐变宽。与素土和水泥土试块相比，麦秸土试块在受折时并非一裂就坏，而是存在一个裂缝扩展的过程，期间可以听到麦秸与土体摩擦发出的声响。断面也经过试块底面空洞处和顶面加载处[见图6（a）]，表面较为粗糙，且能观察到被拔出麦秸[见图 6（b）]。

图5 素土试块抗折试验现象

图6 M1试块抗折试验现象

3 破坏形态分析

3.1 受压破坏形态分析

试块受压时，上下表面与承压板之间产生阻止试块横向变形的摩擦阻力，对试块两端形成约束，故远离上下承压板的试块中部先行破坏，形成双锥形破坏形态。生土自嵌固空心砖有较大孔洞，且试块底面由于孔洞凹陷的存在，面积小于试块顶面，因此试块受压时，底面破坏较顶面严重。2个空洞的存在将试块分为两空洞中肋和空洞边壁，空洞边壁的厚度小于中肋厚度，在压力作用下易在边壁产生应力集中，因此试块主要裂缝均穿越空洞。由于试块高厚比较小，承压板约束效应在高度范围都较明显，当试块边壁土体被压碎以后，中间肋部形成核心区，其受力接近于一受压短柱，此处土体脱落较少，并随着荷载的增大而被逐渐压密实，因此试块加载到较大位移时荷载-位移曲线未出现较大幅度下降，仍具有一定承载力。

素土试块与水泥土试块的破坏特征相近，均为明显脆性破坏；麦秸土试块由于麦秸对土体的拉结作用，整体性较好，破坏时土体并未发生大量土体脱落，同时，麦秸的掺入使得土体之间空隙增大，因此试块破坏时压缩量较大，并向四周膨胀。

3.2 受折破坏形态分析

相较于受压破坏，试块受折时，从加载至破坏经过的时间较短，破坏现象较为简单，即从断裂面裂缝的出现至试块断裂。生土自嵌固空心砖的抗折破坏与生土实心砖及土坯砌块的抗折破坏形态不同，其断裂面很难位于试块中部，这是因为空洞的存在影响了试块内的应力分布。试块受折时，实际受到弯矩和剪力的共同作用，弯矩使截面产生正应力，剪力使截面产生剪应力，两者合成产生主拉应力和主压应力。在集中荷载下，弯矩呈三角形分布，虽然试块中部弯矩最大，但由于此处截面饱满，应力并非最大。试块空洞处，弯矩明显小于试块中部，但空洞的存在使得截面惯性矩减小，因此弯矩产生的正应力并未明显减小，同时，由于截面突变，空洞处产生应力集中，增大了截面应力，导致试块在底面空洞处率先开裂。此后，在主拉应力作用下，裂缝沿着垂直于主拉应力方向即主压应力方向发展，形成典型的弯剪斜裂缝。斜裂缝向上延伸，最终均经过加载处，这是因为加载处受到集中力作用，产生较大局部压应力，大大增加了该处的应力。

素土和水泥土试块的破坏表现为明显脆性，即裂缝一旦形成便迅速扩展至全截面；麦秸土试块破坏时，裂缝形成以后麦秸能继续承担两侧土体拉力，略延缓了裂缝发展速度，但最终破坏仍为脆性破坏，仅表现出一定的延性特征。

4 试验结果及分析

4.1 抗压强度

抗压试验每组5个试块，通过试验机记录的数据，得到试块的峰值荷载、峰值位移，并计算得到其抗压强度及变异系数，见表3。考虑到实用性，抗压强度在计算时采用未扣除空洞面积的受压面毛面积，A=240 mm×120 mm。

表3 试块的抗压性能

素土试块的抗压强度为1.8 MPa，文献[10-11]中的传统土坯强度分别为0.85 MPa和1.19 MPa，说明生土自嵌固砖在强度上优于传统土坯，主要是因为传统土坯在制作过程中都依靠经验，对土料的含水率控制不严格，并且土料中的大颗料杂质较多，导致土料难以被充分压实至其最大干密度，而按照本文前述制作方法制作的素土试块基本达到了其最大干密度，从而表现出较高强度。比较表3中素土试块和水泥土试块强度，水泥掺量为1.5%，试块抗压强度较素土试块无明显提高；当增大水泥掺量分别为3.0%和4.5%，试块抗压强度较素土分别提高了10%和28%，说明一定的水泥掺量能够提高试块的强度。水泥提高试块抗压强度主要是基于两方面的原因：其一，本次试验制砖为尽量接近工程实际，未进行筛土、粉土等作业，大颗粒土直接人工粉粹，因此土体中存在大小不同的颗粒，与土体颗粒相比，水泥粉末粒径较小，水泥的掺入改善了土体颗粒级配，填补土粒之间空隙，使得土体更易压实；其二，水泥和土体中的水发生水化反应，生成胶凝物质，在土体内部相互胶结，提高土体黏聚力，从而提高土体强度和稳定性。随着水泥掺量的提高，其改善土体颗粒级配的效果越好，产生的胶凝物质越多，强度提高越显著。但一味地增加水泥的掺量来提高生土强度，会失去生土结构的意义，破坏生土结构绿色环保的特性，因此，本文将水泥的最高掺量定为4.5%。素土与水泥土的峰值位移基本相同，说明掺入少量水泥对试块的变形能力影响不大。

比较表3中素土和麦秸土试验结果，麦秸土试块的抗压强度均较低。麦秸掺量为0.2%、0.4%、0.8%的试块，相较于素土试块强度分别降低了31%、36%、55%。说明麦秸掺入会显著降低试块的抗压强度，麦秸掺量为0.8%时，试块强度已减半，实际中应用意义已不大，因此建议实际工程中麦秸掺量控制在0.4%以下。麦秸降低试块强度主要是因为：麦秸加入土体中，增大了土体之间的空隙，土体内部变得松散，难以压至其最大密实度；麦秸表面较为光滑，与土体间的粘结力较小，在土体内部形成粘结力过渡区，过渡区内的土体易在压力作用下产生沿过渡界面的滑动。若制砖设备为机械加压，麦秸掺入对试块密实度的影响会有所改善，其强度可能会有所提高。比较各组的变异系数，麦秸土大于其他组，说明掺入麦秸会增大试块的离散性，主要是因为麦秸作为非颗粒掺料，难以与土料拌合至理想均匀状态，后续应用应予以注意。麦秸土较水泥土的峰值位移有一定的增大，说明掺入麦秸对试块的变形能力有一定的提高。

4.2 抗折强度

试验中测得抗折试块折断时的极限荷载，根据式（2）确定试块抗折强度，

式中：R——抗折强度；

P——试块极限荷载；

L——试块下方两支座距离，本试验中L=200 mm；

B——试块宽度，取120 mm；

H——试块高度，取90 mm。

抗折试块每组10个，每组试块抗折强度取该组试块抗折强度的平均值，对与本组试块均值相差20%以上者予以剔除，抗折强度取其余试块均值。试块的抗折强度测试结果见表4。

表4 试块的抗折强度

由表4可见，与素土相比，当水泥掺量为1.5%和3.0%时，试块的抗折强度基本不变，少量的水泥对抗折强度基本无影响；增加水泥掺量至4.5%，抗折强度较素土提高了60%，说明土料中掺入适量水泥能较好改善试块的抗折性能。抗折试块的破坏属于受拉破坏，水泥改善抗折性能的机理与抗压类似：水泥水化胶凝产物增大土体间胶结力，增大了试块断裂面边缘产生初始裂缝所需的拉应力，延缓试块裂缝的出现。

比较素土和麦秸土试件，麦秸掺量为0.4%和0.8%时，试块抗折强度较素土分别下降了25%和40%，可见麦秸并未起到改善抗折强度的作用，其原因与受压试块基本相同。裂缝形成后，裂缝两侧土体拉力由穿过裂缝的麦秸承担。麦秸丧失拉结作用的形式有两种，即被拉断和被拔出，前者是因为麦秸与土体的粘结力大于两侧土体对麦秸的拉力，后者正好相反。本试验中麦秸长度较小，因此其与土体的粘结力较小，试验中大多数麦秸发生的破坏为拔出式破坏，未发挥出麦秸本身的强度。但麦秸土试块在抗折试验现象上表现出与素土和水泥土试块的不同，即在破坏时断裂面存在一个裂缝发展的过程，这一特点对其在砌体中的应用有着重要的意义。

4.3 折压比

砌体的抗压强度往往低于砌块的抗压强度，这是因为砌体受压时其中的块材并非处于单纯的受压状态，而是更接近于受折状态[12]，砌块良好的抗折强度有利于充分发挥砌体的抗压强度。抗折强度与抗压强度之间存在一定的关系，常用折压比表示，合理的折压比有利于改善砌块的脆性，提高砌体的受力性能。各类试块折压比计算结果见表5。

表5 各类试块的折压比

由表5可见，各类试块的折压比在0.2～0.3的范围之内，GB 50574—2010《墙体材料应用统一技术规范》中规定不同强度等级的承重墙多孔砖最小折压比在0.21～0.32，参考此标准说明自嵌固生土砖有较适宜的折压比。比较图7中折压比大小，麦秸土试块折压比基本上高于素土试块和水泥土试块，说明麦秸能够改善试块的脆性，且当麦秸掺量为0.2%时改善效果最为明显。素土试块和掺1.5%、3.0%水泥土试块的折压比基本相同，增大水泥掺量至4.5%时，试块的折压比明显增大。