尺寸效应对生土立方体试件抗压强度的影响

张 坤,王毅红,卜永红,王天涯,杨战社

(1. 西安石油大学 博士后创新基地,陕西 西安 710065; 2. 长安大学 建筑工程学院,陕西 西安 710061)

生土是中国乃至全世界应用广泛、历史悠久的传统建筑材料之一[1-2].其主要优势为就地取材、造价低廉、绿色环保、保温与隔热性能优越、可降解再生、加工过程低耗能,是典型的“绿色环保建材”.生土建筑是中华民族建筑文化的传承,可以保持建筑的多样性,研究生土材料具有重要的意义[3-4].生土建筑主要应用于农村住宅,特别是在中国中西部,生土材料建筑比例超过60%.全球约有20亿人口居住在此类建筑当中.对农村地区而言，具有当前常规节能材料无法比拟的环保优势和应用潜力[5-6].在生土建筑的设计和质量控制过程中,抗压强度是材料力学性能的重要指标[7-8].生土基材料内部结构复杂,材料本身是多相介质的混合物,具有多尺度性和独特的物理和力学性质,因此，试件尺寸效应直接影响生土基材料的力学性能[9-10].现今国内外关于生土基材料试件尺寸效应研究较少,“国际生土建筑研究和应用中心”编写的《Earth Construction: A Comprehensive Guide》(《生土建造：综合指导》)和《Btir en terre》(《生土建造》)中仅对不同改性生土基土坯材料的提选、尺寸、制作等做部分规定[11-14].各个国家对不同材料的标准试件形状和尺寸各不相同[15-16].在中国,苏捷等[17]对50、100、150、200 mm混凝土立方体试件进行抗压强度研究,表明尺寸越小强度越高,初始缺陷是造成尺寸效应的主要因素.朱尔玉[18]研究立方体、圆柱体、棱柱体C20混凝土试件与抗压强度关系,以150 mm立方体试件为标准试件,建立与其他试件的强度关系式.王有宗等[19]引入体型影响系数,研究不同形状水泥砂浆试件之间换算关系.陈甦等[20]对立方体、圆柱体混凝土试件进行试验研究,表明试件强度与试验时边界条件处理有关,并给出标准试件尺寸及形状.

以上研究多集中于混凝土及砂浆材料,而对生土基材料研究较少,生土基材料强度是生土建筑结构的重要力学指标.因此,研究试件尺寸效应对材料强度的影响是十分必要的.本次研究以陕西的黄土为研究对象,通过对3种尺寸(100、150、200 mm)60个立方体试件进行抗压强度试验,从试件破坏形态、强度、离散性方面,研究尺寸效应对材料的影响规律,采用统计筛选法推算3种尺寸试件强度关系系数.为生土基标准试验方法试件尺寸提选和不同尺寸生土基材料试件强度推定提供依据.

1 试验

1.1 试验原料及设备

本次试验所用土样为西安市长安区的黄土.按照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》[21]采用环刀法检测黄土的最优含水率为18.2%,最大干密度为2.04 g/cm3,塑限为15%,液限为26%,塑性指数为11.试验前土料过5 mm筛,经初始含水率检测确定后掺水拌合至最优含水率,根据课题组研制的模具采用千斤顶成型材料方法,制作60个不同尺寸立方体试件[22],如图1所示.

1.2 试验方法及步骤

试件分别采用3种尺寸制作.100 mm×100 mm×100 mm立方体试件(20个试件),150 mm×150 mm×150 mm立方体试件(20个试件),200 mm×200 mm×200 mm立方体试件(20个试件).试件制作完毕后,放置在25～30 ℃、湿度55%～60%标准养护室养护.各类试件经养护28 d后进行抗压强度试验,每20个试件一组.

试验采用压力机型号为MTS-500伺服作动器,仪器自动记录竖向位移和荷载,并绘制荷载-位移曲线.加载速率控制在1～3 mm/min,以试件峰值荷载的30%为结束条件,进行抗压强度试验.

因此,试验原材料相同,试件的制作方法相同,试件养护状态与时间相同,试验时加载仪器及参数设置相同,有效保证了立方体抗压强度试验结果的真实性及可比性.

1.3 试验过程及现象

1.3.1100 mm立方体试件

随着荷载的增大,100 mm×100 mm立方体试件在峰值荷载50%发生开裂现象,裂缝首先出现在试件角部.随着荷载继续增加,试件制样分层处向外膨胀,角部有脱落现象.当荷载到达峰值时,出现竖向的贯通裂缝.继续加载,材料表皮继续脱落,直至试件破坏,试件已经失去承载能力,最终近似“沙漏型”破坏形态,破坏全过程各个阶段表现明显.试验过程如图2所示.

图2 100 mm立方体试件开裂及破坏

1.3.2150 mm立方体试件

随着荷载的增大,150 mm×150 mm立方体试件破坏过程和破坏形态基本和100 mm×100 mm立方体生土试件相同.由于试件尺寸增大,材料内部缺陷大,开裂荷载基本为峰值荷载的40%.试件最终破坏形态近似“沙漏型”,表现出剪应力破坏特点.试验过程如图3所示.

图3 150 mm立方体试件开裂及破坏

1.3.3200 mm立方体试件

随着荷载的增大,200 mm×200 mm立方体试件破坏过程与破坏形态基本和100 mm×100 mm立方体生土试件相同,开裂荷载仅为峰值荷载的30%.试件在受荷后开裂点多沿受力方向出现,在试件角部出现较少.随着荷载继续增加至峰值,试件外表面沿加载面向外膨胀并伴随外表皮脱落,膨胀位置未出现在试件中间.最终破坏形态近似“沙漏型”.试验过程如图4所示.

图4 200 mm立方体试件开裂及破坏Fig.4 Cracking and failure of 200 mm cube specimen

2 试验结果与分析

2.1 试件抗压强度

试验记录峰值荷载、峰值位移根据公式

P=F/A

(1)

计算试件抗压强度,试验结果见表1.

表1 不同尺寸立方体生土试件抗压强度试验结果

2.2 不同试件尺寸对材料破坏及强度影响

对比不同尺寸立方体试件在不同阶段裂缝出现的区域发现,小尺寸试件出现裂缝较少,基本为竖向的贯通裂缝,集中在试件的角部,较为明显,随着荷载的增大,试件表面发生龟裂且土体表面脱落.荷载增大至峰值时试件破坏为典型的“沙漏型”受压破坏,基本可见破坏后试件中土颗粒之间联接减弱,土体疏松,表明试件内部在受力后发生不同程度的破坏.例如边长100 mm立方体试件,大尺寸试件发生破坏时裂缝出现较多,分布不均,角部和中部均出现贯通裂缝,随着荷载增大至峰值,试件裂缝增宽,表面向外膨胀,但基本不发生脱落的情况,随着峰值荷载后继续加载,直到试件完全失去承载力时,人工剥落试件表面,发现破坏形态与小尺寸试件相似,但土体内部基本未发生破坏,土体坚硬,土体颗粒之间表现出较高粘结性能.由于小尺寸试件制作压实成型次数小,试件内部初始缺陷少,所以裂缝出现与材料受力一致,受荷时荷载可以传递到试件的内部,土体颗粒黏力丧失,试件发生土体脱落现象,破坏有一定的代表性.大尺寸试件在制作时压实成型次数较多,试件内部缺陷较多,在受到外力作用下试件裂缝出现随机性强,裂缝包括水平和竖向的裂缝.试件尺寸较大,在丧失承载能力后完全破坏时,试件内部基本为完好,受荷载影响较小.

图5为不同尺寸立方体试件抗压结果散点图,结合表1可知,生土基材料立方体抗压强度表现出随尺寸的增大而减小的趋势.试件尺寸对试验结果影响显著,其中100 mm立方体试件抗压强度均值为3.39 MPa,相比150 mm与200 mm立方体试件表现出较好的材料力学性能,变异系数为0.13,试验结果的离散性小.150 mm生土基立方体试件抗压强度均值为2.35 MPa,仅为100 mm立方体试件强度的0.69倍,相对100 mm立方体试件强度减少1.04 MPa.200 mm生土基立方体试件抗压强度均值为1.42 MPa,仅为100 mm立方体试件强度的0.42倍,相对150 mm立方体试件强度减少0.92 MPa,变异系数为0.23,试验结果的离散性大.结果表明,生土基材料试件随着尺寸增大,材料的离散性越大,材料强度降低的幅度越少.大尺寸试件成型时难以保证材料内部土体颗粒均匀分布,导致试件内部薄弱点增多,分布离散,这些薄弱点是促成大尺寸试件抗压强度低、材料离散性大的主要原因.对离散数据进行拟合,发现采用一次函数可以描述不同尺寸立方体生土基材料抗压强度折算关系,相关性系数R2=0.832 3.

图5 不同尺寸立方体试件抗压强度结果散点图Fig.5 Scatter plot of compressive strength results of cube specimens of different sizes

2.3 不同尺寸立方体试件强度关系

2.3.1抗压强度关系系数定义

为进一步验证试件尺寸对生土基材料抗压强度的影响,建立各试件尺寸之间抗压强度的数值关系.具体方法规定如下：以标准试件100 mm×100 mm×100 mm立方体试件抗压强度均值为基准,即100 mm立方体试件抗压强度为分母,150、200 mm立方体试件抗压强度为分子,比值作为抗压强度关系系数γ,如100 mm生土基立方体试件与150 mm生土基立方体试件抗压强度关系系数以γ150,100表示,其表达式为

γ150,100=f150/f100

(2)

式中:f150为150 mm立方体试件抗压强度值；f100为100 mm立方体试件抗压强度值(各类试件制作方法、加载方式、养护方式及龄期相同).

为精确抗压强度关系系数,引入统计筛选法,采用每个试件的强度数据来进行计算,方法如下：首先计算出每组所用试件抗压强度尺寸折算系数,考虑到试件制作过程、试验过程、数据采集过程等存在不可避免的制作误差、观测误差和截断误差,为降低可能存在的影响,将偏离这组强度关系系数平均值15%的数据予以剔除,然后求剔除后的平均值.按照上述方法依次求解,直到不偏离平均值15%的数据出现,将最终的平均值作为抗压强度关系系数.

2.3.2计算实例

1) 计算γ150,100抗压强度关系系数

依据表1计算20个试件尺寸抗压强度关系系数,共20组数据,结果见表2.

表2 150/100抗压强度尺寸折算系数

根据表2,计算得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),求得数据平均值:

(3)

(4)

2) 计算抗压强度折算系数γ200,100

算法同上,经表2计算20个试件尺寸抗压强度关系系数,计算结果见表3.

表3 200/100抗压强度尺寸折算系数

根据表3,计算得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),求得总体平均值:

(5)

(6)

3 结论

1) 不同尺寸生土基材料试件尺寸效应显著.相同原材料、制作方法、养护方式成型的不同尺寸立方体生土基试件,采用相同加载设备及速率进行抗压强度试验,试件开裂荷载、峰值位移、峰值荷载各不相同.小尺寸试件比大尺寸试件破坏全过程明显,材料内部缺陷少,离散性小.小尺寸试件考虑可作为生土基材料试件标准尺寸.

2) 生土基材料抗压强度受试件尺寸影响显著.试件尺寸越大,抗压强度越小,试件强度变化幅度呈减少趋势.不同尺寸立方体试件材料强度显示出一次线性关系.

3) 通过数理统计,计算得100 mm生土基立方体试件与150 mm立方体试件抗压强度关系系数为0.67,100 mm生土基立方体试件与200 mm立方体试件抗压强度关系系数为0.42,可为不同尺寸生土基材料试件强度推定提供依据.