不同养护条件下生土基材料力学性能试验

2021-12-10王毅红张洵安杨战社王勋涛

合肥工业大学学报（自然科学版） 2021年11期

张坤, 王毅红, 屈展, 张洵安, 杨战社, 王勋涛

(1.西安石油大学博士后创新基地/基建处,陕西西安 710065; 2.长安大学建筑工程学院,陕西西安 710061; 3.西安石油大学陕西油气井及储层渗流与岩石力学重点实验室,陕西西安 710065; 4.西北工业大学力学与土木建筑学院,陕西西安 710072)

生土基材料是我国以及全世界应用广泛的传统建筑材料之一[1-2]。该材料可就地取材,具有造价低廉、技术简单、绿色环保等优势,材料具有良好的保温性、隔热性、可降解性、再生性,材料加工过程低耗能无污染,是一种绿色环保的建筑材料[3-6]。近年来,生土基材料受到国内外学者的广泛关注,改性后的生土基材料可以有效解决材料力学强度不足的问题,生土基材料可作为一种填充墙体使用,文献[7]研究了纤维增强生土基材料，结果表明，该材料抗压强度、抗剪强度及抗劈裂强度均有所提高;文献[8]研究表明，改性石灰土可提高生土基材料承载能力,使其做为一种承重墙体在公共建筑中得到广泛应用,如西班牙托罗市室内游泳馆和加拿大的奥索尤斯沙漠文化中心等。做为生土建筑中墙体的主要材料,抗压强度是评价材料力学性能的重要指标。生土基材料是未固结成石的矿物,内部结构复杂,包含各类矿物质和有机质。材料是固相、液相、气相的多相混合物,具有多尺度性和独特的物理和力学性质。

传统生土基材料试件制作分为干制法和湿制法,在材料失水硬化反应时段内,养护的温度、湿度、时间等因素对材料的力学性能影响显著[9-10]。在我国,对生土基材料养护方式、养护龄期研究较少,国外较成熟,其中新西兰NZS4297:1998、NZS4298:1998、NZS4299:1998规范对生土建筑材料的提选、制作、养护做了详细规定[11-12]；文献[13-14]对生土建筑构件、墙体、节点等设计、施工及生土建筑材料标准试验方法均做出相应规定。我国养护方式的研究多集中在混凝土与砂浆材料上,生土基材料研究较少。文献[15]采用标准养护、70 ℃蒸汽养护、高温蒸压釜3种养护方式,对不同养护条件、养护龄期下高强水泥进行抗压强度、抗折强度、劈裂抗拉强度及弹性模量试验,分析养护因素对试验结果的影响,发现材料强度均随养护时间、养护温度而增大,高温蒸压釜养护材料质量较好,借助数学建模理论得出不同养护龄期、方式与材料力学性能测试结果对应的数值关系。文献[16]研究龄期对内养护水泥基材料的影响,表明内养护方式可以降低材料内部的收缩变形行为,提高材料养护质量,利用高吸水树脂(SAP)进行材料养护；从材料内部结构出发,研究材料变形、毛细管压力及水化膨胀等,试验发现高吸水树脂的释水行为可随水灰比的提高而延迟,同时,出现高吸水树脂与水泥水化速度不协同情况,合理的SAP掺量还需进一步研究。文献[17]通过研究标准养护、热水养护及蒸汽养护3种方式对高强水泥基材料的影响,分析了材料强度与养护龄期、材料空隙、孔径面积等参数的关系，结果发现温度对材料孔隙率、孔表面积影响显著,高温养护可以有效降低材料孔结构复杂性,提高材料质量，并建立材料强度与龄期的关系,但与孔隙率、分维数无关。文献[18]研究不同养护温度、养护龄期对赤泥矿渣激发凝胶材料强度的影响,设计(20～60 ℃、40～60 ℃、50～100 ℃)3种养护温度,进行养护龄期3、14、28 d材料强度试验,研究发现，提高养护温度对材料早期强度增长影响显著,但是后期影响小,通过X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)分析反应产物,表明随着时间推移,材料内部反应趋近完成,空隙率减少,结构致密性提高。文献[19]对不同养护龄期胶结砂相似材料抗压性能进行研究,结果表明,此类材料强度随养护时间的延长而增长,14 d为试件的养护龄期。文献[20]对不同温度养护混凝土抗压强度进行试验,采用成熟度理论预测材料在不同养护方式、养护龄期的强度,并对水泥混凝土自然养护和标准养护室养护试件进行成熟度-贯入阻力试验,建立以等效时间理论为准的材料强度预测方法。总的来说,养护条件和养护龄期是影响生土基材料单轴抗压性能的重要参数之一,但在以往的研究中对生土基材料养护方法和养护龄期均为统一,且没有关于养护条件和龄期对生土基材料抗压强度力学性能影响的系统分析[21]。

鉴于此,本试验以生土基材料为研究对象,通过对160个生土基立方体试件在自然养护、保鲜膜养护、室内养护、标准养护室养护下7、14、21、28 d的抗压强度试验，讨论养护温度、湿度、龄期对试件抗压强度、破坏形态的影响。基于成熟度理论,建立不同养护条件下试件抗压强度-成熟度间的关系函数模型。通过本研究可以为确定生土基材料标准养护方法提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验原料及制作

本试验所用土样为西安市长安区的黄土。按照文献[22]测得黄土的最优含水率为18.2%,最大干密度为2.04 g/cm3,塑限15%,液限26%,塑性指数为11。将土过筛拌合至最优含水率,根据课题组研制的模具,采用千斤顶成型材料方法制作160个边长为100 mm的立方体试件,该装置包括对应尺寸的钢试模、对应尺寸的有机玻璃套筒、压板、千斤顶、反力架[23-24],其示意图如图1a所示。

试件的制作步骤如下:将立方体试模平放在自制反力架平台上,试模内涂一层较薄的润滑油,以试模体积乘以材料最大干密度计算所用土量,分2次装入,将千斤顶以0.5 mm/s的速率上升,控制压实荷载为18～20 kN,每层用时1～2 min,一层压好后,停滞3～5 min,抬起压板,加下层土样时将本层土样接触面“拉毛”,进行下次压制,压实完成后,超出顶模试验高度小于5 mm。用修土刀将上表面磨平,脱模后养护。试件的制作及成型试件如图1b、图1c所示。

图1 制作装置及试件

1.2 养护

成型试件分别采用4种养护温度、湿度,28 d后再进行试件抗压强度试验。试件养护时间为2018-05-19—2019-06-16,各组试件均养护7、14、21、28 d进行试验。

1.2.1 自然养护

将试件脱模后放置室内养护3 d,待试件初凝后搬运置室外,下雨时采用塑料布覆盖,记录每天温度与湿度,天气情况见表1所列,养护状态如图2a所示。

表1 试件自然养护天气情况

图2 自然养护试件试验

1.2.2 保鲜膜养护

保鲜膜养护40个试件,为降低试件失水干缩硬化速度,防止开裂,试件脱模后直接用带孔保鲜膜包裹,放置在湿度为50%～55%,温度为30～35 ℃室内养护。保鲜膜养护状态如图3a所示。

图3 保鲜膜养护试件试验

1.2.3 室内养护

室内养护40个试件,试件脱模后放置湿度为50%～55%,温度为30～35 ℃室内养护。养护状态如图4a所示。

图4 室内养护试件试验

1.2.4 标准养护室养护

标准养护室养护40个试件,将脱模试件在室内养护3 d后搬运置养护室,养护室温度为25～30 ℃、湿度为55%～60%,养护状态如图5a所示。

图5 标准养护室内养护试件

1.2.5 材料测试

4种不同养护方式试件经7、14、21、28 d后进行抗压强度试验,每10个试件为1组,试验在长安大学结构试验室进行,采用MTS-500伺服作动器,记录位移和荷载,并绘制荷载-位移曲线。依据课题组制定试验方法,试件承受压力端面铺设土粉找平,仪器加载速率控制在2 mm/min,以试件峰值荷载的30%为结束条件,进行抗压强度试验[25]。试验结束后测定试件含水率并记录。

1.3 试验过程及现象

1.3.1 自然养护试件

夏季天气炎热,室外温度为35～38 ℃,正午时甚至会高于40 ℃,养护7～11 d为下雨天气,昼夜温差较大,生土基立方体试件受天气影响显著。试件前期暴露于高温环境中,失水干缩效应明显,试件表面龟裂严重,其中7、14、21 d自然养护试件质量差,致密性低,进行加载试验时,试件的初始裂缝迅速扩展,形成沿试件受理方向的贯通裂缝。试件承载力峰值迅速出现,破坏全过程较快,承载能力低。但自然养护28 d试件失水硬化反应全面,试件表面致密性高,初始缺陷较少,试件材料抗压测试时,试件破坏全过程表现明显,但是在破坏过程中裂缝出现部位表现出不规律的特征,如图2b、图2c所示。

1.3.2 保鲜膜养护试件

试件经过保鲜膜包裹放置室内养护7、14、21 d后,表面干硬性差,内部未完全发生失水硬化反应。这是由于保鲜膜的保湿效应使试件含水率较大。抗压试验破坏全过程表现出软化土的特点,试件峰值荷载小,但试件变形能力增强,破坏过程表现出明显的立方体破坏特点,呈“沙漏型”,与文献[26]研究结果基本一致。保鲜膜养护28 d试件峰值荷载高于前期养护试件,如图3b、图3c所示。

1.3.3 室内养护试件

试件破坏过程与文献[26]相同,在抗压试验中,试件受荷时因立方体角部发生应力集中的现象,初始裂缝在此位置出现并扩展,随着荷载增加,伴随有试件外表皮脱落的情况发生。最终的破坏形态表现出典型的立方体试件受压破坏特点,如图4b、图4c所示。

1.3.4 标准养护室养护试件

试验破坏全过程除养护7 d试件以外表现出极大的相似性。这是由于养护7 d时生土试件失水,干缩硬化反应未完全结束,土体内部颗粒连接未能完全进行,试验时试件的峰值承载力小、位移大,试件表现出较强的塑性。试件标准养护14 d后,抗压强度试验破坏全过程基本相同,与前期试验研究结果一致[27]。

2 力学性能试验结果与分析

2.1 抗压强度试验结果

试验中记录峰值荷载F、峰值位移、受压面积A,根据P=F/A计算试件的抗压强度,结果见表2所列。

表2 不同养护试件抗压强度结果

2.2 养护方式、龄期对试件抗压强度的影响

养护方式、龄期对试件抗压强度影响如图6所示。

由图6可知,自然养护状态试件抗压强度随养护龄期增加表现出先减小后增大的趋势。其他3种养护方式试件抗压强度均随龄期的增长而增大,并且曲线逐渐平缓。

图6 养护方式、龄期对试件抗压强度的影响

自然养护状态试件养护7 d的抗压强度为2.69 MPa,试件室外自然养护时为夏季,室外温度为35～39 ℃,湿度为20%～30%,通风顺畅,材料早期抗压强度增长明显,试件内部失水硬化反应显著。自然养护试件在7～14 d时受雨天影响,试件表面吸水发生软化效应,导致试件抗压硬度降低,养护14 d试件抗压强度明显降低,为1.44 MPa，仅为7 d的0.54倍。养护21 d时,室外温度迅速回升,试件反复发生干缩硬化反应导致表面开裂严重,抗压试验时试件承载力较低,抗压强度仅为1.89 MPa。养护28 d时,持续高温使得试件内部充分失水硬化,但因下雨导致试件表面开裂无法恢复,使得试件抗压强度比室内养护和标准养护室养护低,仅为2.61 MPa。

保鲜膜养护状态试件养护7、14 d时的抗压强度分别为0.78、0.97 MPa,保鲜膜减少了试件内部水分的蒸发,有效地降低了试件表面因材料干缩硬化造成的初始裂缝。同时,保鲜膜阻隔了试件与空气的流通接触,直至28 d时试件还未能完成失水硬化反应,试件保水性能优越。试件抗压强度虽随养护龄期的增长而增加,但过程缓慢,试件抗压强度低,试件养护21、28 d抗压强度分别为1.12、2.08 MPa。试件的含水率一直保持一定的水平。

室内养护试件7 d抗压强度为2.74 MPa,夏季室内温度为30～35 ℃,湿度为50%～55%,通风顺畅,试件早期抗压强度增加明显,试件内部失水硬化反应迅速,试件内部土颗粒结合致密度高,随着养护龄期的增长,试件抗压强度增加,但增幅较缓慢。同时,由于前期试件发生干缩硬化反应时间短,试件表面与标准养护室养护试件相比出现较多细微初始裂缝。室内养护试件14、21、28 d抗压强度分别为2.86、3.34、3.77 MPa。与标准养护室养护相比,相同湿度下,试件的早期抗压强度受温度影响程度大。

标准养护室养护试件7～28 d抗压强度表现出明显的逐级递增趋势。标准养护室温度为25～30 ℃、湿度为55%～60%,温度、湿度恒定,室内通风较差,试件内部发生失水硬化过程比室内养护试件缓慢,在7、14 d试件抗压强度仅为1.60、2.32 MPa。21 d时抗压强度基本与室内养护试件相同,为3.32 MPa，基本达到峰值的75%以上,可以作为构件试验的养护龄期。随着养护龄期的增长,试件内部土颗粒继续硬化,28 d抗压强度为3.84 MPa。试件初始细微裂缝少,表面光滑,试件质量相对较高。

综上所述,恒定的温度、湿度养护对试件抗压强度影响显著,抗压强度随温度的升高而增大。14 d时室内养护试件与标准养护室养护试件抗压强度增长速度显著,湿度相同环境下,温度是试件抗压强度增长的主要因素。特别是室内养护试件早期抗压强度增加显著，7 d时的抗压强度远大于标准养护室的试件,21 d后抗压强度与标准养护室养护试件相比增幅缓慢,最终峰值亦小于标准养护试件,表明湿度在材料后期养护时作用因素明显。

2.3 机理探讨

所谓养护方式,是指影响生土基材料失水硬化的各种条件,即生土基材料试件脱模后养护龄期、养护温度、养护湿度等各种约束程度的综合。

养护方式对试件抗压强度的影响与时间历程有关,早期养护温度越高,试件内部失水硬化快,抗压强度增大。后期随着养护龄期的增长,试件抗压强度受温度影响差异性减小,也是试件在室内养护和标准养护室养护下各龄期抗压强度增幅较小的原因。生土基材料基本由多相混合的土颗粒交织而成，土的主要成分是硅酸盐,遇水易在分子表面形成水膜,从而形成胶体,这些胶结产物随龄期的增长,在恒定、合理的湿度内材料内部土颗粒之间连接更加致密,胶体间黏聚效应明显,内部孔隙逐渐填充并完善,试件抗压强度得以保证。由于室内养护试件温度高、湿度小的特点,其内部失水硬化速率快,颗粒间孔隙增多,晶体填充程度减小,试件内部黏聚力减小,抗压强度小于标准养护室养护试件。反之,因养护温度、湿度恒定,可有效保证试件抗压强度增长,后期湿度高,生土基材料内部失水速率慢,内部孔结构得到改善,致密性高,土体颗粒间黏聚力增强,28 d时试件抗压强度明显高于其他。

3 抗压强度与成熟度关系

生土作为一种绿色的建筑材料,其天然属性使得生土建筑材料强度受环境温度、湿度、养护龄期影响显著。干制法和湿制法制作的材料内部均会发生失水硬化反应,材料强度试验可以表征土颗粒内部致密程度和结构孔隙填充优劣。养护温度、养护龄期在材料硬化反应过程中起关键作用,材料抗压强度是生土建筑建造主要力学指标。利用成熟度这一无纲量评价材料强度已被应用于各种材料领域。19世纪50年代英国Nurse-Saul推荐的成熟度计算公式为[28-29]:

其中:M为龄期为t时的成熟度;Tc为时间间隔Δt内的材料平均温度;T0为基准温度,是指材料强度不再随龄期增长的温度,一般认为生土基材料停止失水硬化反应温度为0;Δt为时间间隔。

根据Nurse-Saul理论建立生土试件室内养护和标准养护室养护成熟度计算方程,计算结果见表3所示。

表3 生土基材料成熟度单位:℃·h

研究表明，成熟度和材料抗压强度关系可以采用以下2种模型进行参数的拟合[30-31]。

双曲线函数模型:

S=M/(mM+n)

(1)

其中:m、n为常数;M为成熟度;S为材料抗压强度。

对数函数模型:

S=a+blnM

(2)

其中:a、b为常数;M为成熟度;S为材料抗压强度。

采用以上2种模型对室内养护和标准养护室养护试件抗压强度进行回归分析,使用Matlab软件用非线性拟合模型参数,拟合曲线如图7所示,拟合结果见表4所列。

图7 数据拟合曲线

通过拟合曲线发现拟合最大偏差发生在养护14 d时,室内养护试件利用对数函数模型偏差7.34%,利用双曲线函数模型偏差5.59%。标准养护室试件利用对数函数模型偏差19.39%,利用双曲线函数模型偏差9.84%。由图7a可知,室内养护试件成熟度与抗压强度关系采用对数函数描述准确性较高。由表4可知,对数函数模型判定系数为0.861 9,双曲线函数模型判定系数为0.800 1,说明利用(1)式在湿度为50%～55%、温度为30～35 ℃室内养护时,可有效地作为预测试件的成熟度与抗压强度关系结果。

由图7b可知,标准养护试件采用2种函数描述成熟度与抗压强度关系的准确性均表现优越,同时,双曲函数拟合精度略优于对数函数模型,判定系数为0.982 6,表明利用(2)式可更有效地预测试件在温度为25～30 ℃、湿度为55%～60%下抗压强度与成熟度的关系。在该养护条件下试件抗压强度增长稳定,养护质量较高。