水泥聚丙烯纤维改性夯土墙体抗震性能研究

2022-08-12李子奇李蒙恩

新型建筑材料 2022年7期

李子奇，李蒙恩

（1．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070；2．兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点实验室，甘肃兰州 730070）

0 引言

夯土是世界上最古老的建筑技术之一，生土建筑传统在不同的地区持续了数千年。夯土施工因其低碳排放、经济可行性、更好的美学、热性能和当地材料的可用性而受到人们的关注。但未经改良的生土材料强度低，抗震、抗灾害能力较低，影响了生土材料的推广与应用，需要对生土材料适当地改良，使其可以用于创建安全、高效、持久的结构系统。

天然纤维长期以来一直被用于传统（非水泥稳定）夯土施工，纤维的存在通过控制裂缝开口和改善载荷分布来提高混凝土开裂后的力学性能。

本文以改善土料的性能为切入点，以甘肃兰州地区的黄土为土料，在生土中掺入水泥、聚丙烯纤维，研究这2种材料改性生土的改性机理和效果，并通过研究掺5%水泥和1.5%、1.8%、2.1%聚丙烯纤维的3种墙体，确定聚丙烯纤维的合理掺量。进行拟静力试验，研究掺入水泥、聚丙烯纤维改性夯土墙体的抗震性能。

1 试验概况

1.1 原材料

水泥：祁连山水泥厂，P·O42.5水泥；聚丙烯纤维：直径48 μm、长19 mm、抗拉强度400 MPa、弹性模量3500 MPa，市售；生土：甘肃兰州地区的黄土；水：自来水。聚丙烯纤维和混合料如图1所示。

1.2 试件制作

试验的原型为兰州农村生土住宅承重夯土墙，墙体试件尺寸为1600 mm×1150mm×200 mm，试件编号及基本参数见表1。

表1 试件编号及基本参数

利用击实试验获得的各种土料的最佳含水率洒水拌土均匀。水泥在夯筑前与黄土拌合均匀，并在30 min内用完并夯筑成型，随用随拌防止水泥硬化。聚丙烯纤维应当与夯土充分拌合均匀后，再洒水拌合。夯筑前，测试并将含水率控制在最佳含水率的±1%以内。捣固采用D9捣固机，按先两边后中间的顺序进行捣固。每层夯击次数不少于3次，夯击至10 cm左右。捣固完成后，为了加强分层处的粘结，对表面进行凿毛处理，深度在20～30 mm洒水湿润，再空铺第2层土，直至模板内剩余位置捣实。夯筑流程及示意如图2所示。

1．3 加载和测试方案

拟静力试验使用10 t电液伺服作动系统施加水平荷载，在加载过程中用位移控制，级差为0.5 mm，每级循环3次，加载速率为0.2 mm/s，使用反力架施加竖向荷载，加载时通过两端的力传感器控制竖向力。试验装置如图3所示。

测试的主要项目包括墙体的水平位移、剪切变形和墙体平面外变形。测点编号及布置见图4。位移计1、2、3分别测试墙体顶部、中部和底部的水平位移；位移计4测试基础的滑移；位移计5、6测试墙体的剪切变形；位移计7、8测试墙体平面外变形。

2 试验过程与破坏现象

为了便于在试验中观察裂缝，加载前在墙面涂石灰，各试件整体破坏形态见图5。

由图5可见：

（1）加载开始后，试件st在△=1.0 mm（△为加载位移）时，出现的第1条裂缝是位于试件角底部的水平裂缝；△=3.5 mm时，试件中部出现第2和第3条水平裂缝，试件右上角出现第4条不规则斜向下的裂缝；△=5.5mm时，试件角底部和中部水平裂缝扩展贯通变宽，试件角底部和中部形成第5条裂缝，同时底部墙趾处破坏；△=7.5 mm时，试件底部中间突然出现第6条竖向裂缝，向上与中部水平裂缝贯通，随后继续向上发展与上部第7条水平裂缝贯通，墙角严重脱落。

（2）试件sn与试件st的破坏过程基本相同，只是裂缝出现时加载位移稍大。在△=7.5mm时试件上部出现第6条水平裂缝，△=8.5 mm时，试件底部中间突然出现第7条竖向裂缝（见图6），向上与中部水平裂缝贯通，在中部突然出现竖向和斜裂缝，与水平裂缝贯通后，试件马上破坏，荷载下降至极限荷载的85%以下时，停止加载。

（3）加载开始后，试件xw1.5在△=2.5 mm时的第1条裂缝是位于试件角底部的水平裂缝；△=3.5 mm时，试件角底部水平裂缝贯通，贯通后再中部发展成斜裂缝，中部出现第3条不规则斜裂缝；△=5.5 mm时，试件中部出现第4条水平裂缝；△=7.5 mm时试件上部水平裂缝出现，作动器两头出现不规则的水平和竖向裂缝，底部水平裂缝扩展贯通变宽，裂缝最宽时达11mm；△=9.5mm时，试件角部出现斜裂缝并向上发展，与中部第4条水平裂缝贯通，底部水平裂缝处出现相对滑动△=11.5mm时，试件角部斜裂缝向上发展与上部的第7和第8条斜裂缝贯通，底部水平裂缝处出现相对滑动达12 mm，墙体倾斜，停止加载（见图7）。

（4）加载开始后，试件xw1.8在△=3 mm时出现了第1条裂缝，是位于试件角底部的水平裂缝；△=3.5 mm时，试件角底部水平裂缝向中部贯通后，底部水平全部贯通；△=5.5 mm时，试件中部出现第3和第4条水平裂缝；△=7.5 mm时，试件上部出现第5和第6条水平裂缝，作动器处出现不规则的水平和竖向裂缝，底部和中部水平裂缝扩展贯通变宽；△=8.5 mm时，试件中下部第6条斜裂缝向上发展与中部第4条水平裂缝贯通；△=10 mm时，第7条斜裂缝向上发展与上部第6条水平裂缝贯通，底部和中部水平裂缝扩展贯通变宽，裂缝最宽时达13 mm，裂缝处形成塑性铰（见图8），在反复的加载过程中，裂缝处墙体反复抬升下落，有少量土块剥落；△=12 mm时，试件中部竖向裂缝向上发展，与第4和第6条水平裂缝贯通，荷载下降至极限荷载的85%以下时，停止加载。

（5）试件xw1.8与试件xw2.1的破坏过程基本相同，中部出现水平裂缝后没有贯通，发展成第5条斜裂缝。△=8.5 mm时，底部水平裂缝扩展贯通变宽，裂缝最宽时达13 mm，裂缝处形成塑性铰在反复的加载过程中，裂缝处墙体反复抬升下落，有少量土块剥落；在△=11.5 mm时，试件上部出现第6条斜裂缝，与第1和第4条水平裂缝贯通；△=12.5 mm时，出现第7条竖向裂缝，向上与第4条水平裂缝和第6条斜裂缝贯通；△=14 mm时，试件没有出现新的裂缝，墙体在塑性铰处有少量土块剥落。荷载下降至极限荷载的85%以下时，停止加载。

夯土墙的破坏过程是沿夯筑分层处水平裂缝发展导致墙体出现滑移，墙角局部受压破坏，最后试件底部竖向和斜向裂缝向上发展与上部水平裂缝贯通后试件破坏。夯土墙体破坏特点为墙体先受压弯破坏，之后整体受剪破坏。夯土墙在水平接缝处的处理是夯筑的重点和难点，也是影响墙体破坏特征和抗震能力的重要因素，单一的处理方法效果较差，可以考虑“V”型分层夯筑，凿毛处理，分层间加设拉筋等手段进行综合处理。

分层处的水平裂缝最先出现在试件角底部，随后在试件的中上部逐渐出现。试件角底部和中部水平裂缝扩展、贯通、变宽，同时底部墙趾处破坏，墙角严重脱落。试件st、sn底部水平裂缝处出现相对滑动。试件xw1.5、xw1.8、xw2.1的破坏过程基本类似，但在水平贯通裂缝处形成塑性铰，在反复的加载过程中，墙体在裂缝处反复抬升、下落，有少量土块剥落，主裂缝贯通后未出现大块土体崩落的现象，依然具有一定的承载能力。

3 试验结果及分析

3.1 水平荷载-位移曲线与骨架曲线

各试件的水平荷载-位移滞回曲线如图9所示。各试件不同状态时的荷载和位移见表2。

表2 各试件不同状态时的荷载和位移

由图9可知，试件st、sn、xw1.5、xw1.8、xw2.1的滞回曲线均存在一定的捏拢现象，是由于沿底部水平贯通裂缝的滑移造成的。试件st、sn的曲线面积较小，试件延性和耗能能力较差，表现出明显的脆性破坏特征，达到极限荷载后，墙体承载能力迅速下降。对比表2数据，试件sn的开裂荷载和屈服位移与试件st相比提高有限，但极限荷载提高了约一倍，说明掺入5%水泥能够较显著的提高墙体的强度，但抗裂性依旧较差。xw1.5试件正向推时没有出现塑性平台和下降段是因为墙体加载后期出现墙体倾斜，停止正向加载，改为负向加载。

试件xw1.5、xw1.8、xw2.1的开裂荷载分别为试件sn的1.85、2.57、2.67倍，极限荷载分别为试件sn的1.61、2.31、1.58倍，延性系数分别为试件sn的1.13、1.23、1.31倍，试件xw1.5、xw1.8、xw2.1到达极限荷载之后有一定长度的塑性平台，滞回环饱满且呈梭形，表现出更强的耗能能力。

各试件的骨架曲线如图10所示。

由图10可知，加筋之后试件的骨架曲线走势基本相同，加载初期试件xw1.8曲线初始刚度最大，其极限荷载也最大，达58 kN，试件xw1.5和xw2.1曲线的初始刚度和极限荷载基本一致，试件xw2.1到达极限荷载之后的塑性平台较长，延性较好。

由此可知，纤维的最佳掺量为1.8%～2.1%，可较好地提高墙体的抗裂性、强度和延性，显著改善墙体的脆性破坏特征，在地震中即使试件破坏是也能够保持较完整形态继续工作，有利于抗震。

3.2 刚度退化（见图11）

由图11可见，5组试件的刚度退化趋势和走向大致相同，试件xw1.5、xw1.8、xw2.1的刚度在加载的初始阶段退化迅速，试件st，sn的刚度随加载过程的退化减缓现象不明显，近似于直线下降，说明掺入纤维对墙体刚度退化的改善较为明显。这是由于聚丙烯纤维的拉结作用仍然具有一定刚度来抵抗地震力。尤其在4 mm位移后减缓趋势随着位移的增大而变得明显，

试件sn、xw1.5、xw1.8、xw2.1的刚度退化曲线始终在试件st的上方，试件xw1.8的刚度最大，试件xw2.1的刚度退化在试件加载前期与试件xw1.8基本一致，3mm位移后刚度退化较快，这是由于土料拌合不均匀使墙体中存在空隙和初始裂缝造成的。建议在土料中掺入质量占比为1.8%～2.1%的聚丙烯纤维。