土坯力学性能及受压本构模型研究

2023-02-15兰官奇李晓光王毅红朱熹育

重庆大学学报 2023年1期

兰官奇，李晓光，张坤，王毅红，朱熹育

(1.西安石油大学土木工程学院，西安 710065；2.长安大学西安市城镇低碳建设重点实验室，西安 710061)

土坯是由生土材料经简单加工塑型制成的一种无需烧制的建筑砌块，曾被广泛应用于我国传统民居的修建[1-2]。与新型建筑砌块相比土坯虽在力学性能和耐久性方面存在缺陷，但在经济性、地区适应性和环保性能方面拥有较大优势[3]。随着可持续发展战略的不断推进和“30·60”双碳战略的提出，这种古老的绿色建材再次焕发出新的生命力[4-6]。

1 试验概况

1.1 材料

试验分别选取陕南地区黄土(EM-1)及关中地区黄土(EM-2)作为制坯土料。根据《土工试验规程》(SL237—1999)[14]分别测定了2个地区土料的颗粒级配、液塑限、最优含水率和最大干密度，如表1所示。湿制土坯中掺入质量比为1%的稻草，稻草长度为7～10 cm，干打土坯未加入掺合料。

表1 土的物理参数

1.2 土坯制作

选取尺寸为310 mm×150 mm×100 mm的湿制土坯和尺寸为370 mm×240 mm×60 mm的干打土坯进行试验。其中，湿制土坯是将含水率为24±2%的土料在坯模内湿塑成型；干打土坯是将含水率接近最优含水率(18.5%)的土料填入坯模内人工夯筑成型。由于含水率对生土块材的强度影响显著[15-16]，成型土坯置于室内养护28 d，待土坯含水率基本维持恒定后进行试验(养护温度为25±5 ℃，相对湿度为60%)。采用与土坯相同工艺制作边长为100 mm的立方体试件，与土坯同条件养护后测试其抗压强度。

1.3 试验方法及试件分组

参考我国《砌墙砖试验方法》GBT 2542—2012[17]对两类传统土坯的单轴抗压强度和抗折强度进行测试，每组10个，共40个试件。抗压试验采用连续均匀的加载方式，加载速率为0.2kN/min，当荷载下降至峰值荷载80%时结束试验。抗折试验为三点加载，以50 N/min的速率匀速加载至土坯断裂。

1.4 破坏形态

抗压试验中，湿制土坯试件初始裂缝出现在两砖接触面，试件在受压过程中发出清脆响声；破坏时，试件压缩变形及横向变形均较大，但由于稻草的拉结作用，表层并未发生大面积剥落，如图1(a)所示。干打土坯试件初始裂缝出现在试件侧棱处。破坏时，试件压缩变形较小，试件侧面发生鼓出并伴有大量表皮剥落，如图1(b)所示。

图1 土坯单轴受压破坏形态

湿制土坯抗折破坏形态如图2(a)所示，加载至85%峰值荷载时，试件中下部产生裂缝并迅速延伸至加载点，开裂过程伴有稻草拉断声。达到峰值荷载后，试件中部裂缝已贯穿整个截面，但由于稻草拉结，土坯仍未发生脆断。观察试件破坏断面图2(b)，可以发现断面下部稻草已全被拉断，但断面上部仍有稻草相连。干打土坯的抗折破坏形态呈现出明显的脆性，当荷载达到最大值时，试件中部迅速产生裂缝，土坯发生脆断，如图3所示。与湿制土坯相比干打土坯的破坏断面相对平整。

图2 湿制土坯抗折破坏形态及破坏断面

图3 干打土坯抗折破坏形态及破坏断面

2 试验结果分析

由于生土材料的不均匀性，两类传统土坯的抗压强度及抗折强度离散性均较大。为排除强度异常值对试验结果产生较大影响，采用Grubbs检验法[18]将所得土坯强度中的异常值进行剔除。剔除异常值后两类土坯的抗压强度均值、抗折强度均值及其变异系数如表2所示。

表2 试验结果

2.1 土坯抗压性能

从表2可以看出，干打土坯的单轴抗压强度均值高达2.33 MPa，约为湿制土坯单轴抗压强度均值的3倍。湿制土坯在制作过程中所采用土料的含水率远高于干打土坯所用土料，导致成型后的湿制土坯在养护过程中丧失更多水分，土坯内部形成多孔结构，密实度较差；干打土坯制作过程中的夯实工序提高了土坯整体密实度和土坯的强度。通过对两类土坯的密度进行测量，得到湿制土坯的平均密度为1.51 g/cm3，干打土坯的平均密度为1.69 g/cm3。此外，稻草的掺入也对湿制土坯的抗压强度产生了负面影响，稻草中空的结构进一步降低了土坯的密度，导致湿制土坯强度较低。文献[19]表明在湿制土坯中掺入质量比15%的麦秸秆(长度为5 cm)后土坯的单轴抗压强度降低了40%。表2显示湿制土坯抗压强度的变异系数远小于干打土坯。干打土坯采用人工夯实，难以保证每块土坯具有相对统一的夯实度，导致干打土坯的抗压强度离散性较大。