機制生土磚與砂漿法向粘結性能的影響因素

王毅紅，石丹，仲繼清，石以霞，劉奇佶

(1.長安大學 建筑工程學院， 西安 710061；2.山東英才學院 建筑工程學院， 濟南 250104)

機制生土磚與砂漿法向粘結性能的影響因素

王毅紅1，石丹1，仲繼清1，石以霞2，劉奇佶1

(1.長安大學 建筑工程學院， 西安 710061；2.山東英才學院 建筑工程學院， 濟南 250104)

為研究機制生土磚與砂漿法向粘結性能的影響因素，分別對鑿毛和未鑿毛的機制生土磚與改性砂漿在7、14、28 d齡期下共72個試件進行拉伸粘結強度試驗，探討不同界面狀態的機制生土磚在不同齡期下與改性砂漿法向粘結強度的變化規律和破壞形態特點,分析界面狀態、齡期等因素對機制生土磚與砂漿法向粘結性能和破壞形態的影響。研究表明：機制生土磚與砂漿間的法向粘結強度值與界面狀態和齡期有關，法向粘結強度隨齡期的增大而提高，界面狀態為鑿毛時法向粘結強度有所降低，砂漿種類對機制生土磚與砂漿法向粘結強度影響顯著。

機制生土磚；拉伸試驗；界面狀態；粘結性能；養護齡期

潛藏巨大發展前景的綠色建筑材料生土由于其環保、生態優勢而受到青睞[1-2]。傳統生土材料強度低、耐久性差[3-5]，許多學者對生土材料進行了改性研究[6-9]，已取得在生土中添加改性摻料、采用YZP200—8壓磚機制作生土磚等研究成果[10]。已有研究表明,機制生土磚的抗壓和抗折強度較傳統土坯有較大提高[11-13]，在一定程度上解決了傳統土坯質量差異大、強度低的問題。生土磚與砂漿間的粘結性能是保證生土砌體承載力、整體性和穩定性的關鍵，但機制生土磚表面平整光滑，與砂漿間摩阻力較低，粘結效果差，不能保證生土磚與砂漿共同工作，機制生土磚與砂漿間的粘結問題成為機制生土磚推廣應用的關鍵問題。生土塊材與普通砂漿的粘結剪切性能試驗結果表明：適當的鑿毛可提高生土磚與砂漿粘結界面的抗剪強度，一定程度的粗糙處理可增大生土塊材與砂漿的接觸面積和摩擦力，生土塊材與砂漿相互咬嵌，形成機械咬合機制，提高剪切粘結強度[14]。但生土塊材與砂漿之間的法向粘結強度的影響因素尚沒有研究，生土塊材與砂漿的法向粘結性能對生土塊材的受壓、受拉、受彎等性能有重要影響。筆者研究生土磚與砂漿法向粘結性能的影響因素，分析各種因素對法向粘結強度的影響規律。

1 試驗概況

1.1 界面處理與試件設計

圖1 人工鑿毛Fig.1 Chipping with hammers

人工鑿毛法方便、簡單，無需機械。試驗采用人工鑿毛法，鑿毛深度約為3～5 mm，如圖1所示。機制生土磚在西安建筑科技大學的住房與城鄉建設部現代生土研究中心制作，其尺寸為240 mm×115 mm×90 mm，抗壓強度為10.94 MPa。用巖石切割機將生土磚切成均勻平整的四塊，在生土磚塊上用模具制作尺寸為40 mm×40 mm×6 mm(長×寬×高)的砂漿粘結塊。試驗根據砂漿類型和鑿毛情況制作4組共72個試件，每組分7、14、28 d共3個齡期18個試件，每個齡期有6個試件，砂漿采用課題組前期研制的專用砂漿[11]，試件編號規則及組成如表1。

表1 試件編號及組成Table 1 Group of specimens and composition

注：試件分組編號中的2代表砂漿摻纖維素醚； 3代表砂漿中摻膠粉，纖維素醚、膠粉摻量分別為砂漿干料總重的0.16%、1.6%；S表示砂漿；M表示生土磚表面鑿毛；()中為鑿毛的兩組。

1.2 試驗裝置與加載方案

機制生土磚與砂漿法向粘結強度試驗在長春科新試驗儀器有限公司生產的WDW3030微控電子萬能試驗機(圖2(a))上進行，加載方法參考《建筑砂漿基本性能試驗方法》(JGJ/T 70—2009)[15]。試驗前用水平尺檢查生土磚的平整度，保證豎向拉力垂直加載, 預拉兩次拉力桿，確保加載速率和試驗機各儀器正常工作后將粘結塊上夾具對準拉力桿擰緊，試驗中垂直于砂漿塊上表面施加拉力，以測得機制生土磚與砂漿的法向粘結強度，采用連續加載方式，橫梁速度為5 mm/min，當砂漿粘結塊脫離生土磚時，試驗結束，加載方式見圖2(b)。

圖2 試驗加載裝置及示意圖Fig.2 Test loading device and Test device hint

2 試驗現象與結果分析

2.1 試驗現象

不同界面狀態、不同齡期的機制生土磚與砂漿粘結破壞現象和破壞特征不同，根據破壞特征將破壞形態分為4類：Ⅰ類(無粘結界面破壞)：試件自開始加載至破壞，無明顯的裂縫產生，破壞發生在砂漿與生土磚接觸界面，粘結性能較差(圖3(a))；Ⅱ類(有粘結界面破壞)：加載初期，荷載平穩緩慢的增加，試件無明顯變化，隨著荷載增大，砂漿上出現微裂縫并隨荷載增大發展，達到最大荷載時生土磚與砂漿脫離，試件破壞，因砂漿塊尺寸較小，裂縫發展不明顯，破壞主要在粘結界面，生土磚上留有薄層砂漿且砂漿粘結塊角部粘結少量土體(圖3(b))；Ⅲ類(砂漿層破壞)：破壞過程和第Ⅱ類相似，破壞主要發生在砂漿層，破壞較為突然并聽到砂漿崩斷聲(圖3(c))；Ⅳ類(生土磚破壞)：試件隨著荷載增加生土磚表面出現微裂縫并擴展，破壞時荷載迅速下降，破壞主要在生土磚表面，砂漿粘下厚度約3～5 mm的土，破壞時可聽到土中纖維斷裂的聲音(圖3(d))。

圖3 試件各類破壞形態Fig.3 Failure patterns of specimen

2.2 破壞形態原因分析

上述4種破壞形態體現砂漿與生土磚之間法向粘結性能的差異。Ⅰ類破壞發生在接觸界面，粘結力全部由生土磚與砂漿間的化學膠結力提供；Ⅱ類破壞發生在接觸界面，但部分土體表面粘有砂漿，部分砂漿面也粘有土體，說明生土磚抗拉強度、砂漿強度及粘結強度三者相近；Ⅲ類破壞發生在砂漿層，砂漿和生土磚之間的法向粘結性能較Ⅱ類提高顯著，此時砂漿強度低于生土磚與砂漿法向粘結強度，而法向粘結強度低于生土磚抗拉強度；Ⅳ類破壞發生在生土磚面內，說明法向粘結強度高于生土磚抗拉強度，低于砂漿強度。可見，生土磚與砂漿法向粘結破壞形態與砂漿強度、生土磚抗拉強度、法向粘結強度及其三者的相對值有關。

2.3 試驗結果分析

參照文獻[7]，試件的法向粘結強度按式(1)計算，每個齡期的法向粘結強度值取6個試件的算術平均值(式(2))，單個試件的強度值與平均值之差超過20%的予以剔除，取剩余試驗值的平均值作為強度取值，結果精確至0.01 MPa，若有效數據少于4個，則此組試驗數據無效。

(1)

(2)

各試件各齡期下粘結強度結果及平均值如表2所示。

表2 粘結強度結果Table 2 The result of tensile adhesive strength

注：※表示此組數據舍去；()中數值為各組試件各個齡期下機制生土磚與砂漿法向粘結強度平均值。

各組試件各齡期下的破壞類別統計如表3。

表3 各組試件破壞類別統計Table 3 statistics of Failure patterns %

以齡期為橫坐標、各組試件法向粘結強度平均值為縱坐標繪制直方圖(圖4)，分析不同界面狀態、不同齡期試件法向粘結強度平均值的變化規律。

圖4 各試件法向粘結強度平均值與齡期關系Fig.4 Average tensile adhesive strength of specimen

從圖4和表3可以發現，齡期和界面狀態等因素對試件法向粘結強度平均值和破壞類別有影響。

1)齡期 無論何種試件，砂漿與生土磚間的法向粘結強度均隨齡期的增長而增大，破壞形態均隨齡期向粘結性能好的方向發展。由圖4粘結強度平均值隨齡期走向趨勢可知：試件S2法向粘結強度平均值在齡期14 d時增長不明顯， 28 d增長幅度明顯增大，28 d較14 d粘結強度增長率約是14 d較7 d粘結強度增長率的3倍，試件S3粘結強度平均值隨齡期增長平穩，在齡期14 d和28 d時增長率均保持在20%，可見生土磚與砂漿法向粘結強度隨齡期增長明顯，且增長受砂漿種類影響顯著，建議試件養護28 d；MS2和MS3粘結強度平均值增長幅度差別不大，MS2在齡期14 d和28 d時增長率為15%左右，MS3在14 d和28 d時增長率均在18%左右，鑿毛后生土磚與砂漿法向粘結強度隨齡期增長受砂漿種類影響不明顯， 28 d強度值較7 d變化不大，建議試件養護7 d以上；由表3破壞類別表可知：各組試件均隨齡期呈現不同破壞形態，整體隨齡期向粘結性能好的方向發展。即隨著時間增長，砂漿水化反應較充分，生土磚與砂漿間的化學膠結作用增強，粘結強度提高，破壞形態隨之發生變化。

2)砂漿摻料類別 生土磚與砂漿法向粘結性能與砂漿摻料類別相關。由圖4可知：同一齡期下，砂漿中摻膠粉S3試件法向粘結強度平均值比摻纖維素醚的S2試件高50%以上，摻膠粉的MS3試件法向粘結強度比摻纖維素醚MS2試件高13.6%以上，最大達到20.7%，表3試件破壞形態統計結果顯示：砂漿中摻膠粉的S3(MS3)發生Ⅰ類破壞明顯少于摻纖維素醚的S2(MS2)。可見，無論生土磚界面是否處理，單摻膠粉的S3(MS3)組試件與單摻纖維素的S2(MS2)組試件相比，法向粘結強度更高，破壞形態也趨于粘結性能好的方向，砂漿種類對鑿毛生土磚與砂漿法向粘結性能影響程度低于未鑿毛試件，在工程應用中，可根據對結構構件的強度和經濟性要求選擇不同種類砂漿。

3)界面狀態 生土塊材與水泥砂漿剪切試驗表明，一定鑿毛處理可以提高塊材與砂漿抗剪強度[14]，而試驗結果表明，鑿毛對試件的法向粘結強度沒有提高反而降低，鑿毛后試件破壞形態較未鑿毛發生顯著變化。通過圖4可知： 鑿毛的MS2(MS3)組試件各齡期的法向粘結強度平均值較未鑿毛S2(S3)有所降低；表3數據顯示：界面鑿毛后的MS2、MS3組試件主要發生Ⅱ類和Ⅳ類破壞，未鑿毛的S2主要發生Ⅰ類和Ⅱ類破壞，S3主要發生Ⅲ類和Ⅳ類破壞。原因可歸為以下幾點：①鑿毛破壞了生土磚表層整體性，且鑿毛處存在浮土顆粒，生土磚與砂漿粘結間的化學膠結力受到影響；②法向粘結試驗試件拉伸時施加力的方向與鑿毛深度方向相同，不增加生土磚與砂漿的機械咬合作用，因此，鑿毛對生土磚與砂漿法向粘結強度沒有提高效果，但可以改變其破壞形態并趨于理想方向，并且可以提高抗剪強度。

3 結論

1)機制生土磚與砂漿的法向粘結性能與齡期相關，法向粘結強度值隨齡期的增長而提高，破壞形態隨齡期呈現向粘結性能較好方向的發展趨勢，砂漿種類和生土磚界面狀態不同時，法向粘結強度隨齡期增長程度有所不同，對于鑿毛試件，建議養護齡期在7 d以上，對于未鑿毛試件，建議養護28 d。

2)生土磚與砂漿法向粘結性能受砂漿摻料類別影響，砂漿摻料粘結性能越高，其對生土磚與砂漿法向粘結強度的提高越明顯，破壞形態也趨于粘結性能好的方向，但砂漿成本相應提高，在工程應用中考慮強度和經濟性選擇適當的砂漿種類。

3)生土磚與砂漿拉伸粘結試驗時，破壞形態與砂漿強度、生土磚抗拉強度、法向粘結強度及三者的相對值有關，不同強度及相對值呈現不同破壞形態。

4)雖然鑿毛對生土磚與砂漿法向粘結不利，但可以使破壞形態趨于較好方向，且前期試驗表明鑿毛可以提高塊材與砂漿剪切粘結強度，綜合兩種強度對砌體結構穩定性影響及鑿毛對試件破壞形態影響，建議對生土磚進行一定程度粗糙度處理。

5)機制生土磚與砂漿的法向粘結性能與生土磚界面狀態相關，機制生土磚界面粗糙度處理不能太過隨意而應達到一定要求，生土磚界面粗糙處理時，盡量避免對生土磚整體性破壞，表面浮土顆粒和松動土體要清理干凈。

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2017-06-08

National Natural Science Foundation of China (No. 51478043)

AuthorbriefWang Yihong(1955- ),professor, doctoral supervisor, main research interests: basic theory of concrete structure and application, seismic resistance of building structure, E-mail:wangyh@chd.edu.cn.

Influencefactorsofnormalbondingpropertiesbetweenmortarandmechanicalpressingraw-soilbrick

WangYihong1,ShiDan1,ZhongJiqing1,ShiYixia2,LiuQiji1

(1.School of Civil Engineering, Chang'an University, Xi'an 710061, P.R.China; 2.School of Civil Engineering, Shandong Yingcai University, Jinan 250104,P.R.China)

In order to investigate the influence factors of normal bonding properties between mortar and mechanical pressing raw-soil brick, the tensile bond strength test was made between mortar and mechanical pressing raw-soil brick with different interfacial condition.There were 72 specimens in total and three ages including 7d, 14d and 28d.The failure mode and the change rules of normal adhesive strength in different ages between raw-soil brick and mortar were explored. The influence of interfacial condition and ages on normal adhesive strength and failure mode was studied. The results show that interfacial condition and ages both have an influence on normal adhesive strength, which is improved along with ages and is decreased because of roughing. The normal bonding properties between mortar and mechanical pressing raw-soil brick is impacted by the type of mortar evidently. The reference for engineering application of raw soil mechanism brick is provided by the research results.

raw-soil mechanism brick; tensile tests; interfacial condition ; bonding properties ;ages

10.11835/j.issn.1674-4764.2018.01.011

TU502

A

1674-4764(2018)01-0078-05

2017-06-08

國家自然科學基金(51478043)

王毅紅(1955-)，女，教授，博士生導師，主要從事混凝土結構基本理論及其應用、建筑結構抗震研究，E-mail:wangyh@chd.edu.cn。

(編輯 胡玲)