生土基砌體抗壓強度測量標準試件的試驗研究

蘭官奇，王毅紅，蔣子騰，王天涯

(長安大學建筑工程學院，陜西西安，710061)

針對當前我國農村建設現狀和可持續發展的戰略目標，生土基材料可謂是生態性價比極高的建材之一，對于我國尤其是廣大貧困、偏遠的農村地區而言，具有當前常規節能材料生態性價比優勢和應用潛力[1]。雖然傳統生土材料具有強度低、耐水性差、體積穩定性差等缺點[2-4]，但近年來眾多新型改性生土塊材的研發在保持綠色環保特性的同時改善了傳統生土材料的固有缺陷[5-8]，使這種綠色建材再次煥發出新的活力。我國已有研究[9-12]中生土基砌體單軸抗壓強度的測試方法均參照GB/T 50129—2011“砌體基本力學性能試驗方法標準”[13]，其適用性有待考證。與燒結普通磚和各類多孔磚具有相對統一的尺寸不同，各類生土基塊材的尺寸差異較大[14-16]，砌體的組砌方式及工藝也不相同，適用于生土基砌體且操作性好的抗壓強度試驗方法亟待建立。試件高厚比和加載面找平方式是影響砌體抗壓性能的2 個重要因素[13,17-18]，因此，選擇合理的試件高厚比取值和加載面找平方式成為建立生土基砌體強度標準試驗方法的關鍵問題。本文作者主要針對濕制土坯砌體和干打土坯砌體的單軸抗壓性能展開試驗研究，通過靜力試驗，分析試件高厚比和加載面找平方式對砌體破壞形態、抗壓強度及強度離散性的影響，確定生土基砌體標準抗壓強度試件的高厚比取值范圍及加載面找平方式，為生土基砌體強度標準試驗方法的建立提供依據。

1 試驗概況

1.1 材料

此次試驗分別選取陜南黃土及關中黃土作為制作生土基塊材的土料。根據SL 237―1999“土工試驗規程”[19]分別測定2 個地區土料的顆粒級配、液塑限、最優含水率和最大干密度，如表1所示。

1.2 生土基塊材制作

傳統土坯尺寸差異較大，且塊材表面平整度較差，可適用于傳統土坯砌體的抗壓強度試驗方法亦可用于測試其他種類生土基塊材。因此，本次試驗分別選取我國具有代表性的濕制土坯(SZ)和干打土坯(GD)砌筑砌體試件。濕制土坯是將含水率為24%±2%的土料(陜南黃土)在坯模內濕塑成型；干打土坯是將含水率接近最優含水率的土料(關中黃土)填入坯模內人工夯筑成型。干打土坯采用天然土料制備，未加入摻合料；濕制土坯中摻入質量比約為1%的稻草，稻草長度為7～10 cm。成型后的塊材放置于實驗室內養護28 d 后測試其抗壓及抗折強度，試驗方法參考GBT 2542—2012“砌墻磚試驗方法”[20]。2 種塊材的尺寸、密度、抗壓強度及抗折強度如表2所示。

表1 土的物理參數Table 1 Physical parameters of soil

1.3 塊材黏結劑制備

針對2種生土基塊材抗壓強度，此次試驗選取泥漿作為塊材黏結劑。砌筑泥漿采用關中黃土制備，其中摻入質量比為1%的稻草(長度為7～10 cm)，砌筑時含水率控制為35%±3%。制作10個邊長為100 mm的泥漿立方體試塊，與砌體在相同條件下養護28 d 后測試其單軸抗壓強度，測試方法參照GB 50081—2002“普通混凝土力學性能試驗方法”[21]。測得砌筑泥漿的平均抗壓強度為1.95 MPa。

1.4 生土基砌體試件制作

分別砌筑3種不同高厚比的濕制土坯砌體和干打土坯砌體。由于組砌方式和灰縫厚度對砌體抗壓性能影響顯著，此次選取全順形式砌筑2類生土基砌體(見圖1(a)和(b))，灰縫厚度控制在10 mm左右。砌體試件的制作及養護均參照GB/T 50129—2011“砌體基本力學性能試驗方法標準”[13]進行，成型試件如圖1(c)所示。各類試件的截面尺寸、高厚比及試件數量如表3所示。

表2 塊材的尺寸和密度Table 2 Dimensions and densities of bricks

圖1 組砌方式示意圖及成型試件Fig.1 Bond pattern and masonry specimens

表3 不同高厚比砌體試件主要參數Table 3 Main parameters of masonry specimens with different height-to-thickness ratios

1.5 加載面找平方式

本次試驗分別采用濕沙找平、水泥砂漿找平和快硬石膏自流平3種方式對砌體試件加載面進行找平處理，具體做法如下。

1)濕沙找平。加載前將中砂加水潤濕后均勻攤鋪在試件加載面，對試件施加10%預估破壞荷載將多余濕沙擠出，如圖2(a)所示。

2) 水泥砂漿找平。參照JGJ 98—2002“砌筑砂漿配合比設計規程”[22]配置強度等級為M15 的普通水泥砂漿，試件砌筑完成后人工將砂漿均勻涂抹在試件加載面，采用水準尺控制其平整度，與試件在同條件下進行養護，如圖2(b)所示。

3)快硬石膏自留找平。加載前將木制模具套入試件頂部使模具高出試件頂面30 mm，并用塑料薄膜嵌入模具內部并確保薄膜與試件頂面貼合緊密，將配置好的快硬石膏漿料緩慢倒入模具中，漿料根據頂面的高低不平順勢流動，對其進行自動找平，如圖2(c)所示。待石膏初凝(初凝時間為5 min，抗壓強度為15 MPa)，將成型石膏脫模并去除塑料薄膜后放置在試件頂面。

3 種找平層厚度均控制為(15±2) mm。僅對高厚比為3.7 的濕制土坯砌體和高厚比為3.3 的干打土坯砌體采用3 種不同找平方式，試件分組如表4所示，其余砌體試件均采用石膏自流平進行找平。

1.6 加載方案及加載裝置

砌體試件測點布置參照GB/T 50129—2011“砌體基本力學性能試驗方法標準”[13]。試驗采用物理對中，分級均勻施加荷載的方法測定單軸抗壓強度。正式加載前采用預估破壞荷載的10%，反復預壓3次。正式加載后每級荷載為預估破壞荷載的10%，并在1 min 均勻加完，恒荷1 min 后施加下一級荷載。為獲得力-位移曲線的下降段，當觀察到試件裂縫不穩定發展時，改用位移控制，加載速率為1 mm/min 直至荷載下降至峰值荷載的80%停止試驗。試驗采用MAS-500 伺服作動器施加豎向荷載，最大量程為500 kN，并用JAW-1000電液伺服結構試驗系統控制，系統可以自動記錄豎向位移和荷載。

圖2 加載面找平方式Fig.2 Different kinds of capping

表4 不同找平方式砌體試件主要參數Table 4 Main parameters of masonry specimens with different capping

2 結果分析

2.1 破壞形態

2.1.1 試件高厚比對破壞形態的影響

試件高厚比變化對2類生土基砌體的單軸受壓破壞形態影響顯著。觀察不同高厚比試件的破壞形態可大致分為以下3類。

1)局部破壞。試件受壓破壞始于個別生土塊材的破壞，由于局部破壞導致整體喪失承載力，試件表面未能形成豎向通縫，如圖3(a)所示。該類破壞主要發生在高厚比為2.3的濕制土坯砌體和高厚比為2.1的干打土坯砌體。

2)豎向裂縫貫穿破壞。試件發生破壞時豎向裂縫充分擴展，延豎向灰縫的裂縫發生貫穿，將試件分割成若干小柱，試件表面裂縫數量較多，開裂荷載為破壞荷載的50%～70%，如圖3(b)所示。該類破壞主要發生在高厚比分別為3.7 和5.1 的濕制土坯砌體和高厚比為3.3的干打土坯砌體。

3)失穩破壞。裂縫沿砌體厚度方向斜向發展并相互連通貫穿形成滑動面，砌體上部延滑動面產生滑移而喪失承載力導致試件破壞，由于失去傳力路徑，砌體下部幾皮塊材尚未開裂，試件開裂荷載為破壞荷載的70%～80%，如圖3(c)所示。該類破壞主要發生在高厚比為5 的干打土坯砌體中。

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圖3 砌體受壓試件破壞形態Fig.3 Failure modes of specimens

2.1.2 加載面找平方式對破壞形態的影響

不同找平方式對生土基砌體試件的單軸受壓破壞形態影響較小。各類試件中，僅采用濕沙找平的濕制土坯砌體破壞形態與其他試件存在差異，前者在破壞時，試件頂部被多條豎向裂縫劈裂，個別試件頂部塊材被壓潰，裂縫延伸至試件中下部但并未發生貫穿。濕制土坯在在重力作用下脫模時，由于土料與模具間的黏聚力，導致濕制土坯頂面形成形如火山口狀的“凹面”，濕沙無法墊平“凹面”邊緣，在邊緣處形成的應力集中致使砌體頂部先于底部破壞。其他找平方式的生土基砌體破壞形態較為一致，均呈現出豎向裂縫貫穿破壞的特征。

2.2 抗壓性能

2.2.1 試件高厚比對抗壓性能的影響

不同高厚比生土基砌體試件的峰值荷載、峰值位移、抗壓強度均值及其變異系數如表5所示。

從表5可以看出2類生土基砌體的抗壓強度均值隨高厚比的增加而逐漸降低。各高厚比的濕制土坯砌體和干打土坯砌體抗壓強度均值比值分別為：fSS-2:fSS-3:fSS-5=1.11: 1.00: 0.98；fGS-2:fGS-3:fGS-5=1.03:1.00:0.91。對于濕制土坯砌體，試件高厚比由3.7 增至5.1，砌體抗壓強度均值卻僅降低2%，但對于干打土坯砌體，試件高厚比由3.3 增至5.0，砌體抗壓強度均值卻下降了9%。這主要是由于高厚比為5.0的干打土坯砌體發生了失穩破壞，砌體試件的抗壓強度并未完全發揮。同時，由于砌筑泥漿表面的不平整和砌體灰縫難以填充飽滿，砌體中的塊材處于受壓、受拉、受彎和受剪的復雜應力狀態，引起砌體抗壓強度的降低。干打土坯的厚度僅為濕制土坯的0.6倍，當試件增加同樣高厚比，干打土坯砌體中將增加更多水平灰縫，因此試件高厚比增加對干打土坯砌體抗壓強度的削弱作用更為顯著。從表5可以看出，隨試件高厚比的增大2類生土基砌體抗壓強度離散程度均逐漸增大，這主要是由于砌體內部的非均質性隨著試件高厚比的增大而逐漸累加，導致生土基砌體抗壓強度間的差異增大。

從表5還可以看出：高厚比變化對2類砌體試件的峰值位移也存在影響。高厚比為2.3，3.7 和5.1的濕制土坯砌體試件峰值位移均值分別為9.03，9.62 和10.32 mm；高厚比為2.1，3.3 和5.0 的干打制土坯砌體試件峰值位移均值分別為9.35，8.58和10.78 mm。2類土坯砌體的峰值位移均值隨試件高厚比的增大總體呈現出增大的趨勢，但總體變化不大，變化幅度在10%左右。

2.2.2 加載面找平方式對抗壓性能的影響

表5 不同高厚比生土基砌體試驗結果Table 5 Test result of earth block masonry with different height-to-thickness ratios

濕沙、快硬石膏和水泥砂漿3 種找平方式下，濕制土坯試件峰值位移均值分別為9.89，9.62 和10.55 mm；干打土坯試件峰值位移均值分別為8.48，8.58 和11.08 mm。2 類土坯砌體試件中，采用水泥砂漿找平的試件峰值位移均值明顯比其他2種找平方式的試件的高，而采用濕沙找平試件的峰值位移均值與快硬石膏找平試件的峰值位移均值差別不大。

2.3 標準試件高厚比及找平方式確定

2.3.1 試件高厚比

我國“砌體基本力學性能試驗方法標準”[9]根據對比試驗中試件高厚比為3和5時，砌體抗壓試驗結果無顯著差異，規定普通磚和各類多孔磚的標準砌體抗壓試件高厚比應在3～5 范圍內。但本研究中，高厚比分別為3.3 和5.0 的干打土坯砌體單軸抗壓破壞形態存在顯著差異，且所測得抗壓強度均值也相差9%，因此，該規定無法普遍適用于生土基砌體抗壓試件。為確定生土基砌體強度標準試件的高厚比，分別從破壞形態、操作性以及數據離散性3 方面對不同高厚比試件進行對比，結果如表7所示。環箍效應對高厚比較小(h/t＜3)的砌體試件作用顯著，導致該類試件多為局部破壞，砌體抗壓強度受塊材強度控制，無法反映生土基砌體構件單軸受壓實際狀態；當試件高厚比較大時(4＜h/t)，濕制土坯砌體發生豎向裂縫貫穿破壞，而干打土坯砌體多發生失穩破壞，破壞形態的差異導致難以將試驗結果進行對比；當試件高厚比適中時(3＜h/t＜4)，生土基砌體的破壞形態較為一致，均為豎向裂縫貫穿破壞。根據試件制作和吊裝的難易程度將不同高厚比試件的操作性分為易、一般、難3 個等級，高厚比較小(h/t＜3)的試件砌筑時試件高度易控制，且可通過人力搬運；高厚比適中(3＜h/t＜4)的試件砌筑難度雖有作增加，但采用機械吊裝難度較小；高厚比較大(4＜h/t)的試件砌筑難度大，試件高度難以控制且吊裝過程易發生傾覆。各類試件中，僅有高厚比5的干打土坯砌體抗壓強度變異系數大于0.1，其余試件的抗壓強度均顯示出較好的離散性。綜上所述，高厚比適中(3＜h/t＜4)的試件在試件破壞形態、操作性及數據離散性等方面較為均衡，建議生土基砌體強度標準試件的高厚比應為3～4。

表6 不同加載面找平方式生土基砌體試驗結果Table 6 Test result of earth block masonry with different capping

2.3.2 加載面找平方式

為了確定生土基砌體抗壓強度測試方法中所采用的加載面找平方式，分別從破壞形態、找平效果、操作性和抗壓強度變異系數對3種找平方式進行對比，結果如表8所示。采用濕沙找平的濕制土坯砌體頂部出現局部劈裂和壓潰，無法反應砌體實際受壓狀態，其余試件均為豎向裂縫貫穿破壞，破壞形態較為一致。人工涂抹水泥砂漿，無法使表面非常平整，加之砂漿強度形成時間較長，若在試件砌筑完成后即進行找平處理，找平效果還將受到試件變形的影響；攤鋪濕沙后預壓找平，對平整度差的塊材(如濕制土坯)找平效果較差，且難以做到均勻密實；快硬石膏自流平可根據試件頂面高低不平順勢流動，找平效果最好。操作性方面，濕沙制備簡便，且易于攤鋪；水泥砂漿需經人工涂抹找平，對工人砌筑工藝要求較高；快硬石膏找平僅需制作簡單模具，且石膏漿料配比簡單，易于操作。從表8可以看出：采用快硬石膏找平的2 類砌體試件抗壓強度變異系數僅為4.5%和8.7%，其數據離散性較好。同時，相較于我國“砌體基本力學性能試驗方法標準”[11]中推薦的將快硬漿料直接涂抹至砌體頂部并通過預壓擠出多余漿料進行找平的方式，本文所提出的快硬石膏自流平可有效防止漿料中水分對砌體試件頂部的侵蝕，且找平效果更好。因此，建議生土基砌體抗壓強度測試方法采用快硬石膏自流平的方式對試件頂部進行找平處理。

表7 不同高厚比試件對比Table 7 Comparison of specimens with different height-to-thickness ratios

表8 找平方式對比Table 8 Capping comparison

3 結論

1)試件高厚比變化對濕制土坯砌體和干打土坯砌體抗壓性能的影響存在差異。試件高厚比由3增至5，濕制土坯砌體均發生豎向裂縫貫穿破壞，試件抗壓強度僅降低2%，而干打土坯砌體的破壞形態則由豎向裂縫貫穿破壞發展為失穩破壞，試件抗壓強度降低約9%，我國“砌體基本力學性能試驗方法標準”對標準砌體抗壓試件高厚比的規定不適用于生土基砌體。

2)不同工藝制作的生土基砌塊砌體可采用相同高厚比試件作為抗壓強度標準實驗方法中的標準試件。當試件高厚比為3～4時，濕制土坯砌體和干打土坯砌體破壞形態統一，能真實反映砌體構件的受壓狀態，且試驗數據穩定性較好，建議生土基砌體強度標準試件的高度應按高厚比為3～4確定。

3)加載面找平方式對生土基砌體受壓破壞形態影響較小，僅采用濕沙找平的濕制土坯砌體破壞時試件頂部被劈裂或壓潰，其余試件均發生豎向裂縫貫穿破壞。采用快硬石膏自流平對試件加載面進行找平可保證2類生土基砌體頂面與加載板緊密接觸，且所測得砌體抗壓強度離散性小，建議生土基砌體強度標準試件頂部找平方式選用快硬石膏自流平。