不同養護條件下生土基材料力學性能試驗

2021-12-10 03:57:24王毅紅張洵安楊戰社王勛濤

合肥工業大學學報(自然科學版) 2021年11期

張坤, 王毅紅, 屈展, 張洵安, 楊戰社, 王勛濤

(1.西安石油大學博士后創新基地/基建處,陜西西安 710065; 2.長安大學建筑工程學院,陜西西安 710061; 3.西安石油大學陜西油氣井及儲層滲流與巖石力學重點實驗室,陜西西安 710065; 4.西北工業大學力學與土木建筑學院,陜西西安 710072)

生土基材料是我國以及全世界應用廣泛的傳統建筑材料之一[1-2]。該材料可就地取材,具有造價低廉、技術簡單、綠色環保等優勢,材料具有良好的保溫性、隔熱性、可降解性、再生性,材料加工過程低耗能無污染,是一種綠色環保的建筑材料[3-6]。近年來,生土基材料受到國內外學者的廣泛關注,改性后的生土基材料可以有效解決材料力學強度不足的問題,生土基材料可作為一種填充墻體使用,文獻[7]研究了纖維增強生土基材料，結果表明，該材料抗壓強度、抗剪強度及抗劈裂強度均有所提高;文獻[8]研究表明，改性石灰土可提高生土基材料承載能力,使其做為一種承重墻體在公共建筑中得到廣泛應用,如西班牙托羅市室內游泳館和加拿大的奧索尤斯沙漠文化中心等。做為生土建筑中墻體的主要材料,抗壓強度是評價材料力學性能的重要指標。生土基材料是未固結成石的礦物,內部結構復雜,包含各類礦物質和有機質。材料是固相、液相、氣相的多相混合物,具有多尺度性和獨特的物理和力學性質。

傳統生土基材料試件制作分為干制法和濕制法,在材料失水硬化反應時段內,養護的溫度、濕度、時間等因素對材料的力學性能影響顯著[9-10]。在我國,對生土基材料養護方式、養護齡期研究較少,國外較成熟,其中新西蘭NZS4297:1998、NZS4298:1998、NZS4299:1998規范對生土建筑材料的提選、制作、養護做了詳細規定[11-12]；文獻[13-14]對生土建筑構件、墻體、節點等設計、施工及生土建筑材料標準試驗方法均做出相應規定。我國養護方式的研究多集中在混凝土與砂漿材料上,生土基材料研究較少。文獻[15]采用標準養護、70 ℃蒸汽養護、高溫蒸壓釜3種養護方式,對不同養護條件、養護齡期下高強水泥進行抗壓強度、抗折強度、劈裂抗拉強度及彈性模量試驗,分析養護因素對試驗結果的影響,發現材料強度均隨養護時間、養護溫度而增大,高溫蒸壓釜養護材料質量較好,借助數學建模理論得出不同養護齡期、方式與材料力學性能測試結果對應的數值關系。文獻[16]研究齡期對內養護水泥基材料的影響,表明內養護方式可以降低材料內部的收縮變形行為,提高材料養護質量,利用高吸水樹脂(SAP)進行材料養護；從材料內部結構出發,研究材料變形、毛細管壓力及水化膨脹等,試驗發現高吸水樹脂的釋水行為可隨水灰比的提高而延遲,同時,出現高吸水樹脂與水泥水化速度不協同情況,合理的SAP摻量還需進一步研究。文獻[17]通過研究標準養護、熱水養護及蒸汽養護3種方式對高強水泥基材料的影響,分析了材料強度與養護齡期、材料空隙、孔徑面積等參數的關系，結果發現溫度對材料孔隙率、孔表面積影響顯著,高溫養護可以有效降低材料孔結構復雜性,提高材料質量，并建立材料強度與齡期的關系,但與孔隙率、分維數無關。文獻[18]研究不同養護溫度、養護齡期對赤泥礦渣激發凝膠材料強度的影響,設計(20～60 ℃、40～60 ℃、50～100 ℃)3種養護溫度,進行養護齡期3、14、28 d材料強度試驗,研究發現，提高養護溫度對材料早期強度增長影響顯著,但是后期影響小,通過X射線衍射儀(X-ray diffraction,XRD)、掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope,SEM)分析反應產物,表明隨著時間推移,材料內部反應趨近完成,空隙率減少,結構致密性提高。文獻[19]對不同養護齡期膠結砂相似材料抗壓性能進行研究,結果表明,此類材料強度隨養護時間的延長而增長,14 d為試件的養護齡期。文獻[20]對不同溫度養護混凝土抗壓強度進行試驗,采用成熟度理論預測材料在不同養護方式、養護齡期的強度,并對水泥混凝土自然養護和標準養護室養護試件進行成熟度-貫入阻力試驗,建立以等效時間理論為準的材料強度預測方法。總的來說,養護條件和養護齡期是影響生土基材料單軸抗壓性能的重要參數之一,但在以往的研究中對生土基材料養護方法和養護齡期均為統一,且沒有關于養護條件和齡期對生土基材料抗壓強度力學性能影響的系統分析[21]。

鑒于此,本試驗以生土基材料為研究對象,通過對160個生土基立方體試件在自然養護、保鮮膜養護、室內養護、標準養護室養護下7、14、21、28 d的抗壓強度試驗，討論養護溫度、濕度、齡期對試件抗壓強度、破壞形態的影響。基于成熟度理論,建立不同養護條件下試件抗壓強度-成熟度間的關系函數模型。通過本研究可以為確定生土基材料標準養護方法提供理論依據。

1 試驗概況

1.1 試驗原料及制作

本試驗所用土樣為西安市長安區的黃土。按照文獻[22]測得黃土的最優含水率為18.2%,最大干密度為2.04 g/cm3,塑限15%,液限26%,塑性指數為11。將土過篩拌合至最優含水率,根據課題組研制的模具,采用千斤頂成型材料方法制作160個邊長為100 mm的立方體試件,該裝置包括對應尺寸的鋼試模、對應尺寸的有機玻璃套筒、壓板、千斤頂、反力架[23-24],其示意圖如圖1a所示。

試件的制作步驟如下:將立方體試模平放在自制反力架平臺上,試模內涂一層較薄的潤滑油,以試模體積乘以材料最大干密度計算所用土量,分2次裝入,將千斤頂以0.5 mm/s的速率上升,控制壓實荷載為18～20 kN,每層用時1～2 min,一層壓好后,停滯3～5 min,抬起壓板,加下層土樣時將本層土樣接觸面“拉毛”,進行下次壓制,壓實完成后,超出頂模試驗高度小于5 mm。用修土刀將上表面磨平,脫模后養護。試件的制作及成型試件如圖1b、圖1c所示。

圖1 制作裝置及試件

1.2 養護

成型試件分別采用4種養護溫度、濕度,28 d后再進行試件抗壓強度試驗。試件養護時間為2018-05-19—2019-06-16,各組試件均養護7、14、21、28 d進行試驗。

1.2.1 自然養護

將試件脫模后放置室內養護3 d,待試件初凝后搬運置室外,下雨時采用塑料布覆蓋,記錄每天溫度與濕度,天氣情況見表1所列,養護狀態如圖2a所示。

表1 試件自然養護天氣情況

圖2 自然養護試件試驗

1.2.2 保鮮膜養護

保鮮膜養護40個試件,為降低試件失水干縮硬化速度,防止開裂,試件脫模后直接用帶孔保鮮膜包裹,放置在濕度為50%～55%,溫度為30～35 ℃室內養護。保鮮膜養護狀態如圖3a所示。

圖3 保鮮膜養護試件試驗

1.2.3 室內養護

室內養護40個試件,試件脫模后放置濕度為50%～55%,溫度為30～35 ℃室內養護。養護狀態如圖4a所示。

圖4 室內養護試件試驗

1.2.4 標準養護室養護

標準養護室養護40個試件,將脫模試件在室內養護3 d后搬運置養護室,養護室溫度為25～30 ℃、濕度為55%～60%,養護狀態如圖5a所示。

圖5 標準養護室內養護試件

1.2.5 材料測試

4種不同養護方式試件經7、14、21、28 d后進行抗壓強度試驗,每10個試件為1組,試驗在長安大學結構試驗室進行,采用MTS-500伺服作動器,記錄位移和荷載,并繪制荷載-位移曲線。依據課題組制定試驗方法,試件承受壓力端面鋪設土粉找平,儀器加載速率控制在2 mm/min,以試件峰值荷載的30%為結束條件,進行抗壓強度試驗[25]。試驗結束后測定試件含水率并記錄。

1.3 試驗過程及現象

1.3.1 自然養護試件

夏季天氣炎熱,室外溫度為35～38 ℃,正午時甚至會高于40 ℃,養護7～11 d為下雨天氣,晝夜溫差較大,生土基立方體試件受天氣影響顯著。試件前期暴露于高溫環境中,失水干縮效應明顯,試件表面龜裂嚴重,其中7、14、21 d自然養護試件質量差,致密性低,進行加載試驗時,試件的初始裂縫迅速擴展,形成沿試件受理方向的貫通裂縫。試件承載力峰值迅速出現,破壞全過程較快,承載能力低。但自然養護28 d試件失水硬化反應全面,試件表面致密性高,初始缺陷較少,試件材料抗壓測試時,試件破壞全過程表現明顯,但是在破壞過程中裂縫出現部位表現出不規律的特征,如圖2b、圖2c所示。

1.3.2 保鮮膜養護試件

試件經過保鮮膜包裹放置室內養護7、14、21 d后,表面干硬性差,內部未完全發生失水硬化反應。這是由于保鮮膜的保濕效應使試件含水率較大。抗壓試驗破壞全過程表現出軟化土的特點,試件峰值荷載小,但試件變形能力增強,破壞過程表現出明顯的立方體破壞特點,呈“沙漏型”,與文獻[26]研究結果基本一致。保鮮膜養護28 d試件峰值荷載高于前期養護試件,如圖3b、圖3c所示。

1.3.3 室內養護試件

試件破壞過程與文獻[26]相同,在抗壓試驗中,試件受荷時因立方體角部發生應力集中的現象,初始裂縫在此位置出現并擴展,隨著荷載增加,伴隨有試件外表皮脫落的情況發生。最終的破壞形態表現出典型的立方體試件受壓破壞特點,如圖4b、圖4c所示。

1.3.4 標準養護室養護試件

試驗破壞全過程除養護7 d試件以外表現出極大的相似性。這是由于養護7 d時生土試件失水,干縮硬化反應未完全結束,土體內部顆粒連接未能完全進行,試驗時試件的峰值承載力小、位移大,試件表現出較強的塑性。試件標準養護14 d后,抗壓強度試驗破壞全過程基本相同,與前期試驗研究結果一致[27]。

2 力學性能試驗結果與分析

2.1 抗壓強度試驗結果

試驗中記錄峰值荷載F、峰值位移、受壓面積A,根據P=F/A計算試件的抗壓強度,結果見表2所列。

表2 不同養護試件抗壓強度結果

2.2 養護方式、齡期對試件抗壓強度的影響

養護方式、齡期對試件抗壓強度影響如圖6所示。

由圖6可知,自然養護狀態試件抗壓強度隨養護齡期增加表現出先減小后增大的趨勢。其他3種養護方式試件抗壓強度均隨齡期的增長而增大,并且曲線逐漸平緩。

圖6 養護方式、齡期對試件抗壓強度的影響

自然養護狀態試件養護7 d的抗壓強度為2.69 MPa,試件室外自然養護時為夏季,室外溫度為35～39 ℃,濕度為20%～30%,通風順暢,材料早期抗壓強度增長明顯,試件內部失水硬化反應顯著。自然養護試件在7～14 d時受雨天影響,試件表面吸水發生軟化效應,導致試件抗壓硬度降低,養護14 d試件抗壓強度明顯降低,為1.44 MPa，僅為7 d的0.54倍。養護21 d時,室外溫度迅速回升,試件反復發生干縮硬化反應導致表面開裂嚴重,抗壓試驗時試件承載力較低,抗壓強度僅為1.89 MPa。養護28 d時,持續高溫使得試件內部充分失水硬化,但因下雨導致試件表面開裂無法恢復,使得試件抗壓強度比室內養護和標準養護室養護低,僅為2.61 MPa。

保鮮膜養護狀態試件養護7、14 d時的抗壓強度分別為0.78、0.97 MPa,保鮮膜減少了試件內部水分的蒸發,有效地降低了試件表面因材料干縮硬化造成的初始裂縫。同時,保鮮膜阻隔了試件與空氣的流通接觸,直至28 d時試件還未能完成失水硬化反應,試件保水性能優越。試件抗壓強度雖隨養護齡期的增長而增加,但過程緩慢,試件抗壓強度低,試件養護21、28 d抗壓強度分別為1.12、2.08 MPa。試件的含水率一直保持一定的水平。

室內養護試件7 d抗壓強度為2.74 MPa,夏季室內溫度為30～35 ℃,濕度為50%～55%,通風順暢,試件早期抗壓強度增加明顯,試件內部失水硬化反應迅速,試件內部土顆粒結合致密度高,隨著養護齡期的增長,試件抗壓強度增加,但增幅較緩慢。同時,由于前期試件發生干縮硬化反應時間短,試件表面與標準養護室養護試件相比出現較多細微初始裂縫。室內養護試件14、21、28 d抗壓強度分別為2.86、3.34、3.77 MPa。與標準養護室養護相比,相同濕度下,試件的早期抗壓強度受溫度影響程度大。

標準養護室養護試件7～28 d抗壓強度表現出明顯的逐級遞增趨勢。標準養護室溫度為25～30 ℃、濕度為55%～60%,溫度、濕度恒定,室內通風較差,試件內部發生失水硬化過程比室內養護試件緩慢,在7、14 d試件抗壓強度僅為1.60、2.32 MPa。21 d時抗壓強度基本與室內養護試件相同,為3.32 MPa，基本達到峰值的75%以上,可以作為構件試驗的養護齡期。隨著養護齡期的增長,試件內部土顆粒繼續硬化,28 d抗壓強度為3.84 MPa。試件初始細微裂縫少,表面光滑,試件質量相對較高。

綜上所述,恒定的溫度、濕度養護對試件抗壓強度影響顯著,抗壓強度隨溫度的升高而增大。14 d時室內養護試件與標準養護室養護試件抗壓強度增長速度顯著,濕度相同環境下,溫度是試件抗壓強度增長的主要因素。特別是室內養護試件早期抗壓強度增加顯著，7 d時的抗壓強度遠大于標準養護室的試件,21 d后抗壓強度與標準養護室養護試件相比增幅緩慢,最終峰值亦小于標準養護試件,表明濕度在材料后期養護時作用因素明顯。

2.3 機理探討

所謂養護方式,是指影響生土基材料失水硬化的各種條件,即生土基材料試件脫模后養護齡期、養護溫度、養護濕度等各種約束程度的綜合。

養護方式對試件抗壓強度的影響與時間歷程有關,早期養護溫度越高,試件內部失水硬化快,抗壓強度增大。后期隨著養護齡期的增長,試件抗壓強度受溫度影響差異性減小,也是試件在室內養護和標準養護室養護下各齡期抗壓強度增幅較小的原因。生土基材料基本由多相混合的土顆粒交織而成，土的主要成分是硅酸鹽,遇水易在分子表面形成水膜,從而形成膠體,這些膠結產物隨齡期的增長,在恒定、合理的濕度內材料內部土顆粒之間連接更加致密,膠體間黏聚效應明顯,內部孔隙逐漸填充并完善,試件抗壓強度得以保證。由于室內養護試件溫度高、濕度小的特點,其內部失水硬化速率快,顆粒間孔隙增多,晶體填充程度減小,試件內部黏聚力減小,抗壓強度小于標準養護室養護試件。反之,因養護溫度、濕度恒定,可有效保證試件抗壓強度增長,后期濕度高,生土基材料內部失水速率慢,內部孔結構得到改善,致密性高,土體顆粒間黏聚力增強,28 d時試件抗壓強度明顯高于其他。

3 抗壓強度與成熟度關系

生土作為一種綠色的建筑材料,其天然屬性使得生土建筑材料強度受環境溫度、濕度、養護齡期影響顯著。干制法和濕制法制作的材料內部均會發生失水硬化反應,材料強度試驗可以表征土顆粒內部致密程度和結構孔隙填充優劣。養護溫度、養護齡期在材料硬化反應過程中起關鍵作用,材料抗壓強度是生土建筑建造主要力學指標。利用成熟度這一無綱量評價材料強度已被應用于各種材料領域。19世紀50年代英國Nurse-Saul推薦的成熟度計算公式為[28-29]:

其中:M為齡期為t時的成熟度;Tc為時間間隔Δt內的材料平均溫度;T0為基準溫度,是指材料強度不再隨齡期增長的溫度,一般認為生土基材料停止失水硬化反應溫度為0;Δt為時間間隔。

根據Nurse-Saul理論建立生土試件室內養護和標準養護室養護成熟度計算方程,計算結果見表3所示。

表3 生土基材料成熟度單位:℃·h

研究表明，成熟度和材料抗壓強度關系可以采用以下2種模型進行參數的擬合[30-31]。

雙曲線函數模型:

S=M/(mM+n)

(1)

其中:m、n為常數;M為成熟度;S為材料抗壓強度。

對數函數模型:

S=a+blnM

(2)

其中:a、b為常數;M為成熟度;S為材料抗壓強度。

采用以上2種模型對室內養護和標準養護室養護試件抗壓強度進行回歸分析,使用Matlab軟件用非線性擬合模型參數,擬合曲線如圖7所示,擬合結果見表4所列。

圖7 數據擬合曲線

通過擬合曲線發現擬合最大偏差發生在養護14 d時,室內養護試件利用對數函數模型偏差7.34%,利用雙曲線函數模型偏差5.59%。標準養護室試件利用對數函數模型偏差19.39%,利用雙曲線函數模型偏差9.84%。由圖7a可知,室內養護試件成熟度與抗壓強度關系采用對數函數描述準確性較高。由表4可知,對數函數模型判定系數為0.861 9,雙曲線函數模型判定系數為0.800 1,說明利用(1)式在濕度為50%～55%、溫度為30～35 ℃室內養護時,可有效地作為預測試件的成熟度與抗壓強度關系結果。

由圖7b可知,標準養護試件采用2種函數描述成熟度與抗壓強度關系的準確性均表現優越,同時,雙曲函數擬合精度略優于對數函數模型,判定系數為0.982 6,表明利用(2)式可更有效地預測試件在溫度為25～30 ℃、濕度為55%～60%下抗壓強度與成熟度的關系。在該養護條件下試件抗壓強度增長穩定,養護質量較高。