王毅紅+石丹+仲繼清+石以霞+劉奇佶

摘 要：為研究機制生土磚與砂漿法向粘結(jié)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(jié)強度試驗，探討不同界面狀態(tài)的機制生土磚在不同齡期下與改性砂漿法向粘結(jié)強度的變化規(guī)律和破壞形態(tài)特點，分析界面狀態(tài)、齡期等因素對機制生土磚與砂漿法向粘結(jié)性能和破壞形態(tài)的影響。研究表明：機制生土磚與砂漿間的法向粘結(jié)強度值與界面狀態(tài)和齡期有關(guān)，法向粘結(jié)強度隨齡期的增大而提高，界面狀態(tài)為鑿毛時法向粘結(jié)強度有所降低，砂漿種類對機制生土磚與砂漿法向粘結(jié)強度影響顯著。

關(guān)鍵詞：機制生土磚；拉伸試驗；界面狀態(tài)；粘結(jié)性能；養(yǎng)護齡期

中圖分類號：TU502 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2018）01-0078-05

Influence factors of normal bonding properties between mortar and mechanical pressing raw-soil brick

Wang Yihong1， Shi Dan1， Zhong Jiqing1， Shi Yixia2 ，Liu Qiji1

（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）

Abstract：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.

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

潛藏巨大發(fā)展前景的綠色建筑材料生土由于其環(huán)保、生態(tài)優(yōu)勢而受到青睞[1-2]。傳統(tǒng)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(tǒng)土坯有較大提高[11-13]，在一定程度上解決了傳統(tǒng)土坯質(zhì)量差異大、強度低的問題。生土磚與砂漿間的粘結(jié)性能是保證生土砌體承載力、整體性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵，但機制生土磚表面平整光滑，與砂漿間摩阻力較低，粘結(jié)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(jié)問題成為機制生土磚推廣應用的關(guān)鍵問題。生土塊材與普通砂漿的粘結(jié)剪切性能試驗結(jié)果表明：適當?shù)蔫徝商岣呱链u與砂漿粘結(jié)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(jié)強度[14]。但生土塊材與砂漿之間的法向粘結(jié)強度的影響因素尚沒有研究，生土塊材與砂漿的法向粘結(jié)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(jié)性能的影響因素，分析各種因素對法向粘結(jié)強度的影響規(guī)律。

1 試驗概況

1.1 界面處理與試件設(shè)計

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(xiāng)建設(shè)部現(xiàn)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(jié)塊。試驗根據(jù)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endprint

用課題組前期研制的專用砂漿[11]，試件編號規(guī)則及組成如表1。

1.2 試驗裝置與加載方案

機制生土磚與砂漿法向粘結(jié)強度試驗在長春科新試驗儀器有限公司生產(chǎn)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(jié)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(jié)強度，采用連續(xù)加載方式，橫梁速度為5 mm/min，當砂漿粘結(jié)塊脫離生土磚時，試驗結(jié)束，加載方式見圖2（b）。

2 試驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

2.1 試驗現(xiàn)象

不同界面狀態(tài)、不同齡期的機制生土磚與砂漿粘結(jié)破壞現(xiàn)象和破壞特征不同，根據(jù)破壞特征將破壞形態(tài)分為4類：Ⅰ類（無粘結(jié)界面破壞）：試件自開始加載至破壞，無明顯的裂縫產(chǎn)生，破壞發(fā)生在砂漿與生土磚接觸界面，粘結(jié)性能較差（圖3（a））；

Ⅱ類（有粘結(jié)界面破壞）：加載初期，荷載平穩(wěn)緩慢的增加，試件無明顯變化，隨著荷載增大，砂漿上出現(xiàn)微裂縫并隨荷載增大發(fā)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(fā)展不明顯，破壞主要在粘結(jié)界面，生土磚上留有薄層砂漿且砂漿粘結(jié)塊角部粘結(jié)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(fā)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(xiàn)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））。

2.2 破壞形態(tài)原因分析

上述4種破壞形態(tài)體現(xiàn)砂漿與生土磚之間法向粘結(jié)性能的差異。Ⅰ類破壞發(fā)生在接觸界面，粘結(jié)力全部由生土磚與砂漿間的化學膠結(jié)力提供；Ⅱ類破壞發(fā)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(jié)強度三者相近；Ⅲ類破壞發(fā)生在砂漿層，砂漿和生土磚之間的法向粘結(jié)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(jié)強度，而法向粘結(jié)強度低于生土磚抗拉強度；Ⅳ類破壞發(fā)生在生土磚面內(nèi)，說明法向粘結(jié)強度高于生土磚抗拉強度，低于砂漿強度?？梢姡链u與砂漿法向粘結(jié)破壞形態(tài)與砂漿強度、生土磚抗拉強度、法向粘結(jié)強度及其三者的相對值有關(guān)。

2.3 試驗結(jié)果分析

參照文獻[7]，試件的法向粘結(jié)強度按式（1）計算，每個齡期的法向粘結(jié)強度值取6個試件的算術(shù)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(jié)果精確至0.01 MPa，若有效數(shù)據(jù)少于4個，則此組試驗數(shù)據(jù)無效。

式中：F為試件破壞時的荷載，N；A為粘結(jié)面積，mm2，精確至1 mm2；fi為機制生土磚與砂漿的法向粘結(jié)強度，MPa；為法向粘結(jié)強度平均值，MPa。

各試件各齡期下粘結(jié)強度結(jié)果及平均值如表2所示。

各組試件各齡期下的破壞類別統(tǒng)計如表3。

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

從圖4和表3可以發(fā)現(xiàn)，齡期和界面狀態(tài)等因素對試件法向粘結(jié)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(jié)強度均隨齡期的增長而增大，破壞形態(tài)均隨齡期向粘結(jié)性能好的方向發(fā)展。由圖4粘結(jié)強度平均值隨齡期走向趨勢可知：試件S2法向粘結(jié)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(jié)強度增長率約是14 d較7 d粘結(jié)強度增長率的3倍，試件S3粘結(jié)強度平均值隨齡期增長平穩(wěn)，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(jié)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(yǎng)護28 d；MS2和MS3粘結(jié)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(jié)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(yǎng)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(xiàn)不同破壞形態(tài)，整體隨齡期向粘結(jié)性能好的方向發(fā)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(jié)作用增強，粘結(jié)強度提高，破壞形態(tài)隨之發(fā)生變化。

2）砂漿摻料類別 生土磚與砂漿法向粘結(jié)性能與砂漿摻料類別相關(guān)。由圖4可知：同一齡期下，砂漿中摻膠粉S3試件法向粘結(jié)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(jié)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(tài)統(tǒng)計結(jié)果顯示：砂漿中摻膠粉的S3（MS3）發(fā)生Ⅰ類破壞明顯少于摻纖維素醚的S2（MS2）?？梢?，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(jié)強度更高，破壞形態(tài)也趨于粘結(jié)性能好的方向，砂漿種類對鑿毛生土磚與砂漿法向粘結(jié)性能影響程度低于未鑿毛試件，在工程應用中，可根據(jù)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度和經(jīng)濟性要求選擇不同種類砂漿。

3）界面狀態(tài) 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(jié)果表明，鑿毛對試件的法向粘結(jié)強度沒有提高反而降低，鑿毛后試件破壞形態(tài)較未鑿毛發(fā)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(jié)強度平均值較未鑿毛S2（S3）有所降低；表3數(shù)據(jù)顯示：界面鑿毛后的MS2、MS3組試件主要發(fā)生Ⅱ類和Ⅳ類破壞，未鑿毛的S2主要發(fā)生Ⅰ類和Ⅱ類破壞，S3主要發(fā)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(jié)間的化學膠結(jié)力受到影響；②法向粘結(jié)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(jié)強度沒有提高效果，但可以改變其破壞形態(tài)并趨于理想方向，并且可以提高抗剪強度。endprint

3 結(jié)論

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

2）生土磚與砂漿法向粘結(jié)性能受砂漿摻料類別影響，砂漿摻料粘結(jié)性能越高，其對生土磚與砂漿法向粘結(jié)強度的提高越明顯，破壞形態(tài)也趨于粘結(jié)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(jīng)濟性選擇適當?shù)纳皾{種類。

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

4）雖然鑿毛對生土磚與砂漿法向粘結(jié)不利，但可以使破壞形態(tài)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(jié)強度，綜合兩種強度對砌體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響及鑿毛對試件破壞形態(tài)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(jié)性能與生土磚界面狀態(tài)相關(guān)，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。

參考文獻：

[1] PACHECO-T F， SAID J. Earth construction： Lessons from the past for future eco-efficient construction [J].Construction and Building Materials， 2012， 29：512-519.

[2] 王毅紅，王春英，李先順，等. 生土結(jié)構(gòu)的土料受壓及受剪性能試驗研究[J]. 西安科技大學學報，2006，26（4）：470-472，484.

WANG Y H， WANG C Y， LI X S， et al.Experiment on shear prope rties and compressive properties of earth mate rial of raw-soil structure[J]. Journal of Xi'an University of Science and Technology， 2006， 26（4）： 470-472，484.（in Chinese）

[3] 王毅紅，李麗，王沖鋒，等. 村鎮(zhèn)既有生土結(jié)構(gòu)房屋抗震性能現(xiàn)狀分析[J]. 土木工程學報，2010， 43（Sup）：462-467.

WANG Y H， LI L， WANG C F， et al.Research and analysis on aseismic behavior of existing country raw-soil structure[J]. China Civil Engineering Journal， 2010， 43（Sup）： 462-467.（in Chinese）

[4] MARWEN B， NAIMA B， DASHNOR H， et al. Physical characterization of natural straw fibers as aggregates for construction materials applications[J]. Materials，2014， 7： 3034-3048.

[5] DEMIR I. Effect of organic residues addition on the technological properties of clay bricks [J]. Waste Manage， 2008， 28： 622-627.

[6] 劉軍，褚俊英，趙金波，等. 摻合料對生土墻體材料力學性能的影響[J]. 建筑材料學報，2010，13（4）：446-451.

LIU J， CHU J Y， ZHAO J B， et al. Effect of admixures on mechanical properties of raw clay material for wall[J]. Journal of Building Materials， 2010，13（4）： 446-451.（in Chinese）

[7] ROBERT M E， ENGELBERT D O， THIERRY Y N， et al. Potential of salvaged steel fibers for reinforcement of unfired earth blocks [J]. Construction and Building Materials，2012， 35： 340-346.

[8] 王毅紅， 仲繼清， 石以霞， 等. 國外生土結(jié)構(gòu)研究綜述[J]. 土木工程學報， 2015， 48（6）：81-88.

WANG Y H， ZHONG J Q， SHI Y S， et al. Review of overseas research on raw-soil structure [J]. China Civil Engineering Journal， 2015， 48（6）：81-88.（in Chinese）

[9] 王毅紅， 梁楗， 張項英， 等. 我國生土結(jié)構(gòu)研究綜述[J]. 土木工程學報， 2015， 48（5）：98-107.

WANG Y H， LIANG J， ZHANG X Y， et al. Review of raw-soil structure in China[J]. China Civil Engineering Journal， 2015， 48（5）：98-107.（in Chinese）endprint

[10] 西安建筑科技大學.生土建筑材料改性方法和利用改性后生土制備砌塊的方法：中國，CN104402350 A[P].2015-03-11.

Xian University of Architecture and Technology. Raw soilbuilding materials modification methods and the adobe brick preparation method use modified raw soil：China，CN104402350 A [P]. 2015-03-11.（in Chinese）

[11] 石以霞. 改性生土磚的粘結(jié)劑配方及性能試驗研究[D]. 西安：長安大學，2015.

SHI Y X. Experimental study on the binding performance of modified adobe brick and binder Formulas [D]. Xi'an： Chang'an University， 2015.（in Chinese）

[12] 陳嘉.改性土體材料及土坯砌體的受壓力學性能研究[D].烏魯木齊： 新疆大學， 2010.

CHEN J .The mechanical characteistics of the pressure study on modified raw-soil materials and adobe masonry[D]. Urumchi： Xinjiang University，2010.（in Chinese）

[13] 趙成.改性土坯砌體抗壓強度試驗研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2010.

ZHAO C. Experimental study on compressive strength of modified adobe masonry[D]. Urumchi： Xinjiang University，2010.（in Chinese）

[14] 高耀飛.生土塊材與水泥砂漿界面壓劈與剪切性能試驗研究[D]. 西安：長安大學，2015.

GAO Y F. The shear and spilt capacity experimental analysis of adobe brick and cement-mortar interface[D]. Xi'an： Chang'an University， 2015.（in Chinese）

[15] 建筑砂漿基本性能試驗方法標準：JGJ/T 70—2009[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

Standard for test method of performance on building mortar：JGJ/T 70-2009[S].Beijing：China Architecture & Building Press，2009.（in Chinese）endprint