童麗萍， 李 聰

(鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著自然資源的大量消耗，生態(tài)環(huán)境日益惡化，氣候變暖、能源危機(jī)等引起人們重視，可持續(xù)發(fā)展的建筑理念深入人心[1].土坯建筑是一種良好的綠色建筑形式，其材料無(wú)需燒結(jié)，取之自然，碳排放少，節(jié)能環(huán)保，具有良好的生態(tài)性能，它既是傳統(tǒng)文化的傳承與保護(hù)，又能適應(yīng)旅游業(yè)等新興產(chǎn)業(yè)[2-4].在人們?nèi)找鏋樯鷳B(tài)環(huán)境擔(dān)憂，倡導(dǎo)可持續(xù)發(fā)展的今天，它以獨(dú)特的生態(tài)性能引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[5].

泥漿是砌筑土坯墻體的主要材料，對(duì)提高土坯墻體整體受力性能具有重要作用[6].近年來(lái)，專家學(xué)者對(duì)泥漿的材料特性進(jìn)行了大量的研究并取得一定的研究成果.根據(jù)研究成果，骨料種類及含量、含水率、石灰、纖維等添加料對(duì)泥漿立方體試塊的抗壓強(qiáng)度具有顯著影響[7-10].然而由于生土材料地域不同，其礦物含量離散性較大，現(xiàn)階段對(duì)摻合料耦合作用的影響及敏感性研究較少，泥漿強(qiáng)度對(duì)土坯砌體及墻體受力性能研究較為匱乏，不同摻合料對(duì)土坯墻泥漿抗壓強(qiáng)度的機(jī)理影響不明確[11-13]，因此研究不同摻合料對(duì)泥漿抗壓強(qiáng)度的影響，進(jìn)而研究不同摻合料泥漿對(duì)土坯砌體及墻體的影響是很有必要的.

筆者通過(guò)土坯墻泥漿抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以稻草含量為定量，以粗砂、石灰為變量，分析試驗(yàn)的破壞過(guò)程及結(jié)果，研究不同摻合料對(duì)泥漿抗壓強(qiáng)度的影響，給出泥漿的合理配合比，為進(jìn)一步研究不同摻合料泥漿對(duì)土坯墻受力性能提供參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)制備了25種土樣，分別在天然土中添加定量的稻草和不同含量的粗砂和石灰.土料和稻草取自河南省鄭州市，稻草長(zhǎng)度為2～3 mm，粗砂采用水洗砂，試驗(yàn)前土料用孔徑5 mm的篩網(wǎng)過(guò)篩，水洗砂用孔徑0.5 mm和2 mm的土工篩過(guò)篩.

1.2 試件制作

參照《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T 70—2009)，結(jié)合目前生土材料的研究，選邊長(zhǎng)為100 mm的立方體試塊抗壓強(qiáng)度作為生土材料的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，每組制作5個(gè).天然土樣與稻草(摻合量為0.5%[14])、粗砂、石灰配合比(與土質(zhì)量比)如表1所示.

采用精確度為0.5 g的電子秤稱量土樣、稻草、粗砂以及石灰，用三角鏟拌合均勻后，加入水?dāng)嚢杈鶆颍刂坪试?5%左右[15].塑料試模內(nèi)涂刷薄層機(jī)油，將拌制好的泥漿一次性裝滿100 mm混凝土試模，用人工振搗方法，搗棒均勻地由邊緣向中心按螺旋方式插搗25次，使泥漿高出試模頂面6～8 mm，待表面水分稍干后，用土工刀將高出試模部分的泥漿沿頂面刮去并抹平[16].制作完成后靜置48 h，然后對(duì)試塊進(jìn)行拆模、編號(hào)、稱重.試塊拆模后應(yīng)在實(shí)驗(yàn)室常溫下養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)完后稱重，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量各試件的長(zhǎng)寬高.

表1 土樣配比及試件個(gè)數(shù)

1.3 試驗(yàn)步驟

泥漿立方體試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，采用300 kN電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，可自動(dòng)記錄試件的荷載和位移，試驗(yàn)時(shí)選擇量程為0～20 kN.進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，首先將試件放置在試驗(yàn)機(jī)的下壓板上，使加載面中心與試件中心對(duì)正，若試件表面不平整，采用細(xì)砂找平.在正式加載前預(yù)壓一次，預(yù)壓荷載0.5～1.5 kN，以保證試件與加載面緊密接觸.試件放置完成后，采用荷載控制的加載方法進(jìn)行連續(xù)加載，加載速率0.03～0.05 kN/s，控制試件6～10 min破壞，記錄破壞現(xiàn)象及破壞荷載.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 稻草因素影響

圖1為稻草試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞過(guò)程，在試件加載初期，荷載與位移成線性比例關(guān)系，此階段為彈性階段.當(dāng)加載至破壞荷載的45%～55%時(shí)，有輕微的脆裂聲，此時(shí)試件內(nèi)部的稻草部分被拉裂.隨著荷載的增加，脆裂聲密集，試件表面出現(xiàn)細(xì)微裂縫，如圖1(a).裂縫一般首先出現(xiàn)在試塊的邊角部位，此時(shí)試塊上部開始掉渣，接著邊緣土體有崩落現(xiàn)象，有稻草裸露至外部，如圖1(b).接近破壞荷載時(shí)，表面裂縫多而細(xì)并上下貫通；達(dá)到破壞荷載后，試件沒有立刻破壞，此時(shí)仍然具有一定的承載能力，稻草的作用得以發(fā)揮；當(dāng)荷載急劇下降至破壞荷載的75%左右時(shí)，下降速度變慢，試件大部分被壓崩，試件破壞[如圖1(c)]，試驗(yàn)結(jié)束.

圖1 摻合稻草試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞過(guò)程Fig.1 Failure process of rice straw-mixed specimens for compressive strength tests

摻合稻草泥漿立方體試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表2,其荷載位移曲線及擬合曲線如圖2所示.從表2中可以看出，添加稻草的泥漿立方體試塊抗壓強(qiáng)度為0.91～1.23 MPa，平均值為1.08 MPa.圖2表明，試塊經(jīng)歷了彈性階段、開裂階段、破壞階段，其破壞過(guò)程和混凝土類似.在試件加載初期，荷載位移曲線呈直線，斜率較小，有一個(gè)壓密階段，此階段持續(xù)時(shí)間較短.擬合曲線中AB段趨近于直線，試件土體處于彈性變形階段；BC段成凸形，試件土體開始屈服，產(chǎn)生微裂縫、鼓脹，并進(jìn)一步發(fā)展；曲線C點(diǎn)為峰值(位移為3 mm左右)，試件達(dá)到破壞荷載；曲線CD段呈下降趨勢(shì)，裂縫發(fā)展迅速，試件破壞.

表2 A組試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果平均值

2.2 粗砂含量影響

圖3為稻草粗砂試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞過(guò)程，由于試塊中同樣摻加了重量比0.5%的稻草，B組試塊與A組破壞現(xiàn)象類似.當(dāng)加載至破壞荷載的55%～70%時(shí)，表面出現(xiàn)開裂裂縫，開裂荷載與A組試塊相比較大，裂縫除出現(xiàn)在試塊邊角部位及偏向邊緣處外，還明顯出現(xiàn)在試塊中部，如圖3(a)、(b)所示.隨著荷載的增加，試塊上部邊緣處有少量土塊掉落，裂縫逐漸增多并緩慢發(fā)展至貫通，此時(shí)稻草被拉結(jié)，斷裂聲密集；達(dá)到破壞荷載后，試塊裂縫急劇增寬，但沒有立即潰散，仍然有一定的承載力；繼續(xù)加載，試塊四周崩裂，呈現(xiàn)延性破壞，如圖3(c)所示.

圖2 A組立方體試塊荷載-位移曲線及擬合曲線Fig.2 Load-displacement curves and fitting curves of the cube specimens in group A

圖3 摻合稻草粗砂試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞過(guò)程Fig.3 Failure process specimens with rice straw and rough sand during compressive strength tests

以B2組摻合40%的粗砂為例具體分析試驗(yàn)結(jié)果，如表3和圖4所示.分析可知，曲線AB段斜率較小，試件土體處于壓密階段，內(nèi)部空隙變小；曲線BC段趨近于直線，試件土體處于彈性變形階段；加載至破壞荷載的65%左右，荷載隨位移增長(zhǎng)速度變緩，CD段呈凸形，試件土體開始屈服，產(chǎn)生微裂縫、鼓脹，并進(jìn)一步發(fā)展；曲線D點(diǎn)為峰值(位移為3 mm左右)，試件達(dá)到破壞荷載；曲線DE段呈下降趨勢(shì)，裂縫發(fā)展迅速，試件破壞.

根據(jù)底棲動(dòng)物的耐污染程度，判斷水質(zhì)的劣質(zhì)程度，底棲動(dòng)物耐清潔種越多，指示河流水質(zhì)情況越好；根據(jù)底棲動(dòng)物耐清潔程度來(lái)判斷水質(zhì)的優(yōu)良程度，如果有耐污底棲動(dòng)物種類出現(xiàn)，說(shuō)明河流水質(zhì)情況差，有污染物存在。

表3 B2組試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果平均值

圖4 B2組立方體試塊荷載-位移曲線及擬合曲線Fig.4 Load-displacement curves and its fitting curves of the cube specimens in group B2

不同粗砂含量的試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表4，不同粗砂含量立方體荷載位移擬合曲線如圖5.由表4可知，不同粗砂含量的試塊抗壓強(qiáng)度為1.21～1.45 MPa，相對(duì)A組提高了12.0%～34.3%.由圖5可知，當(dāng)粗砂含量為30%～40%時(shí)，隨著含砂量的增高，立方體試塊抗壓強(qiáng)度增大，說(shuō)明粗砂在土體中起到一定的骨架作用，增加了土體之間的咬合力，從而增大土體抗壓能力.當(dāng)摻加粗砂比例為40%時(shí)，試塊破壞荷載達(dá)到最大，此時(shí)試塊具有一定的壓密階段，變形能力增加顯著.當(dāng)粗砂含量為40%～60%時(shí)，試塊破壞荷載逐漸降低，有兩個(gè)原因：一是粗砂所占體積較大，加之有稻草的存在，兩種摻合料沒有與土體形成良好的黏結(jié)，內(nèi)部存在空隙，導(dǎo)致試塊強(qiáng)度降低；二是粗砂含量較大，加載過(guò)程中，粗砂與土體之間產(chǎn)生的微裂縫增多，使試塊強(qiáng)度降低.

表4 B組試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果平均值

圖5 不同粗砂含量立方體試塊荷載-位移擬合曲線Fig.5 Load-displacement curves of the cubic specimenswith differen coarse sand content

對(duì)摻合粗砂試塊抗壓強(qiáng)度與粗砂含量進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)試塊抗壓強(qiáng)度與粗砂含量x(0≤x≤60%)呈現(xiàn)良好的3次多項(xiàng)式關(guān)系，如式(1)所示：

y= -0.000 01x3+0.000 6x2-0.001 1x+

1.078 9,

R2=0.965 5.

(1)

2.3 石灰含量影響

圖6為摻合稻草石灰試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞過(guò)程.試塊在加載初期，同樣經(jīng)歷彈性階段，當(dāng)加載至破壞荷載的40%～55%時(shí)，試件發(fā)出輕微的脆裂聲，此時(shí)內(nèi)部稻草輕微拉裂，由于石灰凝結(jié)硬化，試塊表面土體脆性較大，表面崩裂如圖6(a)所示.隨著荷載增加，內(nèi)部形成貫通裂縫并急劇增加，當(dāng)達(dá)到破壞荷載后，土體崩落加劇，試件迅速破壞.由于稻草的拉結(jié)作用，試塊整體呈延性破壞，但表面土體破壞現(xiàn)象與A組、B組有所不同，呈層狀崩落，如圖6(b)所示.

摻合不同石灰的試塊試驗(yàn)結(jié)果如表5和圖7所示.從圖7可知，摻合石灰的泥漿立方體試塊，經(jīng)歷彈性、屈服、破壞3個(gè)階段，與添加粗砂的試塊相比，無(wú)明顯壓密階段，說(shuō)明石灰的硬化作用增加了試塊的脆性，導(dǎo)致試塊延性減小.

表5 C組試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果平均值

圖7 不同石灰含量立方體試塊荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of the cube specimens with different lime contents

分析表5可知，隨著石灰含量的增大，試件抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).石灰含量為2%～6%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度增加約8.0%～11.2%，說(shuō)明石灰在試塊養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，吸收了部分水分，加快試塊固結(jié)硬化，增加試塊強(qiáng)度；石灰含量為6%～8%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度反而略微減少，是由于石灰含量增大，養(yǎng)護(hù)過(guò)程中吸收的水分增加，減少了試塊的固結(jié)水分，固結(jié)速度過(guò)快，土體內(nèi)的膠結(jié)材料不能充分發(fā)育.從整體看，石灰含量的變化對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度影響較小.

對(duì)摻合石灰試塊抗壓強(qiáng)度與石灰含量進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)試塊抗壓強(qiáng)度與石灰含量x(0≤x≤8%)呈現(xiàn)良好的3次多項(xiàng)式關(guān)系，

y=0.000 3x3-0.007 7x2+0.056x+1.080 4,

R2=0.997 1.

(2)

2.4 粗砂石灰含量影響

圖8 摻合稻草粗砂石灰試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞過(guò)程Fig.8 Failure process of the specimens with rice straw, sand and lime during the compressive strength tests

圖8為稻草粗砂石灰試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞過(guò)程，D組試塊和B組試塊破壞現(xiàn)象類似，加載初期為彈性階段，無(wú)明顯現(xiàn)象，隨著荷載增加，同樣是邊緣土體或中部首先出現(xiàn)細(xì)微裂縫，內(nèi)部稻草拉結(jié)發(fā)出輕微脆裂聲，但由于粗砂起骨架作用的同時(shí)石灰具有凝結(jié)硬化作用，造成試塊破壞過(guò)程中延性明顯減小，經(jīng)歷彈性階段后，試塊兩側(cè)裂縫貫通速度加快，如圖8(a)，快速達(dá)到破壞荷載，之后土塊崩落，試塊破壞，如圖8(b).

摻合不同含量粗砂和石灰的試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示，不同粗砂含量、石灰含量與試塊抗壓強(qiáng)度關(guān)系如圖9.

表6 D組試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果平均值

圖9 不同石灰、粗砂含量與試塊抗壓強(qiáng)度關(guān)系圖Fig.9 Relationship between the coarse sand content of different lime and compressive strength of test block

同時(shí)摻合粗砂和石灰時(shí)，材料之間相互作用機(jī)理較為復(fù)雜，從表6可以看出，摻合不同含量粗砂石灰的試塊，抗壓強(qiáng)度為1.11～1.53 MPa.當(dāng)粗砂含量為40%、石灰含量6%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度最大，為1.53 MPa.由圖9可知，在相同石灰含量下，試塊抗壓強(qiáng)度隨粗砂含量增加基本呈先減少再增加再減少的趨勢(shì).以石灰含量6%為例說(shuō)明其原因：粗砂具有一定的棱角和硬度，當(dāng)粗砂含量較小時(shí)，骨架作用沒有充分發(fā)揮，降低了試塊抗壓強(qiáng)度；隨粗砂含量增加，粗砂與摻合石灰的土體之間咬合作用得以發(fā)揮，試塊抗壓強(qiáng)度增大；當(dāng)粗砂含量為40%～60%時(shí)，粗砂體積比較大，由于粗砂與土體之間形成的微裂縫增多，粗砂骨架作用提高的強(qiáng)度小于裂縫降低的強(qiáng)度，隨著粗砂含量增加，試塊抗壓強(qiáng)度降低.

為綜合分析石灰和粗砂兩變量的相關(guān)性，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，試塊抗壓強(qiáng)度z與粗砂含量x(0≤x≤60%)、石灰含量y(0≤y≤8%)呈3次多項(xiàng)式關(guān)系，

z= -8.865e-6x3+1.183e-3y3-1.507e-5x2y-

2.205e-4xy2+7.936e-3x2-2.694e-2y2+

3.377e-3xy-0.021 9x+0.017 9y+0.861 6，

R2=0.810 9.

(3)

3 結(jié)論

筆者通過(guò)系列試驗(yàn)研究了不同含量摻合料下土坯墻泥漿立方體試塊抗壓強(qiáng)度，得出以下主要結(jié)論.

(1)添加稻草的試塊，抗壓強(qiáng)度平均值為1.08 MPa，破壞位移較大，達(dá)到破壞荷載后沒有立即崩裂潰散，仍具有一定承載力，破壞形式為延性破壞.

(2)隨著粗砂含量的增加，試塊抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì).摻合粗砂含量在40%左右時(shí)，對(duì)試塊破壞荷載影響較大，一定程度上提高試塊變形能力.試塊抗壓強(qiáng)度與粗砂含量呈現(xiàn)良好的3次多項(xiàng)式關(guān)系，受粗砂含量影響顯著.

(3)摻合石灰對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度略有提高，石灰含量為6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度值最大.試塊抗壓強(qiáng)度與石灰含量呈現(xiàn)良好的3次多項(xiàng)式關(guān)系.

(4)摻合粗砂石灰的試塊，粗砂含量40%、石灰含量6%時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度提高較大，變形能力無(wú)明顯變化.不同粗砂石灰含量下，試塊抗壓強(qiáng)度與粗砂含量(0～40%)、石灰含量(0～6%)呈3次多項(xiàng)式關(guān)系.