蘭官奇，李曉光，張 坤，王毅紅，朱熹育

(1.西安石油大學(xué) 土木工程學(xué)院，西安 710065；2.長安大學(xué) 西安市城鎮(zhèn)低碳建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061)

土坯是由生土材料經(jīng)簡單加工塑型制成的一種無需燒制的建筑砌塊，曾被廣泛應(yīng)用于我國傳統(tǒng)民居的修建[1-2]。與新型建筑砌塊相比土坯雖在力學(xué)性能和耐久性方面存在缺陷，但在經(jīng)濟(jì)性、地區(qū)適應(yīng)性和環(huán)保性能方面擁有較大優(yōu)勢[3]。隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)和“30·60”雙碳戰(zhàn)略的提出，這種古老的綠色建材再次煥發(fā)出新的生命力[4-6]。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料

試驗(yàn)分別選取陜南地區(qū)黃土(EM-1)及關(guān)中地區(qū)黃土(EM-2)作為制坯土料。根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)[14]分別測定了2個(gè)地區(qū)土料的顆粒級(jí)配、液塑限、最優(yōu)含水率和最大干密度，如表1所示。濕制土坯中摻入質(zhì)量比為1%的稻草，稻草長度為7～10 cm，干打土坯未加入摻合料。

表1 土的物理參數(shù)

1.2 土坯制作

選取尺寸為310 mm×150 mm×100 mm的濕制土坯和尺寸為370 mm×240 mm×60 mm的干打土坯進(jìn)行試驗(yàn)。其中，濕制土坯是將含水率為24±2%的土料在坯模內(nèi)濕塑成型；干打土坯是將含水率接近最優(yōu)含水率(18.5%)的土料填入坯模內(nèi)人工夯筑成型。由于含水率對生土塊材的強(qiáng)度影響顯著[15-16]，成型土坯置于室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d，待土坯含水率基本維持恒定后進(jìn)行試驗(yàn)(養(yǎng)護(hù)溫度為25±5 ℃，相對濕度為60%)。采用與土坯相同工藝制作邊長為100 mm的立方體試件，與土坯同條件養(yǎng)護(hù)后測試其抗壓強(qiáng)度。

1.3 試驗(yàn)方法及試件分組

參考我國《砌墻磚試驗(yàn)方法》GBT 2542—2012[17]對兩類傳統(tǒng)土坯的單軸抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度進(jìn)行測試，每組10個(gè)，共40個(gè)試件?？箟涸囼?yàn)采用連續(xù)均勻的加載方式，加載速率為0.2kN/min，當(dāng)荷載下降至峰值荷載80%時(shí)結(jié)束試驗(yàn)?？拐墼囼?yàn)為三點(diǎn)加載，以50 N/min的速率勻速加載至土坯斷裂。

1.4 破壞形態(tài)

抗壓試驗(yàn)中，濕制土坯試件初始裂縫出現(xiàn)在兩磚接觸面，試件在受壓過程中發(fā)出清脆響聲；破壞時(shí)，試件壓縮變形及橫向變形均較大，但由于稻草的拉結(jié)作用，表層并未發(fā)生大面積剝落，如圖1(a)所示。干打土坯試件初始裂縫出現(xiàn)在試件側(cè)棱處。破壞時(shí)，試件壓縮變形較小，試件側(cè)面發(fā)生鼓出并伴有大量表皮剝落，如圖1(b)所示。

圖1 土坯單軸受壓破壞形態(tài)

濕制土坯抗折破壞形態(tài)如圖2(a)所示，加載至85%峰值荷載時(shí)，試件中下部產(chǎn)生裂縫并迅速延伸至加載點(diǎn)，開裂過程伴有稻草拉斷聲。達(dá)到峰值荷載后，試件中部裂縫已貫穿整個(gè)截面，但由于稻草拉結(jié)，土坯仍未發(fā)生脆斷。觀察試件破壞斷面圖2(b)，可以發(fā)現(xiàn)斷面下部稻草已全被拉斷，但斷面上部仍有稻草相連。干打土坯的抗折破壞形態(tài)呈現(xiàn)出明顯的脆性，當(dāng)荷載達(dá)到最大值時(shí)，試件中部迅速產(chǎn)生裂縫，土坯發(fā)生脆斷，如圖3所示。與濕制土坯相比干打土坯的破壞斷面相對平整。

圖2 濕制土坯抗折破壞形態(tài)及破壞斷面

圖3 干打土坯抗折破壞形態(tài)及破壞斷面

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于生土材料的不均勻性，兩類傳統(tǒng)土坯的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度離散性均較大。為排除強(qiáng)度異常值對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，采用Grubbs檢驗(yàn)法[18]將所得土坯強(qiáng)度中的異常值進(jìn)行剔除。剔除異常值后兩類土坯的抗壓強(qiáng)度均值、抗折強(qiáng)度均值及其變異系數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 土坯抗壓性能

從表2可以看出，干打土坯的單軸抗壓強(qiáng)度均值高達(dá)2.33 MPa，約為濕制土坯單軸抗壓強(qiáng)度均值的3倍。濕制土坯在制作過程中所采用土料的含水率遠(yuǎn)高于干打土坯所用土料，導(dǎo)致成型后的濕制土坯在養(yǎng)護(hù)過程中喪失更多水分，土坯內(nèi)部形成多孔結(jié)構(gòu)，密實(shí)度較差；干打土坯制作過程中的夯實(shí)工序提高了土坯整體密實(shí)度和土坯的強(qiáng)度。通過對兩類土坯的密度進(jìn)行測量，得到濕制土坯的平均密度為1.51 g/cm3，干打土坯的平均密度為1.69 g/cm3。此外，稻草的摻入也對濕制土坯的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生了負(fù)面影響，稻草中空的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低了土坯的密度，導(dǎo)致濕制土坯強(qiáng)度較低。文獻(xiàn)[19]表明在濕制土坯中摻入質(zhì)量比15%的麥秸稈(長度為5 cm)后土坯的單軸抗壓強(qiáng)度降低了40%。表2顯示濕制土坯抗壓強(qiáng)度的變異系數(shù)遠(yuǎn)小于干打土坯。干打土坯采用人工夯實(shí)，難以保證每塊土坯具有相對統(tǒng)一的夯實(shí)度，導(dǎo)致干打土坯的抗壓強(qiáng)度離散性較大。

2.2 土坯抗折性能

圖4 斷裂能示意圖

折壓比是材料抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值，被廣泛用于描述材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的關(guān)系。經(jīng)計(jì)算得到濕制土坯的折壓比為0.46，干打土坯的折壓比為0.20，這是由于稻草的摻入極大地改善了濕制土坯的抗裂性能。同時(shí)，兩類土坯尺寸的差異也是造成這種差異的原因之一。

2.3 應(yīng)力應(yīng)變曲線及破壞機(jī)理分析

圖5 平均應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖6 濕制土坯試件破壞過程

圖7 干打土坯試件破壞過程

2.4 單軸受壓本構(gòu)模型

采用Weibull函數(shù)反映土坯的非線性壓縮性能。通過對比本構(gòu)方程所對應(yīng)的可決系數(shù)R2確定最佳擬合曲線。同時(shí)，為了保證本構(gòu)模型的有效性，提出的方程需滿足以下要求：1)擬合曲線需經(jīng)過坐標(biāo)軸原點(diǎn)；2)擬合曲線需經(jīng)過(1,1)點(diǎn)；3)擬合方程的一階導(dǎo)數(shù)在其應(yīng)變比變化范圍內(nèi)連續(xù)。

滿足以上要求的擬合曲線通過MATLAB的標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)化程序計(jì)算得到，式(1)和式(2)分別為濕制土坯和干打土坯對應(yīng)的壓縮本構(gòu)方程。

(1)

(2)

圖8 擬合曲線

3 結(jié) 論

1)本次制作的干打土坯的抗壓強(qiáng)度為濕制土坯的3倍，抗折強(qiáng)度為濕制土坯的1.3倍。干打土坯在抗壓、抗折試驗(yàn)中均表現(xiàn)出明顯的脆性破壞現(xiàn)象，而濕制土坯的脆性性質(zhì)不顯著，且在受折破壞過程中，濕制土坯比干打土坯具有更好的耗能能力。

4)將《砌墻磚試驗(yàn)方法》中砌墻磚抗壓及抗折試驗(yàn)方法應(yīng)用到傳統(tǒng)土坯的抗壓及抗折試驗(yàn)中，得到穩(wěn)定的抗壓及抗折強(qiáng)度值，說明該試驗(yàn)方法可作為傳統(tǒng)土坯抗壓及抗折強(qiáng)度試驗(yàn)方法。