DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.01.023
生土基砌体抗压强度测量标准试件的试验研究
兰官奇,王毅红,蒋子腾,王天涯
（长安大学 建筑工程学院，陕西 西安，710061）
摘要:通过对湿制土坯砌体和干打土坯砌体进行单轴抗压试验，分析试件高厚比和加载面找平方式对生土基砌体抗压性能的影响。研究结果表明：生土基砌体抗压性能对于试件高厚比的变化更为敏感，我国“砌体基本力学性能试验方法标准”中关于标准砌体抗压试件高厚比应控制在3~5的规定不能适用于生土基砌体；当试件高厚比为3~4时，2类生土基砌体破坏形态统一，能真实反映砌体构件受压状态，且试验数据稳定性较好，建议生土基砌体强度标准试件的高度应按高厚比为3~4确定；采用快硬石膏自流平对试件加载面进行找平可保证2类生土基砌体顶面与加载板紧密接触，且所测得砌体抗压强度离散性较小，建议生土基砌体强度标准试件顶部找平方式选用快硬石膏自流平找平方式。
关键词:生土材料；砌体；高厚比；找平方式；抗压性能
中图分类号:TU361 文献标志码:文献标识码:A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)
文章编号:1672-7207（2020）01-0204-09
Experimental study on standard specimen for measuring compressive strength of earth block masonry
LAN Guanqi, WANG Yihong, JIANG Ziteng, WANG Tianya
(School of Civil Engineering, Chang’ an University, Xi’ an 710061, China)
Abstract: The molded adobe masonry prisms and compacted adobe masonry prisms were prepared and tested in unconfined compression test to investigate the influences of the height-to-thickness ratio of specimen and capping on the compressive performance of earth masonry prisms. The results show that the compressive performance of earth masonry prisms are sensitive to the change of height-to-thickness ratio of specimen and the stipulation on the height-to-thickness ratio of compressive specimens in "standard for test methods of basic mechanical properties of masonry" does not apply to earth masonry prisms. When the height-to-thickness ratio of specimen is 3-4, the failure modes of the two kinds of earth masonry prisms are unified, which can truly reflect the compressive state of masonry members, and the test data are stable. It is suggested that the height of standard specimens for measuring compressive strength of earth masonry prism should be determined according to the height-to-thickness ratio of 3-4. Leveling the loading surface of the specimen with fast anhydrite can ensure that the top surface of the two kinds of earth masonry prism are in close contact with the loading plate, and the discreteness of measured compressive strengths are small. It is suggested that the leveling method of fast anhydrite self-leveling be used for leveling the top of standard specimens.
Key words: earth materials; masonry; height-to-thickness ratio; capping; compressive properties
表1 土的物理参数
Table 1 Physical parameters of soil
针对当前我国农村建设现状和可持续发展的战略目标，生土基材料可谓是生态性价比极高的建材之一，对于我国尤其是广大贫困、偏远的农村地区而言，具有当前常规节能材料生态性价比优势和应用潜力[1]。虽然传统生土材料具有强度低、耐水性差、体积稳定性差等缺点[2-4]，但近年来众多新型改性生土块材的研发在保持绿色环保特性的同时改善了传统生土材料的固有缺陷[5-8]，使这种绿色建材再次焕发出新的活力。我国已有研究[9-12]中生土基砌体单轴抗压强度的测试方法均参照GB/T 50129—2011“砌体基本力学性能试验方法标准”[13]，其适用性有待考证。与烧结普通砖和各类多孔砖具有相对统一的尺寸不同，各类生土基块材的尺寸差异较大[14-16]，砌体的组砌方式及工艺也不相同，适用于生土基砌体且操作性好的抗压强度试验方法亟待建立。试件高厚比和加载面找平方式是影响砌体抗压性能的2个重要因素[13, 17-18]，因此，选择合理的试件高厚比取值和加载面找平方式成为建立生土基砌体强度标准试验方法的关键问题。本文作者主要针对湿制土坯砌体和干打土坯砌体的单轴抗压性能展开试验研究，通过静力试验，分析试件高厚比和加载面找平方式对砌体破坏形态、抗压强度及强度离散性的影响，确定生土基砌体标准抗压强度试件的高厚比取值范围及加载面找平方式，为生土基砌体强度标准试验方法的建立提供依据。
1 试验概况
1.1 材料
此次试验分别选取陕南黄土及关中黄土作为制作生土基块材的土料。根据SL 237―1999“土工试验规程”[19]分别测定2个地区土料的颗粒级配、液塑限、最优含水率和最大干密度，如表1所示。
1.2 生土基块材制作
传统土坯尺寸差异较大，且块材表面平整度较差，可适用于传统土坯砌体的抗压强度试验方法亦可用于测试其他种类生土基块材。因此，本次试验分别选取我国具有代表性的湿制土坯(SZ)和干打土坯(GD)砌筑砌体试件。湿制土坯是将含水率为24%±2%的土料(陕南黄土)在坯模内湿塑成型；干打土坯是将含水率接近最优含水率的土料(关中黄土)填入坯模内人工夯筑成型。干打土坯采用天然土料制备，未加入掺合料；湿制土坯中掺入质量比约为1%的稻草，稻草长度为7~10 cm。成型后的块材放置于实验室内养护28 d后测试其抗压及抗折强度，试验方法参考GBT 2542—2012“砌墙砖试验方法”[20]。2种块材的尺寸、密度、抗压强度及抗折强度如表2所示。
1.3 块材黏结剂制备
针对2种生土基块材抗压强度，此次试验选取泥浆作为块材黏结剂。砌筑泥浆采用关中黄土制备，其中掺入质量比为1%的稻草(长度为7~10 cm)，砌筑时含水率控制为35%±3%。制作10个边长为100 mm的泥浆立方体试块，与砌体在相同条件下养护28 d后测试其单轴抗压强度，测试方法参照GB 50081—2002“普通混凝土力学性能试验方法”[21]。测得砌筑泥浆的平均抗压强度为1.95 MPa。
1.4 生土基砌体试件制作
分别砌筑3种不同高厚比的湿制土坯砌体和干打土坯砌体。由于组砌方式和灰缝厚度对砌体抗压性能影响显著，此次选取全顺形式砌筑2类生土基砌体(见图1(a)和(b))，灰缝厚度控制在10 mm左右。砌体试件的制作及养护均参照GB/T 50129—2011 “砌体基本力学性能试验方法标准”[13]进行，成型试件如图1(c)所示。各类试件的截面尺寸、高厚比及试件数量如表3所示。
表2 块材的尺寸和密度
Table 2 Dimensions and densities of bricks
图1 组砌方式示意图及成型试件
Fig. 1 Bond pattern and masonry specimens
表3 不同高厚比砌体试件主要参数
Table 3 Main parameters of masonry specimens with different height-to-thickness ratios
1.5 加载面找平方式
本次试验分别采用湿沙找平、水泥砂浆找平和快硬石膏自流平3种方式对砌体试件加载面进行找平处理，具体做法如下。
1) 湿沙找平。加载前将中砂加水润湿后均匀摊铺在试件加载面，对试件施加10%预估破坏荷载将多余湿沙挤出，如图2(a)所示。
2) 水泥砂浆找平。参照JGJ 98—2002“砌筑砂浆配合比设计规程”[22]配置强度等级为M15的普通水泥砂浆，试件砌筑完成后人工将砂浆均匀涂抹在试件加载面，采用水准尺控制其平整度，与试件在同条件下进行养护，如图2(b)所示。
3) 快硬石膏自留找平。加载前将木制模具套入试件顶部使模具高出试件顶面30 mm，并用塑料薄膜嵌入模具内部并确保薄膜与试件顶面贴合紧密，将配置好的快硬石膏浆料缓慢倒入模具中，浆料根据顶面的高低不平顺势流动，对其进行自动找平，如图2(c)所示。待石膏初凝(初凝时间为5 min，抗压强度为15 MPa)，将成型石膏脱模并去除塑料薄膜后放置在试件顶面。
图2 加载面找平方式
Fig. 2 Different kinds of capping
3种找平层厚度均控制为(15±2) mm。仅对高厚比为3.7的湿制土坯砌体和高厚比为3.3的干打土坯砌体采用3种不同找平方式，试件分组如表4所示，其余砌体试件均采用石膏自流平进行找平。
1.6 加载方案及加载装置
砌体试件测点布置参照GB/T 50129—2011“砌体基本力学性能试验方法标准”[13]。试验采用物理对中，分级均匀施加荷载的方法测定单轴抗压强度。正式加载前采用预估破坏荷载的10%，反复预压3次。正式加载后每级荷载为预估破坏荷载的10%，并在1 min均匀加完，恒荷1 min后施加下一级荷载。为获得力-位移曲线的下降段，当观察到试件裂缝不稳定发展时，改用位移控制，加载速率为1 mm/min直至荷载下降至峰值荷载的80%停止试验。试验采用MAS-500伺服作动器施加竖向荷载，最大量程为500 kN，并用JAW-1000电液伺服结构试验系统控制，系统可以自动记录竖向位移和荷载。
表4 不同找平方式砌体试件主要参数
Table 4 Main parameters of masonry specimens with different capping
2 结果分析
2.1 破坏形态
2.1.1 试件高厚比对破坏形态的影响
试件高厚比变化对2类生土基砌体的单轴受压破坏形态影响显著。观察不同高厚比试件的破坏形态可大致分为以下3类。
1) 局部破坏。试件受压破坏始于个别生土块材的破坏，由于局部破坏导致整体丧失承载力，试件表面未能形成竖向通缝，如图3(a)所示。该类破坏主要发生在高厚比为2.3的湿制土坯砌体和高厚比为2.1的干打土坯砌体。
2) 竖向裂缝贯穿破坏。试件发生破坏时竖向裂缝充分扩展，延竖向灰缝的裂缝发生贯穿，将试件分割成若干小柱，试件表面裂缝数量较多，开裂荷载为破坏荷载的50%~70%，如图3(b)所示。该类破坏主要发生在高厚比分别为3.7和5.1的湿制土坯砌体和高厚比为3.3的干打土坯砌体。
3) 失稳破坏。裂缝沿砌体厚度方向斜向发展并相互连通贯穿形成滑动面，砌体上部延滑动面产生滑移而丧失承载力导致试件破坏，由于失去传力路径，砌体下部几皮块材尚未开裂，试件开裂荷载为破坏荷载的70%~80%，如图3(c)所示。该类破坏主要发生在高厚比为5的干打土坯砌体中。
图3 砌体受压试件破坏形态
Fig. 3 Failure modes of specimens
2.1.2 加载面找平方式对破坏形态的影响
不同找平方式对生土基砌体试件的单轴受压破坏形态影响较小。各类试件中，仅采用湿沙找平的湿制土坯砌体破坏形态与其他试件存在差异，前者在破坏时，试件顶部被多条竖向裂缝劈裂，个别试件顶部块材被压溃，裂缝延伸至试件中下部但并未发生贯穿。湿制土坯在在重力作用下脱模时，由于土料与模具间的黏聚力，导致湿制土坯顶面形成形如火山口状的“凹面”，湿沙无法垫平“凹面”边缘，在边缘处形成的应力集中致使砌体顶部先于底部破坏。其他找平方式的生土基砌体破坏形态较为一致，均呈现出竖向裂缝贯穿破坏的特征。
2.2 抗压性能
2.2.1 试件高厚比对抗压性能的影响
不同高厚比生土基砌体试件的峰值荷载、峰值位移、抗压强度均值及其变异系数如表5所示。
表5 不同高厚比生土基砌体试验结果
Table 5 Test result of earth block masonry with different height-to-thickness ratios
从表5可以看出2类生土基砌体的抗压强度均值随高厚比的增加而逐渐降低。各高厚比的湿制土坯砌体和干打土坯砌体抗压强度均值比值分别为：fSS-2: fSS-3: fSS-5=1.11: 1.00: 0.98；fGS-2: fGS-3: fGS-5=1.03: 1.00: 0.91。对于湿制土坯砌体，试件高厚比由3.7增至5.1，砌体抗压强度均值却仅降低2%，但对于干打土坯砌体，试件高厚比由3.3增至5.0，砌体抗压强度均值却下降了9%。这主要是由于高厚比为5.0的干打土坯砌体发生了失稳破坏，砌体试件的抗压强度并未完全发挥。同时，由于砌筑泥浆表面的不平整和砌体灰缝难以填充饱满，砌体中的块材处于受压、受拉、受弯和受剪的复杂应力状态，引起砌体抗压强度的降低。干打土坯的厚度仅为湿制土坯的0.6倍，当试件增加同样高厚比，干打土坯砌体中将增加更多水平灰缝，因此试件高厚比增加对干打土坯砌体抗压强度的削弱作用更为显著。从表5可以看出，随试件高厚比的增大2类生土基砌体抗压强度离散程度均逐渐增大，这主要是由于砌体内部的非均质性随着试件高厚比的增大而逐渐累加，导致生土基砌体抗压强度间的差异增大。
从表5还可以看出：高厚比变化对2类砌体试件的峰值位移也存在影响。高厚比为2.3，3.7和5.1的湿制土坯砌体试件峰值位移均值分别为9.03，9.62和10.32 mm；高厚比为2.1，3.3和5.0的干打制土坯砌体试件峰值位移均值分别为9.35，8.58和10.78 mm。2类土坯砌体的峰值位移均值随试件高厚比的增大总体呈现出增大的趋势，但总体变化不大，变化幅度在10%左右。
2.2.2 加载面找平方式对抗压性能的影响
不同加载面找平方式的生土基砌体试件的峰值荷载、峰值位移、抗压强度均值及其变异系数如表6所示。从表6可以看出试件加载面找平方式对生土基砌体单轴抗压强度影响显著。2类生土基砌体中采用快硬石膏找平的试件抗压强度均值最高，采用水泥砂浆找平的试件次之，而湿沙找平的试件最低。这主要是由于当试件加载面找平方式发生改变，环箍效应对砌体抗压强度的增强作用也随之发生变化。相较于石膏和水泥砂浆，湿沙较为松散与加载板间的摩擦力最小，因此环箍效应对砌体抗压强度的增强作用也最小。水泥砂浆与快硬石膏强度相近，表面粗糙度也基本一致，但考虑到水泥砂浆强度形成时间较长，本次试验在试件砌筑完成后即采用砂浆进行找平，在试件养护过程中因泥浆中水分丧失产生了不同程度的变形，导致砂浆找平层也发生变形，引起所测砌体抗压强度降低。此外，生土基块材防水性较差，被水侵蚀后强度损失严重，水泥砂浆直接摊铺在生土基块材上，不仅导致砂浆失水，水化反应不充分，且降低了试件顶部块材的强度。对于快硬石膏找平的试件，由于采用塑料薄膜将石膏浆料与砌体顶面隔离，消除了浆料中水分对生土基块材的侵蚀，且相较于人工摊铺，自流平的方式也提高了加载面的平整度，因此，所测砌体抗压强度最高。3种找平方式中，采用快硬石膏找平的试件抗压强度离散程度较小，其湿制土坯砌体的抗压强度变异系数仅为5%，说明该种找平方式可较好地保证试验结果的稳定性。
湿沙、快硬石膏和水泥砂浆3种找平方式下，湿制土坯试件峰值位移均值分别为9.89，9.62和10.55 mm；干打土坯试件峰值位移均值分别为8.48，8.58和11.08 mm。2类土坯砌体试件中，采用水泥砂浆找平的试件峰值位移均值明显比其他2种找平方式的试件的高，而采用湿沙找平试件的峰值位移均值与快硬石膏找平试件的峰值位移均值差别不大。
表6 不同加载面找平方式生土基砌体试验结果
Table 6 Test result of earth block masonry with different capping
2.3 标准试件高厚比及找平方式确定
2.3.1 试件高厚比
我国“砌体基本力学性能试验方法标准”[9]根据对比试验中试件高厚比为3和5时，砌体抗压试验结果无显著差异，规定普通砖和各类多孔砖的标准砌体抗压试件高厚比应在3～5范围内。但本研究中，高厚比分别为3.3和5.0的干打土坯砌体单轴抗压破坏形态存在显著差异，且所测得抗压强度均值也相差9%，因此，该规定无法普遍适用于生土基砌体抗压试件。为确定生土基砌体强度标准试件的高厚比，分别从破坏形态、操作性以及数据离散性3方面对不同高厚比试件进行对比，结果如表7所示。环箍效应对高厚比较小(h/t＜3)的砌体试件作用显著，导致该类试件多为局部破坏，砌体抗压强度受块材强度控制，无法反映生土基砌体构件单轴受压实际状态；当试件高厚比较大时(4＜h/t)，湿制土坯砌体发生竖向裂缝贯穿破坏，而干打土坯砌体多发生失稳破坏，破坏形态的差异导致难以将试验结果进行对比；当试件高厚比适中时(3＜h/t＜4)，生土基砌体的破坏形态较为一致，均为竖向裂缝贯穿破坏。根据试件制作和吊装的难易程度将不同高厚比试件的操作性分为易、一般、难3个等级，高厚比较小(h/t＜3)的试件砌筑时试件高度易控制，且可通过人力搬运；高厚比适中(3＜h/t＜4)的试件砌筑难度虽有作增加，但采用机械吊装难度较小；高厚比较大(4＜h/t)的试件砌筑难度大，试件高度难以控制且吊装过程易发生倾覆。各类试件中，仅有高厚比5的干打土坯砌体抗压强度变异系数大于0.1，其余试件的抗压强度均显示出较好的离散性。综上所述，高厚比适中(3＜h/t＜4)的试件在试件破坏形态、操作性及数据离散性等方面较为均衡，建议生土基砌体强度标准试件的高厚比应为3~4。
2.3.2 加载面找平方式
为了确定生土基砌体抗压强度测试方法中所采用的加载面找平方式，分别从破坏形态、找平效果、操作性和抗压强度变异系数对3种找平方式进行对比，结果如表8所示。采用湿沙找平的湿制土坯砌体顶部出现局部劈裂和压溃，无法反应砌体实际受压状态，其余试件均为竖向裂缝贯穿破坏，破坏形态较为一致。人工涂抹水泥砂浆，无法使表面非常平整，加之砂浆强度形成时间较长，若在试件砌筑完成后即进行找平处理，找平效果还将受到试件变形的影响；摊铺湿沙后预压找平，对平整度差的块材(如湿制土坯)找平效果较差，且难以做到均匀密实；快硬石膏自流平可根据试件顶面高低不平顺势流动，找平效果最好。操作性方面，湿沙制备简便，且易于摊铺；水泥砂浆需经人工涂抹找平，对工人砌筑工艺要求较高；快硬石膏找平仅需制作简单模具，且石膏浆料配比简单，易于操作。从表8可以看出：采用快硬石膏找平的2类砌体试件抗压强度变异系数仅为4.5%和8.7%，其数据离散性较好。同时，相较于我国“砌体基本力学性能试验方法标准”[11]中推荐的将快硬浆料直接涂抹至砌体顶部并通过预压挤出多余浆料进行找平的方式，本文所提出的快硬石膏自流平可有效防止浆料中水分对砌体试件顶部的侵蚀，且找平效果更好。因此，建议生土基砌体抗压强度测试方法采用快硬石膏自流平的方式对试件顶部进行找平处理。
表7 不同高厚比试件对比
Table 7 Comparison of specimens with different height-to-thickness ratios
表8 找平方式对比
Table 8 Capping comparison
3 结论
1) 试件高厚比变化对湿制土坯砌体和干打土坯砌体抗压性能的影响存在差异。试件高厚比由3增至5，湿制土坯砌体均发生竖向裂缝贯穿破坏，试件抗压强度仅降低2%，而干打土坯砌体的破坏形态则由竖向裂缝贯穿破坏发展为失稳破坏，试件抗压强度降低约9%，我国“砌体基本力学性能试验方法标准”对标准砌体抗压试件高厚比的规定不适用于生土基砌体。
2) 不同工艺制作的生土基砌块砌体可采用相同高厚比试件作为抗压强度标准实验方法中的标准试件。当试件高厚比为3~4时，湿制土坯砌体和干打土坯砌体破坏形态统一，能真实反映砌体构件的受压状态，且试验数据稳定性较好，建议生土基砌体强度标准试件的高度应按高厚比为3~4确定。
3) 加载面找平方式对生土基砌体受压破坏形态影响较小，仅采用湿沙找平的湿制土坯砌体破坏时试件顶部被劈裂或压溃，其余试件均发生竖向裂缝贯穿破坏。采用快硬石膏自流平对试件加载面进行找平可保证2类生土基砌体顶面与加载板紧密接触，且所测得砌体抗压强度离散性小，建议生土基砌体强度标准试件顶部找平方式选用快硬石膏自流平。
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（编辑 杨幼平）
收稿日期： 2019 -03 -29; 修回日期： 2019 -05 -27
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51478043) (Project(51478043) supported by the National Natural Science Foundation of China)
通信作者：王毅红，博士，教授，从事生土基材料及钢筋混凝土结构设计基本原理研究；E-mail:2016028001@chd.edu.cn
