機制生態改性生土坯磚砌體基本力學性能試驗

高月月，郭軍林,3，袁 康,2，郭龍龍

機制生態改性生土坯磚砌體基本力學性能試驗

高月月1，郭軍林1,3※，袁 康1,2，郭龍龍1

（1. 石河子大學水利建筑工程學院，石河子 832003；2. 兵團工業研究院，石河子 832003；3. 重慶大學土木工程學院，重慶 400045）

力學性能；抗壓強度；本構關系；農村生土建筑；機制生態改性生土

0 引 言

隨著中國鄉村振興戰略和節能減排的實施，農村人民居住條件受到廣泛關注[1-2]。生土坯磚砌體結構作為主要的傳統建筑形式之一，因其便于就地取材、保溫隔熱、經濟環保、綠色節能等優勢，符合農村居民的經濟水平和生活習慣，廣泛分布于中國西北農村地區并將長期存在[3-4]，但材料強度低、砌塊力學性能不穩定成為其發展的主要制約因素。提高生土材料強度的主要途徑是材料改性，材料改性應以不影響原狀土壤成分和種植需要為基礎，在生土建筑達到使用年限后，生土仍可無害化回歸農田進行作物種植，即生態改性。機械壓制（簡稱機制）生土坯磚質量穩定性較高，被認為是生土坯磚砌體結構的發展趨勢[5]。砌體的抗壓強度和抗剪強度是生土坯磚砌體結構計算必需的基本參數。因此，研究機制生態改性生土坯磚砌體的基本力學性能對農村土地可持續發展和生土坯磚砌體結構安全性的意義重大。

近年來，國內外學者對生土材料的研究較多。在材料改性層面，王毅紅等采用水泥和石膏[6-7]、石灰和粉煤灰[8]、聚丙烯纖維[9]、礦渣[10]等材料對機制生土坯磚進行單摻或復合生土改性，其抗壓強度基本維持在2.3～4.5 MPa，最高可達13 MPa。但水泥、石膏等不可降解改性材料的使用未考慮農村生土建筑的無害化回歸，反而改變了土壤成分，在生土建筑達到使用年限回歸土地后將嚴重威脅農業生產。而生態改性生土材料可實現生土建筑無害化回歸，有效防止或減輕生土建筑垃圾的產生及其對生態環境的破壞，有利于農村土地可持續發展。然而，目前關于生態改性的研究僅限于使用秸稈進行物理改性，且改性效果有限[11-15]，尚無更加有效的化學及復合生態改性。在砌體層面，仲繼清等[16-18]研發了基于水泥基砂漿的粘結材料，以提高砌體的抗壓和抗剪性能，結果表明，較普通生土粘結材料，采用砂漿作為粘結材料的生土坯磚砌體抗壓、抗剪強度可分別提高50%和10倍左右。乃比·吾斯曼等[19]對在水平灰縫中布置鋼絲網以提高生土坯磚砌體抗壓強度的構造進行了試驗研究，抗壓強度亦可提高50%左右。潘興慶等[20-22]對生土坯磚砌體的抗壓、抗剪強度進行了試驗研究，分別得到了砌體的本構關系曲線和受力破壞特征，建立了生土坯磚砌體的抗壓強度計算公式。Veenkatarama等[23-24]對采用水泥土泥漿砌筑的生土坯磚砌體進行了抗壓、抗剪強度試驗，試驗結果表明泥漿灰縫厚度的大小和生土坯塊材剛度的大小對砌體強度影響較大。可見，通過材料改性提高自身強度以及改性粘結材料等手段，可顯著提高生土坯磚砌體的抗壓強度和抗剪強度。因此，研究生態改性生土相對應的機制生土坯磚砌體的抗壓強度和抗剪強度，對機制生土坯磚砌體結構的設計和抗震性能評估具有重要意義。

本文以一種滿足生土建筑無害化回歸的機制生態改性生土坯磚砌體為研究對象，通過抗壓及抗剪試驗方法，對4組共30個機制生土坯磚砌體試件的抗壓強度、抗剪強度等基本力學性能進行了研究，以分析其破壞形態以及探究機制生態改性生土坯磚砌體的抗壓本構關系，擬為后續機制生態改性生土坯磚砌體結構層面的抗震性能計算和數值模擬提供試驗數據和理論依據。

1 試驗概況

1.1 生態改性生土材料的選取

為實現生土建筑無害化回歸的同時提升機制生土坯磚砌體強度，基于不改變生土固有性質以及保證改性材料無污染、造價低廉、便于取材的原則，選取水玻璃、鉀明礬、尿素、可再分散性乳膠粉、秸稈等作為改性材料。其中，水玻璃是一種無機凝膠材料，主要成分為Na2SiO3；鉀明礬主要成分為KAl(SO4)2；尿素是有機物，主要成分為CH4N2O；膠粉為醋酸乙烯酯與乙烯共聚物，屬于聚合物樹脂；秸稈是一種環保無害的纖維材料，以上材料均是以提高機制生土坯磚砌體強度為目的的無污染改性材料。由于生土材料強度試驗無統一標準，本文參照《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO法）》[25]進行了生態改性生土材料強度試驗，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。通過正交試驗的抗壓與抗折強度指標分析、極差分析以及方差分析[26]，得到生態改性生土的最優質量配合比為：素土∶水玻璃∶鉀明礬∶尿素∶膠粉∶秸稈∶減水劑= 1∶0.008∶0.004∶0.012∶0.02∶0.004∶0.01，最優配合比下的生態改性生土的抗壓強度及抗折強度分別為5.12和1.77 MPa，與未改性生土的強度3.41和1.26 MPa相比分別提高40.4%、50.1%。通過X射線熒光分析儀得出的未改性生土主要化學成分為SiO2，Al2O3，CaO，Fe2O3，MgO，K2O，Na2O，TiO2，分別占未改性生土總質量的比例為59.49%，17.4%，7.58%，5.39%，3.9%，2.89%，1.79%，0.68%。為分析生態改性生土的營養成分變化，對機制生土坯磚樣品進行土壤的主控有益指標檢測，檢測指標結果見表1，其中技術指標參考《綠化種植土壤》[27]。由表1可知，較未改性生土，生態改性生土中除P含量和pH值略微降低，其他土壤有益成分均有一定提升，且基本符合綠化種植土壤技術要求，說明生態改性生土可實現生土建筑無害化回歸。

表1 不同生土主控有益指標對比

1.2 試件的設計與制作

試驗所用機制生土坯磚以新疆石河子市黏土為主要材料，由新疆石河子市泰昌磚廠組合型雙級真空擠磚機（JKR45/45-20）擠制而成，機制生土坯磚的尺寸為240 mm×115mm×90mm。其中，機制生態改性生土坯磚由上述最優配合比配制成。機制生土坯磚砌體所使用的砌筑泥漿配比與相對應的機制生土坯磚配比相同，機制未改性和機制生態改性生土砌筑泥漿立方體（70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）抗壓強度分別為2.26和2.75 MPa，機制未改性生土坯磚和機制生態改性生土坯磚的抗壓強度分別為2.39和3 MPa。

按照《砌體基本力學性能試驗方法標準》[28]分別制作了2組機制未改性和機制生態改性生土坯磚砌體抗壓試件與抗剪試件。抗壓試件中，6個試件為1組，尺寸為370 mm×240 mm×800 mm，其中機制生態改性生土坯磚砌體抗壓試件編號為MMAC1～MMAC6（MMAC: Mechanical Eco-Modified Adobe Brick Masonry Compressive specimen），機制未改性生土坯磚砌體抗壓試件編號為MUAC1～MUAC6（MUAC: Mechanical Un-Modified Adobe Brick Masonry Compressive specimen），砌體抗壓試件的高厚比為3.3，各砌塊之間的砌筑泥漿厚度為10 mm。抗剪試件中，9個試件為1組，尺寸為290 mm×240 mm×370 mm，其中機制生態改性生土坯磚砌體抗剪試件編號為MMAS1～MMAS9（MMAS: Mechanical Eco-Modified Adobe Brick Masonry Shearing specimen），機制未改性生土坯磚砌體抗剪試件編號為MUAS1～MUAS9（MUAS: Mechanical Un-Modified Adobe Brick Masonry Shearing specimen），各砌塊之間的砌筑泥漿厚度為10 mm。機制生土坯磚砌體試件設計如圖1所示。

1.3 加載裝置及測量內容

機制生土坯磚砌體抗壓與抗剪試驗均在石河子大學力學實驗室進行，砌體抗壓試驗采用YAW-500（量程：5 000 kN）電液伺服壓力試驗機進行，砌體抗剪試驗采用CSS-44300（量程：300 kN）萬能試驗機進行，如圖2所示。加載方案參照《砌體基本力學性能試驗方法標準》[28]。由于試件表面不平整，加載面用細砂找平后放置加載板，用水平尺檢查平整度，并將試件的中心與加載板中心對中。分別測量抗壓試件沿高度1/4、1/2、3/4處的截面高度與寬度，測量精度為1 mm，記錄尺寸并計算平均值，將平均值作為試件截面的寬度和高度以計算抗壓截面面積。抗剪試件需測量其受剪面尺寸，測量精度為1 mm，并將其平均值作為抗剪截面面積計算依據。

砌體抗壓試驗采用荷載分級加載制度，在預估破壞荷載的5%～20%之間，反復預壓3次，預壓荷載為1.5～3 kN，以保證試件與加載面接觸緊密。預壓后，采用荷載控制的分級加載，每級荷載為預估破壞荷載值（預估破壞荷載取相同參數下試壓試件的破壞荷載）的10%，并約1 min內均勻加載，每級加載完成后靜置1 min后施加下一級荷載，加載至預估破壞荷載的80%后，繼續加載，直到試件破壞，當試驗荷載曲線出現明顯下降時，認定試件喪失承載能力而達到破壞狀態[28]。為避免沖擊荷載，砌體抗剪試驗加載制度采用位移控制，抗剪試件勻速連續加載，加載速率為1 mm/min，以單個受剪面破壞定義為試件破壞。

試驗測量內容主要為試驗過程中試件的荷載和位移，數據采集系統為壓力機及萬能試驗機自帶數據采集系統，采集頻率為10 Hz。

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象及試件強度

2.1.1 機制生土坯磚砌體抗壓試驗

機制生土坯磚砌體破壞現象如圖3所示。根據試驗現象，試件破壞可分為4個階段。彈性階段：在試驗初期，隨著荷載增大，機制未改性和機制生態改性生土坯磚砌體試件的變形基本相同，表面無明顯破損；開裂階段：當加載至峰值荷載的20%～46%時，兩類機制生土坯磚砌體的首條豎向裂縫均先后出現在試件上部豎向灰縫處和機制生土坯磚中部，裂縫長度約20～30 mm；裂縫發展階段：試件的裂縫快速發展并延伸，最大寬度約2～3 mm，沿豎向灰縫及多層土坯磚連接處形成貫通裂縫，相對機制未改性生土坯磚砌體試件，機制生態改性生土坯磚砌體試件初期裂縫較多且細密呈網狀；破壞階段：試件裂縫充分發展，最大寬度達3～10 mm。為分析試件延性，試驗在加載至峰值荷載的80%后仍繼續加載，當荷載下降至峰值荷載的80%～55%時，機制未改性生土坯磚砌體試件被裂縫分割成多個豎向細柱且瞬間大量脫落，同時，部分試件由于應力集中出現頂部局部壓潰現象，但試件整體并未完全喪失承載能力；對于機制生態改性生土坯磚砌體，當荷載下降至峰值荷載的65%～40%時，試件被裂縫分割所形成的豎向細柱逐漸脫落，這是由于機制生態改性生土坯磚內部秸稈起到了拉結作用。

2.1.2 機制生土坯磚砌體抗剪試驗

機制生態改性生土坯磚砌體與機制未改性生土坯磚砌體抗剪試驗破壞現象相同，如圖4所示。試驗初期，試件所施加的荷載較小，試件無明顯變化；隨著荷載的增加，通縫截面上部首先出現細小裂縫，泥漿與生土坯磚粘結層開裂并產生輕微的脆裂聲，生土坯磚相互間出現沿豎向灰縫相對滑移的趨勢；繼續增加荷載，裂縫逐漸向下擴展貫通，并迅速增寬，生土坯磚沿豎向灰縫剝離，試件沿豎向灰縫發生剪切破壞，試驗結束。兩類試件破壞現象較為接近，破壞形態均表現為雙面剪切破壞。

2.1.3 機制生土坯磚砌體抗壓強度及抗剪強度

表2為機制生土坯磚砌體抗壓強度及抗剪強度試驗結果，對比可知，機制未改性生土坯磚砌體的平均抗壓強度為0.87 MPa，平均抗剪強度為0.029 MPa；機制生態改性生土坯磚砌體的平均抗壓強度為1.08 MPa，平均抗剪強度為0.034 MPa，相較于機制未改性生土坯磚砌體分別提高了23%與17%，說明在相同尺寸與施工工藝的前提下，適當提高砌塊的強度與沿通縫的抗剪強度可較大的提高砌體的強度。同時，機制未改性生土坯磚砌體的平均位移為13.79 mm，機制生態改性生土坯磚砌體的平均位移為14.65 mm，相比之下延性提高了7%。可見，摻入生態改性材料使砌體試件的延性得到一定提高。

2.2 機制生土坯磚砌體抗壓本構關系

根據抗壓、抗剪試驗實測的荷載、位移數據，利用下式計算可得機制生土坯磚砌體的應力和應變。

將實測應力-應變曲線采用無量綱坐標形式表示為

圖4 機制生態改性生土坯磚砌體破壞現象

Fig.4 Failure phenomenon of mechanical eco-modified adobe brick masonry

表2 抗壓試驗與抗剪試驗結果

注：MMAC：機制生態改性生土坯磚砌體抗壓試件；MUAC：機制未改性生土坯磚砌體抗壓試件； MMAS：機制生態改性生土坯磚砌體抗剪試件； MUAS：機制未改性生土坯磚砌體抗剪試件。MUAC-6和MUAS-9試件在搬運過程中發生破壞，其數據予以舍棄。

Notes: MMAC: Mechanical Eco-Modified Adobe Brick Masonry Compressive specimen, MUAC: Mechanical Un-Modified Adobe Brick Masonry Compressive specimen, MMAS: Mechanical Eco-Modified Adobe Brick Masonry Shearing specimen, MUAS: Mechanical Un-Modified Adobe Brick Masonry Shearing specimen. MUAC-6 and MUAS-9 were damaged during handling, their data were discarded.

參考Powel等[29]提出的形式簡單且具有代表性的本構方程式以及仲繼清等[30-32]學者提出的砌體應力-應變關系式，并針對各公式分別對本文機制生態改性生土坯磚砌體試驗數據平均值進行擬合，結果如表3所示：

由表3可見，文獻[31-32]公式擬合效果較好，但文獻[32]擬合曲線上升段較試驗曲線出現下凹現象，且下降段二者曲線較為離散。因此綜合本構方程的復雜程度與擬合情況，本文選擇了參數唯一且方程較為簡單的楊衛忠的砌體本構模型（文獻[31]）。利用該本構方程對本次試驗的機制未改性與機制生態改性生土坯磚砌體抗壓強度試驗數據進行擬合，結果如圖5所示。

由圖5分析可知：

1）試驗中，試件的試驗和理論曲線在初始上升段存在偏差，但總體擬合程度較好，曲線的總體形狀和走勢一致。

2）擬合得到的決定系數2基本都大于0.85，機制生土坯磚砌體受壓本構方程對試驗曲線的幾何特征點擬合效果較好，滿足峰值點處曲線光滑、連續的特點。

3）機制生土坯磚砌體受壓應力-應變曲線由上升段與下降段兩部分組成。各試件上升段曲線形狀與走勢相差較小，原因是試驗加載初期試件處于彈性狀態，曲線呈線性變化；隨著荷載持續增加，試件剛度發生變化，試件由彈性階段進入了彈塑性階段直至曲線到達峰值荷載。機制生土坯磚砌體試件曲線下降段較為離散平緩，原因是當機制生土坯磚砌體達到峰值荷載時，砌體被分割成多個豎向細柱，且機制生土坯磚的強度直接影響機制生土坯磚砌體的抗壓強度，使得被分割的多個豎向細柱具有一定的殘余強度，在豎向壓力作用下，細柱發生內力重分配，故而機制生土坯磚砌體受壓應力-應變曲線在下降段較為平緩，隨著荷載的持續增加，細柱被壓潰且試件因失去承載力被破壞。

表3 本構方程擬合結果

2.3 機制生土坯磚砌體抗壓強度計算

通過前期試驗可知機制未改性與機制生態改性生土坯磚的抗壓強度試驗平均值分別為2.39和3 MPa，砌筑泥漿的抗壓強度試驗平均值分別為2.26和2.75 MPa。根據規范[33]，將數據代入公式（3）可計算出砌體抗壓強度平均計算值。

機制未改性生土坯磚砌體

機制生態改性生土坯磚砌體

分別將機制未改性與機制生態改性生土坯磚以及砌筑泥漿的抗壓強度試驗平均值代入修正后的計算公式中，得出其抗壓強度計算值分別為0.76和0.95，相較于試驗值誤差分別為13%和12%。同時，為驗證該擬合公式的適用性，選取了趙成等[11-12,34]學者的試驗數據進行理論計算，結果如表4。

由表4可見，修正后公式所計算出的各試件抗壓強度試驗值與計算值之間的誤差在5%～23%以內，說明以秸稈為物理改性材料的生土坯磚砌體抗壓強度用修正公式計算合理，且能夠滿足機制生土坯磚砌體抗壓強度的要求。

表4 抗壓強度修正公式的驗證

為進一步驗證機制生土坯磚砌體抗壓強度修正公式的適用性，將其計算值代入砌體抗壓承載力計算公式中進行分析。為此，根據修正后的抗壓強度計算公式的結果，采用現《砌體結構設計規范》[33]中提供的計算公式（6）可計算出機制未改性與機制生態改性生土坯磚砌體的軸向抗壓標準值分別為0.62 MPa和0.85 MPa，依據規范[33]，可由公式（7）計算機制未改性與機制生態改性生土坯磚砌體的軸心受壓承載力試驗值，可由公式（8）計算機制未改性與機制生態改性生土坯磚砌體的軸心受壓承載力計算值，可由公式（9）計算試件承載力試驗值與計算值之間的相對誤差，結果如表5所示，試件的試驗值誤差與計算值誤差均在15%以內，說明修正公式較為合理。

表5 機制生土坯磚砌體承載力計算值與試驗值對比

3 討 論

本文機制生態改性生土坯磚砌體的破壞形態主要體現為沿豎向灰縫出現兩條貫穿裂縫，這與文獻[5]及文獻[19]中所描述的破壞形態基本一致，不同的是文獻[5]采用了改性水泥和混合砂漿作為粘結材料，文獻[19]在改性泥漿灰縫中采用了鋼絲網構造措施。從抗壓強度來看，本文機制生態改性生土坯磚砌體抗壓強度（1.08 MPa）與文獻[19]灰縫設置單層鋼絲網的抗壓強度（1.12 MPa）接近，說明本文提出的生態改性效果較好。但距離文獻[5]中以水泥、石灰等作為改性生土坯材料，由改性混合砂漿為粘結材料的砌體抗壓強度（3.22 MPa）有一定差距，原因為本文機制生態改性生土坯磚強度（3 MPa）和泥漿抗壓強度（2.75 MPa）遠低于文獻[5]中抗壓強度為11.58 MPa的生土坯磚和強度為5 MPa的改性混合砂漿。后期可考慮在保證不破壞生土建筑無害化回歸的基礎上在灰縫中加入類似于文獻[19]中可回收的加強構造措施，以進一步提高機制生土坯磚砌體抗壓強度。

機制生態改性生土坯磚砌體抗剪破壞形態主要體現為沿泥漿與土坯粘結界面的雙面剪切破壞，這與文獻[18]、[5]及[33]中所描述的I類破壞一致。本文機制生態改性生土坯磚砌體的抗剪強度約為文獻[35]中采用麥秸稈改性泥漿作為砌筑材料的生土坯磚砌體（0.016 MPa）的2.2倍，約為相同破壞形態下以水泥砂漿為粘結材料的生土坯磚砌體（0.06 MPa）的56.8%。說明相較于物理改性，采用化學或復合改性方法提高砌體砌筑材料的粘結性能效果更好，本文所使用的生態改性生土砌筑泥漿能夠提高土坯磚砌體的抗剪性能，但與改性水泥砂漿相比，效果仍然不夠理想，后期可針對砌筑材料與土坯粘結性能深入研究。

本文結合機制生態改性生土坯磚砌體抗壓強度試驗，對《砌體結構設計規范》推薦的砌體抗壓強度計算公式進行了修正，得到了機制生態改性生土坯磚砌體的抗壓強度計算方法，并采用砌體抗壓承載力計算公式對其進行了驗證，為進一步討論機制生態改性生土坯磚砌體的抗壓強度計算方法，針對歐洲規范推薦的砌體抗壓強度計算公式及其他國外學者提出的代表性砌體抗壓強度計算公式進行計算對比，計算結果見表6。

表6 試驗的抗壓強度平均值與國外計算公式值對比

由表6可知，不同公式計算出的抗壓強度值各不相同，通過對比，Dymiotis和Gutlederer[37]所提出的砌體抗壓強度計算公式計算結果與本文試驗值的誤差在10%以內，與修正后的計算公式計算出的結果亦較為接近。因此，文獻[37]及本文所修正的計算公式可同時作為機制生態改性生土坯磚砌體抗壓強度計算公式使用。

4 結 論

本文對機制生態改性生土坯磚砌體進行抗壓與抗剪試驗，分析了機制未改性與機制生態改性生土坯磚砌體的基本受力特征以及強度變化規律，探究了抗壓砌體的本構關系并建立了修正后的抗壓強度平均值計算公式，同時計算并分析了其承載力。具體得出的結論如下：

1）機制生態改性生土坯磚砌體抗壓試件破壞主要為沿豎向灰縫貫穿劈裂且呈現延性破壞的特點；抗剪試件主要體現為沿泥漿與土坯粘結界面的雙面剪切破壞且具有瞬時性特點。生態改性材料的加入使機制生土坯磚砌體的抗壓強度提高了23%、抗剪強度提高了17%，延性提高了7%，機制生土坯磚砌體的強度與延性通過生態改性均得到了較好的提升。

2）由抗壓本構方程的擬合結果分析表明，楊衛忠提出的砌體受壓本構模型（文獻[31]）與機制生態改性生土坯磚砌體得到的應力-應變曲線的幾何特征點擬合效果較好，滿足峰值點處曲線光滑、連續的特點，可作為數值模擬使用的本構模型。

3）機制未改性和機制生態改性生土坯磚砌體抗壓強度可使用《砌體結構設計規范》中經本文修正后的抗壓強度計算公式計算。經修正后的砌體抗壓強度計算公式使機制未改性與機制生態改性生土坯磚砌體抗壓強度計算誤差分別由60%和49%降為13%和12%。

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Experiment on the basic mechanical properties of mechanical eco-modified adobe brick masonry

Gao Yueyue1, Guo Junlin1,3※, Yuan Kang1,2, Guo Longlong1

(1.,,,832003,; 2.,,832003,;3.,,,400045,)

mechanical properties; compressive strength; constitutive relation; rural adobe building; mechanical adobe brick masonry

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.020

TU502+.6

A

1002-6819(2021)-10-0166-09

高月月，郭軍林，袁康，等. 機制生態改性生土坯磚砌體基本力學性能試驗[J]. 農業工程學報，2021，37(10)：166-174.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.020 http://www.tcsae.org

Gao Yueyue, Guo Junlin, Yuan Kang, et al. Experiment on the basic mechanical properties of mechanical eco-modified adobe brick masonry[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(10): 166-174. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.020 http://www.tcsae.org

2021-01-23

2021-04-14

國家十三五重點研發計劃課題（2018YFD1100402）；兵團中青年科技領軍人才計劃項目（2020CB033）；石河子大學校級項目（CXPY202014）

高月月，研究方向為工程結構抗震。Email：571632986@qq.com

郭軍林，講師，博士，研究方向為工程結構抗震。Email：guo_education@163.com