高月月，郭軍林,3，袁 康,2，郭龍龍

機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)

高月月1，郭軍林1,3※，袁 康1,2，郭龍龍1

（1. 石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832003；2. 兵團(tuán)工業(yè)研究院，石河子 832003；3. 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045）

力學(xué)性能；抗壓強(qiáng)度；本構(gòu)關(guān)系；農(nóng)村生土建筑；機(jī)制生態(tài)改性生土

0 引 言

隨著中國鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略和節(jié)能減排的實(shí)施，農(nóng)村人民居住條件受到廣泛關(guān)注[1-2]。生土坯磚砌體結(jié)構(gòu)作為主要的傳統(tǒng)建筑形式之一，因其便于就地取材、保溫隔熱、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、綠色節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，符合農(nóng)村居民的經(jīng)濟(jì)水平和生活習(xí)慣，廣泛分布于中國西北農(nóng)村地區(qū)并將長期存在[3-4]，但材料強(qiáng)度低、砌塊力學(xué)性能不穩(wěn)定成為其發(fā)展的主要制約因素。提高生土材料強(qiáng)度的主要途徑是材料改性，材料改性應(yīng)以不影響原狀土壤成分和種植需要為基礎(chǔ)，在生土建筑達(dá)到使用年限后，生土仍可無害化回歸農(nóng)田進(jìn)行作物種植，即生態(tài)改性。機(jī)械壓制（簡(jiǎn)稱機(jī)制）生土坯磚質(zhì)量穩(wěn)定性較高，被認(rèn)為是生土坯磚砌體結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)[5]。砌體的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度是生土坯磚砌體結(jié)構(gòu)計(jì)算必需的基本參數(shù)。因此，研究機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體的基本力學(xué)性能對(duì)農(nóng)村土地可持續(xù)發(fā)展和生土坯磚砌體結(jié)構(gòu)安全性的意義重大。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(duì)機(jī)制生土坯磚進(jìn)行單摻或復(fù)合生土改性，其抗壓強(qiáng)度基本維持在2.3～4.5 MPa，最高可達(dá)13 MPa。但水泥、石膏等不可降解改性材料的使用未考慮農(nóng)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(dá)到使用年限回歸土地后將嚴(yán)重威脅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。而生態(tài)改性生土材料可實(shí)現(xiàn)生土建筑無害化回歸，有效防止或減輕生土建筑垃圾的產(chǎn)生及其對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞，有利于農(nóng)村土地可持續(xù)發(fā)展。然而，目前關(guān)于生態(tài)改性的研究僅限于使用秸稈進(jìn)行物理改性，且改性效果有限[11-15]，尚無更加有效的化學(xué)及復(fù)合生態(tài)改性。在砌體層面，仲繼清等[16-18]研發(fā)了基于水泥基砂漿的粘結(jié)材料，以提高砌體的抗壓和抗剪性能，結(jié)果表明，較普通生土粘結(jié)材料，采用砂漿作為粘結(jié)材料的生土坯磚砌體抗壓、抗剪強(qiáng)度可分別提高50%和10倍左右。乃比·吾斯曼等[19]對(duì)在水平灰縫中布置鋼絲網(wǎng)以提高生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度的構(gòu)造進(jìn)行了試驗(yàn)研究，抗壓強(qiáng)度亦可提高50%左右。潘興慶等[20-22]對(duì)生土坯磚砌體的抗壓、抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分別得到了砌體的本構(gòu)關(guān)系曲線和受力破壞特征，建立了生土坯磚砌體的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式。Veenkatarama等[23-24]對(duì)采用水泥土泥漿砌筑的生土坯磚砌體進(jìn)行了抗壓、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明泥漿灰縫厚度的大小和生土坯塊材剛度的大小對(duì)砌體強(qiáng)度影響較大?？梢姡ㄟ^材料改性提高自身強(qiáng)度以及改性粘結(jié)材料等手段，可顯著提高生土坯磚砌體的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。因此，研究生態(tài)改性生土相對(duì)應(yīng)的機(jī)制生土坯磚砌體的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，對(duì)機(jī)制生土坯磚砌體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和抗震性能評(píng)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(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體為研究對(duì)象，通過抗壓及抗剪試驗(yàn)方法，對(duì)4組共30個(gè)機(jī)制生土坯磚砌體試件的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等基本力學(xué)性能進(jìn)行了研究，以分析其破壞形態(tài)以及探究機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體的抗壓本構(gòu)關(guān)系，擬為后續(xù)機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體結(jié)構(gòu)層面的抗震性能計(jì)算和數(shù)值模擬提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 生態(tài)改性生土材料的選取

為實(shí)現(xiàn)生土建筑無害化回歸的同時(shí)提升機(jī)制生土坯磚砌體強(qiáng)度，基于不改變生土固有性質(zhì)以及保證改性材料無污染、造價(jià)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(jī)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(jī)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(huán)保無害的纖維材料，以上材料均是以提高機(jī)制生土坯磚砌體強(qiáng)度為目的的無污染改性材料。由于生土材料強(qiáng)度試驗(yàn)無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法（ISO法）》[25]進(jìn)行了生態(tài)改性生土材料強(qiáng)度試驗(yàn)，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm。通過正交試驗(yàn)的抗壓與抗折強(qiáng)度指標(biāo)分析、極差分析以及方差分析[26]，得到生態(tài)改性生土的最優(yōu)質(zhì)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(yōu)配合比下的生態(tài)改性生土的抗壓強(qiáng)度及抗折強(qiáng)度分別為5.12和1.77 MPa，與未改性生土的強(qiáng)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(xué)成分為SiO2，Al2O3，CaO，F(xiàn)e2O3，MgO，K2O，Na2O，TiO2，分別占未改性生土總質(zhì)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(tài)改性生土的營養(yǎng)成分變化，對(duì)機(jī)制生土坯磚樣品進(jìn)行土壤的主控有益指標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)指標(biāo)結(jié)果見表1，其中技術(shù)指標(biāo)參考《綠化種植土壤》[27]。由表1可知，較未改性生土，生態(tài)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(shù)要求，說明生態(tài)改性生土可實(shí)現(xiàn)生土建筑無害化回歸。

表1 不同生土主控有益指標(biāo)對(duì)比

1.2 試件的設(shè)計(jì)與制作

試驗(yàn)所用機(jī)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(jí)真空擠磚機(jī)（JKR45/45-20）擠制而成，機(jī)制生土坯磚的尺寸為240 mm×115mm×90mm。其中，機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚由上述最優(yōu)配合比配制成。機(jī)制生土坯磚砌體所使用的砌筑泥漿配比與相對(duì)應(yīng)的機(jī)制生土坯磚配比相同，機(jī)制未改性和機(jī)制生態(tài)改性生土砌筑泥漿立方體（70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）抗壓強(qiáng)度分別為2.26和2.75 MPa，機(jī)制未改性生土坯磚和機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚的抗壓強(qiáng)度分別為2.39和3 MPa。

按照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[28]分別制作了2組機(jī)制未改性和機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗壓試件與抗剪試件?？箟涸嚰?，6個(gè)試件為1組，尺寸為370 mm×240 mm×800 mm，其中機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗壓試件編號(hào)為MMAC1～MMAC6（MMAC: Mechanical Eco-Modified Adobe Brick Masonry Compressive specimen），機(jī)制未改性生土坯磚砌體抗壓試件編號(hào)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?？辜粼嚰校?個(gè)試件為1組，尺寸為290 mm×240 mm×370 mm，其中機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗剪試件編號(hào)為MMAS1～MMAS9（MMAS: Mechanical Eco-Modified Adobe Brick Masonry Shearing specimen），機(jī)制未改性生土坯磚砌體抗剪試件編號(hào)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(jī)制生土坯磚砌體試件設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.3 加載裝置及測(cè)量內(nèi)容

機(jī)制生土坯磚砌體抗壓與抗剪試驗(yàn)均在石河子大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，砌體抗壓試驗(yàn)采用YAW-500（量程：5 000 kN）電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，砌體抗剪試驗(yàn)采用CSS-44300（量程：300 kN）萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，如圖2所示。加載方案參照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[28]。由于試件表面不平整，加載面用細(xì)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(duì)中。分別測(cè)量抗壓試件沿高度1/4、1/2、3/4處的截面高度與寬度，測(cè)量精度為1 mm，記錄尺寸并計(jì)算平均值，將平均值作為試件截面的寬度和高度以計(jì)算抗壓截面面積。抗剪試件需測(cè)量其受剪面尺寸，測(cè)量精度為1 mm，并將其平均值作為抗剪截面面積計(jì)算依據(jù)。

砌體抗壓試驗(yàn)采用荷載分級(jí)加載制度，在預(yù)估破壞荷載的5%～20%之間，反復(fù)預(yù)壓3次，預(yù)壓荷載為1.5～3 kN，以保證試件與加載面接觸緊密。預(yù)壓后，采用荷載控制的分級(jí)加載，每級(jí)荷載為預(yù)估破壞荷載值（預(yù)估破壞荷載取相同參數(shù)下試壓試件的破壞荷載）的10%，并約1 min內(nèi)均勻加載，每級(jí)加載完成后靜置1 min后施加下一級(jí)荷載，加載至預(yù)估破壞荷載的80%后，繼續(xù)加載，直到試件破壞，當(dāng)試驗(yàn)荷載曲線出現(xiàn)明顯下降時(shí)，認(rèn)定試件喪失承載能力而達(dá)到破壞狀態(tài)[28]。為避免沖擊荷載，砌體抗剪試驗(yàn)加載制度采用位移控制，抗剪試件勻速連續(xù)加載，加載速率為1 mm/min，以單個(gè)受剪面破壞定義為試件破壞。

試驗(yàn)測(cè)量內(nèi)容主要為試驗(yàn)過程中試件的荷載和位移，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為壓力機(jī)及萬能試驗(yàn)機(jī)自帶數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集頻率為10 Hz。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象及試件強(qiáng)度

2.1.1 機(jī)制生土坯磚砌體抗壓試驗(yàn)

機(jī)制生土坯磚砌體破壞現(xiàn)象如圖3所示。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，試件破壞可分為4個(gè)階段。彈性階段：在試驗(yàn)初期，隨著荷載增大，機(jī)制未改性和機(jī)制生態(tài)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(dāng)加載至峰值荷載的20%～46%時(shí)，兩類機(jī)制生土坯磚砌體的首條豎向裂縫均先后出現(xiàn)在試件上部豎向灰縫處和機(jī)制生土坯磚中部，裂縫長度約20～30 mm；裂縫發(fā)展階段：試件的裂縫快速發(fā)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(duì)機(jī)制未改性生土坯磚砌體試件，機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體試件初期裂縫較多且細(xì)密呈網(wǎng)狀；破壞階段：試件裂縫充分發(fā)展，最大寬度達(dá)3～10 mm。為分析試件延性，試驗(yàn)在加載至峰值荷載的80%后仍繼續(xù)加載，當(dāng)荷載下降至峰值荷載的80%～55%時(shí)，機(jī)制未改性生土坯磚砌體試件被裂縫分割成多個(gè)豎向細(xì)柱且瞬間大量脫落，同時(shí)，部分試件由于應(yīng)力集中出現(xiàn)頂部局部壓潰現(xiàn)象，但試件整體并未完全喪失承載能力；對(duì)于機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體，當(dāng)荷載下降至峰值荷載的65%～40%時(shí)，試件被裂縫分割所形成的豎向細(xì)柱逐漸脫落，這是由于機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚內(nèi)部秸稈起到了拉結(jié)作用。

2.1.2 機(jī)制生土坯磚砌體抗剪試驗(yàn)

機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體與機(jī)制未改性生土坯磚砌體抗剪試驗(yàn)破壞現(xiàn)象相同，如圖4所示。試驗(yàn)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(xiàn)細(xì)小裂縫，泥漿與生土坯磚粘結(jié)層開裂并產(chǎn)生輕微的脆裂聲，生土坯磚相互間出現(xiàn)沿豎向灰縫相對(duì)滑移的趨勢(shì)；繼續(xù)增加荷載，裂縫逐漸向下擴(kuò)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(fā)生剪切破壞，試驗(yàn)結(jié)束。兩類試件破壞現(xiàn)象較為接近，破壞形態(tài)均表現(xiàn)為雙面剪切破壞。

2.1.3 機(jī)制生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度

表2為機(jī)制生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度及抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比可知，機(jī)制未改性生土坯磚砌體的平均抗壓強(qiáng)度為0.87 MPa，平均抗剪強(qiáng)度為0.029 MPa；機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體的平均抗壓強(qiáng)度為1.08 MPa，平均抗剪強(qiáng)度為0.034 MPa，相較于機(jī)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(dāng)提高砌塊的強(qiáng)度與沿通縫的抗剪強(qiáng)度可較大的提高砌體的強(qiáng)度。同時(shí)，機(jī)制未改性生土坯磚砌體的平均位移為13.79 mm，機(jī)制生態(tài)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%?？梢?，摻入生態(tài)改性材料使砌體試件的延性得到一定提高。

2.2 機(jī)制生土坯磚砌體抗壓本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)抗壓、抗剪試驗(yàn)實(shí)測(cè)的荷載、位移數(shù)據(jù)，利用下式計(jì)算可得機(jī)制生土坯磚砌體的應(yīng)力和應(yīng)變。

將實(shí)測(cè)應(yīng)力-應(yīng)變曲線采用無量綱坐標(biāo)形式表示為

圖4 機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體破壞現(xiàn)象

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

表2 抗壓試驗(yàn)與抗剪試驗(yàn)結(jié)果

注：MMAC：機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗壓試件；MUAC：機(jī)制未改性生土坯磚砌體抗壓試件； MMAS：機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗剪試件； MUAS：機(jī)制未改性生土坯磚砌體抗剪試件。MUAC-6和MUAS-9試件在搬運(yùn)過程中發(fā)生破壞，其數(shù)據(jù)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(jiǎn)單且具有代表性的本構(gòu)方程式以及仲繼清等[30-32]學(xué)者提出的砌體應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系式，并針對(duì)各公式分別對(duì)本文機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行擬合，結(jié)果如表3所示：

由表3可見，文獻(xiàn)[31-32]公式擬合效果較好，但文獻(xiàn)[32]擬合曲線上升段較試驗(yàn)曲線出現(xiàn)下凹現(xiàn)象，且下降段二者曲線較為離散。因此綜合本構(gòu)方程的復(fù)雜程度與擬合情況，本文選擇了參數(shù)唯一且方程較為簡(jiǎn)單的楊衛(wèi)忠的砌體本構(gòu)模型（文獻(xiàn)[31]）。利用該本構(gòu)方程對(duì)本次試驗(yàn)的機(jī)制未改性與機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖5所示。

由圖5分析可知：

1）試驗(yàn)中，試件的試驗(yàn)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(shì)一致。

2）擬合得到的決定系數(shù)2基本都大于0.85，機(jī)制生土坯磚砌體受壓本構(gòu)方程對(duì)試驗(yàn)曲線的幾何特征點(diǎn)擬合效果較好，滿足峰值點(diǎn)處曲線光滑、連續(xù)的特點(diǎn)。

3）機(jī)制生土坯磚砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)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(shì)相差較小，原因是試驗(yàn)加載初期試件處于彈性狀態(tài)，曲線呈線性變化；隨著荷載持續(xù)增加，試件剛度發(fā)生變化，試件由彈性階段進(jìn)入了彈塑性階段直至曲線到達(dá)峰值荷載。機(jī)制生土坯磚砌體試件曲線下降段較為離散平緩，原因是當(dāng)機(jī)制生土坯磚砌體達(dá)到峰值荷載時(shí)，砌體被分割成多個(gè)豎向細(xì)柱，且機(jī)制生土坯磚的強(qiáng)度直接影響機(jī)制生土坯磚砌體的抗壓強(qiáng)度，使得被分割的多個(gè)豎向細(xì)柱具有一定的殘余強(qiáng)度，在豎向壓力作用下，細(xì)柱發(fā)生內(nèi)力重分配，故而機(jī)制生土坯磚砌體受壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線在下降段較為平緩，隨著荷載的持續(xù)增加，細(xì)柱被壓潰且試件因失去承載力被破壞。

表3 本構(gòu)方程擬合結(jié)果

2.3 機(jī)制生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算

通過前期試驗(yàn)可知機(jī)制未改性與機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值分別為2.39和3 MPa，砌筑泥漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值分別為2.26和2.75 MPa。根據(jù)規(guī)范[33]，將數(shù)據(jù)代入公式（3）可計(jì)算出砌體抗壓強(qiáng)度平均計(jì)算值。

機(jī)制未改性生土坯磚砌體

機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體

分別將機(jī)制未改性與機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚以及砌筑泥漿的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)平均值代入修正后的計(jì)算公式中，得出其抗壓強(qiáng)度計(jì)算值分別為0.76和0.95，相較于試驗(yàn)值誤差分別為13%和12%。同時(shí)，為驗(yàn)證該擬合公式的適用性，選取了趙成等[11-12,34]學(xué)者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行理論計(jì)算，結(jié)果如表4。

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

表4 抗壓強(qiáng)度修正公式的驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)制生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度修正公式的適用性，將其計(jì)算值代入砌體抗壓承載力計(jì)算公式中進(jìn)行分析。為此，根據(jù)修正后的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式的結(jié)果，采用現(xiàn)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[33]中提供的計(jì)算公式（6）可計(jì)算出機(jī)制未改性與機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體的軸向抗壓標(biāo)準(zhǔn)值分別為0.62 MPa和0.85 MPa，依據(jù)規(guī)范[33]，可由公式（7）計(jì)算機(jī)制未改性與機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體的軸心受壓承載力試驗(yàn)值，可由公式（8）計(jì)算機(jī)制未改性與機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體的軸心受壓承載力計(jì)算值，可由公式（9）計(jì)算試件承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值之間的相對(duì)誤差，結(jié)果如表5所示，試件的試驗(yàn)值誤差與計(jì)算值誤差均在15%以內(nèi)，說明修正公式較為合理。

表5 機(jī)制生土坯磚砌體承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

3 討 論

本文機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體的破壞形態(tài)主要體現(xiàn)為沿豎向灰縫出現(xiàn)兩條貫穿裂縫，這與文獻(xiàn)[5]及文獻(xiàn)[19]中所描述的破壞形態(tài)基本一致，不同的是文獻(xiàn)[5]采用了改性水泥和混合砂漿作為粘結(jié)材料，文獻(xiàn)[19]在改性泥漿灰縫中采用了鋼絲網(wǎng)構(gòu)造措施。從抗壓強(qiáng)度來看，本文機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度（1.08 MPa）與文獻(xiàn)[19]灰縫設(shè)置單層鋼絲網(wǎng)的抗壓強(qiáng)度（1.12 MPa）接近，說明本文提出的生態(tài)改性效果較好。但距離文獻(xiàn)[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(jié)材料的砌體抗壓強(qiáng)度（3.22 MPa）有一定差距，原因?yàn)楸疚臋C(jī)制生態(tài)改性生土坯磚強(qiáng)度（3 MPa）和泥漿抗壓強(qiáng)度（2.75 MPa）遠(yuǎn)低于文獻(xiàn)[5]中抗壓強(qiáng)度為11.58 MPa的生土坯磚和強(qiáng)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(chǔ)上在灰縫中加入類似于文獻(xiàn)[19]中可回收的加強(qiáng)構(gòu)造措施，以進(jìn)一步提高機(jī)制生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度。

機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗剪破壞形態(tài)主要體現(xiàn)為沿泥漿與土坯粘結(jié)界面的雙面剪切破壞，這與文獻(xiàn)[18]、[5]及[33]中所描述的I類破壞一致。本文機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體的抗剪強(qiáng)度約為文獻(xiàn)[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(tài)下以水泥砂漿為粘結(jié)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(xué)或復(fù)合改性方法提高砌體砌筑材料的粘結(jié)性能效果更好，本文所使用的生態(tài)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(duì)砌筑材料與土坯粘結(jié)性能深入研究。

本文結(jié)合機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》推薦的砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行了修正，得到了機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體的抗壓強(qiáng)度計(jì)算方法，并采用砌體抗壓承載力計(jì)算公式對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，為進(jìn)一步討論機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體的抗壓強(qiáng)度計(jì)算方法，針對(duì)歐洲規(guī)范推薦的砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式及其他國外學(xué)者提出的代表性砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度平均值與國外計(jì)算公式值對(duì)比

由表6可知，不同公式計(jì)算出的抗壓強(qiáng)度值各不相同，通過對(duì)比，Dymiotis和Gutlederer[37]所提出的砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算結(jié)果與本文試驗(yàn)值的誤差在10%以內(nèi)，與修正后的計(jì)算公式計(jì)算出的結(jié)果亦較為接近。因此，文獻(xiàn)[37]及本文所修正的計(jì)算公式可同時(shí)作為機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式使用。

4 結(jié) 論

本文對(duì)機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體進(jìn)行抗壓與抗剪試驗(yàn)，分析了機(jī)制未改性與機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體的基本受力特征以及強(qiáng)度變化規(guī)律，探究了抗壓砌體的本構(gòu)關(guān)系并建立了修正后的抗壓強(qiáng)度平均值計(jì)算公式，同時(shí)計(jì)算并分析了其承載力。具體得出的結(jié)論如下：

1）機(jī)制生態(tài)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(xiàn)延性破壞的特點(diǎn)；抗剪試件主要體現(xiàn)為沿泥漿與土坯粘結(jié)界面的雙面剪切破壞且具有瞬時(shí)性特點(diǎn)。生態(tài)改性材料的加入使機(jī)制生土坯磚砌體的抗壓強(qiáng)度提高了23%、抗剪強(qiáng)度提高了17%，延性提高了7%，機(jī)制生土坯磚砌體的強(qiáng)度與延性通過生態(tài)改性均得到了較好的提升。

2）由抗壓本構(gòu)方程的擬合結(jié)果分析表明，楊衛(wèi)忠提出的砌體受壓本構(gòu)模型（文獻(xiàn)[31]）與機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的幾何特征點(diǎn)擬合效果較好，滿足峰值點(diǎn)處曲線光滑、連續(xù)的特點(diǎn)，可作為數(shù)值模擬使用的本構(gòu)模型。

3）機(jī)制未改性和機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度可使用《砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中經(jīng)本文修正后的抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算。經(jīng)修正后的砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式使機(jī)制未改性與機(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體抗壓強(qiáng)度計(jì)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(jī)制生態(tài)改性生土坯磚砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(10)：166-174.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.10.020 http://www.tcsae.org

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2021-01-23

2021-04-14

國家十三五重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2018YFD1100402）；兵團(tuán)中青年科技領(lǐng)軍人才計(jì)劃項(xiàng)目（2020CB033）；石河子大學(xué)校級(jí)項(xiàng)目（CXPY202014）

高月月，研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)抗震。Email：571632986@qq.com

郭軍林，講師，博士，研究方向?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)抗震。Email：guo_education@163.com