土坯砌体抗压强度试验研究

阿肯江◦托呼提，沙吾列提◦拜开依，曹 耿，丁广林，赵 成

(新疆大学建筑工程学院，新疆乌鲁木齐 830008)

新疆地处地震多发区，历次震害表明，生土建筑的破坏尤为严重.自1996年以来自治区内发生破坏性地震30多次，造成327人死亡，5000余人受伤，直接经济损失超过35亿元.据2004年统计，自治区内共有农村住房223万户，仍有169万户民居没有达到抗震设防标准.生土建筑沿用至今，一方面由于居住条件受制于经济基础，反映出村镇地区经济相对落后;另一方面由于其因地制宜、施工便捷、环保舒适等特点受到广大村镇居民的青睐，并成为建筑领域的一种文化传承[1].虽然历次地震后生土建筑的震害相当严重，但也有一些结构合理、施工质量好的生土建筑保持完好[2]，而且试验也表明，结构合理、施工质量合格的生土建筑可以在8度区保证结构的安全性[3-5].2008年颁布的《镇(乡)村建筑抗震技术规程》对生土建筑的抗震构造措施及施工方面提出了规范化要求，其中涉及土坯墙体抗剪强度设计值，但没有提及抗压强度设计值，因此研究土坯砌体的抗压强度是完善生土建筑规范的基础性工作.

目前，国内外可供查阅的与生土建筑相关的文献不多，且大部分是对生土材料或其改性后的力学性能的研究[6-9]，砌体构件、夯土墙片、生土结构体系的试验研究也很少[10-13].本文通过对湿法制作的土坯砌体的抗压强度试验提出了抗压强度标准值的简化计算公式，并对提高土坯砌体抗压强度提出了一些建议.

1 土坯砌体试件的制作

制作土坯所用土料取自乌鲁木齐郊区.新疆地区土坯形状以矩形见多，其尺寸(长×宽×厚)约为310mm×150mm×100mm.试件由用湿法制作的成品土坯(尺寸为310mm×150mm×100mm)砌筑，泥浆随拌随用，室温下养护28d后进行试验.

参照普通黏土砖的试验方法[14]进行试验.将土坯沿长度方向从中间锯断，断口反向叠砌，灰缝厚度约10mm，上下表面用泥浆找平，用水平尺检查其平整度，共制作6件单块土坯的抗压强度试件.参照GBJ129—90《砌体基本力学性能试验方法标准》[15]，砌筑尺寸为310mm×470mm×870mm、高厚比为2.9的素土坯砌体抗压强度试件6件.改性土坯砌体试件砌筑方法与素土坯砌体试件相同，仅在砌筑泥浆中加入1%的麦秸秆，砌筑3件.土坯砌体试件砌于10mm钢垫板之上，首皮座浆，土坯砌筑时用水将表面浸润，以消除干土坯表面与砌筑泥浆之间黏结不牢、界面易脱离的问题.土坯砌体试件顶部以约12mm厚泥浆找平，其上以薄膜覆盖养护.本次试验的试件制作与抗压强度试验均在新疆大学结构试验大厅进行.

2 单块土坯试件抗压强度试验

2.1 试验加载方案

单块土坯试件的抗压强度试验在100kN的小型压力机上进行，压力机可自动记录竖向位移和荷载，并绘制荷载-位移曲线.试件表面不平整处需打磨，由水平尺检查平整度.在与压力机配套的操作软件中填入试件尺寸、加载速率、试验结束条件等基本选项后，将试件对中，采用连续加载方式，加载速率为0.05kN/s，以破坏作为试验结束条件，预压2或3次，预加荷载3～5kN.确保压力机正常运行并与试件紧密接触后开始试验.

2.2 试验过程及现象

单块土坯试件破坏过程可以分为开裂、裂缝稳定发展、破坏3个阶段.加载初期，荷载-位移曲线并非线性，而是呈现下凸的特征.当荷载加载至约50%极限荷载时，裂缝迅速开展并贯穿试件，走向大致与受压方向平行，随着荷载的增加，主裂纹增宽，继而出现若干平行裂缝，裂缝间有更为细小的裂纹相连，伴有局部压溃剥落.试件编号及抗压强度试验结果见表1，破坏形态见图1，荷载-位移曲线见图2.

表1 单块土坯试件抗压强度试验结果Table 1 Resutlts of compressive strength tests on single adobe brick

图1 单块土坯试件破坏形态Fig.1 Failure shape of single adobe brick

图2 单块土坯试件荷载-位移曲线Fig.2 Relationship between load and displacement for singe adobe brick

2.3 试验结果分析

从表1可以看出，单块土坯的轴向受压试验峰值荷载和峰值位移的平均值分别为27.3kN和3.58mm，由此得到的峰值应变为0.019.与同尺寸(指试件受压高度)的素土立方体试块的抗压试验结果相比[16]，可以发现，当二者在相同荷载作用下，峰值应变相差较大，高度为190mm的立方体试块荷载为27kN时的峰值应变为0.0084，相差1倍多.分析产生较大差异的原因，一是土坯试件中的灰缝产生较大压缩所致，二是和受压方向有关.经分析第一种原因基本可以排除，因为在抗压过程中灰缝并没有先于土坯压碎.立方体试块垂直于浇筑方向受压，土坯试件平行于浇筑方向受压，导致二者在相同荷载作用下产生了不同的压应变.这说明湿法制作的生土试件是各向异性材料.

3 素土坯砌体试件抗压强度试验

3.1 试验加载方案

素土坯砌体试件抗压强度试验在5000kN的长柱压力机上进行，压力机可自动记录竖向位移和荷载，并绘制荷载-位移曲线，试验方法与单块土坯试件抗压强度试验方法相同，加载速率为0.3kN/s.

3.2 试验过程及现象

素土坯砌体试件破坏过程可以分为开裂、裂缝稳定发展、破坏3个阶段.荷载小于35%峰值荷载时，荷载-位移曲线不是线性关系，也表现出明显的下凸特征.当加载至45%极限荷载时，试件的正面与侧面中部单皮砖内出现细微竖向裂缝，并缓慢扩展，至60%峰值荷载时裂缝扩展至4～5皮砖，随着荷载增长，竖向裂缝连通，局部少量剥落掉渣.竖向灰缝不饱满处最容易先出现裂缝，侧面竖向灰缝在此时也处于稳定的发展阶段，荷载-位移曲线接近于线性关系.当加载至85%峰值荷载时，荷载略有增长，位移增长加快，接近极限荷载时，试件突然破坏，边角局部压溃，正面与侧面均已出现较宽竖向裂缝，砌体试件已被分成若干小柱，即将溃散.试件编号及抗压强度试验结果见表2，试件破坏形态见图3，荷载-位移曲线见图4.

表2 素土坯砌体试件抗压强度试验结果Table 2 Results of compressive strength tests on plain adobe masonry specimens

图3 素土坯砌体试件破坏形态Fig.3 Failure shapes of plain adobe masonry specimens

图4 素土坯砌体试件荷载-位移曲线Fig.4 Relationship between load and displacement for plain adobe masonry specimens

3.3 试验结果分析

从表2可以看出，素土坯砌体试件的峰值位移平均值、抗压强度平均值分别为8.7mm和0.78MPa，强度值结果较离散，在平均值的基础上浮动高达54%.受压过程中，水平灰缝并没有先于土坯破坏，而竖向灰缝成了裂缝发展的主导方向，说明竖向灰缝容易形成原始缺陷并导致应力集中，试件在横向无有效约束而被拉裂，最终形成若干小柱失稳而破坏，呈明显脆性破坏特征.

4 改性土坯砌体试件抗压强度试验

4.1 试验加载方案

抗压强度试验装置与加载方案和素土坯砌体试件相同.

4.2 试验过程及现象

改性土坯砌体试件的破坏过程也经历了开裂、裂缝稳定发展、破坏这3个阶段.整个过程较改性前稳定，试件的荷载-位移曲线连续光滑，当荷载加至45%极限荷载时，可以听见草筋被拉断的声音，试件表面开始出现裂缝，中部几坯被竖向灰缝贯通，走向平行于受压方向.与素土坯砌体试件不同，裂缝相对较多，细密呈网状，扩展较慢.极限荷载时试件中下部压溃剥落，表面鼓突，但正面的竖向裂缝没有贯通，裂缝宽度较素土坯砌体试件窄许多，厚度方向出现斜向裂缝，侧面主裂纹伴有若干次裂缝，位移迅速增长，丧失承载力后试件仍保持完整，不会像素土坯砌体试件自行坍塌.试件编号及抗压强度试验结果见表3，破坏形态见图5，整个荷载-位移曲线(图6)过程接近线性.

表3 改性土坯砌体试件抗压强度试验结果Table 3 Results of compressive strength tests on modified adobe masonry specimens

4.3 试验结果分析

从表3可以看出，灰缝中掺和了麦秸秆的土坯砌体试件的平均抗压强度达到了0.83MPa，从荷载-位移曲线上可以看出它的力学性能更加稳定，即强度和峰值位移等波动较素土坯砌体试件大大减小，而且强度平均值较素土坯砌体试件的0.78MPa有所提高.试件中下部压溃，一方面说明土坯强度已经充分发挥，另一方面说明土坯块体自身的强度很低.试件峰值位移由改性前的7.8mm增加到9.1mm，脆性得到改善，但脆性破坏的特征仍无明显改观.灰缝在砌体养护后的干缩裂缝相当严重，这使得砌体在受力过程中应力在缺陷处集中，导致材料强度有可能得不到充分利用便提早破坏.用同批次泥浆将2块土坯黏结，同条件养护后剥离，可见内部灰缝的干缩裂缝同样很严重，如图7所示.提高土坯砌体承载力，不仅要从提高土坯强度出发，还不能忽视灰缝的作用.生土材料的干缩是不可避免的，如同混凝土干缩.生土中黏土的含量是影响干缩的主要原因，也是生土产生强度的主要原因，合理控制生土料中黏土含量很重要.土坯砌体试件受压往往从中部开裂，这是生土料抗拉强度低被拉断所致.如果灰缝能够提供一个约束土坯横向变形的作用，就像混凝土柱中的箍筋一样，当灰缝材料变形模量高于土坯变形模量时，就会使原本为压-拉-拉应力状态的土坯变为三向受压状态，而原本三向受压的灰缝变为压-拉-拉应力状态，若灰缝具备一定的抗拉强度，则土坯砌体的承载力可得到显著改观.

图6 改性土坯砌体试件荷载-位移曲线Fig.6 Relationship between load and displacement for modified adobe masonry specimens

图7 灰缝内部缺陷Fig.7 Internal defects in ash seams

5 土坯砌体的抗压强度取值

砌体能承受的最大压应力，称为砌体抗压强度，它是确定砌体及其构件破坏能力的一个重要指标.目前国内外的砌体抗压强度计算公式仍建立在以试验数据为基础的经验公式之上.砌体强度主要由块体和砂浆的强度共同决定，GB5003—2001《砌体结构设计规范》中给出的轴心受压砌体抗压强度平均值计算公式[17]为

式中:fm——砌体抗压强度平均值，MPa;f1——块体抗压强度等级或平均值，MPa;f2——砂浆抗压强度平均值，MPa;k1——与块体类别有关的参数;k2——砂浆强度较低或较高时对抗压强度的修正系数;α——与块体高度和砌体类别有关的参数.

由表1、表2可知，单块土坯抗压强度平均值为1.22MPa，素土坯砌体的抗压强度平均值为0.78MPa，泥浆抗压强度平均值为2.6MPa，套用砌体抗压强度计算公式(1)，k2=1[17]，由此算出的土坯砌体抗压强度平均值为1.04MPa，显然误差很大.其中，单块土坯抗压强度值是可信的，但f2，k2的取值则值得怀疑;另一方面就是砖的抗压强度平均值计算公式不适用于土坯是造成误差较大的主要原因.因为土坯砌体砌筑用的灰浆的抗压强度具体是多少值得探究，灰浆是在竖向压应力、上下土坯吸收水分的情况下凝结硬化的，而钢模中70.7mm立方体试块的硬化条件与此截然不同，图7可以说明，70.7mm立方体试块的抗压强度并不能代表砌体中泥浆的真实抗压强度，灰缝在受压之前早已形成网状的裂缝，推测其真实抗压强度已小于或等于块体的强度.假设式(1)对土坯适用，土坯抗压强度可信，则可以反推出泥浆的抗压强度为0.51MPa，k2为0.8.由此反推出的灰浆抗压强度比泥浆立方体抗压强度实测值更可信，但是缺乏根据.虽然砌体承受均布压力，但砌体单块砖内却产生了复杂的应力状态，使块体受弯、受剪，这使得砌体抗压强度远低于块体和砂浆的抗压强度[18].可见公式(1)还是具有实践代表性的，因此在公式(1)基础上，依据6个素土坯砌体试件和3个改性土坯砌体试件的抗压强度试验结果，建立土坯砌体抗压强度平均值简化计算式如下:

式中k2为灰浆强度较低时对砌体抗压强度的修正系数，其他参数含义不变.改性土坯砌体试件的试验结果表明，即便灰浆在养护期内没有出现肉眼可见的裂缝，土坯砌体抗压强度仍没有得到显著改观，因此公式(2)没有考虑灰浆对砌体抗压强度的贡献作用，仅用来体现灰浆对砌体抗压强度的削弱，取为0.80.k1参考GB50003—2001《砌体结构设计规范》[17]取0.78，得土坯砌体抗压强度平均值为0.76MPa.

土坯砌体抗压强度标准值是抗压强度的基本代表值，由概率分布的0.05分位数确定，即砌体抗压强度标准值具有95%的保证率.采用砌体结构抗压强度标准值的计算式[18]:

表2中土坯砌体抗压强度变异系数为0.3158，这是没有剔除可疑数据的结果.如果将抗压强度平均值浮动±15%以外的值剔除，则变异系数会小于0.2，对于受压土坯砌体，取.按此法算得素土坯砌体抗压强度标准值为0.56MPa.

土坯砌体抗压强度设计值f是考虑了影响结构构件可靠因素后的材料抗压强度指标，由标准值除以材料性能分项系数 γf而得，按施工等级为B级考虑，取

按照公式(4)算出的土坯砌体抗压强度设计值f=0.35MPa，约为抗压强度平均值的45%.

6 影响土坯砌体抗压强度的主要因素

土坯砌体宏观上是由土坯和灰浆砌筑而成的整体材料，但灰缝层内部的开裂和竖向灰缝的缺陷使得土坯砌体并不连续，也不是完全弹性材料.影响土坯砌体抗压强度的因素很多，主要有块体和灰浆自身的物理力学性能、施工质量、试验方法等[19].

a.土坯和灰浆的抗压强度是影响土坯砌体抗压强度的首要因素.虽然土坯和灰缝的成分相同，但又不同于一个整体.灰浆作为黏结剂，不仅与土坯存在黏结界面，其内部也分布着较多裂缝.此外，土坯尺寸、几何形状及表面平整度，灰浆砌筑时的含水率等都会影响土坯砌体受力后应力传递的路径.

b.施工质量.主要是指水平和竖向灰缝的饱满度、平整度、均匀度以及试件的垂直度.

c.试验方法.试件的尺寸、标准养护条件和时间、抗压试验的加载速率以及砌体工作状态的不同，抗压试验强度不同.

7 结 论

a.造成土坯砌体抗压强度低的原因较多，诸如干缩产生的内部缺陷、砌筑质量和施工方法、受压面平整度等.灰缝是很重要也最容易被忽视的一方面，竖向灰缝不饱满处形成应力集中是影响土坯砌体抗压强度的重要因素.

b.土坯砌体抗压强度平均值的计算可采用本文公式(2)，由此得出的土坯砌体抗压强度平均值为0.76MPa，基本符合试验值.

c.从土坯砌体试件的抗压强度试验结果看，无论是否掺和麦秸秆土坯砌体抗压强度都很低，因此不建议建造中使用湿法制作土坯砌筑承重墙.建议从生土料的颗粒级配、生土料中黏土含量、新的加强材料、新的生产工艺方面探究改善其力学性能.

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