尺寸效應對生土立方體試件抗壓強度的影響

張 坤,王毅紅,卜永紅,王天涯,楊戰社

(1. 西安石油大學 博士后創新基地,陜西 西安 710065; 2. 長安大學 建筑工程學院,陜西 西安 710061)

生土是中國乃至全世界應用廣泛、歷史悠久的傳統建筑材料之一[1-2].其主要優勢為就地取材、造價低廉、綠色環保、保溫與隔熱性能優越、可降解再生、加工過程低耗能,是典型的“綠色環保建材”.生土建筑是中華民族建筑文化的傳承,可以保持建筑的多樣性,研究生土材料具有重要的意義[3-4].生土建筑主要應用于農村住宅,特別是在中國中西部,生土材料建筑比例超過60%.全球約有20億人口居住在此類建筑當中.對農村地區而言，具有當前常規節能材料無法比擬的環保優勢和應用潛力[5-6].在生土建筑的設計和質量控制過程中,抗壓強度是材料力學性能的重要指標[7-8].生土基材料內部結構復雜,材料本身是多相介質的混合物,具有多尺度性和獨特的物理和力學性質,因此，試件尺寸效應直接影響生土基材料的力學性能[9-10].現今國內外關于生土基材料試件尺寸效應研究較少,“國際生土建筑研究和應用中心”編寫的《Earth Construction: A Comprehensive Guide》(《生土建造：綜合指導》)和《Btir en terre》(《生土建造》)中僅對不同改性生土基土坯材料的提選、尺寸、制作等做部分規定[11-14].各個國家對不同材料的標準試件形狀和尺寸各不相同[15-16].在中國,蘇捷等[17]對50、100、150、200 mm混凝土立方體試件進行抗壓強度研究,表明尺寸越小強度越高,初始缺陷是造成尺寸效應的主要因素.朱爾玉[18]研究立方體、圓柱體、棱柱體C20混凝土試件與抗壓強度關系,以150 mm立方體試件為標準試件,建立與其他試件的強度關系式.王有宗等[19]引入體型影響系數,研究不同形狀水泥砂漿試件之間換算關系.陳甦等[20]對立方體、圓柱體混凝土試件進行試驗研究,表明試件強度與試驗時邊界條件處理有關,并給出標準試件尺寸及形狀.

以上研究多集中于混凝土及砂漿材料,而對生土基材料研究較少,生土基材料強度是生土建筑結構的重要力學指標.因此,研究試件尺寸效應對材料強度的影響是十分必要的.本次研究以陜西的黃土為研究對象,通過對3種尺寸(100、150、200 mm)60個立方體試件進行抗壓強度試驗,從試件破壞形態、強度、離散性方面,研究尺寸效應對材料的影響規律,采用統計篩選法推算3種尺寸試件強度關系系數.為生土基標準試驗方法試件尺寸提選和不同尺寸生土基材料試件強度推定提供依據.

1 試驗

1.1 試驗原料及設備

本次試驗所用土樣為西安市長安區的黃土.按照GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》[21]采用環刀法檢測黃土的最優含水率為18.2%,最大干密度為2.04 g/cm3,塑限為15%,液限為26%,塑性指數為11.試驗前土料過5 mm篩,經初始含水率檢測確定后摻水拌合至最優含水率,根據課題組研制的模具采用千斤頂成型材料方法,制作60個不同尺寸立方體試件[22],如圖1所示.

1.2 試驗方法及步驟

試件分別采用3種尺寸制作.100 mm×100 mm×100 mm立方體試件(20個試件),150 mm×150 mm×150 mm立方體試件(20個試件),200 mm×200 mm×200 mm立方體試件(20個試件).試件制作完畢后,放置在25～30 ℃、濕度55%～60%標準養護室養護.各類試件經養護28 d后進行抗壓強度試驗,每20個試件一組.

試驗采用壓力機型號為MTS-500伺服作動器,儀器自動記錄豎向位移和荷載,并繪制荷載-位移曲線.加載速率控制在1～3 mm/min,以試件峰值荷載的30%為結束條件,進行抗壓強度試驗.

因此,試驗原材料相同,試件的制作方法相同,試件養護狀態與時間相同,試驗時加載儀器及參數設置相同,有效保證了立方體抗壓強度試驗結果的真實性及可比性.

1.3 試驗過程及現象

1.3.1100 mm立方體試件

隨著荷載的增大,100 mm×100 mm立方體試件在峰值荷載50%發生開裂現象,裂縫首先出現在試件角部.隨著荷載繼續增加,試件制樣分層處向外膨脹,角部有脫落現象.當荷載到達峰值時,出現豎向的貫通裂縫.繼續加載,材料表皮繼續脫落,直至試件破壞,試件已經失去承載能力,最終近似“沙漏型”破壞形態,破壞全過程各個階段表現明顯.試驗過程如圖2所示.

圖2 100 mm立方體試件開裂及破壞

1.3.2150 mm立方體試件

隨著荷載的增大,150 mm×150 mm立方體試件破壞過程和破壞形態基本和100 mm×100 mm立方體生土試件相同.由于試件尺寸增大,材料內部缺陷大,開裂荷載基本為峰值荷載的40%.試件最終破壞形態近似“沙漏型”,表現出剪應力破壞特點.試驗過程如圖3所示.

圖3 150 mm立方體試件開裂及破壞

1.3.3200 mm立方體試件

隨著荷載的增大,200 mm×200 mm立方體試件破壞過程與破壞形態基本和100 mm×100 mm立方體生土試件相同,開裂荷載僅為峰值荷載的30%.試件在受荷后開裂點多沿受力方向出現,在試件角部出現較少.隨著荷載繼續增加至峰值,試件外表面沿加載面向外膨脹并伴隨外表皮脫落,膨脹位置未出現在試件中間.最終破壞形態近似“沙漏型”.試驗過程如圖4所示.

圖4 200 mm立方體試件開裂及破壞Fig.4 Cracking and failure of 200 mm cube specimen

2 試驗結果與分析

2.1 試件抗壓強度

試驗記錄峰值荷載、峰值位移根據公式

P=F/A

(1)

計算試件抗壓強度,試驗結果見表1.

表1 不同尺寸立方體生土試件抗壓強度試驗結果

2.2 不同試件尺寸對材料破壞及強度影響

對比不同尺寸立方體試件在不同階段裂縫出現的區域發現,小尺寸試件出現裂縫較少,基本為豎向的貫通裂縫,集中在試件的角部,較為明顯,隨著荷載的增大,試件表面發生龜裂且土體表面脫落.荷載增大至峰值時試件破壞為典型的“沙漏型”受壓破壞,基本可見破壞后試件中土顆粒之間聯接減弱,土體疏松,表明試件內部在受力后發生不同程度的破壞.例如邊長100 mm立方體試件,大尺寸試件發生破壞時裂縫出現較多,分布不均,角部和中部均出現貫通裂縫,隨著荷載增大至峰值,試件裂縫增寬,表面向外膨脹,但基本不發生脫落的情況,隨著峰值荷載后繼續加載,直到試件完全失去承載力時,人工剝落試件表面,發現破壞形態與小尺寸試件相似,但土體內部基本未發生破壞,土體堅硬,土體顆粒之間表現出較高粘結性能.由于小尺寸試件制作壓實成型次數小,試件內部初始缺陷少,所以裂縫出現與材料受力一致,受荷時荷載可以傳遞到試件的內部,土體顆粒黏力喪失,試件發生土體脫落現象,破壞有一定的代表性.大尺寸試件在制作時壓實成型次數較多,試件內部缺陷較多,在受到外力作用下試件裂縫出現隨機性強,裂縫包括水平和豎向的裂縫.試件尺寸較大,在喪失承載能力后完全破壞時,試件內部基本為完好,受荷載影響較小.

圖5為不同尺寸立方體試件抗壓結果散點圖,結合表1可知,生土基材料立方體抗壓強度表現出隨尺寸的增大而減小的趨勢.試件尺寸對試驗結果影響顯著,其中100 mm立方體試件抗壓強度均值為3.39 MPa,相比150 mm與200 mm立方體試件表現出較好的材料力學性能,變異系數為0.13,試驗結果的離散性小.150 mm生土基立方體試件抗壓強度均值為2.35 MPa,僅為100 mm立方體試件強度的0.69倍,相對100 mm立方體試件強度減少1.04 MPa.200 mm生土基立方體試件抗壓強度均值為1.42 MPa,僅為100 mm立方體試件強度的0.42倍,相對150 mm立方體試件強度減少0.92 MPa,變異系數為0.23,試驗結果的離散性大.結果表明,生土基材料試件隨著尺寸增大,材料的離散性越大,材料強度降低的幅度越少.大尺寸試件成型時難以保證材料內部土體顆粒均勻分布,導致試件內部薄弱點增多,分布離散,這些薄弱點是促成大尺寸試件抗壓強度低、材料離散性大的主要原因.對離散數據進行擬合,發現采用一次函數可以描述不同尺寸立方體生土基材料抗壓強度折算關系,相關性系數R2=0.832 3.

圖5 不同尺寸立方體試件抗壓強度結果散點圖Fig.5 Scatter plot of compressive strength results of cube specimens of different sizes

2.3 不同尺寸立方體試件強度關系

2.3.1抗壓強度關系系數定義

為進一步驗證試件尺寸對生土基材料抗壓強度的影響,建立各試件尺寸之間抗壓強度的數值關系.具體方法規定如下：以標準試件100 mm×100 mm×100 mm立方體試件抗壓強度均值為基準,即100 mm立方體試件抗壓強度為分母,150、200 mm立方體試件抗壓強度為分子,比值作為抗壓強度關系系數γ,如100 mm生土基立方體試件與150 mm生土基立方體試件抗壓強度關系系數以γ150,100表示,其表達式為

γ150,100=f150/f100

(2)

式中:f150為150 mm立方體試件抗壓強度值；f100為100 mm立方體試件抗壓強度值(各類試件制作方法、加載方式、養護方式及齡期相同).

為精確抗壓強度關系系數,引入統計篩選法,采用每個試件的強度數據來進行計算,方法如下：首先計算出每組所用試件抗壓強度尺寸折算系數,考慮到試件制作過程、試驗過程、數據采集過程等存在不可避免的制作誤差、觀測誤差和截斷誤差,為降低可能存在的影響,將偏離這組強度關系系數平均值15%的數據予以剔除,然后求剔除后的平均值.按照上述方法依次求解,直到不偏離平均值15%的數據出現,將最終的平均值作為抗壓強度關系系數.

2.3.2計算實例

1) 計算γ150,100抗壓強度關系系數

依據表1計算20個試件尺寸抗壓強度關系系數,共20組數據,結果見表2.

表2 150/100抗壓強度尺寸折算系數

根據表2,計算得γi(150,100)=(0.67,0.70,0.91,0.68,0.78,0.57,0.64,0.90,1.22,0.68,0.98,0.71,0.67,0.53,0.61,0.51,0.57,0.62,0.59,0.63)(i=1～20),求得數據平均值:

(3)

(4)

2) 計算抗壓強度折算系數γ200,100

算法同上,經表2計算20個試件尺寸抗壓強度關系系數,計算結果見表3.

表3 200/100抗壓強度尺寸折算系數

根據表3,計算得γi(200,100)=(0.44,0.38,0.48,0.50,0.39,0.39,0.40,0.64,0.70,0.51,0.43,0.34,0.09,0.41,0.44,0.55,0.42,0.39,0.31,0.44)(i=1～20),求得總體平均值:

(5)

(6)

3 結論

1) 不同尺寸生土基材料試件尺寸效應顯著.相同原材料、制作方法、養護方式成型的不同尺寸立方體生土基試件,采用相同加載設備及速率進行抗壓強度試驗,試件開裂荷載、峰值位移、峰值荷載各不相同.小尺寸試件比大尺寸試件破壞全過程明顯,材料內部缺陷少,離散性小.小尺寸試件考慮可作為生土基材料試件標準尺寸.

2) 生土基材料抗壓強度受試件尺寸影響顯著.試件尺寸越大,抗壓強度越小,試件強度變化幅度呈減少趨勢.不同尺寸立方體試件材料強度顯示出一次線性關系.

3) 通過數理統計,計算得100 mm生土基立方體試件與150 mm立方體試件抗壓強度關系系數為0.67,100 mm生土基立方體試件與200 mm立方體試件抗壓強度關系系數為0.42,可為不同尺寸生土基材料試件強度推定提供依據.