李志華，周明卿，陳偉康，CIANCIO Daniela

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加筋夯土墻片的平面內(nèi)抗剪性能試驗

李志華1，周明卿1，陳偉康1，CIANCIO Daniela2

(1. 揚州大學建筑科學與工程學院，江蘇揚州，225009；2. 西澳大學土木和能源工程學院，澳大利亞珀斯，WA 6009)

對由廢棄混凝土夯筑而成的試件進行抗壓試驗、劈裂試驗及墻片斜壓試驗，研究水泥穩(wěn)定夯土材料在靜載作用下的破壞特征及強度特性，并著重研究夯土墻片的平面內(nèi)抗剪性能及各種加筋形式對其抗剪性能的影響。此外，根據(jù)試驗結果，參考澳大利亞混凝土結構設計規(guī)范AS 3600—2009建議的抗剪強度計算公式，探討水泥穩(wěn)定夯土材料抗壓強度與抗剪強度之間的相互關系。研究結果表明：這種材料的抗壓強度、抗剪強度、抗拉強度可分別達到8.68~10.11，1.55和1.01~1.23 MPa；加筋夯土墻片的抗剪強度、延性可分別提高6%~42%和35%~92%；采用聚丙烯纖維可使墻片的剛度提高49%；鋼筋的位置及布置方向?qū)ζ渑c夯土間的黏結性能有明顯影響。且對于豎向分層夯筑的試件，按規(guī)范AS 3600—2009公式計算的抗剪強度比試驗結果的抗剪強度大。

夯土墻片；抗剪性能；斜壓試驗；加筋；廢棄混凝土

夯土建筑是指用夯筑工具將填加在模板之間的土體逐層夯實的方法建造起來的建筑。它是一種古老的建筑形式，具有非常悠久的歷史，是人類歷史文明的結晶。然而，隨著混凝土、鋼材等新型材料在建筑工程中的廣泛應用，在我國的現(xiàn)代城鎮(zhèn)中夯土建筑已較少見，即使在農(nóng)村也難看到大片的夯土民居。盡管如此，由于夯土建筑具有可就地取材、施工技術簡單、可循環(huán)利用、造價低廉、保溫隔熱性能優(yōu)越等諸多優(yōu)點，自20世紀70年代第一次全球能源危機開始，以夯土建筑為代表的綠色建筑再一次受到普遍關注。最近數(shù)十年來，在世界范圍內(nèi)特別是美國、英國、澳大利亞等一些發(fā)達國家，夯土技術得到了極大地復 興[1?3]。國內(nèi)外學者[3?18]就夯土材料的基本力學性能及其結構性能已開展了一些研究。但是，與混凝土、鋼材等其他建筑材料相比，針對夯土材料進行的研究還比較有限。目前，人們對夯土材料的基本力學性能和結構性能尚缺乏足夠的認識。工程師們主要依靠經(jīng)驗進行夯土結構設計[9]，這可能導致安全隱患或增加建造費用，并會阻礙這種生態(tài)建筑材料的推廣應用。為了提高夯土建筑的安全性，促進該綠色建筑的推廣應用，針對夯土材料就其基本力學性能和結構性能開展一些研究十分必要。由于傳統(tǒng)夯土材料的強度較低且為脆性材料，傳統(tǒng)夯土建筑的抗震性能普遍較差，這成為地震區(qū)夯土建筑面臨的主要安全問題[15]。如何改善夯土材料本身的缺陷以提高夯土結構的抗震性能，成為夯土建筑在推廣應用過程中急需解決的問題。已有的研究[9?11]結果表明：水泥穩(wěn)定夯土材料具有較高的抗壓強度，但是利用該材料夯筑的墻片其平面內(nèi)抗剪性能如何還有待進一步研究。由于目前還沒有專門的試驗方法用于測試夯土構件的抗剪性能，在已有的試驗研究中，研究者們[17?18]通常采用土工剪切試驗或砌體構件的抗剪試驗方法來確定夯土構件的抗剪性能。針對砌體墻片的平面內(nèi)抗剪性能國內(nèi)外已經(jīng)進行了大量的試驗研究[19?25]，試驗方法可歸納為以下2類：1) 水平墻片試驗，即施加的水平力平行于墻片的頂部；2) 斜壓試驗，即沿著墻片的對角線施加荷載以獲得剪切破壞形態(tài)。已有的水平墻片試驗[19?23]結果表明：在試驗過程中墻體易于轉動，難以獲得剪切破壞形態(tài)；為了獲得剪切破壞形態(tài)，通常需要施加較大的豎向力或通過其他方法來約束墻體的轉動，這使測得的抗剪強度提高18%~190%。斜壓試驗是ASTM E?519—2002[26]規(guī)定的一種針對砌體墻片的標準試驗方法，但一些研究者在試驗過程中改動了某些參數(shù)?？紤]到夯土墻片與砌體墻片的平面內(nèi)抗剪破壞形態(tài)及破壞機理具有相似性[18]，本文作者對5片由廢棄混凝土夯筑而成的墻片進行斜壓試驗(其中4片墻體分別采用了不同的加筋形式進行增強)，研究它們的平面內(nèi)抗剪性能以及不同的加筋形式對其平面內(nèi)抗剪性能的影響。同時，對12個圓柱體試件分別進行抗壓試驗和劈裂試驗，研究夯筑廢棄混凝土材料的抗壓強度、抗拉強度，并據(jù)此分析該材料抗剪強度與抗壓強度之間的關系。

1 試驗

1.1 原材料選用

本試驗使用一種在澳大利亞西部城市珀斯廣泛使用的夯筑材料：壓碎的廢棄混凝土(RC)，其最大公稱粒徑為19 mm。根據(jù)規(guī)范AS 1141.11.1—2009[27]采用篩分析法獲得了這種材料的粒徑級配曲線如圖1所示。這種材料幾乎不含黏土，必須利用水泥進行穩(wěn)定，本試驗采用的水泥質(zhì)量比摻量(即水泥與土顆粒的質(zhì)量之比)為8%。根據(jù)規(guī)范AS 1289.5.2.1—2003[28]采用改良擊實試驗獲得了這種RC+8%水泥混合材料的最優(yōu)含水量(質(zhì)量分數(shù))為9%。由于所有試件均在施工現(xiàn)場制作完成，嚴格控制其水泥摻量和含水量非常困難，只能大致控制其水泥摻量和含水量。

圖1 粒徑級配分布

1.2 試件制作

1) 墻片試件。在施工現(xiàn)場制作了6個長為 600 mm，高為600 mm，厚為300 mm的墻片，其中：2個墻片未進行增強，記為REW?N1和REW?N2；其余4個墻片分別采用焊接鋼筋網(wǎng)、聚丙烯土工格柵、玻璃纖維土工格柵及聚丙烯纖維進行增強，依次記為REW?S，REW?P，REW?G和REW?F。墻片REW?S所用的焊接鋼筋網(wǎng)被豎向放置在墻體中間，其鋼筋直徑為6 mm、網(wǎng)格間距為200 mm、屈服強度為 500 MPa。墻片REW?P所用的聚丙烯土工格柵網(wǎng)格長×寬為235 mm×22 mm，肋寬和肋厚分別為6 mm和0.9 mm。由于該加筋材料為單向土工格柵，為了使其在2個方向均發(fā)揮加筋作用，2片土工格柵被垂直疊合在一起并被豎向放置在墻體中間。墻片REW?G所用的玻璃纖維土工格柵被豎向放置在墻體中間，其網(wǎng)格長×寬為50 mm×50 mm，肋寬和肋厚分別為6.2 mm和1.2 mm、抗拉強度為348~457 MPa。REW?F的纖維摻入量為3 kg/m3，該纖維的長度為 54 mm、直徑為0.3 mm、抗拉強度為620~758 MPa。

墻片試件均采用錘頭直徑為150 mm的專業(yè)氣動錘夯筑而成。在制作過程中，RC材料的質(zhì)量未稱，而是按照其體積進行估算；水通過水管逐漸施加，直到建造者認為已達到最優(yōu)含水量(一般通過“跌落試驗”等具有主觀性的試驗方法確定[29?30])。試件均在模板中養(yǎng)護2 d后拆模，之后覆蓋上塑料薄膜在試驗室內(nèi)常規(guī)條件下(溫度為10~25 ℃的干燥空氣中)養(yǎng)護28 d。

2) 圓柱體試件。在施工現(xiàn)場制作了4個直徑×高為100 mm×200 mm和4個直徑×高為150 mm× 300 mm的圓柱體試件(其中1個試件里摻入了3 kg/m3的聚丙烯纖維)。試件均采用電動手提錘夯筑而成，在模具中養(yǎng)護1 d后拆模，之后仍然在溫度為21 ℃和相對濕度為85%的潮濕空氣中養(yǎng)護，其養(yǎng)護期為28 d。

待墻片試件養(yǎng)護結束后，通過鉆芯取樣技術從未加筋墻片REW?N1上取得4個直徑×高為100 mm× 200 mm的圓柱體試件。4個試件均沿著豎直方向取樣，即試件的縱軸平行于墻片的夯筑方向。

1.3 試驗方案

本文分別按照標準AS 1012.9—1999[31]和AS 1012.10—2000[32]規(guī)定的試驗方法進行抗壓試驗及劈裂試驗。試驗時在受壓試件上、下表面分別放置了厚度為5 mm的teflon薄片(如圖2所示)。斜壓試驗參照標準ASTM E?519—2002[26]規(guī)定的方法進行，其加載裝置見圖3，為荷載。該試驗在2 MN液壓伺服萬能試驗機上進行，墻片的兩側面各布置一個位移計用以測量其水平拉應變，各粘貼一個應變片用以量測其縱向壓應變。所有試驗均在澳大利亞西澳大學結構實驗室完成。

圖2 受壓破壞形態(tài)

圖3 墻片斜壓試驗加載圖

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現(xiàn)象及破壞特征

各圓柱體試件在軸向壓力作用下的破壞形態(tài)基本相同，其典型的破壞形態(tài)如圖2所示。由圖2可見：受壓破壞時試件產(chǎn)生的裂縫基本上平行于荷載的作用方向，與上、下表面涂了潤滑劑的混凝土試件在壓力作用下的破壞形態(tài)類似[33]。這是由于teflon薄片減小了試件表面所受的摩擦力，使試件接近于單向受壓狀態(tài)，其橫向變形受到的約束沿高度差別較小。

各圓柱體試件的劈裂破壞形態(tài)基本相同，摻入聚丙烯纖維試件的劈裂破壞形態(tài)并沒有表現(xiàn)出顯著的差異。

在斜壓試驗中，當達到極限荷載時墻片突然開裂，破壞時的裂縫形態(tài)可分為2類，如圖4所示。由圖4可知：一種是沿加載方向的單個豎向裂縫，另外一種是伴隨著沿加載方向的豎向裂縫出現(xiàn)了垂直于夯筑方向(即平行于夯筑面)的裂縫。其中，第2種裂縫形態(tài)僅發(fā)生在采用焊接鋼筋網(wǎng)和聚丙烯土工格柵增強的墻體中。在已破壞的試件中，可用肉眼觀測到穿過豎向裂縫的增強體。此外，分別對采用焊接鋼筋網(wǎng)和聚丙烯纖維增強的墻體沿其豎向裂縫進行了剖切，觀察發(fā)現(xiàn)：3根垂直于夯筑方向的鋼筋及1根平行于夯筑方向的鋼筋均已被拔出，另外2根平行于夯筑方向的鋼筋未被拔出；在截面內(nèi)纖維分布不均勻，出現(xiàn)了結團現(xiàn)象。

(a) 沿加載方向的單個豎向裂縫；(b) 沿加載方向的豎向裂縫和垂直于夯筑方向的裂縫

圖4 斜壓試驗破壞形態(tài)

Fig. 4 Crack patterns of tested panels in diagonal compression test

2.2 圓柱體試件的強度特性分析

各圓柱體試件的抗壓強度及其密度如圖5所示。CIANCIO等[10]認為：對于抗壓強度大于5 MPa的水泥穩(wěn)定夯土材料，水的毛細作用對其抗壓強度無顯著影響，因此，本文選用密度作為一個參數(shù))。各類試件的平均抗壓強度cm見表1。由圖5和表1可知：各試件的抗壓強度均較高，其值大于7 MPa；密度對其抗壓強度有明顯影響，這可能是因為密度反映了試件的壓實程度(一般情況下，材料的壓實度越大，其強度越高)；相比RC鉆芯試件，RC試件的密度具有較大的離散性，相應地其抗壓強度也具有較大的離散性，這可能是因為在施工現(xiàn)場，未能嚴格按照實驗室的制作步驟控制其制作過程而導致的。

圖5 抗壓強度與密度的相互關系

表1 試件的強度特征值