传统土坯抗压强度的试验研究

第34卷第5期2012年10月

工程抗震与加固改造

EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting

Vol.34，No.5Oct．2012

［文章编号］1002-8412（2012）05-0056-06

传统土坯抗压强度的试验研究

吴

［提

锋，李钢，贾金青，李宏男（大连理工大学

海岸及近海工程国家重点实验室，辽宁大连116023）

要］采用不同比例天然细粒土与建筑中沙混合，湿法制作了4组24个传统土坯试件。通过土坯立面抗压强度试验，

分析了细粒含量、干密度和高宽比对抗压强度的影响，以及细粒含量与体积收缩率间的关系。结果表明：立面单轴抗压试验剪切、局压3种破坏形式；随着细粒含量的增加，体积收缩率单调增加，而抗压强度则先增而后降；干密度的中土坯存在轴压、

增加与土坯抗压强度的提高呈抛物线关系；当高宽比在2.5～4的区间内，土坯试件能获得相对稳定的抗压强度。试验和分析也同时证明，含砂量较低的细粒土质沙是一种适宜制作生土土坯的土料。［关键词］村镇建筑；土坯；材料；抗压强度［中图分类号］TU41；TU317

［文献标识码］A

ExperimentalStudyofTraditionalAdobeBlockCompressiveStrength

WuFeng，LiGang，JiaJin-qing，LiHong-nan

（StateKeyLaboratoryofCostalandOffshoreEngineering，DalianUniversityofTechnology，Dalian116023，China）

Abstract：Inthisstudy，4seriesofadobesamplesarepreparedbymixingfinegrainedsoilandsandinproportions．Throughthetestsontheunconfinedcompressivestrength，theinfluenceoffinegraincontent，drydensityandaspectratiooncompressivestrength，therelationoffinegraincontentandvolumetricshrinkagearediscussed．Theresultsshowthatadobesamplesarefailedinthreemodes，i．e．，axialcompression，shearandlocalcompressionfailures；asfinegraincontentincreases，volumetricshrinkageincreasesandcompressivestrengthincreasesthendecreases；therelationofdrydensityandcompressivestrengthbehavesparabolic；compressivestrengthisstablewiththeaspectratioof2.5～4．Basedonexperimentsandanalysis，finegrainsandwithlowsandcontentisappropriatetomakeadobes．

Keywords：ruralstructure；adobe；materials；compressivestrengthE-mail：wff888@sina．com

我国改革开放以来经济得到了长足的发展，建造了大量高能耗高强度的混凝土和钢结构建筑。由节能舒适、造价低廉，在村镇于生土建筑绿色环保、

建筑中仍大量应用。我国位于环太平洋火山地震带西部，是一个地震多发国家。新疆巴楚6.8级、云南甘肃民乐6.1级等地震中，大量村镇土宁洱6.4级、

坯结构房屋遭到了严重的破坏，给人民带来很大的生命财产损失

［1～3］

村现存土坯进行抗压试验得到单块土坯的平均抗压强度仅为0.472MPa

［4］

，而设计合理、制作良好的传

［5～11］

统土坯抗压强度可以达到2MPa左右，且对8度左右的地震有良好的抵御能力

。可见因土坯抗

压强度不足导致的墙体抗剪抗震强度低下是影响结构整体抗震性能的关键因素之一。

目前，针对土坯材料配比的研究国内外都有一定进展

［5～18］

。这是因为村镇中的土坯房屋通

。根据粘结材料的不同，土坯主要分为

常都是当地工匠根据经验制作，未经过科学合理的质量很难得到保证。昆明理工大学对云南农设计，

稳定土坯和传统土坯。稳定土坯在国外1层～3层的节能环保建筑中较常见，主要是通过在天然土料中添加水泥、石膏、石灰等人工粘结材料来改善土坯的工程特性。而传统土坯则主要依靠天然土料中的黏粒作为粘结材料来提供足够的抗压强度，添加天然纤维材料如稻草、麦秸、剑麻等也会提高一定的抗

EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting

October

2012

［收稿日期］2011-12-09［基金项目］

国家“十一五”科技支撑计划重点项目（2006BAJ06B03）

压和抗折强度。我国是发展中国家，由于经济条件的限制，村镇土坯建筑中基本上都采用传统土坯作为建筑材料，因此本文选用传统土坯作为研究对象。

有研究表明，最适合制作土坯的土料为含有一定黏粒的沙土

［11］

合良好的土料放入固定尺寸的坯模内均匀压实后，取出坯模。在温度20℃以上，通风良好的情况下，12h左右即可搬运至晾晒台，待完全晾干后即可使用。22.1

土坯单轴立面抗压试验土坯试件

天然土坯通常采用当地土壤作为材料，但由于沙粒和细粒（粉、黏粒）的合适各地土料差异明显，

含量很难直接得到。而不同粒径的颗粒含量会对土坯的力学性能产生较大影响：如果细粒含量过大会引起额外的收缩开裂；含量过小则联结力不足影响强度。因此以细粒和沙粒的重量比例作为控制量，采用不同配比代表不同细粒土质沙中颗粒含量的比例，制作了4组土坯试件，每组6个。

在世界各地，土坯的尺寸根据实际使用情况有所不同。主要考虑到不同气候条件下房屋的保温隔热效果，以及在1～3层建筑荷载下土坯墙体的承载力。我国北方地区一般土坯的实际尺寸为400mm

14，21］

×200mm×100mm（长×宽×高）［11，左右，而南

。而在传统土坯制作过程中，土料

中不同粒径颗粒的含量变化较大。分布较广的颗粒很含量范围使得在选用不同地域土料制作土坯时，难获得合适的参考比例。但若将粉粒和黏粒统一按则发现土料中细粒的含量通常在30%照细粒考虑，

［5～13］

。～60%之间，沙粒的含量在40%～70%之间

（GB/T50245-2007）［19］，按照《土的分类标准》可以得到适合制作生土土坯的土料基本属于细粒土质沙的范畴。因此本文选用天然细粒土作为土坯土料中——粉粒、的细粒组成部分—黏粒，通过添加不同重量的建筑中砂来改变土料中沙粒的含量，从而以直接调整土料中细粒与沙粒间的比例来获得不同的细粒土质沙。最后通过单坯立面抗压试验证明细粒土质沙作为土坯制作土料的可行性。1

土坯制作

本文所用生土土料均取自大连市甘井子区某工地，严格按照《土工试验方法标准》GB/T50123-1999［20］在大连理工大学岩土工程试验室对土料的物理性质进行分析，所得结果见表1所示。根据《土的分类标准》（GB/T50245-2007），从试验结果可以得出此土料属于细粒土中的低液限黏土。

表1

Table1

材料的物理性质

方的土坯尺寸则通常稍小

［4］

。美国、英国、也门等

［6］

地的土坯尺寸一般为400mm×350mm×100mm左

右。此次试验主要考虑到国内典型的土坯建筑情况，从而将土坯尺寸选为400m×180mm×100mm。但足尺土坯的尺寸和重量均较大，不便于试验，因此将土坯试本文按照几何尺寸1∶2的比例进行缩尺，件的长宽高选为200mm×90mm×50mm。制作过1∶程中天然细粒土与中沙的重量比分别为1∶0.6，1∶1，1∶1.2，0.8，稻草作为纤维材料的添加比例为总

［7，22］

，重量的0.5%根据土坯尺寸将稻草长度定为

Physicalpropertiesofmaterials

Soil88.5911.4136.319.217.119.51.765

74.725.3BuildingSand

Physicalproperties

Siltandclaycontentbyweight（%）

Sandcontentbyweight（%）Gravelcontentbyweight（%）

Liquidlimit（%）Plasticlimit（%）Plasticityindex（%）Optimalwatercontent（%）Maximumdrydensity（g/cm3）

25mm～30mm。为保证混合土料的密实性和流动土坯制作中的含水量为天然细粒土的最优含水性，量19.5%。2.2

加载装置及制度

本次试验在大连理工大学港口海岸与近海工程国家重点实验室结构工程分室进行，采用300kN电液伺服加载装置。土坯试件立放，使其最小底面积受压，上表面通过100mm×100mm×25mm尺寸钢板加载，下表面通过球铰与加载底座相连，球铰与土坯之间用细砂和土粒找平。试验根据不同配比分组加载，加载至极限承载力的85%或基本破坏为止，加载速度为12kN/min，控制在1min以内加载完毕。2.3

2012

湿制土坯应用广泛，力学性能要明显优于干制土坯

［14～15］

。因此本文参考农村传统土坯制作工艺，

采用湿制土坯作为研究对象。制作土坯前，先根据一定重量比将天然土料、建筑中砂和天然纤维材料加水均匀拌合在一起，搁置一段时间，保证土料中未碾碎的粘性土块能充分吸收水分而软化。而后将拌

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Vol.34，No.5

试验原理及破坏形态

土坯砌体的制作方法如同普通砖砌体。砖砌体中的砖和砂浆是不同材料，强度差异较大，而土坯砌体中所使用的泥浆与土坯的材料性质基本相同，所以土坯砌体在宏观上更接近于匀质体。土坯结构房屋主要为墙体承重，其高度方向尺寸要明显大于厚度方向尺寸。因此，将单块土坯试件进行立放抗压试验，使其高宽比为4，不但能大大减小加载端部对试件的在试件中部能形成一定纯压段，较好地横向约束力，

符合墙体实际受压状态而且试验简单易于操作。

根据最终破坏形态的不同，土坯试件的单轴立面抗压试验可分为3种破坏形式：轴压破坏、剪切破如图1～图3所示。但试件在受压坏和局压破坏，

过程中，均会伴随着稻草撕裂的“噼噼”声并持续至最终破坏，在最终破坏断面上稻草存在断裂或个别拔出现象，证明其作为纤维抗拉材料在土料中具备能提供一定的拉力

。很好的粘结性，

图1

Fig．1

轴压破坏

Axialcompression

failure

图2Fig．2

剪切破坏Shearfailure

Fig．3

图3局压破坏

Localfailureincompression

轴压破坏中，在试件中部薄弱位置会出现细微竖向裂缝，并扩展甚至贯通，在受压区或者整体将试件分离成2个或多个独立的承压面。由于材料本身的离各承压面的强度不尽相同，在个别脆弱的承压散型，

面发生破坏后，会沿着破坏面迅速形成较大的开裂面，试件压溃或部分失稳而丧失承载力。试验中发生轴压破坏的试件为14个。

剪切破坏中，试件中产生倾斜裂缝，或者竖向裂缝在扩展中倾斜发展相互连通，促

使开裂面产生倾

斜剪应力，倾斜剪应力会进一步促使开裂面倾斜发展，当开裂面贯通时试件发生剪切破坏。剪切破坏一般有一条明显中试件的裂纹数量较轴压试件少，

的剪切裂缝。试验中剪切破坏的试件为8个。

局压破坏中，端部受压面在中部竖向裂缝未充分发展的情况下由于承载力不足提前发生局部压碎破坏。在压碎的过程中，端部由于有效承压面面积的减少使得抵抗水平方向的摩擦力降低，试件端部两侧发生近似对称的平面内位移，促使竖向裂缝在

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October

2012

端部发生并迅速向内部开展，并且端部裂缝宽度扩展的速度要明显快于中部，从而发生沿破坏面的劈裂破坏。这种破坏形态很少发生，主要是由于制作未过程中在试件受压端面局部存在较大的砂石砾、碾碎的黏土块或拌和不均匀的稻草。试验中有2个试件发生局压破坏。33.1

结果分析

细粒含量与抗压强度关系

图4为不同细粒含量下土坯试件的平均抗压强试件的平均度。在细粒含量40%～55%的范围内，

抗压强度随着细粒含量的增加先增大而后减小，最大相差近20%。可见细粒含量的增加可以增加土料颗粒间的联结力，从而提高土坯的抗压强度。将Piattoni等文中不同细粒含量下土坯抗压强度加以也可以发现细粒含量的增加对土坯强度产生总结，的提高作用

［12］

图5不同干密度下土坯抗压强度的变化

Adobecompressivestrength

Fig．5

variationsofdifferentdrydensities

3.3细粒含量与体积收缩率关系

图6为不同细粒含量下土坯试件体积收缩率的

。但当细粒含量超过界限值之后，在

变化。在细粒含量40%～50%变化区间内，体积收缩率基本呈线性变化，当超过50%以后增长趋势变土坯中具有很强缓。这是因为当细粒含量增加时，

吸附水分子作用的黏粒含量也得到增加。在相同制备含水量的情况下，黏粒含量越多的土坯越能吸附较多的结合水。在干燥过程中，吸附较多结合水的土坯试件，其体积的收缩量会相对较大。在1∶0.4（细粒土∶中砂）配比试件制作过程中，出现了较明显的收缩裂纹。这些裂纹会使土坯在受压过程中出现薄弱面，因此该配比未被采用

。

土坯干燥时会由于额外的收缩使得其内部出现较多的微小裂纹和孔隙。这些裂纹和孔隙破坏了土坯的完整性，导致其抗压强度降低。陶忠等在试验中发现表面存在较多明显裂纹土坯的抗压强度要低于一般土坯

［4］

。

图4Fig．4

不同细粒含量下土坯抗压强度的变化Adobecompressivestrengthvariationsofdifferentfinecontents

3.2干密度与抗压强度关系

图5为不同干密度下土坯抗压强度的变化。由

图6不同细粒含量土坯体积收缩的变化

Adobevolumetricshrinkage

于细粒含量的不同，采用相同含水量制作的土坯试土件干密度也有所不同。随着土坯干密度的提高，料中颗粒间孔隙的减小，土坯抗压强度得到一定的提高。而且干密度的增加与土坯抗压强度的提高呈现出抛物线关系。这种典型的变化关系也被Kouakou和Morel所提及［8］

。

EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting

Vol.34，No.5

Fig．6

variationsofdifferentfinecontents

3.4尺寸效应与抗压强度关系

图7中的抗压强度取自不同学者在不同高宽比

12］

（高度/最小宽度）下的试验强度平均值［5～9，。从

变化趋势中可以看出，高宽比变化在0.45～0.87

2012

而增加，且呈现出抛物线关系。可见，获得较大的干密度是土坯制作过程中的重要环节。

（4）土坯体积收缩率随着细粒含量的增加而增使加。当体积收缩率过大时会导致较多的收缩裂纹，土坯出现较多的薄弱面，会影响抗压强度。因此，表观裂纹在一定程度上能够反映土坯抗压强度的大小。

（5）土坯试件的高宽比变化会影响到实测抗压强度。高宽比过小时，加载端的摩擦力会对试件产生横向约束作用，导致抗压强度过大。当高宽比在

图7

不同高宽比下土坯抗压强度的变化

Adobecompressivestrength

2.5～4之间变化时，土坯试件能够在符合实际受力获得稳定的试验值。状态的同时，

（6）采用较低含沙量的细粒土质沙制作的传统湿制土坯具备较高的抗压强度，但试验中细粒含量超过50%的土坯也能具备较好的抗压强度。因此，较大含沙量的细粒土是否适宜于制作土坯还需进一步研究。

（7）不同地域下的天然土料可以选用当地黏土、粉土、沙土、河砂、湖砂或山砂等来调整有效颗粒的配比以达到足够的抗压强度。这为规范土坯的制作工艺和后续一步的土坯墙体、房屋的试验、改造及加固提供了一定理论和试验依据。

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October

2012

Fig．7

variationsofdifferentaspectratios

f0.87仅为f0.45的30%；而时，抗压强度降低幅度最大，抗压强度呈现波高宽比在0.87～2的变化过程中，

动变化；当高宽比在继续增大之后，抗压强度则出现当高宽比较小时，加载端由于摩下降的趋势。可见，

擦力作用产生的约束效应，使得抗压强度提高明显。但过小的高宽比不符合土坯墙体在实际使用过程中的受力状态。为保证试件在中部存在纯压状态，Kouakou和Morel

［8］

指出应使试件的高宽比大于等

于2。从本文总结的结果来看，高宽比在2.5～4之间变化时，实测抗压强度基本稳定。4

结语

本文主要选用细粒土质沙作为制作土坯试件的生土土料。采用4种不同天然细粒土与中砂配比的土料，按照传统湿制土坯的方法制作了4组24个土坯试件，进行了单轴立面抗压试验。分析和试验研究表明：

（1）土坯单轴立面抗压试验中存在轴压破坏、剪切破坏和局压破坏3种形态，其中主要为轴压破坏和剪切破坏，局压破坏很少发生。前两种破坏形态下土坯的极限荷载值相差不大，且均明显高于局压破坏下土坯的极限荷载值。

（2）细粒与沙粒的比例是影响土坯抗压强度的重要因素。试件的平均抗压强度随着细粒含量的增加先增大而后减小，最大相差近20%。因此在选用土料过程中，通过标准筛分法来调整细粒与沙粒的比例，可以提高土坯的抗压强度。但细粒中黏粒与粉粒比例对强度的影响，还有待于进一步研究。

（3）干密度是反映土坯抗压强度的直观因素。在相同制备含水量下，抗压强度随着干密度的增加

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［作者简介］吴锋（1982～），男，安徽金寨人，大连理工大学博士生EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting

Vol.34，No.5

2012

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/7bt4.html