传统生土材料具有就地取材、技术简单、便于建造、保温与隔热性能优越、绿色环保等优点,是人类最早应用的保持生态系统平衡的绿色环保理想建筑材料,作为民居建筑的材料在我国农村仍大量应用 ^[1,2]。但生土材料强度低、不耐水、体积稳定性差等一些自身缺点严重影响了生土结构在村镇建设中的应用 ^[3]。国内外许多学者对生土材料进行了改性研究 ^[4],通过添加掺合料,在保持生土材料原有绿色环保性能的同时改进和提高其力学性能,研究适用于村镇建筑的高性能生土材料。

　　 泥浆作为土坯建筑中的粘结材料,其自身是否具备足够的强度以及能否保证块材之间的可靠粘结对结构的整体性至关重要 ^[5]。在传统泥浆的制备工艺中生石灰和稻草是两种常用的掺合料,泥浆制备过程中均凭借经验确定掺和量,缺乏科学依据。为使传统生土结构扬长避短,研究绿色生土块材并将其应用于工程,生土基块材砌筑泥浆的力学性能研究是基础的研究课题。本文通过对7组掺入不同比例的稻草和生石灰的泥浆试件进行单轴抗压试验和双剪试验,分别从试件破坏形态、抗压强度、抗剪强度及峰值变形等方面研究稻草和生石灰掺量变化对砌筑泥浆抗压性能及粘结性能的影响。

　　 试验所用生土为黏性黄土,取自西安市长安区,所取生土过5mm标准筛。参照《土工试验规程》(SL 237—1999) ^[6]对土料的基本物理参数进行测定,如表1所示。试验所用稻草长度均为7～10cm,称干重泡水后加入土中拌和,生石灰称重后直接掺入土中。采用7组不同配合比制备泥浆,共制备7组抗压试件和抗剪试件,每组抗压试件和抗剪试件各6个,共计84个试件,泥浆试件编号及配合比见表2。

　　 泥浆试件的制作釆用7种配合比,由于掺入稻草及生石灰使得生土材料最优含水率有所提高,已有研究表明,水泥掺量每增加1%,改性生土材料最优含水率约增加0.3%;稻草掺量每提高0.1%,改性生土材料最优含水率约增加0.02% ^[7],故控制含水率约为25%。分组见表2。在试模内表面涂刷矿物油,将拌制好的泥浆填入试模内,装料时用抹刀沿各试模插捣,并使泥浆高出试模口,人工振动密实,刮除试模上口多余的泥浆,用抹刀抹平。由于生土块材的基本性能试验尚无标准试验方法,故参照《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009) ^[8]及考虑生土块材自重较大的实际情况,抗压试件釆用边长为100mm的立方体试件,抗剪试件为3个生土块材由砌筑泥浆砌筑而成,生土块的尺寸为150mm×150mm×100mm,在矩形模具中夯筑成型,砌筑泥浆厚度为10mm,如图1所示。成型试件置于室内养护28d后进行试验,养护温度为(25±5)℃,相对湿度为60%左右。

　　 抗压试验及抗剪试验均采用全自动压力试验机YA-300进行加载。抗压试验采用力控制,连续均匀施加荷载,加载速率为0.2kN/min,当荷载下降至峰值荷载80%时,结束试验。抗剪试验由于破坏突然,力控制不易掌握,故采用位移控制。试件放置于钢墩台面上,如图2所示,以1mm/min的速率匀速连续加载,直至试件破坏。试件破坏如图3所示。

　　 对成型后的各类泥浆抗压试件进行观察,发现各类泥浆抗压试件表面状况存在显著差异。素土试件表面较平整,有少量肉眼可见的初始裂缝;添加了稻草的试件表面存在较多孔洞,由于稻草起到了类似拉结筋的效果,阻碍了土颗粒的收缩,形成了较多的初始裂缝;表面还有肉眼可见的微孔,是因为在拌和过程中,添加稻草时带入了空气,养护过程空气排出,形成微孔。添加了生石灰的试件表面形成了较多的褶皱纹理,是由于氧化钙与水反应生成氢氧化钙,试件表面的氢氧化钙与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙,在试件表面首先形成了一层外壳,试件在失水收缩过程中形成了褶皱的纹理。

　　 不同掺料泥浆试件的抗压破坏形态基本相同。加载过程中,裂缝均先在试件上下两端出现,与加载方向平行,且随荷载增加逐渐沿平行于压力方向扩展。对于没有添加稻草的试件Y6,压溃后表面泥浆脱落严重,如图4(a)所示;添加稻草的试件Y3,由于乱向分布的稻草有拉结作用,表皮形成四周凸起的鼓包,如图4(b)所示。

　　 泥浆单轴抗压强度按下式计算:

　　 $\sigma =F∕A(1)$

　　 式中:σ为试件的轴心抗压强度,MPa; F 为轴心压力,kN; A 为试件干缩后的实测截面面积,mm²。

　　 各类泥浆抗压试件的峰值荷载、峰值位移及抗压强度均值见表3。

　　 从表3可以看出,添加稻草的试件(Y2,Y3,Y4)抗压强度均较素土泥浆试件Y1有所降低,并且随着稻草掺量的增多,抗压强度呈线性降低。对于稻草掺量在0.3%,0.5%,0.8%(分别为Y2,Y3,Y4)的试件,其抗压强度较素土泥浆试件Y1分别降低了27.3%,32.2%,39.5%,这是由于稻草内部空隙影响试块密度,使结构较松散,是试件内部的薄弱环节。添加生石灰的试件抗压强度呈现出先减小后增大的趋势,但均达不到素土泥浆试件抗压强度的一半。对于生石灰掺量在10%,15%,20%的试件(分别为Y5,Y6,Y7),抗压强度较素土泥浆试件Y1分别降低了53.5%,57.3%,52.6%,主要原因是养护时间不足,所有试件养护28d后体积均有不同程度的收缩。灰土强度形成的物理化学过程分为4个阶段 ^[9]。1)团粒化作用:Ca(OH)₂水化产生的 Ca²⁺与黏土矿物进行离子交换。2)胶凝作用:Ca(OH)₂结晶为较大的晶粒。3)生成 CaCO₃:Ca(OH)₂+ CO₂=CaCO₃+H₂O。4)火山灰反应:Ca(OH)₂与土体中的活性Al₂O₃和活性SiO₂反应,生成水化铝酸钙和水化硅酸钙,该反应是强度形成的主要反应,但这种反应过程相对而言较为缓慢,因此石灰土的早期强度相对较低。本试验研究的龄期为28d,生石灰与土颗粒之间还未完成硬化的全部反应,由石灰土硬化过程分析可见,随时间增长,掺入生石灰的泥浆强度还会有较大的增长空间。

　　 峰值位移方面,从表3可以看出,添加稻草的试件(Y2,Y3,Y4)峰值位移较素土泥浆试件Y1的先有所降低,后显著提高,并且随着稻草掺量的增多,峰值位移呈线性增加。对于稻草掺量在0.3%,0.5%,0.8%的试件(分别为Y2,Y3,Y4),峰值位移较素土泥浆试件Y1先降低了4.2%,后提高了5.3%。这是由于稻草作为一种天然纤维加筋材料,掺入到试件中,在试件加载中,能够减少破损面的相对滑移,能够有效约束土的变形,抑制了裂缝的发展,有拉结筋的作用。说明在砌筑泥浆中适当掺入稻草及天然柔性拉结纤维材料,有利于提高泥浆的峰值变形。添加生石灰的试件(Y5,Y6,Y7)峰值位移均较素土泥浆试件Y1有所降低,并且随着生石灰掺量的增多,峰值位移呈线性降低。对于生石灰掺量在10%,15%,20%的试件(分别为Y5,Y6,Y7),峰值位移较素土泥浆试件Y1分别降低了34.8%,42.7%,49.2%。与强度分析同理,峰值位移随养护时间增长会有变化,其规律有待进一步研究。

　　 各类泥浆双剪试验现象基本相同。随荷载增加,试件位移变化较小,加载至极限荷载,试件突然在泥浆与生土块的接触面破坏。素土泥浆试件和添加生石灰泥浆试件的破坏面上的泥浆基本完全脱落,生土块材粘结面呈光滑平面状态;添加了稻草的试件,破坏面上有大面积的泥浆还黏聚在生土块上,生土块材粘结面呈粗糙状态。如图5所示。

　　 泥浆抗剪强度按下式计算:

　　 $\tau =F∕2A(2)$

　　 式中:τ为试件的抗剪强度,MPa; F 为轴心压力,kN; A 为试件干缩后粘结面的实测截面面积,mm²。

　　 各类泥浆抗剪试件的峰值荷载及抗剪强度均值见表4。表4中部分数据离散性较大,是由于随稻草掺量增多,泥浆在搅拌过程中难以完全拌和均匀所引起。泥浆与生土块材接触面的受剪承载力主要由胶结力和摩阻力两部分组成 ^[10]。分析抗剪强度因素,添加稻草的试件(分别为J2,J3,J4)抗剪强度较素土泥浆试件J1先有所降低,后显著提高,并且随着稻草掺量的增多,抗剪强度呈线性增加。由试验数据可以得出,对于稻草掺量在0.3%,0.5%,0.8%的试件(分别为J2,J3,J4),抗剪强度较素土泥浆试件J1先降低了27.3%,后提高了20%,72.3%;峰值位移较素土泥浆试件J1先减小15.8%,后增加了10.4%,47.8%。这是由于稻草可以使泥浆面层拉结成一个整体,提高了泥浆与生土块接触面上的摩阻力,而稻草掺量在0.3%的试件J2抗剪强度与峰值位移有所降低,是因为掺量较小时稻草内部空隙的削弱作用对泥浆强度和变形能力起主导作用,摩阻力的提升不足以抵抗削弱作用的影响。由试验可得,稻草的掺入使试件抗压强度减小,但其抗剪强度和峰值位移均有所提高。泥浆作为块材的粘结材料,其剪切面上的切向粘结性能是最重要的力学指标 ^[11],且稻草的掺入提高了粘结性能,故稻草可作为砌筑泥浆的改性材料,掺量在0.5%～0.8%之间较为合理。

　　 添加生石灰的试件(J5, J6, J7)抗剪强度随生石灰掺量的增加呈现出先减小后增大的趋势,但都小于素土泥浆试件J1的抗剪强度。由试验可得,生石灰的掺入使试件的抗压强度和抗剪强度均有所降低,但由于本次试验所采取试件的养护时间均为28d,据参考文献 ^[12,13]生石灰改良土的强度只能达到最终强度的60%左右,且在以后8～10年内强度仍有一定程度的增长。作为砌筑泥浆,房屋建造完成后存在较高强度,需后续试验将养护期适当延长观察结果。因此生石灰掺料对抗剪强度的影响有待进一步的研究。

　　 轴压作用下素土试件及掺入生石灰试件的破坏呈现出明显的脆性,试件突然压溃;稻草的掺入一定程度上改善了泥浆试件脆性破坏的特征,提高了变形能力。

　　 双剪作用下素土试件及掺入生石灰试件的破坏呈现出粘结面破坏的形态,破坏面泥浆完全脱落;掺入稻草的试件破坏在泥浆层,破坏面上有大面积的泥浆黏聚。

　　 稻草掺量为0.8%的试件,其抗压强度较素土试件仅降低39.5%,但抗剪强度却提高了72.3%且变形能力也随稻草的掺入而显著提升。泥浆作为块材的粘结材料,粘结性能是最重要的力学指标。故稻草可作为泥浆的改性材料,且将其掺量控制于在0.5%～0.8%左右较为适宜。

　　 但由于石灰土强度的形成是一种相对很缓慢的过程,本试验研究的龄期为28d,生石灰改良土的强度只能达到最终强度的60%左右。故生石灰是否可以作为泥浆的改性材料还有待进一步的研究。