生土建筑作为中国传统建筑的重要组成部分, 具有耗能低、热工性能好、吸音防辐射及绿色环保等优点, 可选作为“绿色建筑”的典范^[1,2,3]。生土基材料是以原状生土为基材, 加入一些改性辅料, 无需焙烧, 仅经过简单加工便可用于房屋建造的建筑材料^[4,5,6]。近年来, 生土建筑材料改性研究引起学者的广泛关注^[7,8,9]。

　　 生土作为一种绿色生态的建筑材料, 其受力机理、应用方式与传统土体有一定差异^[10,11,12]。国内许多学者在生土材料性能改良方面进行了大量研究, 早期国外使用的改性掺料主要有水泥、石灰以及粉煤灰等, 试验研究内容主要有:掺和料对生土材料力学性能影响、改性方式对生土材料墙体耐久性影响、狗尾草对加筋土坯力学性能影响、矿渣-桐油-糯米汁生土材料墙体性能等^[13,14,15]。

　　 本文研究以糯米浆为粘结剂, 掺入传统绿色建材, 研究改性生土试件的力学性能。

　　 糯米浆是中国古代建筑史的一项重要发明, 历经了上千年的考验, 与生土建筑有较强的相融性。根据其生物矿化机理, 可作为改性生土材料的粘结剂。研究表明, 加入糯米浆或支链淀粉的生土试件抗压强度明显提高, 利用浓度为3%糯米浆与Ca (OH) ₂过饱和溶液制作的生土试件的抗压强度是素土试件的30倍左右;糯米浆可以提高生土材料的耐水浸泡性, 并且无环境污染^[16,17]。土体颗粒的粘结作用主要依靠表面水膜间的范德华键和氢键连接, 糯米浆作为粘结剂可充分渗入到土体颗粒之间, 增强土体颗粒表层水膜之间的物理粘结力、减小试件孔隙率、增强土体密实性、提高改性生土试件的受荷能力。

　　 传统生土建筑营建工艺中, 砂石作为土体的添加材料被广泛应用于土坯及夯土墙制作中。传统方法只凭借经验, 没有总结归纳出科学的配比^[18,19]。但土的粒径级配是其能否密实的关键因素之一, 同时也对改性材料的强度有一定的影响。河砂作为天然的建筑材料, 被广泛应用于建筑工程中。

　　 本文以不同粒径河砂为改性掺料, 以糯米浆作为试件的粘结剂, 通过添加不同粒径、不同含量的河砂调整土体的粒径级配, 分析改性生土试件的抗压强度和延性比, 寻求利用河砂作为改性掺料的配比方案, 为生土改性掺料的研究和工程应用提供参考。

　　 试验所用土取自西安市未央区, 采用5mm筛网筛除有机杂质, 经过不同标号的筛网对土样进行筛分, 得到不同粒径土颗粒含量, 如表1所示。

　　 试验用糯米浆选用长江米制备。步骤如下:称取150g糯米将其淘洗后在钢制容器中加入5kg清水并标定刻度位置, 加热煮沸1h使糯米糊化, 不断搅拌糯米浆并适时补充清水, 保持水位在标定的刻度位置, 最终冷却至室温取上层清液, 即浓度3%的糯米浆^[17]。

　　 河砂采自西安渭河, 经过晾晒、过筛处理。定义细砂粒径为 (0.60mm, 1.18mm], 中砂粒径为 (1.18mm, 2.36mm], 粗砂粒径为 (2.36mm, 4.75mm]。

　　 对处理后的土样采用《土工试验方法标准》 (GB/T 50123—1999) ^[20]中的击实试验方法, 测得最优含水率约为13%。试验的配比方案如下:A组试件为素土试件;B组试件添加了浓度3%、含量13%糯米浆;D大组试件以浓度3%、含量13%糯米浆作为粘结剂, 掺加了不同粒径、不同含量的河砂。各组试件具体掺量如表2所示。试件分为6组, 每组制作3个试件, 共计18个试件。

　　 将过筛后的生土放入110℃烘箱中干燥12h, 按照表2所示掺量方案拌合改性生土材料。参照《土工试验方法标准》 (GB/T 50123—1999) ^[20]中轻击实试验, 以0.561kJ夯实能量在直径为102mm、高为116mm的圆柱形模具中分三层夯筑成型, 拆模后将试样放置于室温条件下养护30d, 测试其抗压强度。在室内平均温度约为25℃条件下养护, 养护期间, 对各试件的质量干缩变化进行记录, 绘制养护期间试件质量干缩情况统计图, 如图1所示, 发现养护时水分蒸发, 试件质量呈逐渐减小趋势, 经过约一周时间后, 试件的质量变化趋势减缓, 约两周后, 试件的质量趋于稳定。当试件完全达到干硬后, 其直径会略微缩小, 比养护前大约减小了1mm, 其高度无明显变化。

　　 试验在长安大学土木工程材料实验室进行, 采用YA-300型微机控制全自动压力试验机进行加载。正式加载前用1kN荷载预压3次, 确保压力试验机正常运行并与试件紧密接触后开始试验。采用连续加载方式, 加载速率设置为0.1mm/s, 当试件承载力降低至原有承载力的85%时视为试件破坏, 作为试验结束条件。

　　 试验时记录试件荷载-位移曲线, 试件的轴向抗压强度由式 (1) 计算, 取每组3个试件抗压强度的平均值。

　　 $\sigma =F/A(1)$

　　 式中:σ为生土试件的轴心抗压强度, N/mm²;F为生土试件的轴心压力极限值, N;A为生土试件的截面面积, mm²。

　　 A组试件在加载初期, 近似处于弹性阶段, 荷载-位移曲线呈线性关系。当荷载约为峰值荷载的70%时, 试件中部出现细小裂纹, 如图2 (a) 左图所示;随着荷载的增加, 裂纹扩展为明显的竖向裂缝;达到峰值荷载前, 裂缝稳定发育, 位移变化相对缓慢;当荷载增至峰值荷载的78%时, 试件承压面附近出现若干条与加载方向平行的裂缝并迅速向另一端延伸, 裂缝宽度随之增大, 荷载急速下降, 试件破坏, 如图2 (a) 右图所示。试件破坏后, 一端裂缝较大, 另一端裂缝较小, 试件裂缝较大的一端局部有碎土块掉落。A组试件破坏过程显示出脆性破坏特征, A组试件的荷载-位移曲线如图3 (a) 所示。

　　 B组试件从开始加载至开裂阶段的表现与A组试件基本相同 (图2 (b) 左图) , 但出现裂缝的荷载略高, 均为峰值荷载的78%左右, 在开裂阶段后期出现较短的斜裂缝。当荷载逐渐增大至峰值荷载的90%时, 竖向裂缝与斜裂缝相交形成贯通裂缝, 边缘处土体呈片状剥落, 试件丧失承载力而破坏。B组试件破坏形态如图2 (b) 右图所示, B组试件的荷载-位移曲线如图3 (b) 所示。

　　 各组试件抗压强度试验结果如表3所示, 由表3可知, B组试件的抗压强度平均值为2.635MPa, 是A组试件的1.16倍, B组试件的开裂荷载平均值是A组试件的1.29倍。分析其原因是由于糯米中的淀粉加热后糊化, 形成黏度较高的胶体溶液 (糯米浆) ;糯米浆能作为粘结剂充分渗入到土体颗粒之间的孔隙中, 可增强土体黏聚力、减少试件孔隙率、增加土体密实性, 从而提高试件的抗压强度和开裂荷载, 并延长试件的弹性受力阶段。但在试验荷载达到极限荷载时, 糯米浆对土颗粒之间的化学粘结作用也随即丧失。

　　 延性比即试件极限位移与开裂位移之比, 可以间接反映材料对能量的耗散性能和抵御地震作用的能力。A组试件的延性比平均值为2.057, 加入糯米浆后B组试件延性比平均值增大至2.302。由图3 (b) 可以看出, 曲线在开裂阶段线性性质明显, 荷载达到峰值荷载后试件表现出明显的脆性性质。

　　 D1～D4组试件的破坏形式与A组试件的破坏形式相似, 不同配比的试件开裂荷载与极限荷载相差较大, 试件的破坏具有明显的脆性破坏特征。D大组试件的开裂和破坏形态如图4所示, D大组试件荷载-位移曲线如图5所示。

　　 掺入15%细砂+15%中砂 (D1组) 的改性生土试件的配比为本批试件中最优配比。D1组试件抗压强度明显高于D大组中其他组别试件, 且试验结果的离散性小, 抗压强度平均值为2.840MPa, 分别为D2～D4组试件抗压强度平均值的1.19, 1.49, 1.62倍, 是A组试件抗压强度平均值的1.25倍, 是B组试件抗压强度平均值的1.1倍。结果表明, 以糯米浆为粘结剂, 合适的级配及合理掺量的砂粒, 可提高生土试件的抗压强度。

　　 由表3可知, D2组试件的抗压强度平均值低于D1组试件。在一定范围内增大河砂的掺量, 有利于增加试件抗压强度。但若河砂掺量过大, 则会影响土颗粒之间的黏聚力, 导致试件抗压强度降低, 分析本次试验结果可知, 改性生土试件中河砂总掺量不宜超过30%。

　　 对比试验中不同砂粒级配的试验结果发现, 级配良好的砂粒能均匀地填充骨架间的孔隙, 提高试件的密实度及抗压强度。随着砂粒间粒径差距加大, 试件的抗压强度呈下降趋势。级配不良的砂粒虽能填充材料骨架间的孔隙, 但砂粒粒径的连续性存在缺陷, 试件的密实度不易达到最优状态, D1, D3组试件级配良好, 其抗压强度平均值较D2, D4组试件高。

　　 掺入细砂+中砂后试件的延性比较大, D1, D2组试件延性比平均值分别为2.211, 2.445, 约为A组试件的1.075, 1.179倍。掺入细砂+粗砂后试件的延性比平均值仅为A组试件的69%, 76%。表明掺入一定含量、级配良好的砂粒可以提高生土材料的延性比;掺入级配不良的砂粒会降低生土材料的延性比。河砂掺加总量由30%增加到40%时, 试件的延性比略有提高。比较图5 (b) , (d) 可知, 当河砂掺量达到40%时, 只要砂粒级配良好, 试件的抗压强度和材料的延性比均较好, 因此认为40%的河砂掺量尚可在工程中应用, 笔者从传统生土房屋调研中发现在民间夯土墙中常掺入数量较大的砂石, 具体砂土比的限值尚需进一步试验确定。

　　 (1) 本文通过试验得到了合理的生土改性配方。在生土中掺入浓度3%、含量13%的糯米浆和15%细砂+15%中砂时, 试件抗压强度平均值为2.840MPa, 是素土试件抗压强度平均值的1.25倍, 延性比较素土试件提高1.07倍。

　　 (2) 砂粒级配对试件抗压强度影响较大, 在河砂掺量一定时, 级配连续的试件抗压强度和延性比较好;级配不良的砂粒会降低生土试件的抗压强度和延性比。掺入15%细砂+15%粗砂试件抗压强度平均值为1.905MPa, 掺入20%细砂+20%粗砂试件抗压强度平均值分别1.751MPa, 仅为素土试件抗压强度平均值的83%, 76%;延性比平均值分别为1.421, 1.557, 是素土试件的69%, 76%。因此利用砂粒对生土材料进行改良时, 应采取级配优良及密实度较高的河砂作为改性土掺料。

　　 (3) 生土中河砂的掺量不宜过大, 宜控制在30%以内, 最大应控制在40%以内, 本文试验结果表明, 当河砂总掺量由30%增加到40%时, 若砂粒级配良好, 试件的抗压强度和延性比有所提高;若级配差, 试件的抗压强度明显降低。