DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.08.039

加筋夯土墙片的平面内抗剪性能试验

李志华¹，周明卿¹，陈伟康¹，CIANCIO Daniela²

(1. 扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州，225009；

2. 西澳大学 土木和能源工程学院，澳大利亚 珀斯，WA 6009)

摘要：对由废弃混凝土夯筑而成的试件进行抗压试验、劈裂试验及墙片斜压试验，研究水泥稳定夯土材料在静载作用下的破坏特征及强度特性，并着重研究夯土墙片的平面内抗剪性能及各种加筋形式对其抗剪性能的影响。此外，根据试验结果，参考澳大利亚混凝土结构设计规范AS 3600—2009建议的抗剪强度计算公式，探讨水泥稳定夯土材料抗压强度与抗剪强度之间的相互关系。研究结果表明：这种材料的抗压强度、抗剪强度、抗拉强度可分别达到8.68~10.11，1.55和1.01~1.23 MPa；加筋夯土墙片的抗剪强度、延性可分别提高6%~42%和35%~92%；采用聚丙烯纤维可使墙片的刚度提高49%；钢筋的位置及布置方向对其与夯土间的黏结性能有明显影响。且对于竖向分层夯筑的试件，按规范AS 3600—2009公式计算的抗剪强度比试验结果的抗剪强度大。

关键词：夯土墙片；抗剪性能；斜压试验；加筋；废弃混凝土

中图分类号：TU521.3             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)08-2835-07

Experimental investigation on in-plane shear behavior of reinforced rammed earth panels

LI Zhihua¹, ZHOU Mingqing¹, CHEN Weikang¹, CIANCIO Daniela²

(1. College of Building Science and Engineering, Yangzhou University, Yangzhou 225009, China;

2. School of Civil and Resource Engineering, University of Western Australia, Crawley WA 6009, Australia)

Abstract: The compression test, splitting test and wall diagonal compression test of the samples made out of recycled concrete aggregates were conducted under static load to study their failure characteristics and strength behavior of cement-stabilized rammed earth materials. In particular, the in-plane shear behavior of rammed earth wall was investigated, and the effect of different reinforcement on the in-plane shear behavior of panels was also studied. Finally, according to the shear strength formula proposed in the concrete code AS 3600—2009, the correlation between shear strength and compressive strength was discussed for the cement-stabilized rammed earth. The results show that this material has a compressive strength of 8.68-10.11 MPa, the shear strength of 1.55 MPa and the tensile strength of 1.01-1.23 MPa. All the reinforcements embedded in the panels increase the shear strength and pseudo-ductility of panels, respectively ranging from 6% to 42% and from 35% to 92%, but only the panel with polypropylene fibers exhibits a toughness increment up to 49%. And the results of the panel with steel mesh show that the reinforcement position and orientation have a great influence on the bonding between the steel bars and the rammed earth matrix. The calculated shear strength according to the formula in the code AS 3600—2009 is greater than that of the panel vertically rammed in layers.

Key words: rammed earth panel; shear behavior; diagonal compression test; reinforcement; recycled concrete

夯土建筑是指用夯筑工具将填加在模板之间的土体逐层夯实的方法建造起来的建筑。它是一种古老的建筑形式，具有非常悠久的历史，是人类历史文明的结晶。然而，随着混凝土、钢材等新型材料在建筑工程中的广泛应用，在我国的现代城镇中夯土建筑已较少见，即使在农村也难看到大片的夯土民居。尽管如此，由于夯土建筑具有可就地取材、施工技术简单、可循环利用、造价低廉、保温隔热性能优越等诸多优点，自20世纪70年代第一次全球能源危机开始，以夯土建筑为代表的绿色建筑再一次受到普遍关注。最近数十年来，在世界范围内特别是美国、英国、澳大利亚等一些发达国家，夯土技术得到了极大地复兴^[1-3]。国内外学者^[3-18]就夯土材料的基本力学性能及其结构性能已开展了一些研究。但是，与混凝土、钢材等其他建筑材料相比，针对夯土材料进行的研究还比较有限。目前，人们对夯土材料的基本力学性能和结构性能尚缺乏足够的认识。工程师们主要依靠经验进行夯土结构设计^[9]，这可能导致安全隐患或增加建造费用，并会阻碍这种生态建筑材料的推广应用。为了提高夯土建筑的安全性，促进该绿色建筑的推广应用，针对夯土材料就其基本力学性能和结构性能开展一些研究十分必要。由于传统夯土材料的强度较低且为脆性材料，传统夯土建筑的抗震性能普遍较差，这成为地震区夯土建筑面临的主要安全问题^[15]。如何改善夯土材料本身的缺陷以提高夯土结构的抗震性能，成为夯土建筑在推广应用过程中急需解决的问题。已有的研究^[9-11]结果表明：水泥稳定夯土材料具有较高的抗压强度，但是利用该材料夯筑的墙片其平面内抗剪性能如何还有待进一步研究。由于目前还没有专门的试验方法用于测试夯土构件的抗剪性能，在已有的试验研究中，研究者们^[17-18]通常采用土工剪切试验或砌体构件的抗剪试验方法来确定夯土构件的抗剪性能。针对砌体墙片的平面内抗剪性能国内外已经进行了大量的试验研究^[19-25]，试验方法可归纳为以下2类：1) 水平墙片试验，即施加的水平力平行于墙片的顶部；2) 斜压试验，即沿着墙片的对角线施加荷载以获得剪切破坏形态。已有的水平墙片试验^[19-23]结果表明：在试验过程中墙体易于转动，难以获得剪切破坏形态；为了获得剪切破坏形态，通常需要施加较大的竖向力或通过其他方法来约束墙体的转动，这使测得的抗剪强度提高18%~190%。斜压试验是ASTM E-519—2002^[26]规定的一种针对砌体墙片的标准试验方法，但一些研究者在试验过程中改动了某些参数。考虑到夯土墙片与砌体墙片的平面内抗剪破坏形态及破坏机理具有相似性^[18]，本文作者对5片由废弃混凝土夯筑而成的墙片进行斜压试验(其中4片墙体分别采用了不同的加筋形式进行增强)，研究它们的平面内抗剪性能以及不同的加筋形式对其平面内抗剪性能的影响。同时，对12个圆柱体试件分别进行抗压试验和劈裂试验，研究夯筑废弃混凝土材料的抗压强度、抗拉强度，并据此分析该材料抗剪强度与抗压强度之间的关系。

1  试验

1.1  原材料选用

本试验使用一种在澳大利亚西部城市珀斯广泛使用的夯筑材料：压碎的废弃混凝土(RC)，其最大公称粒径为19 mm。根据规范AS 1141.11.1—2009 ^[27]采用筛分析法获得了这种材料的粒径级配曲线如图1所示。这种材料几乎不含黏土，必须利用水泥进行稳定，本试验采用的水泥质量比掺量(即水泥与土颗粒的质量之比)为8%。根据规范AS 1289.5.2.1—2003^[28]采用改良击实试验获得了这种RC+8%水泥混合材料的最优含水量(质量分数)为9%。由于所有试件均在施工现场制作完成，严格控制其水泥掺量和含水量非常困难，只能大致控制其水泥掺量和含水量。

图1  粒径级配分布

Fig. 1  Particle size distribution of mix

1.2  试件制作

1) 墙片试件。在施工现场制作了6个长为600 mm，高为600 mm，厚为300 mm的墙片，其中：2个墙片未进行增强，记为REW-N1和REW-N2；其余4个墙片分别采用焊接钢筋网、聚丙烯土工格栅、玻璃纤维土工格栅及聚丙烯纤维进行增强，依次记为REW-S，REW-P，REW-G和REW-F。墙片REW-S所用的焊接钢筋网被竖向放置在墙体中间，其钢筋直径为6 mm、网格间距为200 mm、屈服强度为500 MPa。墙片REW-P所用的聚丙烯土工格栅网格长×宽为235 mm×22 mm，肋宽和肋厚分别为6 mm和 0.9 mm。由于该加筋材料为单向土工格栅，为了使其在2个方向均发挥加筋作用，2片土工格栅被垂直叠合在一起并被竖向放置在墙体中间。墙片REW-G所用的玻璃纤维土工格栅被竖向放置在墙体中间，其网格长×宽为50 mm×50 mm，肋宽和肋厚分别为6.2 mm和1.2 mm、抗拉强度为348~457 MPa。REW-F的纤维掺入量为3 kg/m³，该纤维的长度为  54 mm、直径为0.3 mm、抗拉强度为620~758 MPa。

墙片试件均采用锤头直径为150 mm的专业气动锤夯筑而成。在制作过程中，RC材料的质量未称，而是按照其体积进行估算；水通过水管逐渐施加，直到建造者认为已达到最优含水量(一般通过“跌落试验”等具有主观性的试验方法确定^[29-30])。试件均在模板中养护2 d后拆模，之后覆盖上塑料薄膜在试验室内常规条件下(温度为10~25 ℃的干燥空气中)养护 28 d。

2) 圆柱体试件。在施工现场制作了4个直径×高为100 mm×200 mm 和4个直径×高为150 mm× 300 mm的圆柱体试件(其中1个试件里掺入了3 kg/m³的聚丙烯纤维)。试件均采用电动手提锤夯筑而成，在模具中养护1 d后拆模，之后仍然在温度为21 ℃和相对湿度为85%的潮湿空气中养护，其养护期为28 d。

待墙片试件养护结束后，通过钻芯取样技术从未加筋墙片REW-N1上取得4个直径×高为100 mm× 200 mm的圆柱体试件。4个试件均沿着竖直方向取样，即试件的纵轴平行于墙片的夯筑方向。

1.3  试验方案

本文分别按照标准AS 1012.9—1999^[31]和AS 1012.10—2000^[32]规定的试验方法进行抗压试验及劈裂试验。试验时在受压试件上、下表面分别放置了厚度为5 mm的teflon薄片(如图2所示)。斜压试验参照标准ASTM E-519—2002^[26]规定的方法进行，其加载装置见图3，p为荷载。该试验在2 MN液压伺服万能试验机上进行，墙片的两侧面各布置一个位移计用以测量其水平拉应变，各粘贴一个应变片用以量测其纵向压应变。所有试验均在澳大利亚西澳大学结构实验室完成。

图2  受压破坏形态

Fig. 2  Compressive failure pattern

图3  墙片斜压试验加载图

Fig. 3  Diagonal compression test diagram of wall

2  试验结果及分析

2.1  试验现象及破坏特征

各圆柱体试件在轴向压力作用下的破坏形态基本相同，其典型的破坏形态如图2所示。由图2可见：受压破坏时试件产生的裂缝基本上平行于荷载的作用方向，与上、下表面涂了润滑剂的混凝土试件在压力作用下的破坏形态类似^[33]。这是由于teflon薄片减小了试件表面所受的摩擦力，使试件接近于单向受压状态，其横向变形受到的约束沿高度差别较小。

各圆柱体试件的劈裂破坏形态基本相同，掺入聚丙烯纤维试件的劈裂破坏形态并没有表现出显著的差异。

在斜压试验中，当达到极限荷载时墙片突然开裂，破坏时的裂缝形态可分为2类，如图4所示。由图4可知：一种是沿加载方向的单个竖向裂缝，另外一种是伴随着沿加载方向的竖向裂缝出现了垂直于夯筑方向(即平行于夯筑面)的裂缝。其中，第2种裂缝形态仅发生在采用焊接钢筋网和聚丙烯土工格栅增强的墙体中。在已破坏的试件中，可用肉眼观测到穿过竖向裂缝的增强体。此外，分别对采用焊接钢筋网和聚丙烯纤维增强的墙体沿其竖向裂缝进行了剖切，观察发现：3根垂直于夯筑方向的钢筋及1根平行于夯筑方向的钢筋均已被拔出，另外2根平行于夯筑方向的钢筋未被拔出；在截面内纤维分布不均匀，出现了结团现象。

图4  斜压试验破坏形态

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

2.2  圆柱体试件的强度特性分析

各圆柱体试件的抗压强度及其密度如图5所示。CIANCIO等^[10]认为：对于抗压强度大于5 MPa的水泥稳定夯土材料，水的毛细作用对其抗压强度无显著影响，因此，本文选用密度作为一个参数)。各类试件的平均抗压强度f_cm见表1。由图5和表1可知：各试件的抗压强度均较高，其值大于7 MPa；密度对其抗压强度有明显影响，这可能是因为密度反映了试件的压实程度(一般情况下，材料的压实度越大，其强度越高)；相比RC钻芯试件，RC试件的密度具有较大的离散性，相应地其抗压强度也具有较大的离散性，这可能是因为在施工现场，未能严格按照实验室的制作步骤控制其制作过程而导致的。

图5  抗压强度与密度的相互关系

Fig. 5  Relationship between compressive strength and density

表1  试件的强度特征值

Table 1  Strength properties of samples

RC圆柱体试件的劈裂抗拉强度及其密度如图6所示。试件的平均抗拉强度f_tm见表1。试验结果表明：试件的抗拉强度均较高，其值大于1 MPa；掺入纤维试件的抗拉强度并无明显提高。

图6  抗拉强度与密度的相互关系

Fig. 6  Relationship between tensile strength and bulk density

2.3  墙片的平面内抗剪性能分析

本文将试验中施加的斜向荷载P按照下式换算为剪应力τ：

             (1)

式中：t为墙片厚度；L为墙片长度；H为墙片高度；α为荷载P的施加方向与水平轴之间的夹角(本文所有墙片的α均为45°)。

测量的剪应变γ按照下式计算：

      (2)

式中：为墙片沿荷载施加方向的压应变；为墙片沿垂直于荷载施加方向的伸长；g为标距。

墙片的剪应力-剪应变曲线如图7所示。

图7  墙片的剪切应力τ-应变γ曲线

Fig. 7  Shear stress(τ)-strain(γ) plots for tested panels

各墙片的平面内抗剪强度τ₀见表2。由表2可见：试件的抗剪强度均较高，其值大于1.5 MPa；加筋墙体的抗剪强度可提高6%~42%，其中聚丙烯土工格栅的增强效果最不明显，而采用焊接钢筋网、玻璃纤维土工格栅及聚丙烯纤维进行增强的墙体其抗剪强度均有大幅提高。

结构、构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载力或达到以后而承载力没有显著下降期间的变形能力，即为延性。在抗震设计中，延性是一个重要的指标，通常用延性系数来表示。由于被测墙片的应力-应变曲线没有明显的屈服点，其名义延性采用弹塑性双线近似方法来确定(如图8所示)。极限应变δ_u取峰值点后应力降至0.8τ₀时的应变，屈服应变δ_y的确定方法为弹塑性双线下的面积与试验所测曲线下的面积相等。各墙片的δ_u和δ_y及峰值应变δ₀见表2，延性系数μ采用下式计算：

                 (3)

由式(3)可见：采用不同加筋形式增强的墙体其延性均有大幅提高，其中掺入聚丙烯纤维的提高效果最显著。

剪切模量G取剪切应力-应变曲线上原点与峰值点之间的割线模量，其值见表2。泊松比v是指材料在单向受压(或受拉)时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。本文根据ASTM C469—2002 ^[34]中计算受压混凝土泊松比的方法，取0.4τ₀时的横向正应变与轴向正应变的比值作为墙片的泊松比，其值见表2。弹性模量E可按照下式进行计算：

               (4)

由表2可见：采用聚丙烯纤维增强的墙片具有更大的刚度，而采用焊接钢筋网、玻璃纤维土工格栅及聚丙烯土工格栅增强的墙片其刚度与未增强墙片的刚度没有明显差别。

2.4  钢筋与夯土间的黏结性能

在焊接钢筋网增强的墙片中有6根钢筋穿过裂缝，但仅有2根平行于夯筑方向的钢筋能够屈服，其余4根钢筋均被拔出(见图9)。这意味着钢筋的位置及布置方向对其与夯土间的黏结性能有明显影响。屈服钢筋与夯土间的平均黏结强度τ_u可按下式计算：

               (5)

式中：f_y为钢筋的屈服强度；A_s为单根钢筋的截面面积；μ_s为钢筋的周长；l_c为钢筋在夯土中的埋置长度。

图8  墙片REW-S试验所测曲线的近似双线

Fig. 8  Bilinear approximation of experimental curve for panel REW-S

表2  墙片试件的抗剪性能特征值

Table 2  Shear property values of tested panels

对于图9所示的钢筋③，其较小埋置长度为100 mm，它与夯土间的平均黏结强度至少为7.5 MPa，但这种黏结强度仅能在墙片的底层获得，因为此处的夯实效果最好。在夯土墙片的顶层则难以获得如此大的黏结强度，因而钢筋①被拔了出来。钢筋②的埋置长度为300 mm，它与夯土间的平均黏结强度至少为2.5 MPa。然而，垂直于夯筑方向的3根钢筋(④~⑥)均被拔了出来，可见位于墙片底层的钢筋④与夯土间的黏结强度小于7.5 MPa，钢筋⑤与夯土间的黏结强度小于2.5 MPa，位于墙片顶层的钢筋⑥与夯土间的黏结强度将更小。

图9  屈服钢筋的位置

Fig. 9  Positions of yielded bars

2.5  抗压强度与抗剪强度之间的关系

考虑到水泥稳定夯土与混凝土具有一定的相似性^[8-9]，本文采用AS3600—2009“澳大利亚混凝土结构设计规范”^[35]建议的关系式，探讨该公式对水泥稳定夯土材料的适用性，计算结果见表1。由表1可见：对于竖向分层夯筑的墙片试件，按公式计算的抗剪强度大于试验结果。

3  结论

1) 水泥稳定夯筑废弃混凝土材料具有较高的抗压和抗剪强度，其抗压强度可达到8.68~10.11 MPa，抗剪强度可高达1.55 MPa；该材料的抗拉强度也比较高，为1.01~1.23 MPa，掺入聚丙烯纤维试件的抗拉强度并无明显提高。就其抗剪强度与抗压强度之间的关系而言，对于竖向分层夯筑的试件，按澳大利亚混凝土结构设计规范建议公式计算的抗剪强度大于试验结果。

2) 加筋墙体的平面内抗剪性能可得到不同程度的改善。掺入聚丙烯纤维墙片的抗剪强度、延性、刚度均有大幅提高。采用焊接钢筋网、玻璃纤维土工格栅增强的墙体其抗剪强度、延性均有大幅提高，但其刚度与未增强墙片的刚度没有明显差别。使用聚丙烯土工格栅增强的墙片其延性有显著提高，但其抗剪强度、刚度均没有明显变化。

3) 钢筋的位置及布置方向对其与夯土间的黏结性能有明显影响。平行于夯筑方向的钢筋，在夯实效果最好的墙片底层获得了至少为7.5 MPa的平均黏结强度，但在夯土墙片的顶层则难以达到如此大的黏结强度。而垂直于夯筑方向的钢筋，即使位于墙片底层也无法获取7.5 MPa的平均黏结强度。

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(编辑  刘锦伟)

收稿日期：2015-08-13；修回日期：2015-10-21

基金项目(Foundation item)：澳洲ARC资助项目(LP110100251)；国家自然科学基金资助项目(51308489)；江苏省“六大人才高峰”资助项目(2015-JZ-010)(Project(LP110100251) supported by the Australian Research Council; Project(51308489) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015-JZ-010) supported by the Top Talents Program in Six Major Disciplines of Jiangsu Province)

通信作者：李志华，博士，副教授，从事建筑材料及混凝土结构研究；E-mail：lizhihua-1982@163.com