基本信息
- 项目名称：
- 改性土坯抗压性能试验研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 通过在土体材料中掺和粗砂、麦秸秆或生石灰等措施，来改善土坯砌块的受压承载力和变形能力，找出粗砂、麦秸秆或生石灰的较优掺和范围，为拓展土坯砌体房屋在地震区应用范围及保护地域特色生土古迹打下基础。
- 详细介绍：
- 详细介绍： 1.问题的提出 生土建筑由于其卓越的物理性能、节能环保经济等特性，在新疆广大城镇地区得到居民的青睐。但历次地震灾害表明，有素土为材料建造的生土建筑其抵御抗震灾害的能力很弱。新疆又是经济欠发达环境脆弱地区，如何提高生土建筑的抗震性能，使得这一古老的建筑形式得以在地震区应用，是一个具有重要现实意义的课题。本项目本着环保、经济的原则，参考国内外的生土建筑的研究结果，提出采用在生土中掺合掺和粗砂、麦秸秆和生石灰来提高生土建筑的抗震能力。 2.试验研究的方案 为了确定三种掺和量的最佳质量比范围，在前期研究的基础上，参考国内外的研究成果和本试验研究所采集的土体材料的基本物理性能（如粘土含量、最优含水率、塑限指数等），确定的掺和量的比例分别如下： 麦草组：掺和量分别定为0.25%、0.5%、1.0%、1.5%；每种掺和量试块制作12块及对比试验素土12块共计60块； 石灰组：掺和量分别定为4%、8%、12%、16%；每种掺和量试块制作12块及对比试验素土12块共计60块； 粗砂组：掺和量分别定为50%、100%、150%、200%；每种掺和量试块制作12块及对比试验素土12块共计60块； 按高厚比β等于3制作了素土坯砌体试件合计6件，在砌筑土坯砌体试件过程中，在其浇注灰缝土体材料泥浆中加入1%的麦秸秆，用以抑制在土坯砌体灰缝中出现过多的裂缝。 3.试验研究的结果 3.1 素土试块的受压试验结果分析 素土试块其受力过程同素混凝土试块相似，同样经历弹性、开裂、脆性破坏3个阶段。试验加载初期，土体表现为弹性性能，随后经历屈服开裂。达到极限荷载时，素土破坏很迅速，呈现脆性破坏。 3.2掺和麦秸秆试块受压试验结果分析 加载初期，荷载与位移基本呈线性关系，可视为弹性阶段。当荷载加至极限荷载的40%左右时，试块开始发出细微的响声，并且出现少量细小裂缝。裂缝大多出现在边角处，相对稳定。随着荷载的增加，裂纹逐渐增多，边角出现掉渣，但与素土相比，明显很少。达到极限荷载时，试块没有出现明显的通缝，也没有立即破坏，而是试块中部凸起，仍可承受一定的荷载，表现为延性破坏。 3.3掺和粗砂试块受压试验结果分析 加载初期，荷载与位移基本成线性关系，视为弹性阶段，同素土相比，曲线较为陡峭，当荷载加至65%左右时，开始出现裂纹，裂纹多出现在试块边角处，随着荷载的增加，裂缝迅速延伸扩散，并形成通缝破坏，期间，试块出现多处脱落、溃散，表现为脆性破坏。 3.4土坯砌体抗压强度试验 土坯砌体试件破坏过程可以分为开裂、裂缝稳定发展、破坏三个阶段.荷载小于35%峰值荷载时，荷载-位移曲线不是线性关系，也表现出明显的下凸特征。当加载至45%极限荷载时，试件的正面与侧面中部单皮砖内出现细微竖向裂缝，并缓慢扩展，至60%峰值荷载时裂缝扩展至4-5皮，随着荷载增长，竖向灰缝由裂缝连通，局部少量剥落掉渣。.竖向灰缝不饱满处最容易先出现裂缝，侧面也是竖向灰缝主导裂缝走向裂缝的稳定发展阶段荷载-位移曲线接近于线性关系。当加载至85%峰值荷载时，荷载略有增长，位移增长加快，接近极限荷载时，试件突然破坏，边角局部压溃，试件正面与侧面均已出现较宽竖向裂缝，砌体试件已被分成若干小柱，后续溃散。 4.结论 掺和适量的麦草可以在略微降低土坯强度的情况下很有效地提高其延性，使其从脆性破坏转变为延性破坏，建议掺和量为0.25%左右。 掺和适量的粗砂可以有效地提高土坯的强度，建议掺和量为50%，由于其延性大大降低，故不宜在多震区单独使用。 掺和适量的生石灰即可以提高强度，也可以提高延性。从实验结果看，建议掺和量为12%-16%之间。 造成土坯砌体强度低的原因较多，诸如干缩产生的内部缺陷、砌筑质量和施工方法、强度测试方法、受压面平整度等。灰缝是很重要也最容易被忽视的一方面，尤其是竖向灰缝不饱满处形成应力集中。 土坯砌体抗压强度平均值的计算可采用本文（2）公式，由此得出的土坯砌体抗压强度平均值为0.76Mpa，基本符合试验值。 从土坯砌体试件的抗压结果看，无论是否掺和麦秸秆土坯砌体抗压强度都很低，因此不建议建造中使用湿法制作土坯砌筑承重墙。建议从生土料的颗粒级配、生土料中粘土含量、新的加强材料、新的生产工艺方面探究改善其力学性能。
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撰写目的和基本思路
- 目的：改善土坯的受压承载力和变形能力，保护新疆地区的民族特色生土建筑，拓展土坯砌体房屋在地震区的应用范围。 基本思路：在土体材料中掺和不同比例的掺和物（粗砂、麦秸秆或生石灰）形成改性土体材料，并在受压试验机上进行其受压承载力试验研究。通过试验数据分析，提出各类掺和物对土体材料的承载力和变形能力的影响程度，确定掺和物的最佳掺和量。
科学性、先进性及独特之处
- 科学性：试验过程严格依照“砌体基本力学性能试验方法标准”（GBJ129-90）等标准进行，实验数据处理依照数理统计基本理论。这些方法和标准，保证了试验的科学性。 先进性及独特之处：1、本次试验所用设备仪器采用电脑控制，可以全程记录所作试验的相关数据；2、材料（土、麦草等）环保且可持续循环利用；3、首次采用150立方体试块受压试验来研究；4、针对新疆地域特点展开研究。
应用价值和现实意义
- 1、在保护民族特色生土建筑（香妃墓、苏公塔、喀什老城区等）方面起到积极的作用； 2、新疆广大农牧地区，依然存在大量的生土建筑，通过改良生土建筑，可以为当前新农村建设和富民安居工程的建设，提供一条环保、经济和可持续的建设道路。 3、提出了改性材料（麦草、粗砂等）的最佳掺和量，为制定生土建筑规范奠定基础。
学术论文摘要
- 参照砌体基本力学性能试验方法标准进行了土坯、改性土坯的抗压强度试验,描述了试验过程和现象.分析了掺合量对土坯抗压强度的影响。实验结果表明,湿法制成的土坯强度很低,掺和麦秸秆仍无改观,延性提高;掺和粗砂提高土坯强度，延性下降;掺和石灰强度提高，延性提高。本研究成果为新疆传统土坯民居的建设和传统土坯建筑文化的弘扬、环境保护等具有重要参考价值。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 实验数据真实可靠，研究结论具有实际应用价值，适合新疆地区。
参考文献
- 技术：混凝土材料立方体抗压试验方法。 技书文献： [1]GB/T2542-2003砌墙砖试验方法[S] .北京：中国建筑工业出版社. [2]GBJ129—90 砌体基本力学性能试验方法标准[S]. 北京:中国建筑工业出版社 [3]阿肯江•托呼提,亓国庆,陈汉青.新疆南疆地区传统土坯房屋震害及抗震技术措施[J]. 工程抗震与加固改造,2008,30(1):82-86. [4]陶忠,谭冠平,曹净,等.云南农村民居土筑墙体土工试验研究[J]. [5]工程抗震与加固改造,2008,(1)：90-93． [6]葛学礼,朱立新,于文. 新疆喀什老城区生土房屋模型振动台试验研究[J],工程质量,2007,（1）:52-54 [7]GB 50003-2001,砌体结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社,2001. [8]施楚贤,砌体结构理论与设计（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社,2003,36-38. [9]熊丹安,李京玲.砌体结构 [M].武汉：武汉理工大学出版社,2005,11-13 [10]王沛钦,郑山锁,柴俊,曾磊,彭春华,郑捷.走向生土建筑结构[J].工业建筑,2008, 38(3): 532-535
同类课题研究水平概述
- 近年来，西安建筑科技大学就 “夯土民居生态建筑材料体系的优化”开展了研究。其主要的研究内容集中在夯土建筑所用夯土材料的力学性质、耐久性质、夯土材料的改性等。但本研究成果只限于当地的土体材料和夯土墙体，其研究成果很难在新疆地区加以推广和应用，加之在新疆生土建筑主要以土坯砌体房屋为主，墙体的砌筑方式、墙体在竖向和水平力作用下的传递方式都有很大的差异。 昆明理工大学陶忠等，就云南农村生土民居开展了一系列研究。采用土工试验方法，研究了当地土体材料的最优含水量、最大干密度、剪切强度等土体材料的基本物理力学性能。这些研究成果无疑对生土建筑（包括夯土建筑和土坯砌体建筑）建造有重要的参高价值，但由于土体材料的基本物理性能变化差异较大，将这些研究成果应用在新疆的生土建筑中还需进一步研究考证。也没有建议掺和量的具体范围，具体实施有一定的盲目性。 中国建筑科学研究院就“农村木构架承重土坯维护结构振台试验研究”。针对木构架承重土坯维护墙单层房屋采取抗震措施并进行了在足尺模型模拟地震振动台试验。同时应用有限元分析软件进行了对比分析，为改进现有木构架承重土坯维护墙房屋提供了试验依据。新疆农村地区的生土建筑主要以生土墙体承重为主，加之新疆南疆地区木材短缺，本项研究成果很难在新疆得到推广和应用。 印度坎普尔理工大学2010年前后，针对土坯砌体的抗压强度和本构方程开展了一些列深入卓有成效地研究。主要结论有：土坯砌体的抗压承载力随土坯和泥浆的抗压强度的提高而提高。然而用抗压强度较高的泥浆砌筑土坯砌体，提高土坯砌体的抗压承载力的效果不明显。在泥浆中掺和石灰对提高土坯砌体的变形性能效果显著。 从国外已有的文献中可以看出，国外研究主要集中在建筑设计、建筑节能、历史文化遗产保护和土坯砖的抗拉压强度提高方面。从生土土坯的抗侧承载力及变形能力方面研究较少。当需要在地震地区建设生土土坯房屋时，简单的将土坯当成混凝土来处理，在土坯墙体中用垂直钢筋来加固，或者用烧结砖柱、钢筋混凝土形成约束柱和约束梁来加固土坯墙体，以形成满足抗震所需的抗侧承载力和一定的延性。这些措施又违背了原有生土墙的建筑物理性能。本研究是通过在土体材料中掺和粗砂、麦秸秆和生石灰来提高土坯的基本力学性能，同时提出了评判土体材料优良的试验标准。这些研究结果为生土建筑的抗震性能研究和设计建立了一定的基础。
