基本信息
- 項目名稱：
- 改性土坯抗壓性能試驗研究
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 通過在土體材料中摻和粗砂、麥秸稈或生石灰等措施，來改善土坯砌塊的受壓承載力和變形能力，找出粗砂、麥秸稈或生石灰的較優(yōu)摻和范圍，為拓展土坯砌體房屋在地震區(qū)應用范圍及保護地域特色生土古跡打下基礎(chǔ)。
- 詳細介紹：
- 詳細介紹： 1.問題的提出 生土建筑由于其卓越的物理性能、節(jié)能環(huán)保經(jīng)濟等特性，在新疆廣大城鎮(zhèn)地區(qū)得到居民的青睞。但歷次地震災害表明，有素土為材料建造的生土建筑其抵御抗震災害的能力很弱。新疆又是經(jīng)濟欠發(fā)達環(huán)境脆弱地區(qū)，如何提高生土建筑的抗震性能，使得這一古老的建筑形式得以在地震區(qū)應用，是一個具有重要現(xiàn)實意義的課題。本項目本著環(huán)保、經(jīng)濟的原則，參考國內(nèi)外的生土建筑的研究結(jié)果，提出采用在生土中摻合摻和粗砂、麥秸稈和生石灰來提高生土建筑的抗震能力。 2.試驗研究的方案 為了確定三種摻和量的最佳質(zhì)量比范圍，在前期研究的基礎(chǔ)上，參考國內(nèi)外的研究成果和本試驗研究所采集的土體材料的基本物理性能（如粘土含量、最優(yōu)含水率、塑限指數(shù)等），確定的摻和量的比例分別如下： 麥草組：摻和量分別定為0.25%、0.5%、1.0%、1.5%；每種摻和量試塊制作12塊及對比試驗素土12塊共計60塊； 石灰組：摻和量分別定為4%、8%、12%、16%；每種摻和量試塊制作12塊及對比試驗素土12塊共計60塊； 粗砂組：摻和量分別定為50%、100%、150%、200%；每種摻和量試塊制作12塊及對比試驗素土12塊共計60塊； 按高厚比β等于3制作了素土坯砌體試件合計6件，在砌筑土坯砌體試件過程中，在其澆注灰縫土體材料泥漿中加入1%的麥秸稈，用以抑制在土坯砌體灰縫中出現(xiàn)過多的裂縫。 3.試驗研究的結(jié)果 3.1 素土試塊的受壓試驗結(jié)果分析 素土試塊其受力過程同素混凝土試塊相似，同樣經(jīng)歷彈性、開裂、脆性破壞3個階段。試驗加載初期，土體表現(xiàn)為彈性性能，隨后經(jīng)歷屈服開裂。達到極限荷載時，素土破壞很迅速，呈現(xiàn)脆性破壞。 3.2摻和麥秸稈試塊受壓試驗結(jié)果分析 加載初期，荷載與位移基本呈線性關(guān)系，可視為彈性階段。當荷載加至極限荷載的40%左右時，試塊開始發(fā)出細微的響聲，并且出現(xiàn)少量細小裂縫。裂縫大多出現(xiàn)在邊角處，相對穩(wěn)定。隨著荷載的增加，裂紋逐漸增多，邊角出現(xiàn)掉渣，但與素土相比，明顯很少。達到極限荷載時，試塊沒有出現(xiàn)明顯的通縫，也沒有立即破壞，而是試塊中部凸起，仍可承受一定的荷載，表現(xiàn)為延性破壞。 3.3摻和粗砂試塊受壓試驗結(jié)果分析 加載初期，荷載與位移基本成線性關(guān)系，視為彈性階段，同素土相比，曲線較為陡峭，當荷載加至65%左右時，開始出現(xiàn)裂紋，裂紋多出現(xiàn)在試塊邊角處，隨著荷載的增加，裂縫迅速延伸擴散，并形成通縫破壞，期間，試塊出現(xiàn)多處脫落、潰散，表現(xiàn)為脆性破壞。 3.4土坯砌體抗壓強度試驗 土坯砌體試件破壞過程可以分為開裂、裂縫穩(wěn)定發(fā)展、破壞三個階段.荷載小于35%峰值荷載時，荷載-位移曲線不是線性關(guān)系，也表現(xiàn)出明顯的下凸特征。當加載至45%極限荷載時，試件的正面與側(cè)面中部單皮磚內(nèi)出現(xiàn)細微豎向裂縫，并緩慢擴展，至60%峰值荷載時裂縫擴展至4-5皮，隨著荷載增長，豎向灰縫由裂縫連通，局部少量剝落掉渣。.豎向灰縫不飽滿處最容易先出現(xiàn)裂縫，側(cè)面也是豎向灰縫主導裂縫走向裂縫的穩(wěn)定發(fā)展階段荷載-位移曲線接近于線性關(guān)系。當加載至85%峰值荷載時，荷載略有增長，位移增長加快，接近極限荷載時，試件突然破壞，邊角局部壓潰，試件正面與側(cè)面均已出現(xiàn)較寬豎向裂縫，砌體試件已被分成若干小柱，后續(xù)潰散。 4.結(jié)論 摻和適量的麥草可以在略微降低土坯強度的情況下很有效地提高其延性，使其從脆性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐?，建議摻和量為0.25%左右。 摻和適量的粗砂可以有效地提高土坯的強度，建議摻和量為50%，由于其延性大大降低，故不宜在多震區(qū)單獨使用。 摻和適量的生石灰即可以提高強度，也可以提高延性。從實驗結(jié)果看，建議摻和量為12%-16%之間。 造成土坯砌體強度低的原因較多，諸如干縮產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷、砌筑質(zhì)量和施工方法、強度測試方法、受壓面平整度等?；铱p是很重要也最容易被忽視的一方面，尤其是豎向灰縫不飽滿處形成應力集中。 土坯砌體抗壓強度平均值的計算可采用本文（2）公式，由此得出的土坯砌體抗壓強度平均值為0.76Mpa，基本符合試驗值。 從土坯砌體試件的抗壓結(jié)果看，無論是否摻和麥秸稈土坯砌體抗壓強度都很低，因此不建議建造中使用濕法制作土坯砌筑承重墻。建議從生土料的顆粒級配、生土料中粘土含量、新的加強材料、新的生產(chǎn)工藝方面探究改善其力學性能。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 目的：改善土坯的受壓承載力和變形能力，保護新疆地區(qū)的民族特色生土建筑，拓展土坯砌體房屋在地震區(qū)的應用范圍。 基本思路：在土體材料中摻和不同比例的摻和物（粗砂、麥秸稈或生石灰）形成改性土體材料，并在受壓試驗機上進行其受壓承載力試驗研究。通過試驗數(shù)據(jù)分析，提出各類摻和物對土體材料的承載力和變形能力的影響程度，確定摻和物的最佳摻和量。
科學性、先進性及獨特之處
- 科學性：試驗過程嚴格依照“砌體基本力學性能試驗方法標準”（GBJ129-90）等標準進行，實驗數(shù)據(jù)處理依照數(shù)理統(tǒng)計基本理論。這些方法和標準，保證了試驗的科學性。 先進性及獨特之處：1、本次試驗所用設(shè)備儀器采用電腦控制，可以全程記錄所作試驗的相關(guān)數(shù)據(jù)；2、材料（土、麥草等）環(huán)保且可持續(xù)循環(huán)利用；3、首次采用150立方體試塊受壓試驗來研究；4、針對新疆地域特點展開研究。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 1、在保護民族特色生土建筑（香妃墓、蘇公塔、喀什老城區(qū)等）方面起到積極的作用； 2、新疆廣大農(nóng)牧地區(qū)，依然存在大量的生土建筑，通過改良生土建筑，可以為當前新農(nóng)村建設(shè)和富民安居工程的建設(shè)，提供一條環(huán)保、經(jīng)濟和可持續(xù)的建設(shè)道路。 3、提出了改性材料（麥草、粗砂等）的最佳摻和量，為制定生土建筑規(guī)范奠定基礎(chǔ)。
學術(shù)論文摘要
- 參照砌體基本力學性能試驗方法標準進行了土坯、改性土坯的抗壓強度試驗,描述了試驗過程和現(xiàn)象.分析了摻合量對土坯抗壓強度的影響。實驗結(jié)果表明,濕法制成的土坯強度很低,摻和麥秸稈仍無改觀,延性提高;摻和粗砂提高土坯強度，延性下降;摻和石灰強度提高，延性提高。本研究成果為新疆傳統(tǒng)土坯民居的建設(shè)和傳統(tǒng)土坯建筑文化的弘揚、環(huán)境保護等具有重要參考價值。
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 實驗數(shù)據(jù)真實可靠，研究結(jié)論具有實際應用價值，適合新疆地區(qū)。
參考文獻
- 技術(shù)：混凝土材料立方體抗壓試驗方法。 技書文獻： [1]GB/T2542-2003砌墻磚試驗方法[S] .北京：中國建筑工業(yè)出版社. [2]GBJ129—90 砌體基本力學性能試驗方法標準[S]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社 [3]阿肯江?托呼提,亓國慶,陳漢青.新疆南疆地區(qū)傳統(tǒng)土坯房屋震害及抗震技術(shù)措施[J]. 工程抗震與加固改造,2008,30(1):82-86. [4]陶忠,譚冠平,曹凈,等.云南農(nóng)村民居土筑墻體土工試驗研究[J]. [5]工程抗震與加固改造,2008,(1)：90-93． [6]葛學禮,朱立新,于文. 新疆喀什老城區(qū)生土房屋模型振動臺試驗研究[J],工程質(zhì)量,2007,（1）:52-54 [7]GB 50003-2001,砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2001. [8]施楚賢,砌體結(jié)構(gòu)理論與設(shè)計（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2003,36-38. [9]熊丹安,李京玲.砌體結(jié)構(gòu) [M].武漢：武漢理工大學出版社,2005,11-13 [10]王沛欽,鄭山鎖,柴俊,曾磊,彭春華,鄭捷.走向生土建筑結(jié)構(gòu)[J].工業(yè)建筑,2008, 38(3): 532-535
同類課題研究水平概述
- 近年來，西安建筑科技大學就 “夯土民居生態(tài)建筑材料體系的優(yōu)化”開展了研究。其主要的研究內(nèi)容集中在夯土建筑所用夯土材料的力學性質(zhì)、耐久性質(zhì)、夯土材料的改性等。但本研究成果只限于當?shù)氐耐馏w材料和夯土墻體，其研究成果很難在新疆地區(qū)加以推廣和應用，加之在新疆生土建筑主要以土坯砌體房屋為主，墻體的砌筑方式、墻體在豎向和水平力作用下的傳遞方式都有很大的差異。 昆明理工大學陶忠等，就云南農(nóng)村生土民居開展了一系列研究。采用土工試驗方法，研究了當?shù)赝馏w材料的最優(yōu)含水量、最大干密度、剪切強度等土體材料的基本物理力學性能。這些研究成果無疑對生土建筑（包括夯土建筑和土坯砌體建筑）建造有重要的參高價值，但由于土體材料的基本物理性能變化差異較大，將這些研究成果應用在新疆的生土建筑中還需進一步研究考證。也沒有建議摻和量的具體范圍，具體實施有一定的盲目性。 中國建筑科學研究院就“農(nóng)村木構(gòu)架承重土坯維護結(jié)構(gòu)振臺試驗研究”。針對木構(gòu)架承重土坯維護墻單層房屋采取抗震措施并進行了在足尺模型模擬地震振動臺試驗。同時應用有限元分析軟件進行了對比分析，為改進現(xiàn)有木構(gòu)架承重土坯維護墻房屋提供了試驗依據(jù)。新疆農(nóng)村地區(qū)的生土建筑主要以生土墻體承重為主，加之新疆南疆地區(qū)木材短缺，本項研究成果很難在新疆得到推廣和應用。 印度坎普爾理工大學2010年前后，針對土坯砌體的抗壓強度和本構(gòu)方程開展了一些列深入卓有成效地研究。主要結(jié)論有：土坯砌體的抗壓承載力隨土坯和泥漿的抗壓強度的提高而提高。然而用抗壓強度較高的泥漿砌筑土坯砌體，提高土坯砌體的抗壓承載力的效果不明顯。在泥漿中摻和石灰對提高土坯砌體的變形性能效果顯著。 從國外已有的文獻中可以看出，國外研究主要集中在建筑設(shè)計、建筑節(jié)能、歷史文化遺產(chǎn)保護和土坯磚的抗拉壓強度提高方面。從生土土坯的抗側(cè)承載力及變形能力方面研究較少。當需要在地震地區(qū)建設(shè)生土土坯房屋時，簡單的將土坯當成混凝土來處理，在土坯墻體中用垂直鋼筋來加固，或者用燒結(jié)磚柱、鋼筋混凝土形成約束柱和約束梁來加固土坯墻體，以形成滿足抗震所需的抗側(cè)承載力和一定的延性。這些措施又違背了原有生土墻的建筑物理性能。本研究是通過在土體材料中摻和粗砂、麥秸稈和生石灰來提高土坯的基本力學性能，同時提出了評判土體材料優(yōu)良的試驗標準。這些研究結(jié)果為生土建筑的抗震性能研究和設(shè)計建立了一定的基礎(chǔ)。
