不同掺合料泥浆对土坯砌体及墙体力学性能影响研究

摘要

土坯房屋是用黏土泥浆将未经焙烧过的土坯块材砌筑形成承重墙体的建筑，它是传统生土建筑的主要形式之一，其建筑材料取之自然、融于自然，具有节约能源、生态环保、保温隔热、冬暖夏凉、居住舒适等优点，是真正的“绿色建筑”。除有相当数量的土坯房屋存在于中国部分农村地区外，土坯房屋这一绿色建筑形式也被应用于旅游业、农家乐、休闲场所等诸多产业。
　　由于土材料自身的力学特性等问题，土坯房屋在使用中存在许多病害，泥浆是砌筑土坯墙体的主要材料，对房屋整体受力性能具有重要作用，因其强度及粘结性的不足造成的病害占相当一部分，在极端荷载作用下破坏严重，给人们的生命及财产带来巨大损失。现有研究表明，改变掺合料能够较好的改善土坯房屋的受力性能，因此，开展不同掺合料泥浆受压及其对土坯砌体、墙体受力性能的研究，具有重要的现实意义。本文依托“十二五”国家科技支撑计划课题——“传统农房建造技术改良与应用示范”（课题编号:2015BAL03B03），以不同掺合料泥浆砌筑的土坯房屋为研究对象，采用试验研究和数值分析等研究手段，开展了以下工作，并获得一些有益的结论:
　　(1)开展含水率试验、筛析试验、液塑限试验、击实试验等物理性能试验，得到土料天然含水率、最大干密度、最优含水率分别为15.30％、1.79g/cm3、19.79％，其类别为粉质黏土，粗砂含水率为6.03％。
　　(2)通过对含有4种不同含量掺合料（稻草定比0.5％，单掺粗砂含量30％、40％、50％、60％，单掺石灰含量2％、4％、6％、8％，复掺粗砂石灰时按各自比例正交复掺）的泥浆立方体试块进行抗压强度试验，探讨了各掺合料的含量对泥浆受压性能的影响，结果表明，单掺粗砂、单掺石灰及复掺粗砂石灰两种材料时，试块抗压强度均与其含量呈三次多项式关系，单掺粗砂最优配合比为40％，单掺石灰为6％，复掺粗砂石灰对应含量分别为40％、6％;采用不同掺合料最优配合比制作的4组试样，进行三轴剪切试验，获取各组试样的粘聚力和内摩擦角，其中单掺40％粗砂的试样粘聚力和内摩擦角均有增加。
　　(3)选取泥浆抗压强度试验获得的各组掺合料最优配合比，分别制备泥浆，砌筑4组土坯砌体，进行抗压强度试验，探讨了不同掺合料泥浆对土坯砌体抗压强度、弹性模量、应力应变关系的影响。结果显示，掺合40％粗砂的泥浆砌筑的土坯砌体，抗压强度提高了15.4％，破坏位移增大4.6％，其对土坯砌体抗压性能的提高最显著:四组土坯砌体应力应变曲线均呈良好的二次多项式关系;稻草泥浆、石灰泥浆、粗砂石灰泥浆砌筑的土坯砌体弹性模量试验值与计算值之比均为0.9倍左右，粗砂泥浆砌筑的土坯砌体为0.78。
　　(4)通过土坯砌体抗剪、抗弯试验，对比分析不同泥浆掺合料下土坯砌体的破坏过程、破坏荷载、破坏位移，探索了不同掺合料泥浆对土坯砌体抗剪、抗弯性能的影响。结果表明:土坯砌体抗剪抗弯均为脆性破坏;40％的粗砂泥浆砌筑的土坯砌体抗剪、通缝抗弯及齿缝抗弯强度均有提高，分别为32.1％、21.0％、59.1％。
　　(5)根据试验确定的灰缝参数，建立ANSYS有限元土坯砌体分离式模型，模拟土坯砌体抗压、抗剪试验，对不同灰缝参数下其应力值、位移值进行分析，探索灰缝层强度对土坯砌体内部受力状态的影响。结果表明:土坯砌体受压时，竖向灰缝部位出现应力集中，等效应力最大值出现在顶部灰缝部位，砌体在此处较易破坏;土坯砌体受剪时，易沿X向、Y向出现鼓胀，沿Z向中间皮土坯与两侧皮相交处产生相对滑移;竖向位移相同时，灰缝弹性模量大的土坯砌体受压、受剪应力值均增大。
　　(6)建立土坯墙体分离式有限元模型，模拟低周反复试验，探索不同参数的灰缝对土坯墙体位移、应力、滞回曲线及骨架曲线的影响。分析结果表明:X向位移过大使墙体沿土坯块与灰缝接触面产生“X形”裂缝;灰缝弹性模量大的土坯墙体破坏时灰缝和土坯块接触部位应力较为均匀，X、Y、Z向应力最大值均较大，且其滞回环包络面积较大，抵抗地震作用的能力较好。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 土坯房屋简介

1．1．1 土坯房屋历史

1．1．2 土坯房屋的生存现状

1．2 研究现状

1．2．1 试验研究

1．2．2 数值模拟研究

1．3 本文的主要工作

1．3．1 主要研究内容

1．3．2 本文技术路线

2 不同掺合料对泥浆受力性能影响试验研究

2．1 土料物理性质试验

2．1．1 含水率试验

2．1．2 界限含水率试验

2．1．3 颗粒分析试验

2．1．4 击实试验

2．2 泥浆抗压强度试验

2．2．1 试验概况

2．2．2 试验结果与分析

2．2．3 不同掺合料试块应力应变关系

2．3 三轴剪切试验

2．3．1 试件制作

2．3．2 试验步骤

2．3．3 试验结果

2．4 小结

3 不同掺合料泥浆对土坯砌体受压性能影响试验研究

3．1 试验概况

3．2．1 土坯砌体制作

3．2．2 试验设备及加载制度

3．2．3 试验步骤

3．2 试验结果与分析

3．2．1 稻草泥浆砌筑土坯砌体

3．2．2 粗砂泥浆砌筑土坯砌体

3．2．3 石灰泥浆砌筑土坯砌体

3．2．4 粗砂石灰泥浆砌筑土坯砌体

3．3 不同土坯砌体抗压强度对比分析

3．4 不同土坯砌体应力应变关系

3．5 不同土坯砌体弹性模量

3．6 本章小结

4 不同掺合料泥浆对土坯砌体抗剪抗弯性能影响试验研究

4．1．1 试验概况

4．1．2 试验结果与分析

4．1．3 四组土坯砌体试验结果对比分析

4．2 土坯砌体弯曲抗拉强度试验

4．2．1 试验概况

4．2．2 试验结果与分析

4．2．3 土坯砌体通缝抗弯与齿缝抗弯对比分析

4．3 本章小结

5 不同灰缝参数下土坯砌体及墙体的数值模拟分析

5．1 不同灰缝参数下土坯砌体受压数值模拟

5．1．1 模型建立

5．1．2 位移分析

5．1．2 应力分析

5．2 不同灰缝参数下土坯砌体受剪数值模拟

5．2．1 模型建立

5．2．2 位移分析

5．2．3 应力分析

5．3 不同灰缝参数下土坯墙体数值模拟

5．3．1 模型建立

5．3．2 位移分析

5．3．2 应力分析

5．3．3 滞回曲线及骨架曲线

5．4 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

个人简历及在校期间发表论文和研究成果

致谢