潜藏巨大发展前景的绿色建筑材料生土由于其环保、生态优势而受到青睐[1-2]。传统生土材料强度低、耐久性差[3-5]，许多学者对生土材料进行了改性研究[6-9]，已取得在生土中添加改性掺料、采用YZP200—8压砖机制作生土砖等研究成果[10]。已有研究表明, 机制生土砖的抗压和抗折强度较传统土坯有较大提高[11-13]，在一定程度上解决了传统土坯质量差异大、强度低的问题。生土砖与砂浆间的粘结性能是保证生土砌体承载力、整体性和稳定性的关键，但机制生土砖表面平整光滑，与砂浆间摩阻力较低，粘结效果差，不能保证生土砖与砂浆共同工作，机制生土砖与砂浆间的粘结问题成为机制生土砖推广应用的关键问题。生土块材与普通砂浆的粘结剪切性能试验结果表明：适当的凿毛可提高生土砖与砂浆粘结界面的抗剪强度，一定程度的粗糙处理可增大生土块材与砂浆的接触面积和摩擦力，生土块材与砂浆相互咬嵌，形成机械咬合机制，提高剪切粘结强度[14]。但生土块材与砂浆之间的法向粘结强度的影响因素尚没有研究，生土块材与砂浆的法向粘结性能对生土块材的受压、受拉、受弯等性能有重要影响。笔者研究生土砖与砂浆法向粘结性能的影响因素，分析各种因素对法向粘结强度的影响规律。
人工凿毛法方便、简单，无需机械。试验采用人工凿毛法，凿毛深度约为3~5 mm，如图 1所示。机制生土砖在西安建筑科技大学的住房与城乡建设部现代生土研究中心制作，其尺寸为240 mm×115 mm×90 mm，抗压强度为10.94 MPa。用岩石切割机将生土砖切成均匀平整的四块，在生土砖块上用模具制作尺寸为40 mm×40 mm×6 mm(长×宽×高)的砂浆粘结块。试验根据砂浆类型和凿毛情况制作4组共72个试件，每组分7、14、28 d共3个龄期18个试件，每个龄期有6个试件，砂浆采用课题组前期研制的专用砂浆[11]，试件编号规则及组成如表 1。
机制生土砖与砂浆法向粘结强度试验在长春科新试验仪器有限公司生产的WDW3030微控电子万能试验机(图 2(a))上进行，加载方法参考《建筑砂浆基本性能试验方法》(JGJ/T 70—2009)[15]。试验前用水平尺检查生土砖的平整度，保证竖向拉力垂直加载, 预拉两次拉力杆，确保加载速率和试验机各仪器正常工作后将粘结块上夹具对准拉力杆拧紧，试验中垂直于砂浆块上表面施加拉力，以测得机制生土砖与砂浆的法向粘结强度，采用连续加载方式，横梁速度为5 mm/min，当砂浆粘结块脱离生土砖时，试验结束，加载方式见图 2(b)。
不同界面状态、不同龄期的机制生土砖与砂浆粘结破坏现象和破坏特征不同，根据破坏特征将破坏形态分为4类：Ⅰ类(无粘结界面破坏)：试件自开始加载至破坏，无明显的裂缝产生，破坏发生在砂浆与生土砖接触界面，粘结性能较差(图 3(a)); Ⅱ类(有粘结界面破坏)：加载初期，荷载平稳缓慢的增加，试件无明显变化，随着荷载增大，砂浆上出现微裂缝并随荷载增大发展，达到最大荷载时生土砖与砂浆脱离，试件破坏，因砂浆块尺寸较小，裂缝发展不明显，破坏主要在粘结界面，生土砖上留有薄层砂浆且砂浆粘结块角部粘结少量土体(图 3(b)); Ⅲ类(砂浆层破坏)：破坏过程和第Ⅱ类相似，破坏主要发生在砂浆层，破坏较为突然并听到砂浆崩断声(图 3(c)); Ⅳ类(生土砖破坏)：试件随着荷载增加生土砖表面出现微裂缝并扩展，破坏时荷载迅速下降，破坏主要在生土砖表面，砂浆粘下厚度约3~5 mm的土，破坏时可听到土中纤维断裂的声音(图 3(d))。
上述4种破坏形态体现砂浆与生土砖之间法向粘结性能的差异。Ⅰ类破坏发生在接触界面，粘结力全部由生土砖与砂浆间的化学胶结力提供; Ⅱ类破坏发生在接触界面，但部分土体表面粘有砂浆，部分砂浆面也粘有土体，说明生土砖抗拉强度、砂浆强度及粘结强度三者相近; Ⅲ类破坏发生在砂浆层，砂浆和生土砖之间的法向粘结性能较Ⅱ类提高显著，此时砂浆强度低于生土砖与砂浆法向粘结强度，而法向粘结强度低于生土砖抗拉强度; Ⅳ类破坏发生在生土砖面内，说明法向粘结强度高于生土砖抗拉强度，低于砂浆强度。可见，生土砖与砂浆法向粘结破坏形态与砂浆强度、生土砖抗拉强度、法向粘结强度及其三者的相对值有关。
参照文献[7]，试件的法向粘结强度按式(1)计算，每个龄期的法向粘结强度值取6个试件的算术平均值(式(2))，单个试件的强度值与平均值之差超过20%的予以剔除，取剩余试验值的平均值作为强度取值，结果精确至0.01 MPa，若有效数据少于4个，则此组试验数据无效。
式中：F为试件破坏时的荷载，N; A为粘结面积，mm2，精确至1 mm2; fi为机制生土砖与砂浆的法向粘结强度，MPa; $\overline f $为法向粘结强度平均值，MPa。
各试件各龄期下粘结强度结果及平均值如表 2所示。
各组试件各龄期下的破坏类别统计如表 3。
以龄期为横坐标、各组试件法向粘结强度平均值为纵坐标绘制直方图(图 4)，分析不同界面状态、不同龄期试件法向粘结强度平均值的变化规律。
从图 4和表 3可以发现，龄期和界面状态等因素对试件法向粘结强度平均值和破坏类别有影响。
1) 龄期 无论何种试件，砂浆与生土砖间的法向粘结强度均随龄期的增长而增大，破坏形态均随龄期向粘结性能好的方向发展。由图 4粘结强度平均值随龄期走向趋势可知：试件S2法向粘结强度平均值在龄期14 d时增长不明显，28 d增长幅度明显增大，28 d较14 d粘结强度增长率约是14 d较7 d粘结强度增长率的3倍，试件S3粘结强度平均值随龄期增长平稳，在龄期14 d和28 d时增长率均保持在20%，可见生土砖与砂浆法向粘结强度随龄期增长明显，且增长受砂浆种类影响显著，建议试件养护28 d; MS2和MS3粘结强度平均值增长幅度差别不大，MS2在龄期14 d和28 d时增长率为15%左右，MS3在14 d和28 d时增长率均在18%左右，凿毛后生土砖与砂浆法向粘结强度随龄期增长受砂浆种类影响不明显，28 d强度值较7 d变化不大，建议试件养护7 d以上; 由表 3破坏类别表可知：各组试件均随龄期呈现不同破坏形态，整体随龄期向粘结性能好的方向发展。即随着时间增长，砂浆水化反应较充分，生土砖与砂浆间的化学胶结作用增强，粘结强度提高，破坏形态随之发生变化。
2) 砂浆掺料类别 生土砖与砂浆法向粘结性能与砂浆掺料类别相关。由图 4可知：同一龄期下，砂浆中掺胶粉S3试件法向粘结强度平均值比掺纤维素醚的S2试件高50%以上，掺胶粉的MS3试件法向粘结强度比掺纤维素醚MS2试件高13.6%以上，最大达到20.7%，表 3试件破坏形态统计结果显示：砂浆中掺胶粉的S3(MS3)发生Ⅰ类破坏明显少于掺纤维素醚的S2(MS2)。可见，无论生土砖界面是否处理，单掺胶粉的S3(MS3)组试件与单掺纤维素的S2(MS2)组试件相比，法向粘结强度更高，破坏形态也趋于粘结性能好的方向，砂浆种类对凿毛生土砖与砂浆法向粘结性能影响程度低于未凿毛试件，在工程应用中，可根据对结构构件的强度和经济性要求选择不同种类砂浆。
3) 界面状态 生土块材与水泥砂浆剪切试验表明，一定凿毛处理可以提高块材与砂浆抗剪强度[14]，而试验结果表明，凿毛对试件的法向粘结强度没有提高反而降低，凿毛后试件破坏形态较未凿毛发生显著变化。通过图 4可知：凿毛的MS2(MS3)组试件各龄期的法向粘结强度平均值较未凿毛S2(S3)有所降低; 表 3数据显示：界面凿毛后的MS2、MS3组试件主要发生Ⅱ类和Ⅳ类破坏，未凿毛的S2主要发生Ⅰ类和Ⅱ类破坏，S3主要发生Ⅲ类和Ⅳ类破坏。原因可归为以下几点：①凿毛破坏了生土砖表层整体性，且凿毛处存在浮土颗粒，生土砖与砂浆粘结间的化学胶结力受到影响; ②法向粘结试验试件拉伸时施加力的方向与凿毛深度方向相同，不增加生土砖与砂浆的机械咬合作用，因此，凿毛对生土砖与砂浆法向粘结强度没有提高效果，但可以改变其破坏形态并趋于理想方向，并且可以提高抗剪强度。
1) 机制生土砖与砂浆的法向粘结性能与龄期相关，法向粘结强度值随龄期的增长而提高，破坏形态随龄期呈现向粘结性能较好方向的发展趋势，砂浆种类和生土砖界面状态不同时，法向粘结强度随龄期增长程度有所不同，对于凿毛试件，建议养护龄期在7 d以上，对于未凿毛试件，建议养护28 d。
2) 生土砖与砂浆法向粘结性能受砂浆掺料类别影响，砂浆掺料粘结性能越高，其对生土砖与砂浆法向粘结强度的提高越明显，破坏形态也趋于粘结性能好的方向，但砂浆成本相应提高，在工程应用中考虑强度和经济性选择适当的砂浆种类。
3) 生土砖与砂浆拉伸粘结试验时，破坏形态与砂浆强度、生土砖抗拉强度、法向粘结强度及三者的相对值有关，不同强度及相对值呈现不同破坏形态。
4) 虽然凿毛对生土砖与砂浆法向粘结不利，但可以使破坏形态趋于较好方向，且前期试验表明凿毛可以提高块材与砂浆剪切粘结强度，综合两种强度对砌体结构稳定性影响及凿毛对试件破坏形态影响，建议对生土砖进行一定程度粗糙度处理。
5) 机制生土砖与砂浆的法向粘结性能与生土砖界面状态相关，机制生土砖界面粗糙度处理不能太过随意而应达到一定要求，生土砖界面粗糙处理时，尽量避免对生土砖整体性破坏，表面浮土颗粒和松动土体要清理干净。
2018, Vol. 40 Issue (1): 78-82
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