Identification of the mechanical behavior of rammed earth including water content influence

Abstract

(Identifikace mechanického chování dusané hlíny při zohlednění vlivu obsahu vody) Stavby z dusané hlíny se vyskytují v mnoha oblastech po celém světě, obecně na územích, kde byla hlína dostupnější ve srovnání s jinými historickými tradičními materiály, jako je např. kámen. V současné době je třeba chránit velké množství historických hliněných staveb jako kulturní dědictví a zároveň vzrůstá zájem o moderní využití dusané hlíny, a to především kvůli přínosu této technologie pro životní prostředí. Hlavní nevýhodu této technologie lze spatřovat v chybějících normách pro navrhování a preventivní údržbu hliněných konstrukcí. S finanční podporou francouzského národního projektu zaměřeného na dusanou hlínu byl v Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Syst?mes (LTDS) na univerzitě v Lyonu vyvinut nový konstitutivní model (CJS-RE). Nicméně, vzhledem k nedostatku je třeba některé aspekty dořešit. Příspěvkem této práce je v prvé řadě experimentální identifikace ploch porušení při různých trajektoriích napětí (tlak, protažení a tah) pro model dusané hlíny CJS-RE. Dále jsou porovnány experimentálně získané vztahy napětí-deformace v tlaku pro dusanou hlínu s výsledky modelu CJS-RE. Výsledky ukázaly, že CJS-RE je skvělým přístupem k popisu chování dusané hlíny. Zejména vztah mezi napětím a deformací v prostém tlaku byl velmi dobře reprodukován. Vyhodnocené parametry plasticity poukazují na velmi silnou asymetrii smykové plochy porušení při namáhání tlakem a protažením. Druhá otázka týkající se chování dusané zeminy spočívá v nejistotách ohledně vlivu obsahu vody na mechanické vlastnosti materiálu. Zemina je směs částic různých tříd zrnitosti, které jsou spojeny jílovitými částicemi. Materiál se zpracovává s dostatkem přidané vody a pak se zhutní. Mechanická odolnost vzrůstá pouze po určitém čase, poté kdy se většina vody odpaří. Tato odolnost je důsledkem vytvoření silných kapilárních vazeb v pórové struktuře, které působí jako pojivo. V každém okamžiku životnosti stavby mohou být tyto vazby zničeny, pokud se náhodně zvýší obsah vody (v důsledku deště, kapilárního vzlínání ve stěnách), což může vést k selhání konstrukce. V rámci národního výzkumného projektu PRIMATERRE, financovaného Francouzskou agenturou pro výzkum, je třeba objasnit, jak jsou mechanické vlastnosti zeminy ovlivněny obsahem vody. Proto byly vyhodnoceny vzorky se dvěma různými úrovněmi obsahu vody a třetí byl navržen pro další výzkum. Výsledky ukázaly, že většina parametrů modelu CJS-RE vykazuje pokles o přibližně 30% až 40% při nárůstu obsahu vody z 2% na 4%. Parametr asymetrie však klesl o 3%. Poloměr při porušení byl jediným parametrem, který se zvýšil, a to o 8%.

(Identification of the mechanical behavior of rammed earth including water content influence) Rammed earth constructions can be found in many regions around the world, generally within territories where the access of earth was easy contrary to other historic-traditional materials, e.g. stone. The great number of historical earthen structures and the need to protect their heritage values come with the resurgence of a modern interest in rammed earth, mainly due to its environmental benefits. However, the lack of regulation and codes to guide the design and the conservation of earthen constructions characterizes the main disadvantage of the material. Funded by a French national project devoted to rammed earth, a new constitutive model (CJS-RE) was developed at the Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Syst?mes (LTDS), at the University of Lyon. However, due to the lack of data some statements were considered. This work comes first to contribute with the experimental identification of failure surfaces along different stress paths (compression, extension and tensile stress path) on rammed earth based on CJS-RE model. Additionally, the experimental stress-strain relationship obtained for compression is compared with the one resulted by CJS-RE model. Results showed that CJS-RE is a great approach for describing the behavior of rammed earth material. The stress-strain relationship was strongly suitable when compared the one obtained by the unconfined compressive tests. As a result of the identification of the plastic parameters, a very strong dissymmetry between compression and extension stress paths of shear failure surface was observed. A second issue regarding rammed earth behavior lies on the uncertainties about the influence of water content on the mechanical properties of the material. Earth is herein a mixture of different granular classes that are bonded together by clayey particles. The material is processed with sufficient additive water and then compacted. The mechanical resistance only develops over time when most of water has left the material due to evaporation. This resistance results from the creation of strong capillary tensile bonds within the pore network that play the role of a binding agent. At any moment in the building lifetime, these tensile forces can be destroyed if the water content accidentally increases (rain, capillary rise within the walls), which can lead the structure to failure. Within the framework of the national research project PRIMATERRE, funded by the French Agency of Research, there is a need to understand how the mechanical properties of earth are influenced by the water content. Thus, two different water contents are evaluated and a third is proposed as further research. Results indicated that most of the parameters from CJS-RE had a decrease about 30% to 40% regarding the increase of water content from 2% to 4%. The dissymmetry parameter, however, was reduced by 3%. The radius at failure was the only parameter which was has increased, showing a difference of 8%.