棉花秸稈改性生土材料試驗(yàn)研究

藺廣涵，葉洪東

（1.天津城建大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300384；2.河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 邯鄲 056000）

目前生土建筑在我國仍大量存在，但其墻體強(qiáng)度低、脆性大、抗震性能不強(qiáng)，制約了農(nóng)民建造生土住宅的積極性.生土建筑在我國具有悠久的歷史.生土房屋具有取材方便，造價(jià)低廉，熱工性能好，可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)，目前在我國西北地區(qū)廣大農(nóng)村仍大量存在[1-3].各地區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件與人們生活習(xí)慣建造的生土建筑各式各樣，如窯洞、土樓、土坯房等等.然而，生土材料強(qiáng)度差、耐久性低、脆性較大等不足制約了生土建筑在農(nóng)村的進(jìn)一步廣泛應(yīng)用.

通過生土建筑的震后災(zāi)害調(diào)查可知，對生土墻體強(qiáng)度優(yōu)化和加固是提高其抗震性能的有效措施.一般，通過摻加外填料可以大大提高生土墻體力學(xué)性能.目前諸多文獻(xiàn)對生土材料改性進(jìn)行了研究，王毅紅、王赟、胡冗冗分別用麥秸稈、稻草、淀粉、麻草改性土體，試驗(yàn)表明適量植物纖維的摻入能有效提高生土材料的力學(xué)強(qiáng)度，優(yōu)化生土材料的變形能力[4-5]；仲繼清等通過水泥、石灰對生土材料進(jìn)行改性，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥與石灰的水化作用產(chǎn)物能填充土體空隙，增加土體密實(shí)度，使改性后的材料抗剪能力得到大幅改善[6]；王琴[7]研究并發(fā)現(xiàn)了粉煤灰作為改性材料與土顆粒反應(yīng)所生成的水硬性化合物可降低生土材料的孔隙率，提升生土材料的材料力學(xué)性能與耐候性.

棉花秸稈在我國北部農(nóng)村地區(qū)產(chǎn)量大，目前對其處理方式大多并不符合越來越嚴(yán)格的環(huán)保要求.參考文獻(xiàn)大多采用麥秸稈進(jìn)行改性，考慮到棉花秸稈具有更好的抗拉性能，特別是其外皮具有很強(qiáng)的韌性[8-9]，本文以棉花秸稈為主填料，摻入少量砂土對生土進(jìn)行改性，試驗(yàn)研究其改性生土材料的優(yōu)化配比及其力學(xué)性能，并對改性機(jī)理進(jìn)行分析.

1　試樣制備

1.1　試樣配比

將棉花秸稈晾干、剝皮，處理成寬約5 mm的扁平長條，長度分別約為2，4，6 cm共3組.

試驗(yàn)生土為黃土，其液限和塑限分別為24.06和18.98.土樣碾碎過篩，摻加砂土，制作成不同配比的生土改性試樣，試樣配比見表1.

表1　生土試樣配比

1.2　最優(yōu)含水率的確定

依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[10]，按表1配比分別制作5組試件，進(jìn)行不同含水率下改性試樣的輕型擊實(shí)試驗(yàn)，測定其最優(yōu)含水率和最大干密度，試驗(yàn)結(jié)果見表2.

表2　擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析可知，由于夯實(shí)過程中，一部分水進(jìn)入秸稈，故使第2組和第3組的最優(yōu)含水率較素土大；而第4組和第5組試塊由于摻入了砂土，有效改善了秸稈的吸水性，建議以植物秸稈類材料做生土改性時(shí)最好摻入少量砂土.

1.3　試樣制備

以最優(yōu)含水率制作標(biāo)準(zhǔn)試件，每組配比制作5個(gè)，其中3個(gè)經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)28 d后，用于測量其抗壓強(qiáng)度；另外2個(gè)試件用于直剪試驗(yàn).

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　棉花秸稈的摻入及其長度對試件抗壓強(qiáng)度的影響

將摻入長度分別為2，4，6 cm，質(zhì)量比為 0.5%的棉花秸稈改性試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見表3，破壞形態(tài)描述見表4.

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，摻入秸稈的試塊，其抗壓強(qiáng)度較素土試塊有一定提高，分析認(rèn)為摻入秸稈起到了加筋作用，限制了裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展，同時(shí)秸稈的吸水性能有效地調(diào)節(jié)了試件含水量.

摻入秸稈的長度對抗壓強(qiáng)度的提高程度有一定影響，在適當(dāng)范圍內(nèi)，試件抗壓強(qiáng)度隨摻入秸稈長度的增大而增大，當(dāng)摻入秸稈過長時(shí)，抗壓強(qiáng)度的提高程度有所下降.本試驗(yàn)中，摻入2 cm長秸稈試塊的抗壓強(qiáng)度較素土試塊提高不大；摻入4 cm長秸稈的試件抗壓強(qiáng)度最大；而摻入6 cm長秸稈的試件抗壓強(qiáng)度提高最小，掰開后發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部部分秸稈出現(xiàn)聯(lián)通現(xiàn)象.分析認(rèn)為，秸稈長度過長，會導(dǎo)致試件內(nèi)部因產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而破壞.因此，在農(nóng)房建造過程中建議根據(jù)墻體大小，摻入適量適當(dāng)長度的棉花秸稈.

表3　單摻棉花秸稈試件的抗壓強(qiáng)度MPa

表4　試件破壞形態(tài)描述

2.2　摻秸稈與摻砂復(fù)合試件的抗壓強(qiáng)度與破壞情況

考慮到外摻4 cm長秸稈試件抗壓強(qiáng)度效果較好，故以下試驗(yàn)均選擇4 cm長棉花秸稈，在摻入質(zhì)量比為0.5%秸稈的土樣中摻入5%中砂，進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，觀察破壞情況與抗壓強(qiáng)度，并與素土試件、單摻0.7%棉花秸稈試件、單摻5%中砂試件進(jìn)行對比.其抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5，破壞形態(tài)描述見表6.

由表5和表6可知，試件復(fù)摻棉花秸稈與中砂的抗壓強(qiáng)度較單摻棉花秸稈、中砂有一定提高，裂縫出現(xiàn)時(shí)間較素土試件與單摻秸稈試件后移，且破壞過程中能保持較好的整體性，土體脫落較少.分析認(rèn)為，棉花秸稈的摻入起到了加筋的作用，約束了試塊的橫向變形，但摻入量過多會降低試樣的夯實(shí)度，削弱強(qiáng)度提升的程度；中砂的摻入作為骨料，優(yōu)化了生土材料的密實(shí)度與級配，并在試塊中起到一定的支撐作用.考慮到輕型擊實(shí)儀的擊實(shí)效果與實(shí)際工程中存在差距，若要進(jìn)一步提高試塊抗壓強(qiáng)度，可選擇手動氣夯；也可在試塊中摻入少量水泥、石膏，但這些材料在生土住宅拆除后對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)恢復(fù)不利.

表5　各配比下抗壓強(qiáng)度MPa

表6　試件破壞形態(tài)描述

2.3　生土試樣抗剪強(qiáng)度

將各個(gè)配比的土樣在最優(yōu)含水率下?lián)魧?shí)，每組2個(gè)，每個(gè)用環(huán)刀取2個(gè)試樣用于直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖1和圖2.

由圖1可知，改性試塊與素土試塊相比，其剪切強(qiáng)度-位移曲線形狀大致相同，剪切位移略有不同.具體分析可知，中砂試塊和中砂秸稈復(fù)合試塊的最大剪切位移較素土稍大，各配比下單摻棉花秸稈的試塊最大剪切位移與素土試塊相比變化不大.

圖1　剪切強(qiáng)度-位移曲線

圖2　各配比下試件的抗剪強(qiáng)度

根據(jù)圖2剪切強(qiáng)度結(jié)果，基于剪切強(qiáng)度和垂直壓力關(guān)系擬合的曲線，計(jì)算得到改性生土黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ，結(jié)果見表7.

表7　抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

由表7可知，秸稈和中砂對試塊抗剪強(qiáng)度的提高影響不同.摻棉花秸稈使得試件的黏聚力提高，而摻中砂提高了試件的內(nèi)摩擦角；同時(shí)摻入中砂和棉花秸稈時(shí)，中砂不僅與土顆粒的摩擦提高，同時(shí)中砂與秸稈摩擦也提高，這進(jìn)一步優(yōu)化了棉花秸稈在土體中的拉結(jié)作用.

棉花秸稈的拉結(jié)作用和中砂對內(nèi)摩擦角的提高作用共同約束了改性試塊的剪切變形，使試塊在抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)過程中長時(shí)間保持垂直受壓狀態(tài)，這進(jìn)一步提高了試塊的抗壓強(qiáng)度；壓壞后摻有棉花秸稈的試塊仍然保持較好的整體性，各破壞部分通過秸稈相互連接，土體并沒有嚴(yán)重脫落.

3　結(jié)論

（1）不同長度、不同摻量的棉花秸稈對生土試塊力學(xué)強(qiáng)度和延性有不同程度的影響，與素土試塊相比，長2，4，6 cm棉花秸稈的摻入使試塊抗壓強(qiáng)度分別提高2%，28%，1%，由此可知摻入適當(dāng)長度的棉花秸稈能較大提高生土材料的抗壓性能.

（2）5%中砂的摻入對生土試塊抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度提高最大，其中抗壓強(qiáng)度提高了26%，抗剪強(qiáng)度提高了17%.

（3）棉花秸稈與中砂均可就地取材，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，還田后易降解.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與素土試塊相比0.5%棉花秸稈和5%中砂的共同摻入對生土試塊力學(xué)強(qiáng)度提高最大，提高了43%，同時(shí)保證了生土試塊的變形能力.故在實(shí)際工程中，可考慮選此外摻材料和配比.