土基檸條強(qiáng)化材料的抗壓性能試驗(yàn)研究

王 盛，郭玉明，竇金熙

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，山西 太谷 030801)

0 引言

我國(guó)北方溫室大棚墻體一般采用土體結(jié)構(gòu)，具有便于就地取材、造價(jià)低、耐酸抗堿及熱惰性好等特點(diǎn)[1]。承載能力是建設(shè)大棚墻體主要考慮的因素之一，在土體中摻加纖維材料(如劍麻、麥秸、合成纖維等[2])，可以提高土墻的強(qiáng)度。目前，發(fā)展多種纖維材料加筋土正成為加筋土材料發(fā)展的一種新趨勢(shì)[3]。檸條作為種植面積廣闊的可再生天然木本植物，具有很強(qiáng)的強(qiáng)度、硬度和韌性，故可以作為綠色加筋材料使用[4]。

基于Henri Vidal[5-7]加筋土理論，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始了對(duì)加筋土的研究。Park[8]將合成纖維應(yīng)用于路基填料中，通過(guò)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)確認(rèn)纖維加筋對(duì)路堤土的抗壓強(qiáng)度有明顯的提高作用。石茜[9]、張瑞敏[10]等人研究了稻草加筋土和小麥秸稈加筋土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，結(jié)果表明：稻草和小麥秸稈等具有一定拉伸性能的天然纖維材料，均可提高土體的抗壓強(qiáng)度和整體力學(xué)性能，適宜作加筋材料使用。楊海梅[11]在對(duì)比了沙壤土水泥土和黏土水泥土的抗壓強(qiáng)度后發(fā)現(xiàn)，沙壤土水泥土有著優(yōu)于水泥混凝土的抗壓特性。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)把木本植物材料作為加筋材料，強(qiáng)化不同種類土體的成型工藝參數(shù)和原理的研究開展得還比較少。本文通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度力學(xué)性能試驗(yàn)，研究了檸條適宜的加筋長(zhǎng)度和質(zhì)量加筋率對(duì)不同種類土體抗壓強(qiáng)度的影響及其變化規(guī)律，為今后土基檸條強(qiáng)化材料作為新型綠色環(huán)保建筑材料的研究和推廣提供了參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

試驗(yàn)所用的黏土土樣采集于山西省太谷縣鳳凰山，沙壤土土樣取自山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，所需土樣均為一次性獲取，排除了由于土的物理性質(zhì)不同引起的試驗(yàn)結(jié)果的差異。試驗(yàn)樣本制作時(shí)對(duì)所取土樣先進(jìn)行去除雜質(zhì)、烘干、磨碎、過(guò)10目篩等預(yù)處理后備用，如表1、表2所示。試件采用的加筋檸條原材采集于山西省定襄檸條種植區(qū)，檸條莖稈的力學(xué)參數(shù)如表3所示[4]。

使用粉碎機(jī)(永康天祺盛世有限公司，TQ～1000Y,CHINA)將檸條粉碎，將粉碎后的檸條樣本用篩子分成<0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2、2～4、4～4.75mm等6個(gè)等級(jí)。試驗(yàn)采用的試驗(yàn)儀器為微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)(新三思材料檢測(cè)有限公司，CMT6104，CHINA)，如圖1所示；在壓縮模式下對(duì)樣本進(jìn)行壓縮力學(xué)性能試驗(yàn)，選用直徑10cm的平板圓柱型壓頭，壓縮速率為0.5mm/min；烘干采用水泥試體養(yǎng)護(hù)箱(路達(dá)建筑儀器有限公司，YH～40H,CHINA)。

表1 黏土樣的物理性質(zhì)

表2 沙壤土樣的物理性質(zhì)

表3 檸條纖維的力學(xué)參數(shù)

圖1 微機(jī)控制電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)

1.2 樣本的制備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以土基的種類、檸條加筋長(zhǎng)度和加筋率(筋材質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值)為試驗(yàn)因子，進(jìn)行土基檸條加強(qiáng)材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試。試驗(yàn)方案采用全析因試驗(yàn)設(shè)計(jì)。黏土檸條強(qiáng)化材料中的檸條以篩子所篩分的6個(gè)等級(jí)尺寸為加筋長(zhǎng)度，以0.05%為梯度，即0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%的加筋率配置試驗(yàn)樣本，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，制作樣本111個(gè)。由于加筋率達(dá)到0.2%時(shí)沙壤土檸條加強(qiáng)材料已經(jīng)很難成型，所以在制備沙壤土檸條強(qiáng)化材料時(shí)加筋率只取0.05%、0.1%、0.15%這3個(gè)水平。加筋長(zhǎng)度水平的取值仍與黏土檸條強(qiáng)化材料一樣，共進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，需制作57個(gè)樣本。試驗(yàn)所需的土基檸條強(qiáng)化材料共168個(gè)試樣。制樣時(shí)，先將預(yù)處理后的土樣與檸條充分?jǐn)嚢鑋12]，根據(jù)土樣的最佳含水率向配置好的土加入適量的水，使得黏土土樣的含水率控制在15%，沙壤土土樣控制在10%；繼續(xù)攪拌，使其成粘狀，確保檸條在土樣中均勻分布。用內(nèi)徑30mm、長(zhǎng)度50mm的自制模具制作試驗(yàn)樣本，每個(gè)試樣重復(fù)過(guò)模具成型，直至表面剛好無(wú)裂痕且以壓實(shí)度92%定試樣，干密度為1.40g/cm-3；然后，將制作好的試樣用YH～40B型水泥試體養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行烘干，烘干溫度控制在72℃，直至最后兩次稱量質(zhì)量差小于1g，以確保試件完全烘干。圖2為檸條長(zhǎng)度為0.63～1.25mm、質(zhì)量加筋率為0.15%時(shí)的黏土檸條強(qiáng)化材料試樣。

圖2 黏土成型試樣(檸條長(zhǎng)度0.63～1.25mm，加筋率為0.15%)

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 土基檸條加強(qiáng)材料無(wú)側(cè)限抗壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

對(duì)土基檸條加強(qiáng)材料進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓力學(xué)試驗(yàn)，獲得材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 檸條檸條加筋長(zhǎng)度小于0.16mm試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4 檸條檸條加筋長(zhǎng)度大于0.16mm試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of Caragana specimens with a particle size larger than 0.16mm

從圖3、圖4中可以看出材料完整的受力破壞過(guò)程和具體的失效形式。素土或檸條加筋長(zhǎng)度不大于0.16mm時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為典型的脆性材料特性，即應(yīng)力與應(yīng)變不成正比關(guān)系，當(dāng)?shù)竭_(dá)強(qiáng)度極限時(shí)試件表面出現(xiàn)裂紋隨之?dāng)嗔?。?dāng)檸條加筋長(zhǎng)度大于0.16mm時(shí)，試樣壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出塑性材料特征，在0.01～0.03范圍為彈性階段，隨后進(jìn)入屈服階段，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限試件發(fā)生破壞，如圖5所示。

圖5 試樣壓縮剛出現(xiàn)裂紋

其破壞面的方向與軸向約成35°。黏土加入檸條改變了材料性質(zhì)，提高了土樣的強(qiáng)度和極限應(yīng)變，大大增強(qiáng)了材料塑性性質(zhì)。

2.2 土基檸條加強(qiáng)材料壓縮試驗(yàn)結(jié)果

萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)所采集到應(yīng)力-應(yīng)變值與強(qiáng)度極限、屈服極限、對(duì)應(yīng)彈性模量E為

(1)

還可求出伸長(zhǎng)率，計(jì)算式為

(2)

對(duì)壓縮試驗(yàn)測(cè)得的3組重復(fù)數(shù)據(jù)用Excel取算數(shù)平均值，進(jìn)行整理，得到黏土檸條強(qiáng)化材料和沙壤土檸條強(qiáng)化材料的極限抗壓強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、壓縮模量及延伸率，如表4所示。

表4 土基檸條強(qiáng)化材料的主要的壓力力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

續(xù)表4

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與討論

3.1 兩種土基檸條強(qiáng)化材料抗壓性質(zhì)比較

用Excel軟件對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，計(jì)算出樣本均值與樣本標(biāo)準(zhǔn)差，并用Origin軟件繪制沙壤土和黏土經(jīng)檸條強(qiáng)化材料分別對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著檸條加筋長(zhǎng)度及檸條加筋率變化的帶有標(biāo)準(zhǔn)差誤差棒的關(guān)系圖，如圖6所示。

圖6 不同類型土樣的試件對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的比較

由圖6可以看出：相同的加筋率下，沙壤土檸條強(qiáng)化材料和黏土檸條強(qiáng)化材料的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著檸條加筋長(zhǎng)度的變化趨勢(shì)是一致的，都是隨著檸條加筋長(zhǎng)度的增加而升高；且當(dāng)檸條加筋長(zhǎng)度比較小時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化比較?。患咏铋L(zhǎng)度超過(guò)0.63mm時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度快速變大；隨著檸條加筋長(zhǎng)度的繼續(xù)增大，略有降低的趨勢(shì)，但沙壤土檸條強(qiáng)化材料無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度只有黏土檸條強(qiáng)化材料的1/2左右。

3.2 試驗(yàn)因子組合的最佳處理

工程中，塑性性質(zhì)好的材料以屈服強(qiáng)度極限評(píng)價(jià)強(qiáng)度[13]，而呈現(xiàn)脆性性質(zhì)的材料以極限應(yīng)力來(lái)評(píng)價(jià)。因此，土基檸條強(qiáng)化土的檸條長(zhǎng)度大于0.16mm時(shí)以屈服強(qiáng)度來(lái)比較，素土和檸條長(zhǎng)度不大于0.16mm時(shí)以極限應(yīng)力來(lái)比較。

素土制作的試樣是檸條加筋長(zhǎng)度水平為0mm、加筋率為0%的特殊情況，把表4的試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)SAS軟件進(jìn)行多響應(yīng)完全隨機(jī)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)分析。 表5所示的均值多重比較列出了各個(gè)響應(yīng)力學(xué)指標(biāo)效應(yīng)均值從大到小前3位的處理。由表5可知：抗壓強(qiáng)度、彈性模量、伸長(zhǎng)率均最佳的處理為T36，即黏土，檸條加筋長(zhǎng)度為4～4.75mm、檸條加筋率為0.25%的組合。

表5 試驗(yàn)處理的均值多重比較

3.3 土基檸條強(qiáng)化材料極限強(qiáng)度最大的回歸模型確定

以土基種類、檸條加筋長(zhǎng)度的最大粒徑和加筋率為變量，用SAS軟件做回歸分析，得到回歸方程為

Y=1.8016+0.7818X1+4.7113X2+0.3821X3+

1.3988X1X2+0.0227X1X3-0.0273X2X3-

其中，Y為試件的破壞應(yīng)力；X1為土基的種類，黏土取值為1，沙壤土為-1；X2為檸條加筋率(%)；X3為檸條所在長(zhǎng)度等級(jí)的最大粒徑(mm)。

回歸模型的P值小于0.01，決定系數(shù)達(dá)0.943 0，大于線性回歸的決定系數(shù)0.935 7，模型極其顯著且擬合精度較高。一次項(xiàng)系數(shù)的P值小于0.001，決定系數(shù)達(dá)0.939 2，二次項(xiàng)和交叉項(xiàng)不顯著，可見變量間主要是線性關(guān)系。分析所得的殘差分析(見圖7)滿足-2<殘差<2的要求，認(rèn)為方差齊性假設(shè)成立。所以，以上的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行回歸分析。

圖7 橫軸為自變量的標(biāo)準(zhǔn)化殘差圖

3.4 土基檸條強(qiáng)化材料抗壓強(qiáng)度隨檸條加筋長(zhǎng)度及加筋率水平的變化

由以上的回歸模型可知：變量X2和X3的系數(shù)都是正數(shù)，所以土基檸條強(qiáng)化材料的抗壓強(qiáng)度隨著檸條加筋長(zhǎng)度和檸條加筋率的增加都呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。但是，針對(duì)不同的土基種類，需要特殊考慮極值點(diǎn)。

不同加筋率的黏土檸條強(qiáng)化材料帶有標(biāo)準(zhǔn)差誤差棒的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 加筋黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨加筋率變化的誤差圖

不同加筋長(zhǎng)度的黏土檸條強(qiáng)化材料的破壞應(yīng)力的變化趨勢(shì)大致相同，其抗壓強(qiáng)度先增加后逐漸降低，有明顯的峰值點(diǎn)。同一加筋長(zhǎng)度下，隨著加筋率的提高；抗壓強(qiáng)度提高；但是當(dāng)加筋率大于0.25%時(shí)，不同加筋長(zhǎng)度的試樣抗壓強(qiáng)度普遍下降。這是因?yàn)榧尤氲臋帡l筋材到達(dá)一定量時(shí)，增大了土的孔隙度，過(guò)大的孔隙度將抵消加筋對(duì)強(qiáng)度的增強(qiáng)效果；同時(shí)，過(guò)多的加筋材料容易在土基中重疊，減弱了土顆粒間的聯(lián)結(jié)，使其抗壓強(qiáng)度降低[14]。對(duì)于同一質(zhì)量加筋率，在檸條加筋長(zhǎng)度為0～5mm時(shí)，檸條的加筋長(zhǎng)度越大，抗壓強(qiáng)度越大。這是由于土基顆粒與加筋材料的良好粘結(jié)力，提高了檸條和土基復(fù)合材料的強(qiáng)度[12，14]。

綜上所述，影響土基檸條強(qiáng)化材料力學(xué)性能的主要因子是土基的種類和檸條加筋長(zhǎng)度；且隨著檸條含量的增加，材料的彈性模量和伸長(zhǎng)率都增加，材料所體現(xiàn)的塑性特征也越明顯。

4 結(jié)論

1) 分析了試件壓縮時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及各因子的影響效應(yīng)，抗壓力學(xué)性能試驗(yàn)分析結(jié)果表明：沙壤土檸條強(qiáng)化加筋材料和黏土檸條強(qiáng)化加筋材料所呈現(xiàn)的變化趨勢(shì)一致，但抗壓強(qiáng)度前者卻不到后者的1/2。

2)通過(guò)比較，確定了最佳的配比參數(shù)為黏土，加筋長(zhǎng)度為4～4.75mm，檸條加筋率為0.25%。

3)建立回歸模型分析了響應(yīng)變量隨試驗(yàn)因子水平的變化趨勢(shì)。對(duì)于黏土檸條強(qiáng)化材料，在同一質(zhì)量加筋率條件下，當(dāng)在檸條加筋長(zhǎng)度為0～4.75mm時(shí)，檸條的加筋長(zhǎng)度越大，材料所表現(xiàn)的塑性特征越明顯；在加筋率為0.25%時(shí)，同一加筋長(zhǎng)度下的黏土檸條強(qiáng)化材料土達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度。