摻入工業(yè)廢料的改性生土材料抗壓試驗

王毅紅　劉芳　劉亮　管科杰　張坤

摘要：

為合理利用廢棄材料改善生土材料力學性能，通過在素土中摻入糯米漿、廢玻璃渣和橡膠，形成改性土體材料，設計5種配合比方案，制作Φ102 mm×116 mm圓柱體試塊。通過對其進行軸心抗壓強度試驗，對比不同配比試件的試驗現象、抗壓強度、變形能力、荷載位移曲線，分析不同摻合料的作用機理、研究不同摻料不同摻量對抗壓強度的影響規(guī)律，提出了玻璃渣和橡膠摻量的合理范圍。試驗結果表明，在素土中摻入糯米漿能提高素土抗壓強度，摻入糯米漿、玻璃渣和橡膠，可提高抗壓強度和變形能力，但其抗壓強度隨玻璃渣和橡膠摻量的增多增至3.12 MPa后下降。

關鍵詞：

改性生土材料；抗壓強度；變形能力；復摻；工業(yè)廢料

中圖分類號：TU361

文獻標志碼：A文章編號：16744764（2016）06003206

Abstract：

Some glutinous rice pulp， waste glass slag and rubber are added into plain soil to form modified soil material for the rational use of waste materials to improve the mechanical properties of raw soil material. According to the five kinds of mix proportion scheme， the size in diameter 102mm with high 116mm cylinder specimens were prepared. Through the axial compressive strength test， the experimental phenomena， compressive strength， deformability， loaddisplacement curves of specimens with different proportions are compared， and the mechanisms of different admixtures are analyzed， and the influence laws of compressive strength with different admixtures and different amount are studied. The reasonable range of he mixing amount of glass slag and rubber is proposed. The results show that the compressive strength of the soil can be enhanced by the incorporation of glutinous rice pulp into the soil. With the incorporation of glutinous rice pulp， glass slag and rubber， the compressive strength and deformation capacity can be improved， but the compressive strength decreases after 3.12MPa with the increase of the amount of glass slag and rubber.

Keywords：

modified raw soil material； compressive strength； deformability； combined admixture； industrial waste

生土材料是人類應用最早的混凝土材料，是理想的保持生態(tài)系統(tǒng)平衡的建筑材料[12]。生土材料具有便于就地取材、技術簡單、保溫與隔熱性能優(yōu)越、綠色環(huán)保等優(yōu)點，在中國西部干旱少雨的農村仍然有很多居民居住在生土建筑之中[34]。土體本身是一個復雜而多樣化的礦物混合物，生土建筑存在強度低、不耐水、穩(wěn)定性差等缺點，是生土作為建筑材料存在的主要問題[57]。通過添加摻合料，保持原生土材料的環(huán)保性能，同時改進和提高生土材料的力學性能，開發(fā)適用于鄉(xiāng)村建筑的高性能生土材料。改性后的生土材料，可望推動中國農村建筑節(jié)能與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，對生土結構的發(fā)展有重要意義。學者們對于改性生土材料進行了大量研究[810]，研究表明，在生土中摻入水泥、石灰等膠凝材料，可有效提高生土材料的力學性能；利用脫硫石膏、粉煤灰等工業(yè)廢料改性生土材料，使抗壓強度、耐水性及耐候性得到較大提升；摻入稻草、麥秸稈、狗尾草等植物纖維材料，可明顯提高生土材料的變形能力?？紤]到工業(yè)廢料中玻璃渣強度較高，橡膠變形能力大，可作為生土改性材料，目前，在可查閱到的文獻中，尚未檢索到利用廢舊玻璃渣和橡膠改性生土材料方面的研究。

本文選用糯米漿為土體粘結劑，嘗試采用廢舊玻璃渣和橡膠為摻合料[1113]，對改性生土試件進行軸心抗壓試驗，研究改性后生材料的抗壓性能和延性比，通過曲線擬合尋求兩種復摻材料在生土材料中的合理摻量，為生土材料改性研究和工程應用提供參考。

1試驗概況

1.1試驗原材料

試驗所用生土為粘性黃土，取自西安市未央區(qū)，所取生土過5 mm標準篩，拌合水為普通的自來水；玻璃采用廢棄的4 mm厚普通浮法玻璃，將其碾壓搗碎至粒徑為3～5 mm顆粒狀；橡膠取自自行車修理處，將廢舊自行車外胎用剪刀剪碎至徑粒為2～3 mm立體狀；糯米漿采用東北糯米制備，參考文獻[14]中糯米漿制備方法，稱取150 g糯米將其淘洗后放入鋼制容器中，加入5 kg清水后在容器上標定水位刻度，加熱煮沸1 h使糯米中的淀粉糊化，在此過程中要不斷攪拌糯米漿并適時補充清水，保持水位在標定的刻度位置，冷卻至室溫后取上層清液，即濃度為3%的糯米漿。endprint

1.2試件制作

將去除雜物后的生土放入110 ℃烘箱中干燥12 h，得到干燥的生土，將玻璃渣、橡膠摻入干燥生土中充分攪拌，制作素土試塊時向生土中加入13%清水，制作改性生土試塊時加入13%糯米漿，配制含水率為18%的生土，使土樣達到最優(yōu)含水率以便夯實。試驗參照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）[15]中擊實試驗，將預處理好的生土在0.561 kJ夯實能量下于尺寸為Φ102 mm×116 mm的圓柱形模具中夯筑成型，拆模后將試樣放置于室溫條件下養(yǎng)護一個月，測試其抗壓強度。

1.3試驗設計

單摻時摻入糯米漿改性生土材料，復摻時利用糯米漿、玻璃渣和橡膠3種材料對生土材料進行改性。生土作為主要材料，其含量不小于80%。廢舊橡膠的強度較低，摻入過多不易夯實，因此，應控制橡膠摻量為摻入玻璃渣的10%。每種配比制作5個試件進行抗壓試驗。

1.4試件加載方案

試驗采用長安大學土木工程材料實驗室中YA300型微機控制全自動壓力試驗機進行加載。正式加載前用1 kN荷載預壓3次，確保壓力試驗機正常運行并與試件緊密接觸后開始試驗。采用連續(xù)加載方式，設置加載速率為0.1 mm/s，當試件承載力降低至原有承載力的90%時視為試件破壞，作為試驗結束條件。

2試驗結果與分析

試驗中材料抗壓強度由材料力學中材料的軸心抗壓強度計算公式確定

σ=F/A（1）

式中：σ為生土塊材的軸心抗壓強度，MPa；F為試件加載過程中的峰值荷載，kN；A為試件的截面面積，m2。

2.1素土試塊試驗過程及現象

文獻[16]中對圓柱體素土試塊進行了軸向抗壓試驗研究。在加載初期，試塊近似處于彈性階段（見圖1）。當荷載約為峰值荷載的70%時，試件中部出現細小短裂紋；隨著荷載的增加，裂紋擴展為明顯的豎向裂縫；荷載達到峰值荷載時，有一段裂縫穩(wěn)定期，位移變化較緩慢，當試件出現數條貫通裂縫時，位移迅速變大，荷載急速下降，直到試件被完全壓壞，試件破壞過程表現出明顯的脆性破壞特征[16]。由于試驗過程中儀器故障，有一組數據未采集到，導致本組試驗缺少A5試驗結果。

2.2摻入糯米漿試塊試驗結果與分析

2.2.1試驗過程及現象加壓初期，荷載與位移呈線性關系（見圖2），試件接近彈性狀態(tài)。當荷載加至峰值荷載的82%時，試件表面出現細小裂縫，并發(fā)出細微的響聲。裂縫首先出現于試塊中部，方向與壓力方向平行。隨著荷載增加，裂縫逐步向上下延伸和擴展，同時出現較短的斜裂縫，試件進入開裂

2.2.2試驗結果分析

素土試塊和摻入糯米漿試塊的試驗結果見表2，其中每組各力學性能指標均為該組5個試塊試驗結果的平均值?？梢钥闯?，加入13%糯米漿后B組試件抗壓強度平均值為3.28 MPa，是素土試塊的1.43倍，開裂荷載是素土的1.59倍。由于糯米中的淀粉加熱后糊化，形成黏度較高的膠體溶液（糯米漿）。糯米漿能作為粘結劑充分滲入到土體顆粒之間，將其粘結在一起共同受力，增加土體粘聚力，減少試件孔隙率，增強土體密實性，提高了試件的抗壓強度和開裂荷載，并延長了試塊的彈性受力階段。

延性比即極限位移與開裂位移之比[17]，可以間接反應材料對能量的耗散性能和抵御地震作用的能力。素土試塊的延性比為1.75，加入糯米漿后試塊延性比增大至1.77。分析荷載位移曲線可以看出，開始加載時加載板與試塊接觸緊密之前，荷載很小，位移較大，加載板與試塊接觸緊密后，曲線接近直線，表現為接近線性性質。荷載到達峰值后下降段曲線坡度較陡，破壞的脆性性質較明顯。

2.3摻入糯米漿、玻璃渣、橡膠試塊試驗結果與分析

2.3.1試驗過程及現象在以糯米漿作為粘結劑的基礎上，摻入不同含量的廢舊玻璃渣和橡膠制作改性生土材料試件，在加壓初期，與B組試件相似，近似為彈性階段（見圖4）。當荷載加至峰值荷載的72%～80%時，試塊表面有少量細小裂縫出現在試塊中部。隨著荷載的增加，開裂處玻璃渣與土體錯動，玻璃渣之間摩擦發(fā)出清脆的聲音，裂縫逐漸增多并向上下邊緣擴展、寬度增大。當荷載增加至極限荷載時，試塊表面部分在皺裂處脫落，但并沒有立即破壞，出現一定數量縱橫交錯裂縫，直至裂縫加深形成多個豎向通縫，試塊外圍大塊土體脫落，試塊完全破壞（見圖5）。

2.3.2試驗結果分析摻廢舊玻璃渣和橡膠試塊的試驗結果（表2）表明，將玻璃渣、橡膠和糯米漿一起摻入時，與A組試塊相比，C1、C2、C3組試塊的抗壓強度分別提高了1.31、1.36、1.00倍，但只達到B組試塊的抗壓強度的0.91、0.95、0.70倍。試塊的抗壓強度隨玻璃渣與橡膠摻合量的增加先增大后減小，當摻入10%玻璃渣、1%橡膠時抗壓強度達到最大，為3.12 MPa。主要原因是玻璃渣的抗壓強度高于生土的抗壓強度，生土試塊中的玻璃渣被土顆粒包裹密實充當骨料的角色，同時改變了生土粒徑級配，增大了土體在夯實后的密實程度，提高了生土材料的強度，但玻璃渣與土顆粒的粘結面為受力薄弱面，當玻璃渣摻量過多時，裂縫易沿薄弱面發(fā)展貫通致使試件破壞，抗壓強度降低。橡膠韌性較好，但強度低，與土體混合后降低了試塊的抗壓強度，隨著橡膠摻量的增多，抗壓強度降低越明顯。

與B組試塊相比，試塊的開裂位移降低5.6%～16.7%，試塊帶縫工作的范圍擴大，極限位移提高。觀察裂縫形態(tài)，可以看出縱橫交錯裂縫隨摻量增加而增多，分析試塊延性比，可以得出摻入玻璃渣和橡膠后試塊的變形能力比B組試塊提高1.03～1.19倍，且隨著摻量的增加成正比例增大。這是由于橡膠彈性較好，與土體混合后與土體協(xié)同工作，在受力過程中橡膠本身發(fā)生形變，消耗一定能量，使土體變形減緩，裂縫增多，從而延長了試塊的開裂階段。由圖4可以看出，與A組和B組試塊相比，其荷載位移曲線下降段較平緩，且玻璃渣和橡膠的摻合量越多越平緩，說明達到極限荷載后試塊仍能承受一定的荷載，試塊破壞時具有一定延性。這一指標可用來分析材料在地震作用下的后期變形能力。從抗壓強度和延性比綜合比較分析，摻合玻璃渣和橡膠的比例對延性比提高幅度成線性正相關（見圖6），對抗壓強度提高不明顯，應控制玻璃渣摻量在10%、橡膠摻量在1%左右。C1組試驗數據離散性較大，這是因為摻入玻璃渣和橡膠使土體的均勻性有所差異，在試塊制作過程中攪拌不夠均勻，使摻合料與土體未充分混合；此外由于橡膠具有一定彈性，在試驗過程中較難夯實，容易出現孔隙，導致部分試塊在加載過程中裂縫產生后迅速擴展、貫通，部分則粘結較緊密，使測得的抗壓強度值與實際略有偏差。后續(xù)研究將加大試塊數量，取得統(tǒng)計大樣本。endprint

根據二次函數頂點坐標公式得出當玻璃渣摻量在8.1%時抗壓強度最大達到3.17 MPa。若要保證抗壓強度達到最大值的95%即3.01 MPa，則要摻入5.2%～11%玻璃渣和0.52%～1.1%橡膠。本試驗中摻合料均為廢棄用料，不計成本，考慮到經濟因素，應盡可能多摻入廢舊玻璃渣和橡膠，因此，控制玻璃渣、橡膠摻量分別在8.1%～11%、0.81%～1.1%范圍內，能有效提高改性生土材料抗壓強度并合理利用廢舊材料。最小二乘法可適當降低試驗結果所帶來的誤差，故試驗中產生的誤差對分析結果影響不顯著。

依據測試數據，擬合（圖6）出玻璃渣摻量與延性比關系如式（3）。

y=0.028x+1.693（3）

式中：y為生土塊材的延性比；x為玻璃渣摻量，%；橡膠摻量為0.1x，%。由式（2）、式（3）得出延性比y與抗壓強度σ的關系如式（4）。

σ=-24.234y2+93.094y-86.216（4）

當延性比為1.92時抗壓強度最大達到3.18 MPa（見圖8）。若要保證抗壓強度達到最大值的95%即3.02MPa，則要保證延性比在1.84～2.00之間。由于延性比越大，試塊的變形能力越強，因此當延性比取2.00時抗壓強度和變形能力均達到較優(yōu)水平，此時對應的玻璃渣和橡膠摻量分別為11%、1.1%。以此摻量為中心控制玻璃渣、橡膠摻量分別在10.5%～11.5%、1.05%～1.15%范圍內，本次試驗樣本數據改性生土材料綜合性能最優(yōu)。

3結論

1）本試驗提出采用廢舊橡膠和玻璃渣作為生土改性摻和材料，可吸納工業(yè)廢料，有利于環(huán)保，同時，能有效提高改性生土材料的力學指標，可以作為生土材料改性摻合料。

2）在干燥土體材料中摻入3%濃度、含量為13%的糯米漿時，抗壓強度達到3.28 MPa，與素土試塊相比提高了143%、開裂荷載提高了159%，峰值荷載對應的變形加大，極限位移略減小，變形能力提高101%。采用糯米漿做粘結劑能有效提高生土材料的抗壓性能和抗開裂能力。

3）在土體中摻入玻璃渣和橡膠時，試塊抗壓強度與素土試塊相比有明顯提高，但略低于只添加糯米漿試塊，且隨著摻合量的增加先增大至3.12 MPa后減小，試塊開裂位移降低，極限位移提高，破壞過程延長，延性比隨摻量的增加線性增大。摻入橡膠對土體變形能力有明顯改善。

4）分析玻璃渣、橡膠摻量與抗壓強度擬合曲線，得到抗壓強度理論最大值為3.17 MPa。在保證抗壓強度不低于最大值的95%時，玻璃渣與橡膠的合理摻量分別為8.1%～11%、0.81%～1.1%。

5）分析抗壓強度與延性比關系曲線，得到抗壓強度與變形能力均達到較優(yōu)水平時玻璃渣與橡膠摻量的合理范圍，此時綜合性能最優(yōu)。

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（編輯胡玲）endprint