棉稈纖維輕量土配合比設(shè)計(jì)研究

楊 濤，張愛(ài)軍，米文靜，任文淵，申若竹，郭敏霞，陳 濤，劉宏泰

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2 北京首創(chuàng)股份有限公司，北京 100044； 3 機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710000 )

城市缺水、城市內(nèi)澇及熱島效應(yīng)等城市環(huán)境災(zāi)害[1-4]使海綿城市應(yīng)運(yùn)而生，利用輕量土換填處理路基[5-7]是海綿城市建設(shè)中的重要技術(shù)措施。該措施要求輕量土具有較強(qiáng)的透水性和保水性，同時(shí)還應(yīng)該保證足夠的強(qiáng)度。一般情況下，強(qiáng)度與滲透性?xún)烧哧P(guān)系矛盾，孔隙率越大，滲透性越好，而強(qiáng)度越低，如何解決輕量土滲透性與強(qiáng)度之間的矛盾是輕量土開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵。

針對(duì)輕量土的強(qiáng)度特性與滲透特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，也取得了一定成果。Kim等[8]將廢棄漁網(wǎng)作為輕量土添加材料，并通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓和單軸壓縮試驗(yàn)，研究廢棄漁網(wǎng)對(duì)輕量土強(qiáng)度的影響，得到強(qiáng)度隨水泥含量的增加及氣泡含量和含水量的減少而增加，強(qiáng)度與廢棄漁網(wǎng)不是正比關(guān)系。Li等[9]通過(guò)添加聚丙烯纖維來(lái)改善輕質(zhì)土力學(xué)性能，從微觀層面對(duì)其力學(xué)機(jī)理進(jìn)行分析，認(rèn)為EPS和水泥含量是影響強(qiáng)度的主要因素：隨著EPS含量的增加，強(qiáng)度急劇下降，并隨著水泥含量的增加而急劇增加，且添加的纖維可提高輕質(zhì)土峰值強(qiáng)度。董金梅等[10]以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土作為聚苯乙烯輕質(zhì)混合土的原料土，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究其輕質(zhì)、高強(qiáng)特性，分析了不同材料配合比與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，得到強(qiáng)度預(yù)測(cè)公式及應(yīng)力-應(yīng)變呈雙曲線關(guān)系。付小建等[11]認(rèn)為，EPS含量是影響混合輕質(zhì)土密度的主要因素，EPS含量和水泥含量是影響抗壓強(qiáng)度的主要因素，并通過(guò)正交試驗(yàn)優(yōu)化配合比，得到了混合輕質(zhì)土密度小、強(qiáng)度大的最佳配比。劉漢龍等[12]對(duì)聚苯乙烯輕質(zhì)混合土進(jìn)行滲透特性研究，認(rèn)為影響其滲透性能的因素主要為齡期、水泥含量和EPS含量；同時(shí)，用不同圍壓影響下的滲透系數(shù)變化來(lái)模擬真實(shí)受力狀態(tài)下滲透系數(shù)的變化，得到滲透系數(shù)與固結(jié)壓力近似為乘冪函數(shù)關(guān)系。杜鑫[13]通過(guò)室內(nèi)三軸常水頭滲透試驗(yàn)，研究了黃土EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的飽和滲透特性，認(rèn)為飽和滲透系數(shù)隨著水泥含量減小而增大，隨EPS顆粒含量增大而增大，且含水量對(duì)飽和滲透系數(shù)的影響很小。以上研究主要針對(duì)換填路基等輕量土開(kāi)展，對(duì)適合海綿城市建設(shè)的輕量土研究尚少。

本研究針對(duì)海綿城市建設(shè)的需要，利用豐富的棉稈資源及棉稈纖維獨(dú)特的機(jī)械性能與天然的親水特性[14]，開(kāi)發(fā)研究適合海綿城市建設(shè)的新型輕量土配比，通過(guò)正交試驗(yàn)研究了棉稈纖維輕量土在不同配比下的強(qiáng)度與滲透特性，進(jìn)而對(duì)其配比進(jìn)行優(yōu)化，以期為棉稈纖維輕量土在海綿城市建設(shè)中的應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料土為取自陜西省咸陽(yáng)市周陵鎮(zhèn)西石羊廟村附近自重濕陷性原狀黃土，土樣烘干后過(guò)0.5 mm篩備用，其基本物理性質(zhì)見(jiàn)表1。對(duì)購(gòu)買(mǎi)的EPS顆粒過(guò)3 mm篩，得到試驗(yàn)所用粒徑的EPS顆粒，堆積體密度為0.008 7 g/cm3，純顆粒密度為0.013 7 g/cm3；水泥為C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥；棉稈為陜西當(dāng)?shù)孛薅?，?jīng)“浸泡-破碎-取皮-打纖-洗滌-烘干”后獲得棉稈纖維[15-16]，如圖1所示。砂為標(biāo)準(zhǔn)建筑用砂，水為普通自來(lái)水。

表1 試驗(yàn)所用黃土基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of loess for experiment

圖1 棉稈纖維的制備Fig.1 Preparation of cotton stalk fiber

1.2 試樣制備

制備無(wú)側(cè)限試樣時(shí)，按照預(yù)先設(shè)計(jì)的各原料的配比，以干土的質(zhì)量作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)[17]，分別計(jì)算水泥、砂、棉稈纖維及EPS顆粒的摻入質(zhì)量；將按照配比稱(chēng)量好的干土、水泥、砂充分混合攪拌5 min，直到均勻；加入棉稈纖維，攪拌5 min，直到均勻；再加水，將水泥土攪拌5 min，直到形成均勻水泥漿體；最后加入EPS顆粒，強(qiáng)制式攪拌10 min，制得均勻的混合土。將制得的混合土分4層裝入直徑為3.91 cm，高8 cm的三瓣模內(nèi)，再將制備好的試樣連同模具一起放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2) ℃，濕度>90%，養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，再養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期。制備滲透試樣時(shí)，混合土制備方法與無(wú)側(cè)限試樣相同，之后將制得的混合土分2層裝入直徑6.18 cm，高4 cm的環(huán)刀內(nèi)，制備好的試樣連同模具一起放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)齡期。

本試驗(yàn)采用靜壓法制樣[18]，試樣初始含水率均為40%。每個(gè)試樣完成后，再將混合料攪拌1次后再做下一個(gè)試樣，以保證混合料的均勻性，避免EPS顆粒上浮。

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)[19-20]，選擇棉稈纖維含量、EPS顆粒含量、水泥含量、砂含量4個(gè)因素作為棉稈纖維輕量土的影響因素，每個(gè)因素設(shè)5個(gè)水平，每個(gè)水平的值均用摻入材料與原料干土的質(zhì)量比表示，正交試驗(yàn)的因素和水平見(jiàn)表2。采用SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行L25(54)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)(表3)，用Microsoft Office Excel 2016和Origin8.5進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和圖表分析。

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，制備50個(gè)試樣，采用應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)定輕量土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。制備50個(gè)試樣，采用TST-55滲透儀進(jìn)行常水頭試驗(yàn)；試驗(yàn)前，將輕量土試樣抽真空，靜置10 h以上，使輕量土試樣達(dá)到飽和狀態(tài)后測(cè)定輕量土的滲透系數(shù)，即單位水力坡降下的滲透流速，相關(guān)試驗(yàn)操作參照《土工實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[18]進(jìn)行。

表2 棉稈纖維輕量土L25(54)正交試驗(yàn)的因素和水平Table 2 Factors and levels of L25(54)orthogonal test of lightweight soil with cotton stalk fibers

表3 棉稈纖維輕量土L25(54)正交試驗(yàn)方案Table 3 L25(54) orthogonal test protocol of lightweight soil with cotton stalk fibers

注：A.棉稈纖維含量；B.水泥含量；C.砂含量；D.EPS顆粒含量。表5同。

Note：A.Cotton stalk fiber content;B.Cement content;C.Sand content;D.EPS content.The same table 5.

2 結(jié)果與分析

2.1 原狀黃土地基極限承載力計(jì)算

通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，測(cè)得原狀黃土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為qu=88.19 kPa；由太沙基理論可得，地基極限承載力為92.93 kPa。

2.2 棉稈纖維輕量土L25(54)正交試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果 棉稈纖維輕量土L25(54) 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。根據(jù)表4并結(jié)合表3可以看出：20#試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，為191.68 kPa，各因素組合為棉稈纖維含量7 g/kg，水泥含量40 g/kg，砂含量105 g/kg，EPS顆粒含量10 g/kg；密度最大的試樣為23#，各因素組合為棉稈纖維含量8 g/kg，水泥含量30 g/kg，砂含量120 g/kg，EPS顆粒含量10 g/kg；6#試樣的滲透系數(shù)最大，為2.13×10-4cm/s，各因素組合為棉稈纖維含量5 g/kg，水泥含量20 g/kg，砂含量120 g/kg，EPS顆粒含量14 g/kg。

表4 棉稈纖維輕量土L25(54)正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 L25(54) orthogonal test of lightweight soil with cotton stalk fibers

2.2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析 極差越大說(shuō)明該因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大，極差最大的因素即最主要因素，極差較小的因素為次要因素[21]。正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析見(jiàn)表5。由表5可以看出，影響棉稈纖維輕量土抗壓強(qiáng)度的主要因素是水泥含量，次要因素是EPS顆粒含量，棉稈纖維和砂含量對(duì)抗壓強(qiáng)度影響不大，各因素對(duì)棉稈纖維輕量土抗壓強(qiáng)度的影響主次順序表現(xiàn)為水泥含量>EPS顆粒含量>砂含量>棉稈纖維含量；水泥含量是影響棉稈纖維輕量土滲透系數(shù)的主要因素，各因素對(duì)棉稈纖維輕量土滲透系數(shù)的影響主次順序表現(xiàn)為水泥含量>砂含量>EPS顆粒含量>棉稈纖維含量；影響棉稈纖維輕量土密度的主要因素是EPS顆粒含量，次要因素是砂含量，各因素對(duì)棉稈纖維輕量土密度的影響主次順序表現(xiàn)為EPS顆粒含量>砂含量>水泥含量>棉稈纖維含量。

表5 棉稈纖維輕量土L25(54)正交試驗(yàn)結(jié)果的極差分析Table 5 Range analysis of L25(54) orthogonal test of lightweight soil with cottonstalk fibers

注：Ki代表抗壓強(qiáng)度、滲透系數(shù)和密度的因素含量水平(i=1，2，3，4，5)。

Note:Kirepresent the factors of compressive strength,permeability coefficient,and density respectively(i=1,2,3,4,5).

為更加直觀地反映各因素與抗壓強(qiáng)度和密度之間的關(guān)系，以各影響因素的含量水平Ki為橫坐標(biāo)，抗壓強(qiáng)度和密度的均值為縱坐標(biāo)繪制關(guān)系曲線，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 各因素含量水平與抗壓強(qiáng)度和密度的關(guān)系Fig.2 Relationships between level of factor and compressive strength and density

由圖2可知，水泥含量越大，EPS顆粒含量越小，棉稈纖維輕量土抗壓強(qiáng)度越高；EPS顆粒含量越大，砂含量越小，棉稈纖維輕量土的密度越小，且EPS顆粒含量是影響輕量土密度的決定性因素。

2.2.3 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析 極差分析雖簡(jiǎn)潔明了，但難以估計(jì)試驗(yàn)誤差大小，無(wú)法確定試驗(yàn)結(jié)果的變化是由因素水平變化引起還是由誤差引起，故進(jìn)行了方差分析，其結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 棉稈纖維輕量土L25(54)正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析Table 6 Variance analysis of L25(54) orthogonal test of lightweight soil with cotton fibers

由表6可知：4個(gè)影響因素中，水泥含量和EPS顆粒含量對(duì)棉稈纖維輕量土抗壓強(qiáng)度有極顯著影響(P<0.01)，棉稈纖維含量和砂含量對(duì)其影響較小，因素主次順序?yàn)樗嗪?EPS顆粒含量>砂含量>棉稈纖維含量。水泥含量對(duì)棉稈纖維輕量土滲透系數(shù)影響最大，4個(gè)因素的主次順序?yàn)樗嗪?EPS顆粒含量>砂含量>棉稈纖維含量，與極差分析結(jié)果不完全相同，可能是由于試驗(yàn)誤差所致。EPS顆粒含量和砂含量對(duì)棉稈纖維輕量土密度有極顯著影響，因素主次順序?yàn)镋PS顆粒含量>砂含量>水泥含量>棉稈纖維含量。通過(guò)方差分析可以進(jìn)一步驗(yàn)證極差分析的可靠性。

2.3 棉稈纖維輕量土抗壓強(qiáng)度與水泥和EPS顆粒含量的關(guān)系

由極差和方差分析可知，影響棉稈纖維輕量土抗壓強(qiáng)度的主要因素是水泥含量和EPS顆粒含量，與相關(guān)的研究結(jié)論[22-24]基本一致，因此重點(diǎn)分析水泥、EPS顆粒含量對(duì)輕量土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出：同一EPS顆粒含量下，輕量土抗壓強(qiáng)度隨水泥含量增大而增大，二者近似于正相關(guān)關(guān)系，不同EPS顆粒含量只影響正相關(guān)的斜率和截距，則抗壓強(qiáng)度與水泥含量關(guān)系式可表示為：

qu=aC+b。

(1)

式中：qu為輕量土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，kPa；C為水泥含量，即水泥質(zhì)量所占干土質(zhì)量的質(zhì)量比；a、b為試驗(yàn)系數(shù)。

同一水泥含量下，輕量土抗壓強(qiáng)度隨著EPS顆粒含量的增大而減小，二者近似于負(fù)相關(guān)關(guān)系，不同水泥含量只影響負(fù)相關(guān)的斜率和截距，則抗壓強(qiáng)度與EPS顆粒含量的關(guān)系式可表示為：

qu=a-bE。

(2)

式中：E為EPS顆粒含量，即EPS顆粒質(zhì)量所占干土質(zhì)量的質(zhì)量比。

圖3 水泥和EPS顆粒含量與棉稈纖維輕量土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Relationships among cement,EPS content and compressive strength

2.4 棉稈纖維輕量土密度與EPS顆粒和砂含量的關(guān)系

由極差和方差分析可知，影響棉稈纖維輕量土密度的主要因素是EPS顆粒和砂含量，EPS顆粒和砂含量對(duì)輕量土密度影響的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 EPS顆粒和砂含量與棉稈纖維輕量土密度的關(guān)系Fig.4 Relationships among EPS, sand content and density

由圖4可以看出：棉稈纖維輕量土的密度隨著EPS顆粒含量的增大而減小，二者近似為冪函數(shù)關(guān)系，則EPS顆粒含量與輕量土密度關(guān)系可表示為:

ρ=aEb。

(3)

式中：ρ為棉稈纖維輕量土的密度;E為EPS顆粒含量，即EPS顆粒質(zhì)量所占干土質(zhì)量的質(zhì)量比。

棉稈纖維輕量土的密度隨著砂含量的增大而增大，二者近似為冪函數(shù)關(guān)系，也屬于強(qiáng)相關(guān)，則砂含量與輕量土密度關(guān)系可表示為:

ρ=aSb。

(4)

式中：S為砂含量，即砂質(zhì)量所占干土質(zhì)量的質(zhì)量比。

2.5 水泥含量與棉稈纖維輕量土滲透系數(shù)均值的關(guān)系

通過(guò)正交試驗(yàn)結(jié)果可得到水泥含量與棉稈纖維輕量土滲透系數(shù)均值的關(guān)系，如圖5所示。由圖5可知，隨著水泥含量的增加，棉稈纖維輕量土滲透系數(shù)均值大幅度降低，且降低幅度為1個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖5 水泥含量與棉稈纖維輕量土滲透系數(shù)均值的關(guān)系Fig.5 Relationship between cement contentand mean ofpermeability coefficient

2.6 原狀黃土與棉稈纖維輕量土的飽和含水率

分別進(jìn)行了2組原狀黃土和棉稈纖維輕量土2種試樣的飽和含水率對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)中對(duì)土樣進(jìn)行抽氣飽和后，用烘干稱(chēng)重法測(cè)定并計(jì)算飽和含水率[25]。結(jié)果表明：2組原狀黃土飽和含水率為36.31%和38.13%，棉稈纖維輕量土飽和含水率為38.58%和40.96%。

3 討 論

3.1 輕量土的透水特性

原料黃土的滲透性能及水泥的固化作用決定了棉稈纖維輕量土的透水特性。通過(guò)室內(nèi)常水頭滲透試驗(yàn)測(cè)定原料黃土滲透系數(shù)4.28×10-4cm/s，由正交試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)原料土中摻入水泥后，所有試樣滲透系數(shù)均小于原料土滲透系數(shù)，滿足強(qiáng)度要求的試樣滲透系數(shù)數(shù)量級(jí)10-5～10-7cm/s，兩者相差10～1 000倍，可見(jiàn)水泥固化作用對(duì)輕量土透水特性影響極大。從微觀上分析，滲透即水分子通過(guò)土體間孔隙流動(dòng)的現(xiàn)象，則影響棉稈纖維輕量土滲透特性就是其內(nèi)部的孔隙，棉稈纖維輕量土內(nèi)部孔隙主要包括團(tuán)粒體間孔隙、EPS顆粒間孔隙及團(tuán)粒體與EPS顆粒間孔隙。水泥的水化水解反應(yīng)產(chǎn)生的水化產(chǎn)物隨著水泥含量的增大而增多，且這些水化產(chǎn)物的填充作用使輕量土內(nèi)部孔隙減小，導(dǎo)致其滲透系數(shù)降低；水泥水化過(guò)程中的離子交換作用使土粒形成團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，并連帶EPS顆粒進(jìn)一步聚集并固結(jié)，使輕量土孔隙率減小，減低其滲透性能[12-13,26]。

3.2 輕量土的持水特性

持水性是土壤保持水分的特征，取決于材質(zhì)吸水性和土中聯(lián)通孔隙的多少，用飽和含水率來(lái)衡量。飽和含水率與土壤保持和蓄積水分的能力呈正比，飽和含水率越高土樣的持水性越好。海綿城市建設(shè)中要求路基土具有較高的持水性，也就要求棉稈纖維輕量土具有較高的飽和含水率。由飽和含水率試驗(yàn)結(jié)果可知，棉稈纖維輕量土的飽和含水率高出原狀黃土飽和含水率2%～4%，說(shuō)明棉稈纖維輕量土具有較好的持水性。

由于棉稈纖維輕量土中EPS顆粒不吸水，水泥作為固化材料也不具有增加土壤持水性的能力，持水性的增加主要是棉稈的作用。棉稈纖維摻加到土樣中不僅增大了土的吸水性，同時(shí)起到聯(lián)通土中孔隙的作用，對(duì)提高輕量土的持水性具有決定性的作用。

3.3 輕量土的最優(yōu)配合比

輕量土用于海綿城市建設(shè)，需要滿足強(qiáng)度高、量輕和滲透性基本接近天然土3類(lèi)要求。由本研究正交試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)水泥含量為20 g/kg時(shí)，無(wú)論其他因素含量如何變化，所有試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均小于地基極限承載力，說(shuō)明水泥含量大于20 g/kg時(shí)才能滿足地基承載力要求。在滿足抗壓強(qiáng)度要求下，2#試樣的滲透系數(shù)最大，為6.84×10-5cm/s，比較接近原狀黃土的滲透系數(shù)(4.28×10-4cm/s)，其抗壓強(qiáng)度為114.59 kPa，也滿足地基承載力的要求。因此，滿足地基承載力要求且透水性最好試樣的配合條件為棉稈纖維含量4 g/kg，水泥含量25 g/kg，砂含量120 g/kg，EPS顆粒含量12 g/kg。

4 結(jié) 論

(1)棉稈纖維含量、EPS顆粒含量、水泥含量、砂含量4個(gè)因素對(duì)棉稈纖維輕量土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)樗嗪?EPS顆粒含量>砂含量>棉稈纖維含量，其權(quán)重依次為5.94%，16.91%，68.33%和8.82%；對(duì)棉稈纖維輕量土滲透系數(shù)影響的主次順序?yàn)樗嗪?EPS顆粒含量>砂含量>棉稈纖維含量；對(duì)棉稈纖維輕量土密度影響的主次順序?yàn)镋PS顆粒含量>砂含量>水泥含量>棉稈纖維含量。

(2)棉稈纖維輕量土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與EPS顆粒含量和水泥含量具有良好的線性關(guān)系：同一水泥含量下，輕量土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與EPS顆粒含量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；同一EPS顆粒含量下，輕量土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥含量呈正相關(guān)關(guān)系。輕量土密度隨著EPS顆粒含量增大而減小，隨砂含量增大而增大，且密度與EPS顆粒含量和砂含量均為冪函數(shù)關(guān)系。

(3)隨著水泥含量增大，輕量土的滲透系數(shù)大幅度下降，數(shù)量級(jí)為10-5～10-7cm/s，較原料黃土降低10～1 000倍；添加棉稈纖維可增大土樣的吸水性，且對(duì)提高輕量土的持水性具有決定性的作用。

(4)適合海綿城市建設(shè)的棉稈纖維輕量土的最優(yōu)配合條件為棉稈纖維含量4 g/kg，水泥含量25 g/kg，砂含量120 g/kg，EPS顆粒含量12 g/kg。在一定范圍內(nèi)，改變各因素含量配比，其抗壓強(qiáng)度、密度與透水特性均可調(diào)整，可適應(yīng)不同工程的需求。