低成本土壤混合物抗壓強度分析

肖 江，張思達，郝強強，彭 浩，李倩楠

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點試驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

在我國，土制品于4000年前就已出現(xiàn)，并且應用廣泛，主要用于建造城墻、房屋、護欄、家具等[1]。由于單純黃土建筑強度較低，制約其發(fā)展，如何有效提高黃土建筑強度已成為現(xiàn)階段需克服的主要難題[2-4]。國外學者在順應生態(tài)發(fā)展的前提下，就如何有效利用低成本黃土建筑代替不必要的資源浪費開展了相關(guān)研究[5]；重視黃土的土壤成分以及實踐中的夯實過程，并提高質(zhì)量檢測標準達到提高建筑整體強度的要求[6]。國內(nèi)的研究主要集中在土壤與添加劑的合理配比、裂縫控制和施工質(zhì)量等方面[7-10]，而在土壤中添加其他支撐材料以提高強度的研究較少。為此，在黃土試件中添加竹桿、編織袋碎屑等材料，分析其力學性能并得到影響不同介質(zhì)材料強度的關(guān)鍵因素，以期為今后提高黃土強度的研究提供參考。

1 試驗樣品

1.1 試驗原料選擇

土壤是建筑物的主要支撐材料，其物理特征直接影響建筑物的強度。原生土壤粒徑大小不同，粒徑過大促進裂隙發(fā)育，粒徑過小影響土壤粘結(jié)性。本試驗所用的土壤選自陜西某地，用5 mm孔徑鐵網(wǎng)篩除粒徑較大的土壤及雜物，將篩除雜物后的土壤樣品置于試驗室并測定其物理特性，測試結(jié)果見表1。土壤中添加適量石灰可改善土壤粘結(jié)力，經(jīng)攪拌、壓實后得到穩(wěn)定混凝土；將等長(10 cm)、粗細均勻(d=4 mm)的竹桿外表面打磨粗糙，在土壤試件中作為支撐材料；選用工業(yè)編織袋，攪拌成2 cm長碎屑。

表1 土壤材料基本物理特性

1.2 土壤試件制作

試件分組：由于試件的大小直接影響材料力學強度，為使試驗更具有代表性，選用10 cm×10 cm×10 cm長度的土壤試件，將土壤與石灰按照5∶1比例攪拌均勻。分4組試件，第1組土壤試件不加結(jié)構(gòu)材料，為單一土壤混合物試塊。第2組試件將竹桿內(nèi)置于土壤試件中，考慮到不同介質(zhì)之間粘結(jié)力的問題，首先將等長的竹桿固定在模具內(nèi)，后將混合均勻的土壤混合物置于模型內(nèi)，覆蓋竹桿并充填壓實。第3組將編織袋碎屑加入到土壤混合物中攪拌均勻。第4組將單一成分土壤混合物充入編織袋，并固定在土壤模型內(nèi)充填壓實。每組做3個試件，對試件進行編號，具體試件分組及組成材料見表2。

表2 試件分組與組成材料

試件制作過程：在溫度(20±2)℃、濕度(80±5)%條件下，依次放置在陰涼干燥處養(yǎng)護30 d，達到預定齡期，試件制作過程如圖1所示。

圖1 土壤試件制作過程

2 試驗過程及結(jié)果分析

2.1 試驗設(shè)計

該試驗采用電液伺服壓力試驗機，由于手工制作試件表面不平，試驗時上下表面用細砂找平，依次按編號加壓試件，加載速率為0.5 mm/min。試驗開始時，壓力機穩(wěn)定加壓，試件處于彈性破壞階段。加載3 min后，外表面出現(xiàn)細微裂隙，壓力曲線增長率減小，此時處于塑性破壞階段。繼續(xù)加壓，裂隙縱向延伸，當加載5 min后，個別試件裂隙長度達5 cm，試件強度降低，試驗機壓力示數(shù)小幅下降并逐漸趨于平穩(wěn)，此時出現(xiàn)的極值為試件的極限抗壓強度。加載到15 min左右時，試件破壞嚴重，均出現(xiàn)表面土坯剝落現(xiàn)象，個別試件存在裂隙貫穿整個試件，試件抗壓強度趨向于0。

2.2 結(jié)果分析

試驗結(jié)果：在控制材料成本前提下，探究不同組成材料對試件強度的影響。試驗中盡量提高竹桿表面粗糙程度，避免桿件結(jié)構(gòu)破壞時與土壤試件分離造成二次破壞，影響試驗結(jié)果。參照相關(guān)標準[11-12]，對不同添加材料試件進行抗壓試驗，結(jié)果見表3。

表3 土壤混合材料抗壓試驗結(jié)果

竹桿對試件的影響分析：第1組試驗中，單一成分土壤試件抗壓強度較高，平均抗壓強度達到1.290 MPa，對比第2組試驗，加入竹桿后，其破壞分為黃土-竹桿共同支護、黃土-竹桿分離支護、黃土支護3個階段。在該組試驗中，第1階段黃土竹桿共同作用下試件抗壓強度較高，當加載強度超過其極限抗壓強度達到1.052 MPa時，試件變形較大，主要因為黃土與竹桿的受力超過極限粘結(jié)強度而分離，竹桿的原始空隙與破壞裂隙貫通，使其整體強度下降，下降速度較第1組試驗快，存在竹桿對黃土試塊二次破壞，該破壞主要發(fā)生在第2階段。當試件進入第3階段后，其抗壓強度逐漸降低，竹桿失效，部分竹桿發(fā)生折斷現(xiàn)象，試件抗壓強度主要由黃土塊提供，此時試件抗壓強度為破壞后黃土塊的殘余抗壓強度0.5 MPa。整體來看，在試塊內(nèi)加入竹桿后，由于竹桿的二次破壞使其平均抗壓強度減小，為1.031 MPa。破壞過程如圖2～5所示。

圖2 竹桿-土壤分離

圖3 竹桿變形折斷

編織袋碎屑對試件的影響分析：第3組試驗中，向土壤試件中加入編織袋碎屑，加載至2 min左右出現(xiàn)裂隙，繼續(xù)加壓至4 min時，達到極限抗壓強度，為2.729 MPa，此時試件表面裂隙發(fā)育貫通，平均抗壓強度為2.489 MPa，如圖5所示。該強度較前2組高，且抗壓時間長，支撐效果較好，主要因為編織袋與土壤粘結(jié)性較好，添加編織袋碎屑后，試件在破壞過程中內(nèi)部裂隙的發(fā)育受到碎屑約束，其整體強度明顯提高，相對于單一黃土試塊的抗壓強度提高了1.199 MPa。

圖4 試件加載破壞過程

圖5 第2、3組試件荷載-位移曲線

編織袋對試件的影響分析：第4組試驗試件為單一土壤混合物，并在其外部包裹一層編織袋。與第1組試驗進行對照，加壓后發(fā)現(xiàn)該組試件的抗壓強度與第1組試件相近，加壓至5 min時，達到極限抗壓強度1.278 MPa，如圖6所示；繼續(xù)加壓，其抗壓強度逐漸下降，下降速度較第3組慢，到9 min以后其抗壓強度保持在1 MPa左右，為殘余強度。與第1組試驗對照，在外層包裹的編織袋后主要在加壓后期發(fā)揮作用，為破壞后松散土塊提供整體約束作用，增加了材料內(nèi)部物質(zhì)之間的粘結(jié)強度，可提高試件30%殘余強度，延長試件支撐時間。

圖6 第1、4組試件荷載-位移曲線

綜合分析：試驗結(jié)果表明，土壤中的添加物要與土壤充分粘結(jié)，粘結(jié)效果越好則試件強度越高，若粘結(jié)效果不好不僅不能發(fā)揮作用，而且會降低試件強度。在土壤中加入竹桿，由于竹桿與土壤粘結(jié)力有限，當加載強度超過粘結(jié)強度后，竹桿與土塊分離，只存在殘余摩擦，繼續(xù)加載后，試件整體性越來越差，竹桿周圍殘余空隙與發(fā)育的裂隙貫通，存在竹桿對試件的二次破壞，使試件抗壓強度下降較快。在土壤中加入編織袋碎屑后，由于碎屑是柔性材料并且表面粗糙，與土壤的粘結(jié)性較竹桿好，在加載過程中能約束試件內(nèi)裂隙發(fā)育，還能提高試件強度并延長試件抗壓時間。

3 結(jié)論

(1)黃土-竹桿混合材料極限抗壓強度比單一黃土混合物強度低，主要由于2種介質(zhì)粘結(jié)性較低，當加載強度超過粘結(jié)強度后，竹桿周圍殘余空隙與發(fā)育的裂隙貫通，降低了試件性能，不能長期提供有效支撐。

(2)黃土-編織袋碎屑混合物中，編織袋是柔性材料并且表面粗糙，2種介質(zhì)粘結(jié)性較竹桿好，加載過程中碎屑能限制裂隙發(fā)育，所以試件極限抗壓強度比單一土壤試件高1.199 MPa。

(3)柔性材料編織袋包裹后的試件提供約束力，增強內(nèi)部材料摩擦力，提高殘余強度，黃土塊試驗添加編織袋外套使其殘余強度增高了30%。

(4)在探究不同介質(zhì)的混合材料強度時，應優(yōu)先考慮2種材料之間相互關(guān)系，粘結(jié)性越好，則材料強度越高，粘結(jié)性較差時，影響材料整體性能。