含麥草纖維生土建材的拉壓力學(xué)性能試驗(yàn)研究

謝 冰 吳昌勇

1.洛陽理工學(xué)院土木工程學(xué)院；2.廣西保利置業(yè)集團(tuán)有限公司

1 引言

生土材料是古老和且廣泛使用的建筑材料之一。據(jù)估計(jì)，世界三分之一的人口和發(fā)展中國家50%的人口仍然居住在以生土建材為主建造的房屋中。雖然隨著建筑材料的發(fā)展，耐久性與力學(xué)性能更加優(yōu)越的建筑材料越來越廣泛地應(yīng)用于各類建筑中，例如、混凝土、鋼筋以及各類新型合成保溫材料等，但此類現(xiàn)代建筑材料也逐漸暴露出耗能大、成本高等缺點(diǎn)。為了順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，提倡綠色、低碳、環(huán)保的建筑要求，實(shí)現(xiàn)從原材料獲取、使用、維護(hù)到循環(huán)利用能夠最大限度地降低對(duì)環(huán)境的影響與擾動(dòng)，生土建材已成為替代傳統(tǒng)高能源需求建筑材料的一個(gè)選擇。

由于生土材料往往具有易變形、強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，因此國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)生土材料的改性問題進(jìn)行了諸多研究，例如，楊永等[1]采用粉煤灰、石灰、礦渣等作為生土材料改性添加劑對(duì)生土改性前后的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，分析了生土材料改性的內(nèi)在作用機(jī)制。張坤[2]、王毅紅[3]等對(duì)礫石、河砂等摻料含量對(duì)生土塊材受壓性能影響進(jìn)行了深入研究；類似的文獻(xiàn)還有文[4、5]。眾所周知，植物纖維對(duì)于生土的性能改善有一定的作用[6]，鑒于此，本文將以我國能夠廣泛取材的麥草纖維作為生土添加材料，采用室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)含麥草纖維生土建材的抗壓與抗拉的基本力學(xué)性能進(jìn)行研究。

2 試件制備

本次試驗(yàn)所采用的試樣由地處我國西北的敦煌地區(qū)天然水、土、沙、麥草等原材料制備而成，其中水、土和沙的質(zhì)量比為0.5:1:1，沙 粒 徑 約 為0.05mm～2mm，土 粒 徑 約 為0.005mm～0.05mm。麥草作為改性材料加入生土材料中，纖維長度控制在5cm～8cm，質(zhì)量約占土、沙總質(zhì)量的2%。試樣通過模具澆筑加工而成，放入40℃恒溫烘箱內(nèi)，放置72小時(shí)后脫模，并繼續(xù)烘干。

由于含麥草纖維的生土建材不屬于傳統(tǒng)意義上的土介質(zhì)與巖石介質(zhì)，對(duì)其研究相對(duì)較少，尚沒有成熟的試驗(yàn)方法。若按照土樣進(jìn)行分析，在《土工試驗(yàn)規(guī)程》（SL 237—1999）與《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40—2007）中明確規(guī)定建議采用圓柱試樣截面直徑為3.5mm～4.0mm；若按照巖樣進(jìn)行分析，在《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266—2013）與《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E41—2005）中明確規(guī)定試樣直徑應(yīng)大于巖石礦物最大顆粒直徑的10 倍，建議取直徑為50mm?？紤]到試樣中摻雜麥草纖維尺寸部分可達(dá)到5cm～8cm 長，因此若完全按照傳統(tǒng)的巖石或土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)，勢必存在嚴(yán)重的尺寸效應(yīng)，故試件采用了相對(duì)較大的尺寸。

根據(jù)試驗(yàn)項(xiàng)目情況，分別制作了不同的試樣，其中，單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與單軸壓縮變形試驗(yàn)試樣尺寸為Φ100mm×200mm；劈裂法抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)試樣尺寸為Φ100mm×100mm。典型的試樣見圖1。

圖1 典型試樣

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

力學(xué)性能試驗(yàn)將全部在由中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的巖石與混凝土力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)RMT-301 上完成。該系統(tǒng)的垂直液壓缸推力可選用1500kN、100kN 兩個(gè)級(jí)別，活塞行程50mm；有效測力范圍為10kN～1500kN，傳感器精度可達(dá)10N；水平液壓缸最大推力500kN，活塞行程50mm，傳感器精度為10N；所有位移及行程傳感器的測量精度均優(yōu)于0.3%；分辨率高于0.01%F.S。變形速率可以控制在0.0001mm/s～1mm/s 或加載速率可以控制在0.01kN/s～90kN/s進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 試件的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

3.1 單軸抗壓強(qiáng)度測試

選取無明顯缺陷，表面光滑平整的Φ100mm×200mm的圓柱體試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將試樣置于壓力機(jī)承壓板中心，調(diào)整有球形座的承壓板，使試樣均勻受載，以位移作為加載控制參量，按0.02mm/s的加載速度加荷，直到試樣破壞為止，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄最大破壞載荷、彈性模量以及加載過程的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線。試件典型試驗(yàn)過程見圖2，單軸壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3。

圖3 典型單軸抗壓試驗(yàn)曲線

經(jīng)統(tǒng)計(jì)可得試件的單軸壓縮強(qiáng)度σc以及彈性模量E如表1。

表1 單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果

3.2 巴西劈裂法抗拉強(qiáng)度測試

巴西劈裂試驗(yàn)方法測定試樣抗拉強(qiáng)度時(shí)，試件加工為Φ100mm×100mm 的圓柱體，通過試件直徑的兩端，沿軸線方向劃兩條相互平行的加載基線；將兩根墊條沿加載基線固定在試件兩端；將試樣置于壓力機(jī)承壓板中心，調(diào)整有球形座的承壓板，使試樣均勻受載，并使墊條與試件在同一加荷軸線上；以0.01mm/s的加載速度加荷，直到試樣破壞為止，記錄下最大破壞載荷及加載過程的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線。

試樣的抗拉強(qiáng)度σt通過下式確定：

式中：

P——為試樣破壞時(shí)的載荷；

D——為試樣直徑；

t——為試樣厚度。

典型巴西劈裂試驗(yàn)過程見圖4，巴西劈裂試驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5。

圖4 試件的巴西劈裂試驗(yàn)

圖5 典型巴西劈裂試驗(yàn)曲線

試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)詳見表2。

表2 巴西劈裂試驗(yàn)結(jié)果

通過計(jì)算各試件抗拉強(qiáng)度的平均值可得含麥草纖維試件的抗拉強(qiáng)度約為0.101MPa。

從上述圖3與圖5的試驗(yàn)曲線中可以觀察到，無論是抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)還是抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)其應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰后段均下降相對(duì)緩慢，曲線相對(duì)平緩，進(jìn)而表明添加麥草纖維能夠使土體的塑性增強(qiáng)，提升了此類建材的抗變形能力。

4 結(jié)語

本文選取含麥草纖維的生土建材作為研究對(duì)象，對(duì)其抗壓與抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)分析，獲得了如下結(jié)論：添加麥草纖維的生土建材具有綠色環(huán)保，能夠循環(huán)再生利用；麥草纖維能夠?qū)ι两ú牡目箟号c抗拉力學(xué)性能起到改善作用，增加了土體的塑性，提升了生土建材的抗變形能力。