基于孔隙面積比的麥秸稈防腐分析及秸稈對粉土抗剪強(qiáng)度的影響

彭麗云，李朝成，劉銘杰，崔長澤

（北京建筑大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，北京 100044）

粉土具有結(jié)構(gòu)性差、穩(wěn)定性差、壓縮性高、力學(xué)強(qiáng)度低、在地震載荷作用下易發(fā)生液化等特點(diǎn)[1]，用其填筑的路基極易發(fā)生坡面沖蝕、滲透破壞和過大變形等病害，粉土路基也常在車輛動(dòng)荷載的作用及自身物理力學(xué)狀態(tài)的改變下產(chǎn)生病害[2]。因此用粉土填筑路基時(shí)，多用石灰[3]、水泥[4-5]等無機(jī)結(jié)合料進(jìn)行改良，以達(dá)到路基填料所要求的強(qiáng)度和變形。

但石灰、水泥有一定腐蝕性，在改良的同時(shí)對地下水循環(huán)和生長在路基邊坡上的植物成活有影響。因此在高度重視環(huán)保的今天，人工合成纖維因具有環(huán)保、高強(qiáng)度、耐酸和不吸水等特性，纖維的摻入可以提高土體的力學(xué)性質(zhì)[6]。常見有聚丙烯、玻璃絲、聚酯纖維等，摻入土中可提高土體黏聚力、內(nèi)摩擦角[7]、殘余剪切強(qiáng)度[8]和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度[9]，可提高土體抗拉能力和抗裂性[10]，降低試樣表面裂隙率[11]，增強(qiáng)土體的自愈能力[12]。相比人工合成纖維，農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品的麥秸稈為天然纖維，環(huán)?？稍偕揖哂幸欢ǖ牧W(xué)性能；摻入土中會起到改善級配、提高土體強(qiáng)度[13]、降低壓縮性[14]，加筋率也會影響加筋后土體的抗剪強(qiáng)度[15]、開裂特性[16]，其中抗剪強(qiáng)度是各種工程建設(shè)的重要參數(shù)[17]；對加筋土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析可以定量評價(jià)加筋效果[18]。我國麥秸稈年產(chǎn)量7億噸，但利用率僅為40%，多被就地焚燒，既污染環(huán)境又浪費(fèi)資源，將其應(yīng)用到土中的將會產(chǎn)生良好的環(huán)保效益和經(jīng)濟(jì)效益。

人們很早就在修建道路、民房時(shí)使用秸稈，建成了大量摻加秸稈的生土建筑[19]。在新石器時(shí)代，很多人民便已經(jīng)將黃土作為材料對墻壁進(jìn)行建造，同時(shí)還會搭配一些木資源和草泥[20]。后來，人們開始使用泥磚、垛泥等技術(shù)，泥漿、垛泥營建都是將生土材料加水、加干草拌合成可塑的泥狀，然后進(jìn)行建造，二者都利用了到了土壤的可塑性和黏結(jié)性。土壤是一種天然的具有一定強(qiáng)度的材料，泥磚、垛泥塑造的墻體干燥后便會具有一定的強(qiáng)度[21]，且工程耐久性較好，經(jīng)過幾百年，仍有大量石窟、寺廟以及民房保存著良好的結(jié)構(gòu)。對于黏性較差的黃土，除夯實(shí)外，將麥秸稈碎片或麥糠撒在里面也能增強(qiáng)其力學(xué)性能和使用壽命[22]?？梢姡参锢w維拌和在材料中起增強(qiáng)材料連接，防裂、提高強(qiáng)度的作用。植物纖維在生土材料中充當(dāng)抗拉材料，本身具有一定的韌度，是理想的天然抗拉材料。當(dāng)泥磚或草泥失水收縮時(shí)，可以有效地抵消拉應(yīng)力，避免開裂[23]。粉土透水性較強(qiáng)，相比秸稈在黏土磚中的應(yīng)用，秸稈摻入粉土中會受到水的影響。但粉土路基填筑時(shí)廣泛采用黏土包邊、路基路面排水等多種措施減少了水對路基的影響，再加上對秸稈的防腐處理，進(jìn)一步阻隔了水的影響，從源頭上阻斷了秸稈腐蝕的來源，因此秸稈在粉土中的應(yīng)用也會具有較長期的耐久性。

聚乙烯醇是一種環(huán)保的固體有機(jī)化合物，工程中常與水混合用作防腐劑。用聚乙烯醇溶液浸泡秸稈，可從化學(xué)角度防止水腐蝕秸稈，可以填充到秸稈孔隙中，可以在秸稈表面形成保護(hù)膜，阻斷秸稈和水的接觸，起到防腐作用[24]。但聚乙烯醇對麥秸稈孔隙填充的微觀結(jié)構(gòu)研究較少，致使對防腐效果評價(jià)不足，容易產(chǎn)生溶液浪費(fèi)或者達(dá)不到預(yù)定防腐效果的問題，影響秸稈加筋土的使用效果。

本文通過拍攝得到麥秸稈浸泡聚乙烯醇溶液后的橫斷面圖，以孔隙面積比作為定量評價(jià)指標(biāo)，分析聚乙烯醇對麥秸稈孔隙的填充情況，結(jié)合秸稈防腐前后的抗拉強(qiáng)度變化，對防腐效果進(jìn)行評價(jià)。同時(shí)分析多種因素對秸稈孔隙面積比的影響，確定最佳防腐劑溶液濃度和秸稈在防腐劑溶液中的最佳浸泡天數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證麥秸稈在土中的加筋效果，研究結(jié)果將為麥秸稈在土中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

（1）粉土：取自北京京南某高速公路沿線，為沖積粉土，其顆粒粒徑組成如表1所示。粉土粉粒含量高達(dá)92.88%，黏粒極度缺乏、級配不良。液限16.7%，塑限20.3%，擊實(shí)試驗(yàn)得到最優(yōu)含水率14.6%、最大干密度1.74 g/cm3。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E40-2007）可判定為低液限粉土。土體級配均勻，黏聚力低，水穩(wěn)定差，需改良后才能作為路基填料。

表1 顆粒粒徑組成Table1 Particle size composition

（2）麥秸稈：取自河北石家莊地區(qū)，秸稈斷面如圖1，表層（SiO2和栓質(zhì)細(xì)胞）組織致密，細(xì)胞外覆蓋薄蠟質(zhì)層；中內(nèi)層（木質(zhì)素、纖維素和半纖維素）組織疏松、分子顆粒大、整體呈孔隙構(gòu)造。致密的表層不易被腐蝕，而疏松的中內(nèi)層有利于溶液的濕潤、擴(kuò)散和滲透，在潮濕環(huán)境下易受到軟腐菌、霉菌等微生物的侵蝕，致使麥秸稈結(jié)構(gòu)破壞、腐爛并喪失強(qiáng)度，需經(jīng)過防腐處理才能將其長久地應(yīng)用到粉土中。

圖1 麥秸稈孔隙構(gòu)造微觀圖（225倍）Fig.1 Micrograph of wheat straw pore structure (225 times)

（3）聚乙烯醇溶液：聚乙烯醇是一種白色、無味、呈片狀、絮狀或粉末狀、對環(huán)境污染小的固體有機(jī)化合物，其分子主鏈含-CH2-CH(OH)-基團(tuán)，分子鏈中含大量的羥基，排列比較規(guī)整，具有較強(qiáng)的阻隔性；側(cè)基為強(qiáng)極性基團(tuán)，分子間作用力大，熱穩(wěn)定性強(qiáng)；含有大量氫鍵，分子間作用力強(qiáng)，有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性[25]。因此，自身具有較好的抵抗外界腐蝕的能力。聚乙烯醇溶于水會形成有一定膠黏特性的溶液，其線性分子能沿流動(dòng)方向取向，可減少流動(dòng)中的摩阻力，使其能夠充分進(jìn)入浸泡在其中的麥秸稈中的孔隙中。此外，聚乙烯醇具有較強(qiáng)的成膜性，形成的膜具有優(yōu)良的機(jī)械性能[26]以及氣體阻隔性、防靜電性、熱封性、力學(xué)性能、耐油性及耐化學(xué)藥品性和對于環(huán)境的友好性[27]，膜的拉伸強(qiáng)度隨聚合度、醇解度升高而增強(qiáng)。因此，本研究中選用聚乙烯醇溶液作為麥秸稈的防腐劑，常用濃度為4%～12%。

1.2 試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)

1.2.1 不同條件下的麥秸稈孔隙面積比測定麥秸稈孔隙面積比，即麥秸稈斷面中的孔隙面積和斷面總面積的比值，用以下方法測定：用顯微鏡對麥秸稈橫斷面進(jìn)行拍攝得到圖2(a)，量測得到麥秸稈總面積S1；利用二值化方法處理圖2(a)中的圖像得到圖2(b)；利用Imagej 軟件將圖2(b)中的非孔隙輪廓保留成封閉曲線并加以顯示得到圖2(c)，對所有封閉曲線面積求和，即為麥秸稈斷面中非孔隙面積S2。孔隙面積S3=S1-S2，孔隙面積比y=S3/S1。

圖2 麥秸稈孔隙面積比二值化分析圖Fig.2 Binary analysis of wheat straw pore area ratio

孔隙面積比反映了麥秸稈中孔隙的多少，麥秸稈浸泡在聚乙烯醇溶液中，秸稈中易吸水的孔隙會逐漸被沿流動(dòng)方向取向的聚乙烯醇線性分子填充，孔隙填充越多，孔隙面積比越小，秸稈吸水能力越弱，水對秸稈的腐蝕作用越小。孔隙面積比越小說明秸稈中填充的防腐劑數(shù)量越多，秸稈越不容易受到腐蝕。同時(shí)，秸稈中防腐劑數(shù)量越多，聚乙烯醇與秸稈接觸的部分就越多，成膜作用發(fā)揮的區(qū)域也越大，對水的阻隔作用增強(qiáng)，進(jìn)一步阻礙微生物等對麥秸稈的腐蝕。因此，可采用孔隙面積比來間接評價(jià)防腐效果。

麥秸稈孔隙面積比與麥秸稈長度l、聚乙烯醇溶液濃度c、秸稈在防腐溶液中的浸泡時(shí)間t有關(guān)，試驗(yàn)方案見表2，分析上述因素對秸稈孔隙面積比的影響規(guī)律，確定出最佳防腐劑溶液濃度、最佳防腐浸泡時(shí)間和最佳長度。

麥秸稈所處環(huán)境條件對孔隙面積比也有影響，選取某特定長度的麥秸稈各35根，分別放置在常溫常壓、浸水、最佳防腐劑溶液中浸泡最佳天數(shù)風(fēng)干后再浸水，在1～7 d時(shí)各取5根測定秸稈孔隙面積比并取均值，以此來評價(jià)麥秸稈防腐效果。

1.2.2 麥秸稈抗拉強(qiáng)度測試

抗拉強(qiáng)度是評價(jià)材料力學(xué)性能的重要指標(biāo)，不同環(huán)境條件下，麥秸稈的抗拉強(qiáng)度不同。對長度為60 mm的秸稈，各取35根放置在常溫常壓、浸水、最佳聚乙烯醇溶液浸泡最佳天數(shù)風(fēng)干后再浸水，分別在1～7 d內(nèi)在上述3種環(huán)境中各取5根，用電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)以拉伸速率6 mm/min 測試其抗拉強(qiáng)度并取均值。以此來分析環(huán)境因素對麥秸稈抗拉強(qiáng)度的影響，進(jìn)而說明防腐對秸稈力學(xué)性能的影響。

表2 基于材料和時(shí)間因素的麥秸稈孔隙面積比測定Table2 Wheat straw pore area ratio determination based on material and time factors

萬能材料試驗(yàn)機(jī)兩端各有25 mm 長的夾具，需要將麥秸稈插入夾具中進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，60 mm的麥秸稈，實(shí)際受拉段的長度為10 mm。選取10 mm 長秸稈是因?yàn)閷?shí)際工程中秸稈與土體要作為均一材料來考慮，較長的秸稈摻入后土體的均勻性較差。

1.2.3 秸稈加筋粉土抗剪強(qiáng)度測定

為了驗(yàn)證麥秸稈對粉土的加筋效果，分別將長10，15，20，30 mm、在最佳聚乙烯醇溶液濃度中防腐處理最佳天數(shù)后的麥秸稈，烘干后以0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的摻量摻入最優(yōu)含水率14.6%粉土中，制成壓實(shí)度K=0.95、直徑6.18 cm、高2 cm的圓柱試樣，利用按照剪切速率0.8 mm/min、豎向壓力分別為50，100，200，400 kPa 進(jìn)行直剪實(shí)驗(yàn)測定加筋土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，評價(jià)加筋效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 防腐天數(shù)對麥秸稈孔隙面積比的影響

相同麥秸稈長度和聚乙烯醇溶液下，選取單根秸稈1，3，7 d 下的二值化圖（圖3）?？梢钥闯觯S浸泡時(shí)間的增長，麥秸稈陰影部分面積逐漸增大，非陰影部分面積減少，說明秸稈中的孔隙逐漸被穩(wěn)定的、具有防腐效果的聚乙烯醇所填充。此外，孔隙越少，秸稈中內(nèi)層被水濕潤、擴(kuò)散和滲透的區(qū)域就越小，從而降低了秸稈被軟腐菌、霉菌等微生物的侵蝕，秸稈因此而具備了一定的防腐能力。

圖4給出了麥秸稈孔隙面積比和浸泡天數(shù)關(guān)系曲線，可見，相同長度麥秸稈的孔隙面積比隨浸泡時(shí)間的增長而減小。其中浸泡0～1 d時(shí)，孔隙面積比減小速率最快；1～4 d時(shí)的減小速率逐漸變緩，4 d 后的減小速率接近于0。說明浸泡4 d 之后，進(jìn)一步浸泡，對秸稈面積孔隙比并不能起到持續(xù)降低的作用，4 d可確定為秸稈最佳防腐浸泡時(shí)間。

圖3 麥秸稈浸泡不同天數(shù)后的二值化圖（l=10 mm，c=10%，225倍）Fig.3 Binary image of wheat straw after soaking for different days (l=10 mm,c=10%,225 times)

2.2 溶液濃度對麥秸稈孔隙面積比的影響

不同聚乙烯醇溶液濃度下，相同長度麥秸稈孔隙面積比和浸泡時(shí)間關(guān)系曲線如圖5所示。可以看出，隨著麥秸稈浸泡時(shí)間的增長，各濃度下的孔隙面積比均減小，4 d 后孔隙面積比減小速率均達(dá)到穩(wěn)定。相同浸泡天數(shù)下，隨聚乙烯醇溶液濃度的增加，秸稈孔隙面積比減??；在濃度從4%增長到10%時(shí)的過程中，孔隙面積比減小明顯；而10%與12%溶液濃度下，秸稈4 d 后的孔隙面積比相差不大，說明當(dāng)濃度大于10%后，進(jìn)一步增加防腐溶液濃度對麥秸稈孔隙面積比的減小作用不大。聚乙烯醇溶液存在最佳濃度10%，此時(shí)秸稈吸收防腐劑的效能最優(yōu)。

圖4 麥秸稈孔隙面積比隨浸泡時(shí)間變化曲線（l=10 mm，c=10%）Fig.4 Pore area ratio variation of wheat straw with soaking time（l=10 mm，c=10%）

圖5 不同濃度下麥秸稈孔隙面積比與浸泡時(shí)間關(guān)系（l=20 mm）Fig.5 Relationships between the pore area ratio and the soaking time at different concentrations（l=20 mm）

不同濃度下孔隙面積-浸泡時(shí)間關(guān)系曲線呈現(xiàn)出相似的規(guī)律，將圖5中的數(shù)據(jù)在t/y-t坐標(biāo)系中重新繪制得到圖6，曲線符合線性關(guān)系：

變化式（1）形式就得到相同長度、不同濃度下，秸稈孔隙面積比隨時(shí)間變化規(guī)律：

式中：y-孔隙面積比；

t-浸泡時(shí)間；

a，b-曲線在t/y-t坐標(biāo)系中的截距和斜率。

各濃度下的曲線參數(shù)如表3所示。

圖6 浸泡時(shí)間/孔隙面積比和浸泡時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relationship between soaking time/pore area ratio and soaking time

表3 不同濃度下公式(1)擬合后的參數(shù)值Table3 Parameter values at different concentrations

2.3 麥秸稈長度對秸稈孔隙面積比的影響

不同長度下，麥秸稈孔隙面積比和浸泡時(shí)間關(guān)系曲線如圖7所示?？芍煌L度下，隨浸泡時(shí)間的增長，麥秸稈孔隙面積比在1～4 d 內(nèi)均在減小，4 d 后各長度的麥秸稈孔隙面積比基本相等，說明麥秸稈長度與最終孔隙面積比無關(guān)。但對1～4 d 內(nèi)的曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)秸稈長度越短，相同浸泡時(shí)間下的孔隙面積比越??；要達(dá)到相同的孔隙面積比，越短的秸稈所需要時(shí)間也越少。

圖7 不同長度下，麥秸稈孔隙面積比和浸泡時(shí)間關(guān)系（c=10%）Fig.7 Relationships between the pore area ratio and soaking time at different wheat straw lengths（c=10%）

對圖7中l(wèi)=30 mm 這條曲線，縱坐標(biāo)取對數(shù)，得到曲線如圖8所示，可用公式(3)進(jìn)行描述：

圖8 半對數(shù)坐標(biāo)系下孔隙面積比和浸泡時(shí)間關(guān)系(l=30 mm)Fig.8 Relationship between the pore area ratio and soaking time in semi-logarithmic coordinate system(l=30 mm)

式中：p-秸稈初始孔隙面積比；

q-對數(shù)坐標(biāo)系下孔隙面積比的變化速率；

k-最終孔隙比。其他長度下的曲線也符合上述方程，各長度下的擬合參數(shù)如表4所示。

表4 不同長度下0～4 d 范圍內(nèi)的曲線擬合參數(shù)Table4 Curve fitting parameters in the range of 0 to 4 days under different lengths

2.4 不同環(huán)境下的麥秸稈孔隙面積比分析

由圖9可見，常溫常壓下天然麥秸稈孔隙面積隨時(shí)間變化不大，說明干燥狀態(tài)下麥秸稈一般不會發(fā)生腐蝕。浸水會導(dǎo)致麥秸稈腐蝕，孔隙面積比增大。防腐處理后，麥秸稈孔隙面積比大幅降低，再次浸水后，秸稈孔隙面積比與浸水前變化不大，且再次浸水時(shí)間的長短對秸稈孔隙面積比基本無影響，說明聚乙烯醇對麥秸稈起到了較好的防腐效果。

2.5 麥秸稈極限拉力分析

圖10 給出了浸水麥秸稈和浸聚乙烯醇溶液麥秸稈不同天數(shù)下的極限拉力變化曲線。從中可以看出，10 mm 長的麥秸稈，天然狀態(tài)下的極限拉力為169.80 N；浸水4 d 再烘干后極限拉力降低到122.2 N，降幅為28%；用10%聚乙烯醇溶液浸泡1 d，其強(qiáng)度就得到提高，在第4 d 達(dá)到了強(qiáng)度最高值208.2 N，較天然秸稈增加23%，較浸水后的麥秸稈增加70%。說明防腐處理在保證秸稈不被水腐蝕的基礎(chǔ)上，對秸稈抗拉強(qiáng)度還有很強(qiáng)的提升作用。

圖9 常溫常壓、浸水、防腐后浸水麥秸稈孔隙面積比變化（l=10 mm）Fig.9 Changes in the pore area ratio of wheat straw after soaking,soaking and antiseptic（l=10 mm）

圖10 麥秸稈極限拉力變化曲線Fig.10 Change in the limit tensile force of wheat straw

2.6 防腐麥秸稈對粉土抗剪強(qiáng)度的影響

圖11為不同麥秸稈摻量下、壓實(shí)度為0.95的粉土試樣照片，可見秸稈摻量越大、數(shù)量越多，在土中的分布就越無序。此外，秸稈摻量越大，達(dá)到相同壓實(shí)度所需的擊實(shí)功越大，土體密實(shí)度越高，抵抗變形的能力越強(qiáng)。

直剪試驗(yàn)測得不用秸稈長度下，秸稈加筋粉土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨摻量的變化曲線如圖12所示?？梢婋S秸稈摻量的增加，相同壓實(shí)度、秸稈長度下，粉土試樣的黏聚力均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，對每條曲線均存在一個(gè)最優(yōu)摻量，此時(shí)獲得最大的黏聚力。由圖12(a)可知，對試驗(yàn)范圍內(nèi)不同長度下的黏聚力曲線，這個(gè)最優(yōu)摻量的范圍為0.4%～0.6%。

圖11 素土、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%摻量土樣Fig.11 Plain soil and 0.2%,0.4%,0.6% and 0.8% straw mixed soil samples

圖12 不同長度、秸稈摻量下粉土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)變化曲線Fig.12 Variation in the silt shear strength at different lengths and different straw contents

隨著秸稈長度的增加，黏聚力出現(xiàn)先增長后減小的趨勢，甚至當(dāng)秸稈長度為30 mm、摻量為0.8%時(shí)，秸稈加筋粉土的黏聚力出現(xiàn)了比素土小的情況。其他秸稈長度和摻量下的黏聚力均大于素土，尤其是長度為15 mm的秸稈，在0.4%摻量時(shí)，其黏聚力較素土提高了69.7%。

隨著摻量的增加，不同秸稈長度下的加筋土內(nèi)摩擦角均增大，但增量很小，且沒有明顯規(guī)律。

3 機(jī)理分析

麥秸稈中內(nèi)層組織疏松，含有較多孔隙，易吸水而被腐蝕，將其浸泡到聚乙烯醇溶液中，在溶液滲透壓的作用下聚乙烯醇充填到秸稈孔隙中，其良好的防腐性能如膠黏特性、受周圍環(huán)境尤其是水和微生物的影響小等，使秸稈具有了一定的防腐能力。同時(shí)聚乙烯醇充填到秸稈孔隙中后使水進(jìn)入秸稈的通道減少，水、微生物與秸稈的接觸面積減小，腐蝕相應(yīng)降低。可見，秸稈孔隙填充程度越高、進(jìn)水的通道越少、防腐劑充填數(shù)量越多，防腐效果越好。而孔隙面積比是描述秸稈孔隙填充程度的定量指標(biāo)，因此可用來評價(jià)秸稈的防腐效果，孔隙面積比受以下幾個(gè)因素的影響。

麥秸稈在防腐劑溶液中浸泡時(shí)間的長短對孔隙面積比的影響，主要體現(xiàn)浸泡時(shí)間對秸稈孔隙的填充量和填充速率上。相同長度的麥秸稈，在浸泡初期，由于麥秸稈孔隙被防腐劑填充的部分少，秸稈吸收聚乙烯醇溶液的能力強(qiáng)，且此時(shí)溶液中溶質(zhì)的含量多，溶質(zhì)滲入秸稈孔隙的能力強(qiáng)，填充速率快、孔隙面積比減小快；隨著浸泡時(shí)間的增長，麥秸稈孔隙被聚乙烯醇溶液填充的數(shù)量增多，孔隙周邊黏附了一層聚乙烯醇薄膜，阻擋了麥秸稈孔隙對聚乙烯醇溶液的吸收，且溶液中的溶質(zhì)含量減少、滲透壓減小，孔隙面積比減小速率降低。隨著浸泡時(shí)間的進(jìn)一步增長，秸稈中的多數(shù)孔隙被聚乙烯醇填充，溶液中的溶質(zhì)數(shù)量、滲透壓進(jìn)一步降低，以至到4 d 后，麥秸稈孔隙被聚乙烯醇溶液填充達(dá)到最大值，不再吸收聚乙烯醇；之后的浸泡過程中，溶液中的聚乙烯醇已經(jīng)沒有足有的空間和能力進(jìn)入到秸稈孔隙中，孔隙面積比將不隨浸泡時(shí)間發(fā)生變化?？紫睹娣e比不隨浸泡時(shí)間發(fā)生變化的初始時(shí)間即為秸稈最佳的浸泡時(shí)間，在這個(gè)時(shí)間下，秸稈孔隙面積比達(dá)到最小，且所需時(shí)間最短。

防腐劑溶液濃度對秸稈孔隙面積比的影響主要體現(xiàn)在防腐劑溶液中的溶質(zhì)數(shù)量上。對相同長度、浸泡時(shí)間的麥秸稈，防腐劑濃度較高時(shí)溶液中溶質(zhì)含量多、滲透壓大，溶質(zhì)進(jìn)入秸稈孔隙的能力強(qiáng)，故孔隙面積比小，當(dāng)溶液防腐劑濃度小于10%時(shí)，這種規(guī)律較明顯。而當(dāng)濃度超過10%后，此時(shí)溶質(zhì)含量多，但秸稈中的孔隙有限，不能容納太多的溶質(zhì)進(jìn)入，盡管此時(shí)還有大量的溶質(zhì)分散在溶液，且溶液的滲透壓也較大，但秸稈中的孔隙已經(jīng)被溶質(zhì)填充的較多，溶質(zhì)的增加并不會使得更多的孔隙被填充，因此孔隙面積比與10%時(shí)的接近。說明防腐劑溶液也存在一個(gè)最優(yōu)濃度，此時(shí)溶質(zhì)數(shù)量、溶液中的滲透壓和秸稈中的孔隙達(dá)到最優(yōu)組合，孔隙面積比最小，但溶液濃度并不是最大。

長度對秸稈孔隙面積比的影響主要是體現(xiàn)在麥秸稈內(nèi)部孔隙通路的長短上，對相同防腐劑溶液濃度、浸泡時(shí)間的麥秸稈，聚乙烯醇溶液能較快的通過孔隙通路較短的麥秸稈，孔隙面積比減小快；而較長的麥秸稈孔隙通路長，且聚乙烯醇溶液本身有一定黏滯性，溶液通過孔隙通路需克服較大的張力，滲透通過孔隙的時(shí)間相對較長，孔隙面積比減小慢。但最終的孔隙面積比差別不大，因?yàn)闊o論長短，浸泡一定時(shí)間，秸稈中的孔隙就會被最大限度的填充，孔隙面積比相應(yīng)達(dá)到最小值，而這個(gè)最小值和秸稈長度關(guān)系不大。

被聚乙烯醇填充后的麥秸稈，防腐性能極大提高，防腐后再浸水，秸稈中的孔隙最大限度的被聚乙烯醇填充，水能進(jìn)入的通路少，水對防腐麥秸稈孔隙面積比的影響就小。此外，聚乙烯醇充填在秸稈孔隙中，替代了之前充填的空氣，同時(shí)膠結(jié)了秸稈的中內(nèi)層組織，使秸稈內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密，對拉力的抵抗能力增強(qiáng)，抗拉強(qiáng)度顯著提高。

秸稈加筋旨在利用秸稈的抗拉強(qiáng)度和秸稈在土中的交織作用來提高土體抗剪、抗裂和抗變形的能力，通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，抗剪強(qiáng)度的確有提升。試驗(yàn)用粉土黏粒缺乏，其黏聚力并非來源于黏土顆粒間的膠結(jié)和化合鍵，而是摩擦強(qiáng)度表現(xiàn)為黏聚力。摩擦強(qiáng)度和摩擦界面的摩擦系數(shù)、摩擦界面上的應(yīng)力有關(guān)，秸稈摻量越高，相同壓實(shí)度下的土樣密實(shí)度越高，顆粒之間接觸越緊密，摩擦系數(shù)提高；但與此同時(shí)，秸稈表面比較光滑，秸稈的摻入使得秸稈和土接觸面處的摩擦系數(shù)降低。摩擦系數(shù)提高和降低之間存在著一個(gè)平衡，秸稈摻量增加初期，秸稈含量少，土顆粒之間摩擦系數(shù)的提高大于秸稈和土接觸面之間摩擦系數(shù)的降低，故黏聚力表現(xiàn)為增加；當(dāng)超過某摻量后，秸稈和土顆粒接觸面積顯著增多，致使秸稈和土接觸面摩擦系數(shù)的降低速度快于土顆粒之間摩擦系數(shù)的提高，甚至出現(xiàn)加筋后黏聚力小于素土的情況，因此黏聚力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。但總體上，粉土摻加秸稈后的黏聚力大于未摻加前。在加筋率不變的情況下，麥秸稈長度由10 mm 增至15 mm的過程中，加筋土的黏聚力逐漸提高，主要是因?yàn)辂溄斩捊畈拈L度越長，麥秸稈的錨固長度也就越長，增強(qiáng)了麥秸稈與土體的交織作用，發(fā)揮了其良好的抗拉性能，有效的抵抗了土體變形的發(fā)生；當(dāng)麥秸稈長度由15 mm 增加到30 mm時(shí)，土體的黏聚力降低，是由于相同加筋率的情況下，雖然麥秸稈與土體的整體接觸面積不變，但長度的增加造成了個(gè)數(shù)的減少，使得單位體積的麥秸稈數(shù)量減少，等效間距增大，削弱了麥秸稈加筋的作用。內(nèi)摩擦角取決土顆粒之間產(chǎn)生相互滑動(dòng)時(shí)需要克服由于顆粒表面粗糙不平而引起的滑動(dòng)摩擦，以及由于顆粒物的嵌入、連鎖和脫離咬合狀態(tài)而移動(dòng)所產(chǎn)生的咬合摩擦，由于試驗(yàn)范圍內(nèi)的秸稈摻量不是非常多，不足以起到明顯的減小滑動(dòng)摩擦的作用，而咬合摩擦由于密實(shí)度的提高而增大了，因此內(nèi)摩擦角整體上表現(xiàn)為隨秸稈摻量增加而增大，但整體增幅較小。

4 結(jié)論

（1）聚乙烯醇溶液防腐處理可提高麥秸稈的防腐性能和抗拉強(qiáng)度，利于秸稈在土中的應(yīng)用，秸稈孔隙面積比可用來定量分析秸稈的填充程度，間接評定秸稈防腐效果。

（2）試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，4 d是麥秸稈在聚乙醇溶液中的最佳浸泡時(shí)間，此時(shí)浸泡時(shí)間最短、孔隙面積比最小。10%為麥秸稈防腐的最佳聚乙烯醇溶液濃度，當(dāng)濃度小于10%，隨溶液濃度增加，孔隙面積比減小且速率較快；當(dāng)超過10%，孔隙面積比減小速率很低且增量很少。

（3）相同聚乙烯醇溶液溶度下，在麥秸稈防腐浸泡4 d 內(nèi)，麥秸稈長度越短，達(dá)到相同孔隙面積比所需的時(shí)間越少；4 d 后，不同長度的麥秸稈均達(dá)到了基本相同的孔隙面積比，麥秸稈長度對最小孔隙面積比影響不大。

（4）常溫常壓下的麥秸稈孔隙面積比隨時(shí)間基本保持不變，浸水會導(dǎo)致秸稈孔隙面積比增加，水是引起秸稈腐蝕的主要因素；聚乙烯醇溶液防腐處理、再次浸水后秸稈孔隙面積比變化不大，說明防腐處理降低了水對秸稈的腐蝕，防腐效果較好。

（5）麥秸稈加筋對粉土黏聚力提升作用顯著，存在一個(gè)位于0.4%～0.6%最優(yōu)摻量，在該摻量下黏聚力最高。隨著麥秸稈長度的增加，黏聚力出現(xiàn)先增加后減小的趨勢，相同摻量下長度為15 mm的麥秸稈加筋后黏聚力較大。內(nèi)摩擦角隨秸稈摻量的增加而增大，但增量小且增速緩，最優(yōu)摻量下的提升效果相對較好。