基于青稞秸稈纖維及碎石的改性生土抗壓性能試驗(yàn)研究

李航航，李 輝，張吾渝，蔣寧山，安生霞

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2．青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016；3.青海省建筑建材科學(xué)研究院有限公司，青海 西寧 810008；4.青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008)

生土結(jié)構(gòu)建筑作為中國(guó)傳統(tǒng)建筑形式，具有悠久的歷史，并且具有就地取材、施工方便、成本低廉、冬暖夏涼等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)源于自然、生態(tài)環(huán)保，在我國(guó)中西部地區(qū)大量存在[1]。但由于生土結(jié)構(gòu)建筑材料強(qiáng)度較低、耐久性能及抗震性能較差，生土結(jié)構(gòu)危房在農(nóng)村危房中所占的比例超過60%[2]。為了提高其強(qiáng)度，對(duì)生土材料進(jìn)行改性成為生土結(jié)構(gòu)建筑研究中首先需要解決的問題。在生土中復(fù)摻礫石與水泥可使抗壓強(qiáng)度增加1.16～3.55倍，并提高其變形能力[3]，而一定摻量顆粒級(jí)配良好的河砂也可大幅度提高生土的抗壓能力[4]。小麥秸稈是一種在農(nóng)村常見的天然加筋材料，添加到生土中可提高生土的抗剪能力、變形能力以及極限承載力[5-8]，劍麻纖維及合成纖維可以增加土體的強(qiáng)度和剛度，也是一種較好的加筋材料[9-11]。本文利用青藏高原特有的青稞秸稈、碎石為摻和料，對(duì)生土材料進(jìn)行綠色、低成本和低耗能的物理改性，研究青稞秸稈、碎石改性生土力學(xué)性能和變形性能，提出改性最佳配合比，為傳統(tǒng)生土建筑的傳承和發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣取自西寧市北郊，黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土，初始含水率15.2%，最優(yōu)含水率15.8%，最大干密度1.72 g/cm3。去除雜質(zhì)后在烘箱中烘干，過直徑5 mm 的標(biāo)準(zhǔn)篩。青稞秸稈粗纖維含量高達(dá)47%。將青稞秸稈剝掉表皮留下光滑的莖稈，裁剪為長(zhǎng)度30～50 mm的片段，然后反復(fù)碾壓至扁平狀備用。

碎石為一般建筑碎石，粒徑為5～10、10～15、15～20 mm[12]。

1.2 試件制備

參考GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[13]中的擊實(shí)試驗(yàn)及研究[14]成果,利用千斤頂、100 mm3C45混凝土塊、100 mm3混凝土模具自制制樣儀器(圖1a)，制作尺寸為100 mm×100 mm×100 mm立方體試件，該尺寸試件可較為真實(shí)地反應(yīng)生土材料實(shí)際的受力狀態(tài)。制作好的試件在室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)28 d，養(yǎng)護(hù)后試件含水率趨于平緩，抗壓試驗(yàn)結(jié)果離散性低，可信度高，可表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能[15]，養(yǎng)護(hù)中的試件如圖1b所示。

在生土材料中加入多少摻量的青稞秸稈、碎石可改善生土的力學(xué)性能和變形性能，為尋求最合理的摻和料配合比進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，共制作17組立方體試件，考慮到生土材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大，每組制作6個(gè)試件，共計(jì)102個(gè)試件。具體改性材料配比為素土體1組，編號(hào)為S，作為試驗(yàn)對(duì)照組；單摻青稞秸稈4組，編號(hào)為J1～J4，青稞秸稈占土體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.25%、0.5%、0.75%、1%，在前期試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)青稞秸稈含量太少，對(duì)試件的影響很小，青稞秸稈含量太多，容易成團(tuán)致使試件不易成型，青稞秸稈的含量易控制在0.25%～1%；單摻碎石3組，編號(hào)為SZ-1～SZ-3，碎石占土體的質(zhì)量分別為10%、15%、20%，每配比中5～10、10～15、15～20 mm粒徑的碎石質(zhì)量各占1/3；復(fù)摻青稞秸稈及碎石9組，編號(hào)為JS-1～JS-9，含量按照單摻0.25%、0.5%、0.75%青稞秸稈與10%、15%、20%碎石對(duì)應(yīng)，不選用1%含量青稞秸稈(此含量與任意含量的碎石組合制成的試件無(wú)法成型)。

1.3 試件加載

試驗(yàn)在青海大學(xué)土木工程學(xué)院結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[16]中100 mm3混凝土試塊試驗(yàn)方法，采用YAW4306微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載，進(jìn)行改性生土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。在正式加載前進(jìn)行預(yù)壓，確保壓力試驗(yàn)機(jī)的正常運(yùn)行，每次加載時(shí)用土粉敷設(shè)到試件表面，使試件表面平整，壓力機(jī)與試件緊密接觸，加載采用位移控制速度方式，速度恒定為1 mm/min，當(dāng)試件荷載達(dá)到峰值后視為試件破壞，荷載降低到峰值荷載的30%左右時(shí)作為試驗(yàn)結(jié)束條件。記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)材料抗壓強(qiáng)度公式(1)計(jì)算試件抗壓強(qiáng)度，然后以每組試件的抗壓強(qiáng)度平均值作為該組抗壓強(qiáng)度。

f=F/A

(1)

式中：f為試件抗壓強(qiáng)度(MPa)，F(xiàn)為試件加載過程中的峰值荷載(N)，A為試件的受壓面面積(mm2)。

2 結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

(1)素土體試件在加載初期表面沒有明顯變化，無(wú)裂縫出現(xiàn)，隨著荷載的逐漸增加，素土體試件四周的上下邊角上出現(xiàn)細(xì)微的斜向裂縫，且裂縫寬度逐漸增大向試塊表面中心區(qū)域延伸貫通，整體呈八字狀，隨著荷載的繼續(xù)增加，素土體試件頂部邊角土體向外鼓脹、剝落，剝落的土體較為松散，當(dāng)素土體最終破壞時(shí)，試件內(nèi)部呈現(xiàn)出典型的雙錐體形，破壞過程中表現(xiàn)為脆性破壞，破壞后的試件如圖2a所示。

(2)單摻青稞秸稈試件隨著荷載的逐漸增大，頂部及底部承壓面出現(xiàn)細(xì)微的裂縫，裂縫發(fā)展較慢且成網(wǎng)狀，當(dāng)達(dá)到峰值荷載時(shí)，試件表面無(wú)貫通的豎向裂縫，但有明顯的網(wǎng)狀裂縫，達(dá)到峰值荷載后繼續(xù)增加荷載，網(wǎng)狀裂縫表面的土體開始脫落。青稞秸稈試件加載過程中可以聽到持續(xù)不斷青稞秸稈被拉斷的聲音，在試驗(yàn)結(jié)束后卸載荷載土體材料不會(huì)完全散落，青稞秸稈的拉結(jié)作用使破壞的土體仍然附著在試件主體上，此現(xiàn)象在青稞秸稈含量越高的試件上表現(xiàn)越為明顯，破壞后的試件如圖2b所示。

(3)單摻碎石試件外表光滑無(wú)破壞，土體致密，分層處不明顯，整體成型較好。其抗壓試驗(yàn)現(xiàn)象與素土體試件基本相同，但單摻碎石試件在荷載作用下出現(xiàn)裂縫較晚，裂縫出現(xiàn)后繼續(xù)加載上下承壓面上的裂縫，快速發(fā)展形成豎向貫通裂縫，土體呈條狀從主體剝離，有明顯的脆性破壞特征，裂縫主要出現(xiàn)在土石結(jié)合界面，試件殘留主體界面上有較多凸起裸露的碎石，破壞后的試件如圖2c所示。

(4)復(fù)摻青稞秸稈碎石試件抗壓試驗(yàn)現(xiàn)象與單摻秸稈試件基本相同，不同的是，試件加載過程會(huì)出現(xiàn)少數(shù)豎向貫通裂縫，并有部分包裹著碎石的土體從試件主體上崩落，試驗(yàn)結(jié)束后卸載荷載試件會(huì)有一定的回彈，具有塑性變形能力，破壞后的試件如圖2d所示。

2.2 抗壓強(qiáng)度分析

由表1可知，當(dāng)在生土中摻入0.25%、0.5%、0.75%、1%的青稞秸稈時(shí)，改性試件抗壓強(qiáng)度分別為0.66、0.85、1.16、1.40 MPa，較素土試件提高了0.23、0.59、1.17、1.62倍，說明隨著青稞秸稈的增加試件抗壓強(qiáng)度也在增加，當(dāng)試件中青稞秸稈含量達(dá)到1%時(shí)，抗壓強(qiáng)度比素土試件提高1.26倍。但是隨著青稞秸稈的增加，試件強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)也在增高，1%青稞秸稈含量改性試件的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)為0.237、0.17，較0.25%青稞秸稈含量改性試件的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)提高了5.03倍和1.83倍。

表1 單摻青稞秸稈試件抗壓程度

由表2可知，在試件中單摻10%、15%、20%碎石時(shí)，試件的抗壓強(qiáng)度與素土試件相比都有很大的提高，改性生土試件的抗壓強(qiáng)度分別為1.27、1.17、1.16 MPa，比素土試件提高了1.38、1.22、1.18倍。但隨著碎石含量的增加，單摻碎石試件的強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，20%碎石摻量的試件抗壓強(qiáng)度較10%碎石摻量的試件強(qiáng)度降低了10%左右。單摻碎石改性試件抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)相對(duì)比較穩(wěn)定。

表2 單摻碎石試件

由表3可知，復(fù)摻不同配比的青稞秸稈和碎石時(shí)，改性生土試件的抗壓強(qiáng)度得到大幅度提高(1.4～2.39倍)。配比為0.25%青稞秸稈+20%碎石、0.5%青稞秸稈+20%碎石、0.75%青稞秸稈+10%碎石的復(fù)摻改性生土試件抗壓強(qiáng)度均比素土試件提高2倍以上。

表3 復(fù)摻青稞秸稈及碎石試件

2.3 變形性能分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制部分荷載—位移曲線如圖3所示，分析發(fā)現(xiàn)，單摻青稞秸稈改性試件和青稞秸稈含量比較高的復(fù)摻試件荷載—位移曲線上升段和下降段都相對(duì)比較平緩，曲線斜率較低，抵抗變形性能強(qiáng)，峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移較其他種類可提高0.4倍左右。試件從加載到破壞所產(chǎn)生的變形比其他種類的試件都要大，變形持續(xù)時(shí)間比較長(zhǎng)，表現(xiàn)出一定的塑性破壞特征。試件達(dá)到峰值荷載破壞后并不會(huì)短時(shí)間內(nèi)失去承載力，極限位移可達(dá)12 mm以上，較其他試件極限位移提高了0.5倍。

素土體試件、單摻碎石改性試件和青稞秸稈含量比較低的復(fù)摻試件荷載—位移曲線上升段和下降段都比較迅速，斜率較高，峰值荷載對(duì)應(yīng)的位移為2 mm，抵抗變形性能差，具有一定的脆性破壞特征，說明碎石對(duì)改性生土試件的變形性能影響較小。

2.4 最佳配合比分析

對(duì)照分析不同配比的復(fù)摻青稞秸稈碎石試件的外形、試驗(yàn)現(xiàn)象、抗壓強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、變形性能發(fā)現(xiàn)，JS-3、JS-6、JS-7改性試件的抗壓強(qiáng)度均能提高到素土的3倍以上。由表3可知，JS-3試件抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為0.079和0.048，JS-6試件抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為0.274和0.169，JS-7試件抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別為0.31和0.171。JS-3試件抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)比另外兩種試件要小，試件的強(qiáng)度分布更加均勻、穩(wěn)定，試件外表面相對(duì)平滑、破壞較少，養(yǎng)護(hù)后沒有干縮裂縫，青稞秸稈裸露少、邊角完整，分層處土體連接緊密，分層痕跡不明顯，變形性能高，具有一定的塑性破壞特性。因此0.25%青稞秸稈+20%碎石配比的改性試件綜合性能最優(yōu)，宜作為復(fù)摻最佳配合比使用。

2.5 摻和料改性機(jī)理分析

青稞秸稈提高試件抗壓強(qiáng)度的主要原因是加筋材料青稞秸稈在試件受壓時(shí)起到拉結(jié)土體的作用，試件在持續(xù)荷載作用下內(nèi)部產(chǎn)生縱橫交錯(cuò)的破壞裂縫，青稞秸稈的存在阻礙了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，消耗一定的能量減緩了試件變形，在試驗(yàn)中可以聽到持續(xù)不斷的青稞秸稈纖維斷裂破壞的聲音。雖然土體中摻和青稞秸稈含量越高強(qiáng)度越大，但是隨著青稞秸稈含量的增多，青稞秸稈不易同土料攪拌均勻，影響土料之間的黏結(jié)，尤其在試件的分層處表現(xiàn)較為明顯。試驗(yàn)中青稞秸稈含量高的試件養(yǎng)護(hù)后在壓實(shí)分層處容易形成干縮裂縫，裂縫會(huì)影響試件的抗剪強(qiáng)度和外觀。

碎石作為骨料可提高試件的抗壓強(qiáng)度，但隨著碎石含量的增加試件強(qiáng)度會(huì)降低，強(qiáng)度降低的原因：(1)碎石與土體之間沒有有效的黏結(jié)，在抗壓試驗(yàn)過程中土體同碎石輕易分離，致使碎石的高抗壓強(qiáng)度不能得到完全的發(fā)揮；(2)大量碎石的存在容易在試件中產(chǎn)生空隙，這些空隙四周由碎石圍成，處于可塑狀態(tài)的土料在制件過程中無(wú)法大量填充這些空隙，同時(shí)這些空隙中的土料也無(wú)法被壓的密實(shí)，致使碎石含量較高的試件在成型后存在天然的缺陷；(3)土體與碎石變形不協(xié)調(diào)，碎石的表面存在棱角，這些棱角在受力過程中反而會(huì)起到切割土體的作用，削弱試件的抗壓強(qiáng)度。

復(fù)摻不同配比的青稞秸稈和碎石時(shí)強(qiáng)度提高倍數(shù)與摻和料配比無(wú)明顯的規(guī)律，復(fù)摻強(qiáng)度提高是青稞秸稈、碎石、土料三者共同作用的結(jié)果，青稞秸稈做加筋材料拉結(jié)土體抑制裂縫的發(fā)展，碎石做骨料充當(dāng)骨架填充在土體之間，被擠壓密實(shí)的土料又將青稞秸稈和碎石緊密包裹住，三者協(xié)同共同抵抗外力荷載，充分發(fā)揮了摻和料的材料性能。

3 討論與結(jié)論

土體中摻和麥秸稈可以約束土體提高試件的延性[17]，而在生土中單摻0.25%～1%含量青稞秸稈可使改性試件的抗壓強(qiáng)度比素土試件提高0.23～1.62倍，改性試件抗壓強(qiáng)度隨著青稞秸稈含量的增加而增加，青稞秸稈試件成塑性破壞特征，具有良好的變形性能，青稞秸稈含量高的試件分層明顯，并且養(yǎng)護(hù)后容易出現(xiàn)干縮裂縫，不建議使用高含量的青稞秸稈。使用砂子、水泥和石子等材料改性生土，可提高試件的抗壓強(qiáng)度和極限位移[18]，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單摻10%～20%碎石改性試件抗壓強(qiáng)度較素土試件可提高1.18～1.38倍，隨著碎石含量的增加，改性試件抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，碎石單獨(dú)改性土體時(shí)含量不易過高，含量以10%為宜，碎石改性試件變形性能較差，表現(xiàn)出脆性破壞特征，試驗(yàn)過程中快速達(dá)到破壞并失去承載力，破壞的根本原因是碎石與土體的彈性不匹配[19]。復(fù)摻改性試件中青稞秸稈、碎石和土體三者結(jié)合共同抵抗外力，使改性試件既具有較高的抗壓能力又具有良好的變形性能。對(duì)照不同配比復(fù)摻青稞秸稈碎石試件的外形、試驗(yàn)現(xiàn)象、抗壓強(qiáng)度、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、變形性能，發(fā)現(xiàn)0.25%青稞秸稈+20%碎石配比的改性試件綜合性能最優(yōu)，宜作為復(fù)摻最佳配合比使用。