麥秸稈防腐技術(shù)和效果評價及其對粉土抗剪強度的影響

彭麗云，劉銘杰，劉德欣，朱同宇

(北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044)

0 引 言

我國是世界第一秸稈大國，秸稈資源豐富，每年的秸稈總產(chǎn)量約8億t[1]。目前秸稈在我國的應(yīng)用程度不高，與發(fā)達(dá)國家差距較大[2]。在廣大農(nóng)村，由于機械化程度低、成本高，秸稈還田難以推廣，致使大量秸稈被廢棄或焚燒，既浪費資源，又污染環(huán)境[3]。因此，可通過提高秸稈綜合利用率，變廢為寶，保護(hù)環(huán)境。

關(guān)于植物纖維在土木工程中的應(yīng)用，國內(nèi)外已經(jīng)有了一些研究。劉豫等[4]利用竹纖維制備了水泥基復(fù)合材料，對其力學(xué)性能與耐久性進(jìn)行了研究；王磊等[5]研究了劍麻纖維增強珊瑚混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律；T.Maliakal等[6]研究在黏土中隨機摻加椰殼纖維，得到其對抗剪強度的影響規(guī)律;A.E.M.K.Mohamed[7]利用干草纖維對膨脹黏性土進(jìn)行了改良；彭麗云等[8]在粉土中摻加玉米秸稈纖維，提高了粉土黏聚力、水穩(wěn)性和承載能力。可見，植物纖維具有一定強度，可在土體改良中應(yīng)用，且該方法環(huán)保無污染，前景光明。麥秸稈在土壤中的應(yīng)用，在我國可追溯到遠(yuǎn)古時代，通常是將稻草、麥秸稈等摻入土中，建造生土建筑，以期得到較好的強度、抗裂性和良好的保溫性。麥秸稈加筋土的研究不少，李陳財?shù)萚9]研究了不同形狀麥秸稈對上海黏土強度的影響；孫浩[10]進(jìn)行了麥秸稈纖維水泥土室內(nèi)實驗研究，發(fā)現(xiàn)在水泥土中摻入麥秸稈能提高土體的強度與抵抗變形的能力；魏麗等[11]通過試驗得出麥秸稈具有良好的筋土摩擦性能；張振北[12]對麥秸稈加筋黏性土進(jìn)行了微細(xì)觀試驗研究，揭示其加筋作用機理。

綜上，麥秸稈有良好的力學(xué)性能，可在土體改良中使用，但它易風(fēng)化、易被微生物腐蝕，影響加筋土的長期使用，防腐可解決該問題，但相關(guān)研究少。因此，本文對麥秸稈的防腐進(jìn)行研究，以期確定防腐劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及麥秸稈的最佳浸泡時間，并對防腐處理前后的麥秸稈、防腐后埋設(shè)在土壤中的麥秸稈和降水模擬條件下的麥秸稈進(jìn)行不同天數(shù)的抗拉強度測試，從而對防腐效果進(jìn)行評價。同時將防腐處理后的麥秸稈作為加筋材料，摻加在粉土中，對加筋粉土強度進(jìn)行研究，研究成果以期對麥秸稈在土壤中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 麥秸稈的組成

麥秸稈主要成分是以SiO2為骨架包裹的纖維素和結(jié)構(gòu)較為疏松的半纖維素與木質(zhì)素，次要成分是灰分和少量抽出物[13]。因含糖量較高，在高溫潮濕環(huán)境中，麥秸稈易被環(huán)境中的微生物腐蝕而喪失強度。同時麥秸稈內(nèi)部有很多孔隙，吸水能力較強。圖1為天然麥秸稈的橫截面微觀結(jié)構(gòu)圖，放大220倍，從中可見大量孔隙或孔洞存在。

圖1 天然麥秸稈的橫截面微觀結(jié)構(gòu)

2 天然麥秸稈的抗拉強度

試驗所用麥秸稈直徑3～4 mm，試驗前將其保存在干燥環(huán)境中，去除外表皮和有病害部分，選用無莖節(jié)和有莖節(jié)的試樣各7根，用電子萬能試驗機對其進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速率6 mm/min。圖2為極限拉力試驗結(jié)果。

圖2 天然麥秸稈極限拉力散點圖

從圖2可以看出，麥秸稈具有一定的抗拉強度，測試數(shù)據(jù)離散性較大，統(tǒng)計分析結(jié)果見表1。

表1 麥秸稈極限拉力數(shù)據(jù)分析結(jié)果

表1中d是合理的誤差限。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計中異常數(shù)據(jù)處理的肖維勒準(zhǔn)則(Chauvenet Criterion),試驗值舍棄標(biāo)準(zhǔn)d7/σ=1.79。表1中的d/σ是試驗數(shù)據(jù)中算得的最大值，均小于1.79，未達(dá)到試驗數(shù)據(jù)的舍棄標(biāo)準(zhǔn)?？蓪O限拉力的平均值作為天然麥秸稈的極限拉力，即無莖節(jié)麥秸稈的極限拉力為169.80 N，有莖節(jié)麥秸稈的極限拉力為73.07 N，前者為后者的2.3倍；前者被拉斷的位置多為秸稈的中間部位，后者多為薄弱的莖節(jié)部位。

綜上，無莖節(jié)的7根麥秸稈拉力測試結(jié)果離散性低于有莖節(jié)麥秸稈極限拉力測試結(jié)果的離散性，且拉力較高、標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明無莖節(jié)麥秸稈的材質(zhì)均一性明顯優(yōu)于有莖節(jié)秸稈，為達(dá)到較好的改良效果，后續(xù)研究都將采用無莖節(jié)麥秸稈。

3 麥秸稈防腐性能

3.1 防腐劑的選擇

防腐劑種類繁多，常見的有卡松、苯甲酸、苯甲酸鈉和聚乙烯醇，其中卡松常用于洗滌和化妝品的防腐；苯甲酸和苯甲酸鈉主要應(yīng)用于食品的防腐；聚乙烯醇常用于建材的黏合，具有較好的防腐效果。對比上述材料的成本，聚乙烯醇最低。因此，本研究中首選聚乙烯醇。

聚乙烯醇是聚醋酸乙烯酯水解得到的水溶性聚合物，是一種可降解的大分子塑料材料，黏結(jié)力較強，安全無毒無味，廣泛應(yīng)用于化工、建筑、食品、農(nóng)業(yè)等眾多行業(yè)。與天然生物大分子材料相比，聚乙烯醇具有較好的成膜性、機械性能和阻隔性能[14]。聚乙烯醇溶液則是聚乙烯醇粉末加水?dāng)嚢枧渲贫傻哪z凝狀溶液，其溶解度受溫度影響。

聚乙烯醇溶液應(yīng)用于麥秸稈防腐不會對人體健康產(chǎn)生影響，也不會對環(huán)境造成污染，還不會影響植被生長。本文擬采用聚乙烯醇溶液作為防腐劑，對麥秸稈的防腐進(jìn)行研究。

3.2 防腐劑最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定

聚乙烯醇溶液的溶解度受溫度影響，為消除溫度影響，試驗在常溫下進(jìn)行。將長20 mm的麥秸稈試樣10 g分別放入相同體積(900 mL)、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4%,6%,8%,10%,12%)的聚乙烯醇溶液中進(jìn)行浸泡。浸泡1,3,6 d后，將秸稈取出放入烘箱中，在40 ℃溫度下烘干10 h，使水分完全蒸發(fā)。之后分別稱量秸稈質(zhì)量，以秸稈質(zhì)量的增加判定防腐劑在秸稈孔隙中的填充情況，試驗結(jié)果見圖3。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液中不同浸泡時間麥秸稈的質(zhì)量變化曲線

由圖3可知，相同長度的麥秸稈，在用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的防腐溶液浸泡后，秸稈質(zhì)量均隨秸稈浸泡時間的增長而增大，但增長速率不同。浸泡1 d的麥秸稈質(zhì)量增長速率最高，1～3 d的質(zhì)量增長速率變緩，3～6 d時除10%,12%溶液外，其余溶液浸泡的秸稈質(zhì)量增長率非常小。由此可以判定在浸泡3 d后，用低于8%的溶液浸泡麥秸稈，秸稈內(nèi)外的溶液基本達(dá)到平衡狀態(tài)，秸稈不再吸收聚乙烯醇；對高于8%的溶液，3 d后麥秸稈對聚乙烯醇的吸收還在持續(xù)進(jìn)行，通過對聚乙烯醇溶液的觀察，發(fā)現(xiàn)溶液還比較黏稠，說明溶液中還有較多溶質(zhì)，麥秸稈可以繼續(xù)吸收達(dá)到飽和。可見,8%,10%,12%效果較好。

相同長度的秸稈，在浸泡相同時間后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的防腐溶液浸泡的秸稈烘干后質(zhì)量較大，但不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液下秸稈質(zhì)量的增長有所不同。具體表現(xiàn)為，每增長2%時，秸稈質(zhì)量從8%到10%增長最快，其次為6%～8%，4%～6%和10%～12%增長量相差不大?？梢耘卸ǎ菹嗤瑫r間后，從4%增大到12%的過程中，防腐劑對秸稈的填充度表現(xiàn)為先小幅增加，接著快速增加，隨后增幅減緩；從6%到8%增加很大，從8%到10%增加繼續(xù)，甚至更大，而從10%到12%增幅急劇降低。因此，從溶液的效能發(fā)揮角度而言，10%效果最佳，即此時秸稈對溶質(zhì)的吸收效果最好，秸稈質(zhì)量增長最快。

綜上，確定10%為防腐劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.3 不同長度麥秸稈最佳浸泡時間

為了研究麥秸稈長度與聚乙烯醇溶液浸泡飽和時間之間的關(guān)系，將不同長度(10,15,20,30 mm)的麥秸稈各10 g分別放入900 mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚乙烯醇溶液中，如圖4所示，進(jìn)行浸泡1,2,3,4,5,6,7 d試驗。

圖4 浸泡在聚乙烯醇溶液中的麥秸稈

不同長度麥秸稈浸泡在聚乙烯醇中,不同天數(shù)后烘干的質(zhì)量變化如圖5所示。

圖5 不同長度麥秸稈浸泡不同天數(shù)的質(zhì)量變化曲線

可以看出，不同長度的麥秸稈在浸泡1 d時質(zhì)量增長速率均最快，其中長10 mm麥秸稈質(zhì)量增長率最高，達(dá)到了41.2%。原因是聚乙烯醇溶液具有黏滯性，浸泡其中的麥秸稈是一根兩端開口的管路，溶液在管路中因自身的黏滯性而使流動受到阻礙，秸稈長度越短，1 d時溶液流進(jìn)秸稈管路的距離相對越長，與秸稈的接觸面積越大，起始吸收速率越高，質(zhì)量增長越大。之后的1～4 d，秸稈質(zhì)量增長速率明顯降低。

長10 mm和15 mm麥秸稈在浸泡4 d后質(zhì)量不再發(fā)生變化，可認(rèn)為秸稈中的孔隙被聚乙烯醇完全充滿，已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)；長20 mm和30 mm的麥秸稈到5 d時質(zhì)量有所增加，5 d后兩者質(zhì)量基本不再發(fā)生變化，此時秸稈達(dá)到飽和狀態(tài)，但5 d時秸稈質(zhì)量與4 d時相比變化不大，可以忽略。因此，將4 d定為麥秸稈浸泡聚乙烯醇溶液的最佳時間。

4 防腐效果評價

4.1 浸水、浸膠麥秸稈極限拉力對比

為判定聚乙烯醇溶液對秸稈的防腐效果，將長6 cm的麥秸稈分別浸入水中和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚乙烯醇溶液中1,2,3,4,5,6,7,14 d，進(jìn)行烘干處理，并測試抗拉強度，圖6為麥秸稈浸水和浸入聚乙烯醇溶液后極限拉力變化曲線。

圖6 麥秸稈極限拉力變化曲線

由圖6可知，浸水麥秸稈的極限拉力隨著浸泡時間增長而不斷降低。與天然麥秸稈相比，浸水4,7,14 d時的麥秸稈極限拉力分別降低了28.05%,58.09%和88.01%。

浸泡防腐溶液的麥秸稈在前4 d時極限拉力隨時間增長不斷增加，4 d后極限拉力有所降低，但降低幅度不大。4 d時極限拉力達(dá)到最大值，此時與未浸泡的天然麥秸相比，極限拉力提高22.6%，與浸水4 d的麥秸稈相比，極限拉力提高70.4%，提升幅度較大，防腐效果明顯。7 d和14 d時麥秸稈的極限拉力與浸泡6 d的極限拉力非常接近，說明再長時間的浸泡也不會降低麥秸稈強度，此時的極限拉力也比未浸泡的天然麥秸稈高14.1%，是浸水14 d的麥秸稈的8.5倍，差距明顯?？梢姡垡蚁┐伎商岣啕溄斩挊O限拉力。

秸稈浸泡4 d時，達(dá)到飽和，此時抗拉強度最大，說明麥秸稈強度增長直接取決于麥秸稈浸入防腐劑中孔隙和空隙被防腐劑充填的程度，填充程度越高，強度越大，填充達(dá)到飽和后，強度便不會隨著麥秸稈的浸泡時間而繼續(xù)增長。

4.2 埋入土中麥秸稈在不同環(huán)境中的極限拉力

將98根長6 cm麥秸稈做防腐處理后分為兩組摻入到最佳含水率的粉土中，壓實度為0.90。一組每周進(jìn)行一次模擬降雨，12 h降雨量為20 mm，降雨強度為大雨，另一組不進(jìn)行模擬降雨。

1,2,3,5,7,9,11周后取出麥秸稈，進(jìn)行麥秸稈拉伸試驗，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 麥秸稈在應(yīng)用環(huán)境中極限拉力變化曲線

由圖7可知，兩組麥秸稈的極限拉力均隨著時間增長逐漸減小，但降幅很低，7周后基本達(dá)到穩(wěn)定，在整個試驗過程中，極限拉力僅降低了2.06%，基本可以忽略。說明以聚乙烯醇溶液作為麥秸稈的防腐劑，不但可從化學(xué)方面起到防腐作用，防止麥秸稈在土體環(huán)境中被微生物腐蝕，而且麥秸稈中的孔隙被聚乙烯醇填充，在孔隙表層生成一層保護(hù)膜，阻隔水進(jìn)入麥秸稈孔隙，因此防腐麥秸稈埋入土中后，其強度沒有較多損失，雨水也并沒有影響防腐麥秸稈的力學(xué)性能。

5 麥秸稈加筋對粉土抗剪強度的影響

試驗用土物理性質(zhì)如表2所示。

表2 試驗用土的物理性質(zhì)

該粉土中，細(xì)礫1.74%，粗砂1.86%，中砂1.21%，細(xì)砂2.12%，粉粒92.88%，黏粒0.19%。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》(JTGE40-2007)[15]，可判定其為含砂低液限粉土。

為了探究麥秸稈加筋對粉土抗剪強度的影響，對素土和加筋粉土進(jìn)行直剪試驗。試驗所用麥秸稈長10 mm，放入最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的聚乙烯醇溶液中浸泡4 d后，取出進(jìn)行烘干處理，按照0.2%,0.4%,0.6%,0.8%的加筋率摻入到土中。將素土與加筋粉土配置成最優(yōu)含水率、0.90壓實度下的試樣，進(jìn)行直剪試驗，試驗的剪切速率為0.8 mm/min，豎向壓力為50,100,200,400 kPa，得到加筋粉土的黏聚力和內(nèi)摩擦角,如圖8～9所示。

由圖8可知，麥秸稈加筋粉土的黏聚力隨麥秸稈加筋率的增長呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。與素土相比，加筋率在0.2%,0.4%,0.6%與0.8%的加筋土黏聚力分別提升了36.3%,54.5%,63.6%,36.3%。其原因為：麥秸稈纖維在土中的分布是無序的，當(dāng)加筋率較低時，麥秸稈分布無序性較強，麥秸稈自身能夠與土顆粒充分接觸，且土中的麥秸稈纖維相互交織，在土體發(fā)生剪切過程中，這些交織的纖維會對剪切產(chǎn)生一定的阻礙作用。而當(dāng)加筋率較大，超過0.6%后，加筋率過高，麥秸稈纖維在土體中分布的均勻度降低，容易聚集在一起，與土顆粒接觸不充分，從而增大了土體的孔隙率，影響了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和密實性，削弱了土體的黏聚力。

圖8 加筋土黏聚力的變化曲線

麥秸稈加筋粉土的黏聚力與加筋率的關(guān)系可用式(1)表示，其R2=0.956 2。

c=8.48+21b-20.88b2,

(1)

式中：c為黏聚力，kPa；b為加筋率，%。

由圖9可知，麥秸稈加筋粉土的內(nèi)摩擦角隨著加筋率增加而增大，但是增大的數(shù)值較小且增大速率逐漸降低，與素土比較，加筋率為0.6%～0.8%的加筋土內(nèi)摩擦角增大了6.3%～6.8%，兩者相差不大。這是因為麥秸稈纖維摻加在土體中，對土體中的孔隙起到了一定的充填作用，增加了土體的密實程度，提高了土顆粒之間的摩擦和咬合，致使土體內(nèi)摩擦角增大。同時由于麥秸稈表面的光滑性，會使麥秸稈和土顆粒之間的摩擦減小，但由于麥秸稈摻量很低，這部分對土體內(nèi)摩擦角的降低作用較小。上述增大作用強于減小作用，因此，內(nèi)摩擦角總體上是增加的，但是隨著麥秸稈摻量增加，減小作用逐漸增強，致使內(nèi)摩擦角增長速率變緩。麥秸稈加筋粉土的內(nèi)摩擦角與加筋率的關(guān)系可用式(2)表示，其R2=0.991 4。

圖9 加筋土內(nèi)摩擦角變化曲線

φ=25.89+3.74b-1.88b2,

(2)

式中：φ為內(nèi)摩擦角,°；b為加筋率,%。

綜上，麥秸稈加筋可以改善粉土的抗剪強度，主要體現(xiàn)在黏聚力的提升，對內(nèi)摩擦角也有提升，但提升較小。加筋率為0.6%時，加筋土的黏聚力達(dá)到最大值，再增大加筋率黏聚力發(fā)生了大幅度降低；對于內(nèi)摩擦角而言，加筋率為0.6%～0.8%時，加筋土的內(nèi)摩擦角相差不大，并且增幅較小。增大粉土的黏聚力可以提升其水穩(wěn)性，更有利于土體強度的提升。因此在試驗所取的加筋率范圍內(nèi)，可將0.6%作為麥秸稈加筋粉土的最優(yōu)加筋率。當(dāng)加筋率超過該值會造成土體抗剪強度降低。所以在利用麥秸稈纖維進(jìn)行土體改良時應(yīng)該控制加筋率。

6 結(jié) 論

(1)聚乙烯醇溶液對麥秸稈有防腐作用，常溫下，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時，麥秸稈防腐效果最佳，4 d為秸稈在防腐劑溶液中的最佳浸泡時間。

(2)聚乙烯醇溶液防腐處理后的麥秸稈，其極限拉力較天然麥秸稈大幅提高，浸泡4 d后的強度達(dá)到最大值，且長期浸泡下極限拉力降幅較?。环栏幚砗蟮柠溄斩捰休^好的防腐性能，埋入土壤中后，放置時間的長短和降雨對麥秸稈的極限拉力影響很小，防腐后的麥秸稈可以在土中長期使用。

(3)麥秸稈經(jīng)過防腐后摻入到粉土中，會提高粉土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，從而提高粉土的強度、增加粉土填筑工程的水穩(wěn)性。其中對黏聚力的提升作用較內(nèi)摩擦角顯著；麥秸稈加筋土存在最優(yōu)加筋率，在該加筋率時對粉土抗剪強度的提升作用最大。