青海地區(qū)改性夯土材料抗壓性能試驗研究

李航航 李輝 趙國智

(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實驗室，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)重點實驗室，青海 西寧 810008)

0 引言

在青藏高原村鎮(zhèn)地區(qū)，受經(jīng)濟(jì)、文化、交通的影響，由夯土作為墻體的傳統(tǒng)庒廓建筑廣泛存在，夯土建筑具有就地取材、施工簡單、冬暖夏涼、造價低廉的優(yōu)勢，同時節(jié)能環(huán)保無污染，是一種典型的綠色建筑，在提倡綠色、循環(huán)、低碳發(fā)展理念的今天，夯土建筑逐漸煥發(fā)出新的活力。但由于夯土材料強(qiáng)度低、穩(wěn)定性及耐水性差等缺點，一定程度上制約了夯土建筑的發(fā)展，因此提高夯土材料的力學(xué)性能成為夯土研究最需要解決的問題。為提高夯土的力學(xué)性能，研究人員對添加不同摻合料的改性生土材料展開了科學(xué)研究。糯米漿與玻璃渣、舊橡膠等工業(yè)廢料添加到土體材料中可使抗壓強(qiáng)度和變形能力得到提高[1]；在黃土中摻入固含量為0.8%左右的高分子固化材料SH時，黃土的力學(xué)性能和耐久性能得到了大幅的提高，當(dāng)配合麻刀、石灰等材料使用時，會起到更好的效果[2-5]；竹纖維、麥秸稈等作為加筋材料添加到土體材料中也有助于提高試件的抗壓能力，同時脆性性能得到了改善[6-7]；此外，單摻復(fù)摻不同含量的河沙、水泥、礦渣、粉煤灰、礫石都可大幅度提高改性生土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度等[8-10]。

目前夯土材料研究大多在青藏高原以外，并無專門針對青藏高原的改性夯土研究。本文以青藏地區(qū)的土料為基礎(chǔ)，利用天然農(nóng)業(yè)廢棄物青稞秸稈纖維、石子、聚乙烯醇、固化劑、防水劑等材料進(jìn)行改性試驗，研究相關(guān)材料改性夯土的力學(xué)性能及變形能力，尋求最佳的改性方式，為青藏地區(qū)傳統(tǒng)庒廓建筑的傳承與發(fā)展提供科學(xué)合理的參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原料

試驗土料為取自青海湟水河流域的黃土，基本物理性質(zhì)見表1，去除雜質(zhì)烘干后使用直徑5mm的篩子過篩。青稞秸稈為青稞收割后遺留在農(nóng)田的農(nóng)業(yè)廢棄物，纖維含量可達(dá)47%，先將表皮剝掉，裁剪為4cm左右的小片段，然后碾壓至扁平狀。石子為普通建筑石子，粒徑分別為5～10mm、10～15mm和15～20mm[11]。聚乙烯醇使用寧夏大地牌160目白色粉末狀聚乙烯醇，聚乙烯醇常作為建筑用膠，添加到土料中可作為改性夯土材料的粘結(jié)劑，增強(qiáng)土顆粒之間的粘結(jié)力。固化劑使用卓能達(dá)牌土壤固化劑，需配合9%生石灰使用。防水劑為納米有機(jī)硅防水劑，可滲透進(jìn)孔隙表面形成防水層。

表1 試驗用土基本物理性質(zhì)

1.2 試件的設(shè)計及制作

試驗試件分為A、B兩個大組，每個大組分4個小組，每個小組3個試件。A組包括一組素土試件，另外三組在素土基礎(chǔ)上分別使用0.8%固含量聚乙烯醇、固化劑、防水劑；B組包括一組0.25%青稞秸稈+20%石子試件，另外三組在此基礎(chǔ)上分別使用0.8%固含量聚乙烯醇、固化劑、防水劑。固化劑按照要求使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%的固化劑原液，防水劑在試件制作好后噴灑于試件表面。夯土的本質(zhì)是通過沖擊能使土料變得密實，試驗中將配置好的土料分3層倒入100×100×100mm的模具中，然后使用千斤頂壓制密實成型，制作好的試件在室內(nèi)自然養(yǎng)護(hù)28d。

1.3 試件加載方案

試件加載在青海大學(xué)理工實驗樓結(jié)構(gòu)大廳進(jìn)行，使用美特斯3000kN電液伺服壓力試驗機(jī)測量無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。加載前進(jìn)行預(yù)壓，加載時試件表面鋪設(shè)土粉確保表面平整，加載方式采用位移控制法，加載速率為1mm/min，記錄試件的開裂荷載及峰值荷載，當(dāng)破壞后荷載降低到峰值荷載的80%左右時停止加載，結(jié)束試驗。參考GB·T50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》中混凝土的抗壓強(qiáng)度公式得出改性夯土試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

2 試驗過程及現(xiàn)象

2.1 A組試件試驗過程及現(xiàn)象

A組試件整體成型較好，表面光滑，無邊角破損，外觀顏色同傳統(tǒng)夯土一致。在加載初期，試件承受壓力的方向中部出現(xiàn)微小的豎向裂紋，隨著荷載的增加，逐漸擴(kuò)大為較大的豎向裂縫，當(dāng)達(dá)到峰值荷載時，豎向裂縫已上下貫通，且不止一條，此時平均位移超過為2.13mm，之后繼續(xù)加載試件破壞，荷載下降，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞。破壞后的試件如圖1（a）所示。

2.2 B組試件試驗過程及現(xiàn)象

B組試件由于添加了青稞秸稈及石子，外觀成型相對不好，邊角有細(xì)微破損。試件加載時邊角處先有細(xì)微土體脫落，然后上下承壓端面出現(xiàn)大量的短小橫向豎向裂縫，隨著荷載增加，裂縫快速發(fā)展，在表面形成縱橫交錯的網(wǎng)狀裂縫，伴隨土體的大量脫落，無貫通裂縫產(chǎn)生，加載過程中可以持續(xù)聽到青稞秸稈被拉斷的聲音。破壞后的試件內(nèi)部呈不規(guī)則的雙錐形。破壞后的試件如圖1（b）所示。

圖1 破壞后的試件

3 試驗結(jié)果分析

3.1 抗壓結(jié)果分析

取每小組夯土試件抗壓強(qiáng)度的平均值作為該小組的抗壓強(qiáng)度，結(jié)果見表2。

表2 各組試件抗壓強(qiáng)度實驗結(jié)果

由表2可知，使用青稞秸稈及石子、聚乙烯醇改性夯土后，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均得到相應(yīng)提高，較素土可提高1.8～6.89倍。當(dāng)僅使用青稞秸稈及石子改性夯土?xí)r，試件的平均抗壓強(qiáng)度為1.514MPa，雖然較素土提高了1.8倍，但是強(qiáng)度依然較低。試件強(qiáng)度是在青稞秸稈和石子共同作用下提高的，石子做骨架，青稞秸稈起加筋作用，當(dāng)試件受荷載作用時，土石混合體承擔(dān)主要壓力，縱橫交錯的秸稈分擔(dān)剩余壓力。

在土體中添加聚乙烯醇，聚乙烯醇溶解于水后變成粘度很高的膠溶液，可以充分滲透進(jìn)微小的土體顆粒之間，增加土體顆粒的粘聚力，同時也可以填充孔隙，使夯土試件的密實性得到增強(qiáng)，進(jìn)而提高試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。在素土中單摻聚乙烯醇和復(fù)摻青稞秸稈、石子和聚乙烯醇的試件的抗壓強(qiáng)度分別為4.097MPa、4.267MPa，相較素土體試件，抗壓強(qiáng)度分別提高了6.57倍、6.89倍。但是單摻聚乙烯醇試件呈脆性破壞，破壞前征兆不明顯，在試件中添加青稞秸稈可以改善試件脆性破壞的特性。試驗中使用固化劑的A3、B3小組試件抗壓強(qiáng)度并沒有得到提高，與A1、B1相比反而有所降低，試件比較脆弱，此類方法不能提高試件的抗壓強(qiáng)度。試件使用防水劑前后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化很小，A4、B4小組使用防水劑后抗壓強(qiáng)度較A1、B1僅提高2.5%左右，對試件的抗壓強(qiáng)度并無明顯影響。但防水劑可以滲透進(jìn)試件表面孔隙形成防水層，起到良好的隔水效果，防水效果如圖2所示。

圖2 防水劑試件防水效果

3.2 變形能力分析

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，利用軟件繪制各組的荷載-位移曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，A、B組試件荷載-位移曲線在加載初期變化不穩(wěn)定，總體緩慢上升，表現(xiàn)出凹函數(shù)特征，這是由于試件內(nèi)部土顆粒之間存在空隙，加載初期這些空隙周圍的土顆粒在荷載作用下重新排列，變得相對致密。之后試件荷載-位移曲線經(jīng)歷一個持續(xù)上升階段，直至達(dá)到峰值，此階段試件曲線斜率相對穩(wěn)定，試件表現(xiàn)出彈性性質(zhì)。最后試件發(fā)生破壞，承載力喪失，此時荷載-位移曲線表現(xiàn)出凸函數(shù)特點，剛度退化比加載時遲緩。對比不同試件的峰值位移發(fā)現(xiàn)，單摻聚乙烯醇和復(fù)摻青稞秸稈、石子和聚乙烯醇試件的峰值位移可以達(dá)到3.07～3.91mm，較素土試件1.19mm的峰值位移提高了1.58～2.29倍。防水劑試件的峰值位移與素土試件相比僅提高了0.06mm，其他試件的峰值位移均在2.19mm以上，遠(yuǎn)高于素土試件。

圖3 試件荷載位移曲線

4 結(jié)論

1）在夯土中摻入0.25%青稞秸稈、20%石子和0.8%固含量的聚乙烯醇時，試件的抗壓強(qiáng)度平均值為4.267MPa，比素土試件抗壓強(qiáng)度的平均值提高了6.89倍，峰值荷載時對應(yīng)的峰值位移位移較素土試件增加了1.88mm，使用此配比改性夯土比較合理。

2）0.8%聚乙烯醇可使夯土試件抗壓強(qiáng)度提高6倍以上，但不能改變夯土脆性破壞的特性，在夯土中摻入青稞秸稈可改善夯土試件脆性破壞的特性。

3）防水劑在夯土上使用阻隔水分的效果理想，但防水劑使用后抗壓強(qiáng)度提高只有2.5%左右，強(qiáng)度提高效果不高，峰值荷載提高只有0.06mm。