馬奇，馬宏旺，楊朔，張旭

（上海交通大學(xué)船建學(xué)院土木工程系，上海 200240）

羧甲基纖維素鈉改性生土力學(xué)性能研究

馬奇，馬宏旺，楊朔，張旭

（上海交通大學(xué)船建學(xué)院土木工程系，上海 200240）

生土材料符合綠色建筑的要求，低碳環(huán)保、造價(jià)低廉、可循環(huán)利用，但是本身強(qiáng)度低，耐久性差，限制了其在現(xiàn)代社會(huì)建設(shè)中的應(yīng)用。使用羧甲基纖維素鈉（CMC）對(duì)甘肅南部生土進(jìn)行改性試驗(yàn)研究，測(cè)試其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明：CMC可有效改善生土的力學(xué)性能，其摻量為1.0%時(shí)生土的抗壓強(qiáng)度達(dá)3 MPa以上，劈拉強(qiáng)度達(dá)0.26 MPa，能夠滿足村鎮(zhèn)低層住宅建設(shè)的要求。

改性生土材料；羧甲基纖維素鈉；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；劈裂抗拉強(qiáng)度

0 前言

生土材料是歷史最為悠久的建筑材料之一，應(yīng)用非常廣泛，且加工工藝趨于多樣[1]，但是由于生土本身區(qū)域性、不均勻性強(qiáng)，缺乏系統(tǒng)的研究；加之生土材料自身強(qiáng)度較低、耐水性較差，在近代逐漸被燒結(jié)磚、混凝土和鋼材等取代。但這些現(xiàn)代建筑材料具有生產(chǎn)及使用過程耗能巨大、價(jià)格高等缺點(diǎn)。近年來，綠色建筑概念逐漸完善，變成建筑行業(yè)的一個(gè)新目標(biāo)。所謂綠色建筑，即從原材料獲取、結(jié)構(gòu)建造、使用、維護(hù)到再利用的整個(gè)生命周期中，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)合理，并最大程度降低對(duì)環(huán)境的影響，而能效及可再生原材料是其關(guān)鍵[2-3]。生土可再生，具有良好的熱工性能，符合綠色建筑的要求。Reddy和Kumar[4]研究表明，使用8%水泥改性后生土中物化能比同體積燒結(jié)黏土磚中物化能低15%～25%。

生土建筑具有上述優(yōu)點(diǎn)，且造價(jià)低廉，適用于村鎮(zhèn)地區(qū)建造房屋，但強(qiáng)度問題制約了其發(fā)展。非洲、歐洲及新西蘭等地規(guī)定用于建造房屋生土強(qiáng)度不宜小于2 MPa。而一般生土強(qiáng)度較低，需進(jìn)行有效的固化改性后才能達(dá)到要求。當(dāng)前主要的改性劑有水泥和石灰等，根據(jù)各國學(xué)者的研究，水泥摻量為8%～10%時(shí)，通過施加不同的壓力壓制砌塊，可使其抗壓強(qiáng)度達(dá)到2 MPa以上。但水泥、石灰的生產(chǎn)過程能耗高，Reddy等[5]認(rèn)為，水泥改性土能耗主要由水泥引起，相比于水泥中的物化能，壓實(shí)砌塊制作過程的能耗甚至可以忽略不計(jì)。且經(jīng)其改性后的生土本身性質(zhì)有較大改變，無法重復(fù)使用亦不可回田，這些與選取生土作為綠色建筑材料的初衷相悖。

本文研究羧甲基纖維素鈉（CMC）對(duì)生土力學(xué)性能的影響，CMC通常是由天然纖維素與苛性堿及一氯醋酸反應(yīng)后制得，生產(chǎn)使用過程能耗低。農(nóng)業(yè)中使用CMC作為土壤保水劑，經(jīng)其改性后的土體仍可種植植物，符合綠色建筑的要求。CMC市場(chǎng)價(jià)不高，用在生土改性研究和實(shí)際建筑中時(shí)，摻量非常低，故而總體造價(jià)較低，可用于實(shí)際房屋建造中。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

本次試驗(yàn)針對(duì)甘肅南部地區(qū)農(nóng)村生土房屋進(jìn)行，故取當(dāng)?shù)攸S土進(jìn)行各類力學(xué)性能試驗(yàn)，該類土體基本物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示，土壤粒徑分布見圖1。

表1 土樣的基本物理力學(xué)性質(zhì)

圖1 土壤的粒徑分布

試驗(yàn)中采用的改性添加劑為羧甲基纖維素鈉（CMC），其分子式為C8H11O7Na。CMC通常為白色粉末狀固體，密度為0.5～0.7 g/cm3，具有較高的吸濕性，易溶于水但不溶于有機(jī)溶劑，在水中形成透明狀的黏稠溶液。CMC在石油鉆探、混凝土改性等方面有所應(yīng)用[6-7]，本文用作生土固化劑，旨在提高生土的抗壓和抗拉強(qiáng)度。

1.2 試件制作

按照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，使用標(biāo)準(zhǔn)擊樣器制作直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱形試件。制作試件時(shí)，土樣分4層填入，每層使用300 g小錘自20 cm高度處自由落體敲擊10次。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，制作3組改性添加劑摻量分別為0.5%、1.0%和1.5%的試件，每組試件有5個(gè)不同含水率，每種配合比制作5個(gè)試件，另外按照最佳含水率配比制作素土試件，共計(jì)75個(gè)試件。劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，選取4種配比的混合材料為試驗(yàn)對(duì)象：未摻CMC，最佳含水率；CMC摻量為0.5%，含水率為24%；CMC摻量為1.0%，含水率為24%；CMC摻量為1.5%，含水率為24%的混合材料，共計(jì)20個(gè)試件。試件制作完成后立即稱重，然后置于烘干機(jī)中，低溫（40℃）烘干3 d后，取出稱重，然后立即進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

1.3 性能測(cè)試方法

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)參考GB/T 50123—1999中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，鑒于試件、儀器等不同，對(duì)試驗(yàn)方案稍作修改。將試件豎向安裝在上下加載板中間，使用液壓伺服加載系統(tǒng)進(jìn)行加載，按照變形控制加載速率為0.5 mm/min，加載至試件破壞，計(jì)算機(jī)記錄并儲(chǔ)存各個(gè)試件的力-變形曲線。劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)參照英國規(guī)范BS EN 13286-42《Test method for the determination of the indirect tensile strength of hydraulically bound mixtures》中相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，基于試件及儀器情況對(duì)其提供的方案稍作修改。水平放置圓柱形試件，試件上下使用4 mm×4 mm×80 mm的3層膠合木條作墊片，按照變形控制加載速率為0.3 mm/min，加載至試件破壞，計(jì)算機(jī)記錄并儲(chǔ)存各試件的力-變形曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，隨著壓力達(dá)到最大承載力的75%左右時(shí)，試件出現(xiàn)細(xì)微豎向裂縫，隨后裂縫逐漸增多、加寬，并發(fā)展形成貫通裂縫，見圖2（a）。試件達(dá)到最大承載力后，承載能力迅速下降，最終試件徹底破壞，其力-位移曲線與混凝土類似。試件最終破壞的形式主要有2種：豎向貫通裂縫、錐形破壞面。劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)中，荷載達(dá)到最大承載力80%左右時(shí)，端面沿上下墊條連線出現(xiàn)細(xì)微裂縫，裂縫迅速發(fā)展，達(dá)到最大承載力后，試件突然破壞而徹底失去承載力，試件從中間裂開、分為兩瓣，見圖2（b）。

圖2 試件的破壞形式

2.2 CMC摻量和含水率對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

為避免環(huán)境影響及試件吸潮等對(duì)試件質(zhì)量的影響，使用試件制作完成時(shí)質(zhì)量與試件烘干后質(zhì)量計(jì)算每個(gè)試件的實(shí)際初始含水率，即試件制作完成時(shí)的含水率。按照GB/T50123—1999的相關(guān)規(guī)定計(jì)算試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，計(jì)算過程中考慮試件變形引起的截面積變化而導(dǎo)致的計(jì)算誤差，使用截面變形系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。每種配比采用5個(gè)試件的算術(shù)平均值作為該配比試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，繪制每組CMC摻量下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系，結(jié)果見圖3。

圖3 CMC摻量和初始含水率對(duì)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由圖3可見，未摻CMC的素土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度約為0.64 MPa，添加CMC及一定量的水后，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度普遍有所提高。CMC摻量為1.0%和1.5%時(shí)，二者區(qū)別不明顯，但是相比添加0.5%CMC則有顯著提升。添加1.5%CMC、初始含水率為26%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值4.65 MPa，是素土試件抗壓強(qiáng)度的7.3倍。Chan和Low[8]同樣使用圓柱形水泥改性土試件進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為1.20～1.39 MPa；當(dāng)水泥摻量為10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為2.16～2.67 MPa。Sturm等[9]針對(duì)馬拉維地區(qū)生土使用5%水泥和9%高嶺土進(jìn)行改性，養(yǎng)護(hù)28 d后圓柱形試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)1.1 MPa左右。Galán-Marín等[10]使用天然纖維改性土制作立方體試件，測(cè)得其抗壓強(qiáng)度為2～3 MPa。而通常情況下，立方體試件的抗壓強(qiáng)度高于圓柱形試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。雖然不同試驗(yàn)中，土的種類、試件制作方法等會(huì)影響試件的強(qiáng)度，但是從最終結(jié)果仍然可以看出，CMC對(duì)提高生土的抗壓強(qiáng)度有非常明顯的作用。

另外，試件抗壓強(qiáng)度受初始含水率的影響非常明顯，在試驗(yàn)包含的初始含水率范圍內(nèi)，二者近似為線性關(guān)系。試件制作過程中發(fā)現(xiàn)，對(duì)于每種CMC摻量的土樣，含水率較高時(shí)，土樣不易攪拌且成型困難。含水率為24%左右時(shí)，3種CMC摻量的試件抗壓強(qiáng)度均達(dá)到3 MPa以上，可滿足基本要求，故本次試驗(yàn)選取24%含水率進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

本試驗(yàn)中，素土試件含水率為16%，3種CMC摻量的試件含水率均為24%，CMC摻量對(duì)試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響如圖4所示。

由圖4可見，CMC對(duì)試件的劈裂抗拉強(qiáng)度有顯著提升作用，隨著CMC摻量的增加，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸提高，但后期提升不明顯。素土試件的劈裂抗拉強(qiáng)度為0.08 MPa；CMC摻量為1.0%時(shí)，試件的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到0.26 MPa，為素土試件的3.3倍；CMC摻量為1.5%時(shí)，試件劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高值，為0.29 MPa。Sturm等[9]使用5%水泥和9%高嶺土進(jìn)行生土改性，采用相同試驗(yàn)方法獲得圓柱試件的劈裂抗拉強(qiáng)度為0.058 MPa，約為同類試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的5%。對(duì)比可見，CMC對(duì)生土的劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果非常明顯。

圖4 CMC摻量對(duì)試件劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

3 結(jié)論

（1）CMC能夠有效提高生土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

（2）CMC的作用與其摻量有明顯關(guān)系，在0～1.5%內(nèi)，CMC摻量越高，生土強(qiáng)度提升幅度越大，但是當(dāng)CMC摻量超過1.0%時(shí)，其提升幅度趨于平緩。

（3）CMC的作用與混合料中水含量有明顯關(guān)系，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，水含量越高，生土強(qiáng)度提升越明顯，但是水含量過高后，混合料黏稠，明顯提升了加工難度。

本試驗(yàn)只研究了CMC對(duì)壓實(shí)生土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，其它性能如耐久性、防水性和熱工性能會(huì)在今后研究中展開。

[1]趙成，阿肯江·托呼提.生土建筑研究綜述[J].四川建筑，2010（1）：31-33.

[2]Dwaikat L N，Ali K N.Green buildings cost premium：A review of empirical evidence[J].Energy and Buildings，2016，110：396-403.

[3]崔艷琦.國外綠色建材及其對(duì)我國的啟示[J].新型建筑材料，2008（10）：37-39.

[4]Reddy B V V，Kumar P P.Embodied energy in cement stabilised rammed earth walls[J].Energy and Buildings，2010，42（3）：380-385.

[5]Reddy B V V，Leuzinger G，Sreeram V S.Low embodied energy cement stabilised rammed earth building-A case study[J].Energy and Buildings，2014，68（1）：541-546.

[6]牛生洋，郝峰鴿.羧甲基纖維素鈉的應(yīng)用進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（15）：3574-3575.

[7]李揚(yáng).羧甲基纖維素鈉的提純和交聯(lián)[D].武漢：湖北大學(xué)，2012.

[8]Chan C M，Low L P.Development of a Strength Prediction Model for"Green"Compressed Stabilised Earthbricks[J].Journal of Sustainable Development，2010，3（3）：140-150.

[9]Sturm T，Ramos L F，Louren?o P B.Characterization of dry-stack interlocking compressed earth blocks[J].Materials and Structures，2015，48（9）：3059-3074.

[10]Galán-Marín C，Rivera-Gómez C，Petric J.Clay-based composite stabilized with natural polymer and fiber[J].Construction and Building Materials，2010，24（8）：1462-1468.

Study on mechanical properties of sodium CMC stabilized soil

MA Qi，MA Hongwang，YANG Shuo，ZHANG Xu
（Department of Civil Engineering，School of Naval Architecture，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Raw soil material conforms properly to the requirements of"green"buildings，with the advantages of low-carbon，low cost and cyclic utilization.However，its low strength and bad durability limit its application in modern social construction.In this research，sodium carboxyl methyl cellulose（CMC）is used to stabilize raw soils from south Gansu province.The unconfined compressive strength and splitting tensile strength were tested to characterize the mechanical properties of compacted specimens.Results showed that CMC could improve the mechanical properties significantly.When CMC content is 1.0%，the compressive and tensile strength could reach 3MPa and 0.26MPa respectively，which can meet the requirement of town low-rise dwelling construction.

stabilized raw soil，sodium carboxyl methyl cellulose，unconfined compressive strength，splitting tensile strength

TU521.3

A

1001-702X（2016）12-0060-03

中國地震局黃土地震工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目（KLLEE-14-001）

2016-04-12；

2016-06-02

馬奇，男，1990年生，山東濰坊人，碩士研究生，主要研究

方向?yàn)樯两ㄖ拐稹?/p>