王毅紅,丁思遠(yuǎn),楊世豪,張 坤,宋 萍
(長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710061)
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摻入玻璃和竹纖維的生土基材料性能試驗研究*
王毅紅,丁思遠(yuǎn),楊世豪,張坤,宋萍
(長安大學(xué) 建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710061)
傳統(tǒng)生土基材料在抗壓強(qiáng)度、變形能力等方面與現(xiàn)代建材相比存在較大差距,為了改善傳統(tǒng)生土基材料的基本力學(xué)性能,在生土基材料中摻入改性材料:糯米漿、玻璃渣、竹纖維,形成改性生土基材料。設(shè)計1組素土試件和4組不同配比的改性生土試件,由土工試驗方法制作得到直徑102 mm×高116 mm的圓柱體改性生土基試件共5組,24個。通過對試件進(jìn)行軸心抗壓試驗研究,得到不同摻料以及不同摻量試件的抗壓強(qiáng)度、破壞荷載、斷裂能和位移值。分析不同摻料以及不同摻量對生土試塊抗壓強(qiáng)度、變形能力、斷裂能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,糯米漿能大幅度提高生土塊材的抗壓強(qiáng)度,但對試件的變形能力沒有提高;玻璃渣對生土塊材抗壓強(qiáng)度有一定提高,竹纖維對生土塊材變形能力有較大提高,試件破壞時整體性較好,大大改善試件脆性性能。
改性生土材料;抗壓強(qiáng)度;變形性能;廢玻璃;竹纖維;斷裂能;復(fù)摻;
生土材料具有低碳、環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等優(yōu)勢,以其廉價的制作成本、取材方便、良好的保溫、隔熱性能,在中國廣大農(nóng)村,尤其是西部貧困地區(qū)都有著廣泛應(yīng)用。但其在抗壓強(qiáng)度、變形性能、耐久性、耐水性等方面存在較嚴(yán)重的缺陷,在歷次地震中都會給當(dāng)?shù)鼐用裨斐奢^大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此如何提高生土材料的抗壓、抗剪強(qiáng)度,改善生土建筑房屋抗震性能一直是國內(nèi)外的研究熱點。長安大學(xué)王毅紅、卜永紅等采用傳統(tǒng)工藝制作生土坯試塊,并對其進(jìn)行抗剪、抗折以及三向抗壓試驗[1-3],得到了土坯抗壓、抗剪強(qiáng)度的試驗數(shù)據(jù)以及不同砌法的土坯砌體軸心受壓破壞的全過程,為村鎮(zhèn)生土建筑抗震規(guī)程修訂提供依據(jù);長安大學(xué)王毅紅、馬蓬渤等通過標(biāo)準(zhǔn)輕型土工擊實試驗得到了不同摻料改性生土材料的最優(yōu)含水量與摻量之間的關(guān)系[4],為確定生土基材料標(biāo)準(zhǔn)試驗方法和實際工程應(yīng)用提供依據(jù);阿肯江·托呼提[5-7]在素土中摻和細(xì)砂和植物纖維,形成改性生土基材料并進(jìn)行抗壓試驗,試驗結(jié)果表明,在素土中摻和細(xì)砂、纖維可大大提高抗壓強(qiáng)度以及極限位移;新疆大學(xué)阿肯江,曹耿[8]等依據(jù)當(dāng)?shù)赝僚鹘ㄖS贸叽?,進(jìn)行了土坯砌體抗壓強(qiáng)度試驗,提出了抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的簡化計算公式;中鐵第一勘察設(shè)計院陳海軍[9]依據(jù)蘭州市地質(zhì)條件,根據(jù)濕陷性黃土特點,總結(jié)了當(dāng)?shù)貪裣菪渣S土地基處理的方法;西安科技大學(xué)邸芃[10]在生土基材料中加入草類纖維制成草磚,并研究其建筑保溫、改性抗壓強(qiáng)度等性能。文中將不同配比的糯米漿、廢玻璃渣、竹纖維[11-12]作為改性摻料加入生土中,形成改性生土基材料[13]。通過軸心抗壓試驗研究其抗壓強(qiáng)度、變形能力、斷裂能等指標(biāo),并與素土試塊進(jìn)行對比,探討各種摻料的合理配比。為摻入糯米漿、竹纖維、廢舊玻璃渣的綠色生土基改性材料基本力學(xué)研究和工程應(yīng)用提供參考。
1.1試件材料
試驗用黏性黃土取自西安市未央?yún)^(qū),過5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩,拌合水為普通的自來水,糯米漿采用東北糯米制備,稱取500 g糯米將其淘洗后,放入5 kg清水中浸泡,加熱煮沸并攪拌1 h使糯米中的淀粉糊化,冷卻至室溫后取上層清液,配置成濃度為3%的糯米漿,將廢棄玻璃碾壓搗碎成粒徑為3~5 mm顆粒狀玻璃渣(圖1),將竹纖維手工撕成長約20 mm,寬約8 mm短條狀(圖2)。
圖1 玻璃渣Fig.1 Glass Slag
圖2 竹纖維Fig.2 Bamboo Fiber
1.2試件設(shè)計及制作
設(shè)計了5種配比的試件,共24個(見表1)。試件制作參照土工試驗方法[14],將擊實筒平放在堅實的地面,安裝好護(hù)筒,在擊實筒內(nèi)涂一層潤滑油,將拌和好的土料分3層裝入擊實筒內(nèi),錘自由垂直落下,并均勻分布于土樣表面,每層25擊,擊實功約為592.2 kJ/m3.每層擊好后,加下一層土樣時將接觸面做“拉毛”處理擊實完成后,超出擊實筒頂?shù)脑嚇痈叨葢?yīng)小于5 mm.取下導(dǎo)筒,用直刮刀修平超出擊實筒頂部和底部的試樣,拆除底板,將擊實筒外壁擦干。完成后用脫模器將試樣從擊實筒中推出。將制作好的試件置于室溫為20 ℃左右的實驗室內(nèi)養(yǎng)護(hù)34 d.
表1改性生土基材料配比表
Tab.1Matching of modified raw soil materials
(%)
1.3試驗裝置及加載
試驗在長安大學(xué)建筑工程實驗室完成,采用了標(biāo)準(zhǔn)擊實儀、微機(jī)控制全自動壓力試驗機(jī)、YA-300以及GTC350全數(shù)字電液伺服控制器。試件在Y-A300型微機(jī)控制全自動壓力試驗機(jī)進(jìn)行加載。表面不平整的試件需打磨,由水平尺檢查平整度。正式加載前用1 kN荷載預(yù)壓3次,確保壓力試驗機(jī)正常運(yùn)行并與試件緊密接觸后開始試驗,采用連續(xù)加載方式,加載速率為0.1 mm/s,當(dāng)試件承載力降低為峰值荷載的85%時,視為試件破壞。
2.1素土試塊試驗過程及現(xiàn)象
素土試件共4個,破壞過程及破壞形態(tài)相似,以A1-1試件為例描述其試驗現(xiàn)象和破壞過程。當(dāng)荷載為破壞荷載的60%時,試件表面出現(xiàn)第一條較為細(xì)短的裂縫,隨著荷載的增加,裂縫逐漸沿平行于壓力方向擴(kuò)展,隨后試件表面材料開始剝落(圖3(a)),繼續(xù)加載,試件出現(xiàn)對角方向的貫通裂縫崩潰(圖3(b))。
圖3 A1-1試件開裂-破壞Fig.3 Cracking and failure of A1-1(a)試件開裂 (b)試件破壞
2.2摻糯米漿改性生土試塊試驗過程及現(xiàn)象
摻糯米漿試件共5個,破壞過程及破壞形態(tài)相似,以B1-1試件為例描述其試驗現(xiàn)象和破壞過程。當(dāng)荷載加至破壞荷載的82%時,試件中部表面出現(xiàn)第一條與壓力方向平行的細(xì)小裂縫。隨著荷載增加,裂縫上下延伸,同時出現(xiàn)多條較短的橫向裂縫和斜裂縫。裂縫主要集中在試件的中部(圖4(a)),接近峰值荷載時裂縫貫通,試件表面材料開始出現(xiàn)剝落,隨著荷載的增加,試件中部剝落加劇,臨近上下加載板部分,由于受到加載板約束,剝落較少,破壞時殘體呈細(xì)腰狀態(tài)(圖4(b))。
圖4 B1-1試件開裂-破壞Fig.4 Cracking and failure of B1-1(a)試件開裂 (b)試件破壞
2.3摻玻璃渣和竹纖維試塊試驗過程及現(xiàn)象
摻玻璃和竹纖維的試件分3組,摻量的變化影響試件的受壓承載力和變形能力,對受壓承載力的影響較小,對變形能力的影響較明顯。3組試件的破壞過程和破壞形態(tài)相似,以C3-1試件為例描述C組試件的破壞過程及破壞形態(tài)。當(dāng)荷載加至破壞荷載的70%時,試件發(fā)出細(xì)微響聲,試件表面出現(xiàn)與加載方向平行的豎向裂縫,與素土試件類似,裂縫首先出現(xiàn)在試塊兩端。隨著荷載的不斷增加,裂縫逐漸向中間延伸,形成多條較深較長的平行裂縫(圖5(a)),此過程中,有竹子斷裂的聲音。當(dāng)荷載繼續(xù)增加達(dá)到峰值時,試件自上而下形成貫通裂縫,繼續(xù)加荷,荷載降低至峰值荷載的85%時,試件未發(fā)生崩潰現(xiàn)象,也未出現(xiàn)明顯的片狀脫落,試件基本保持完整(圖5(b))。
圖5 C3-1試件開裂-破壞Fig.5 Cracking and failure of C3-1(a)試件開裂 (b)試件破壞
3.1破壞形態(tài)分析
素土試件最終破壞時表面大面積的剝落,出現(xiàn)對角貫通裂縫,破壞脆性特征明顯;摻糯米漿試件破壞后呈細(xì)腰狀,由于糯米漿作為粘合劑很好地把土顆粒黏在一起,試塊的整體性較好,上下加載板對接觸面的約束作用明顯,破壞的脆性特征較素土試件有所改善。摻玻璃和竹纖維的試件破壞后與素土試件相比整體性較好,裂縫間的竹纖維抑制了裂縫的開展,碎玻璃在試件內(nèi)部近似混凝土中粗骨料的作用,竹纖維及碎玻璃骨料與素土能夠共同抵抗外力,直到荷載下降至峰值荷載的85%,試件仍基本保持完整,橫向變形明顯,豎向裂縫貫通。
目前,該平臺已著手組織各方力量,進(jìn)行磷礦資源高效開發(fā)及可持續(xù)利用、磷資源高效利用農(nóng)業(yè)服務(wù)、環(huán)境磷資源回收利用等方面的調(diào)研,并積極推動首批科技小院的設(shè)立。作為國家肥料產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展科技創(chuàng)新聯(lián)盟的支撐單位,該平臺將為實現(xiàn)長江經(jīng)濟(jì)帶及農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展愿景持續(xù)貢獻(xiàn)力量。
3.2試件強(qiáng)度和變形能力分析
根據(jù)材料力學(xué)中材料的軸心抗壓強(qiáng)度計算公式計算試件的抗壓強(qiáng)度
σ=F/A.
(1)
式中σ為生土塊材的軸心抗壓強(qiáng)度,MPa;F為軸心壓力,kN;A為試件的截面面積,mm2.
所有試件的抗壓強(qiáng)度、峰值位移值等試驗數(shù)據(jù)見表2,所有試件的抗壓強(qiáng)度均值、峰值位移均值、斷裂能見表3.
表2 各組試件抗壓強(qiáng)度、峰值位移值
表3 各組試件抗壓強(qiáng)度、峰值位移均值
3.2.1試件抗壓強(qiáng)度分析
A,B組試件荷載—位移曲線分別如圖6,7所示,2組試件的荷載-位移曲線的形狀與變化趨勢相近。B組試件的抗壓強(qiáng)度、極限承載力較A組試件增大,試件的平均抗壓強(qiáng)度為3.28 MPa,與素土試塊相比,提高了43%.說明糯米漿很好地粘合了土顆粒,在試件內(nèi)部形成膠凝材料,提高了試件密實性和抗壓強(qiáng)度。
圖6 A組(素土)試件荷載-位移曲線Fig.6 Load-displacement curve of A group
圖7 B組(13%糯米漿)試件荷載-位移曲線Fig.7 Load-displacement curve of B group
圖8 C1組試件荷載-位移曲線Fig.8 Load-displacement curve of C1 group
圖9 C2組試件荷載-位移曲線Fig.9 Load-displacement curve of C2 group
圖10 C3組試件荷載-位移曲線Fig.10 Load-displacement curve of C3 group
3.2.2試件的變形性能分析
摻糯米漿試件峰值位移與素土試塊相比沒有發(fā)生明顯變化。摻玻璃渣和竹纖維試塊變形能力與素土試塊相比有明顯增大,C2組峰值位移為2.88 mm與素土試件相比提高了4%,荷載降低至85%峰值荷載時的位移為2.64 mm,與素土試件相比提高了24%,C3組峰值位移為4.22 mm與素土試件相比提高了50%,荷載降低至85%峰值荷載時的位移為2.51 mm,與素土試件相比提高了18%.由于竹纖維在試塊內(nèi)部起到拉結(jié)作用,有效地限制了試件的橫向變形,碎玻璃骨料與竹纖維一起形成了空間受力骨架,有效地約束了試件的變形,試件的延性性能提高。C1組試件的試驗數(shù)據(jù)離散性較大。有待進(jìn)一步加大試塊數(shù)量,分析其影響規(guī)律。
3.3摻和料對斷裂能的影響
斷裂能是反映材料相互作用時韌性的重要指標(biāo),用來表示材料在破壞過程中消耗的總能量。根據(jù)斷裂能定義可將試塊破壞機(jī)理解釋為:隨著荷載增加,壓應(yīng)力達(dá)到最大,試塊中壓應(yīng)力較大處竹纖維發(fā)生破壞,加速構(gòu)件破壞[15-16]。此時定義為壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線所圍成的面積為試塊的斷裂能Gf(本試驗從試驗開始到達(dá)到峰值荷載的荷載-位移曲線近似為三角形),斷裂能的計算公式為
(2)
各組試塊抗壓強(qiáng)度均值、峰值位移、斷裂能見表3.由表3可知隨著玻璃渣和竹纖維摻量的增加,斷裂能增大。C1組的斷裂能為3.71N/m是A組的1.15倍,C2組的斷裂能為3.89N/m是A組的1.21倍,C3組的斷裂能為5.42N/m是A組的1.68倍。說明添加摻和料試塊消耗的斷裂能大于未添加摻和料的試塊。
1)用糯米漿、玻璃渣、竹纖維作為生土的改性摻料,明顯地提高了生土材料的抗壓強(qiáng)度、變形能力。所用改性材料玻璃渣為建筑垃圾,竹纖維為綠色植物,符合綠色環(huán)保,可持續(xù)發(fā)展的的理念;
2)素土試件、糯米漿試件和摻入碎玻璃、竹纖維的試件破壞形態(tài)各異。素土試件為突然的脆性破壞。糯米漿試件類似素混凝土試件形成細(xì)腰狀破壞殘體。摻入碎玻璃渣和竹纖維試件則表現(xiàn)出較好的整體性,由于纖維的拉結(jié),殘體橫向變形較大,豎向裂縫明顯,上下加載板的約束作用相對減弱,表現(xiàn)出一定的塑性性能;
3)糯米漿摻料可明顯提高素土試件的抗壓強(qiáng)度,本次試驗平均提高幅度為43%,當(dāng)復(fù)摻碎玻璃和竹纖維時,提高幅度略有降低,但也達(dá)到12%~18%,說明糯米漿摻料對強(qiáng)度有提高作用;
4)將素土試件與糯米漿試件對比,峰值荷載時兩者位移相近,兩者的變形能力相當(dāng)。說明糯米漿摻料對試件的變形能力基本沒有影響;
5)在生土中摻入碎玻璃和竹纖維,其強(qiáng)度介于素土和糯米漿之間,但可以較大幅度地提高試件的變形能力。試驗數(shù)據(jù)表明,隨摻量的增加,峰值荷載和極限荷載對應(yīng)的位移明顯增加。說明碎玻璃和竹纖維作為生土基材料的摻料,可有效改善生土的脆性性能;
6)摻糯米漿試件斷裂能與素土試件相比提高了21%;摻玻璃渣和竹纖維試件C1組試塊斷裂能與素土試件相比提高了15%,C2組試塊斷裂能與素土試塊相比提高了20%,C3組試塊斷裂能與素土試塊相比提高了68%.單摻和復(fù)摻改性材料的試件的斷裂能均有提高;
7)生土基材料C1組試驗數(shù)據(jù)的離散性較大,可通過進(jìn)一步增大試件數(shù)量來歸納其力學(xué)性能相關(guān)規(guī)律。
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Experimental study on the performance of raw soil material modified by glass and bamboo fiber
WANG Yi-hong,DING Si-yuan,YANG Shi-hao,ZHANG Kun,SONG Ping
(SchoolofCivilEngineering,Chang’anUniversity,Xi’an710061,China)
Compressive strength and deformation ability of traditional raw soil materials have a gap in comparison with modern building materials.In order to improve the basic mechanics performance of the traditional raw soil materials,through adding glutinous rice paste,glass slag and bamboo fiber,forming modified raw soil materials.The authors designed a set of soil block and four different ratio groups of modified block,the size in diameter 102 mm with high 116 mm cylinder specimens were prepared by soil test method.Through the axial compressive strength test,we got a different dosage of compressive strength of the specimens,the fracture energy and displacement value.Analyze the influential law of different admixtures and different dosage on raw soil block compressive strength,deformation and fracture energy.The results showed that glutinous rice paste material can greatly increase the compressive strength of raw lumps,but can not improve the specimen deformation ability.Effect of glass slag on clump material compressive strength has improved,effect of bamboo fiber on clump material deformation ability has improved greatly.When the specimens damaged,specimens’integrity were good.
modified raw soil material;compressive strength;deformability;waste glass;bamboo fiber;fracture energy;double mixing
10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0506
1672-9315(2016)05-0640-07
2016-03-10責(zé)任編輯:李克永
國家自然科學(xué)基金(51478043)
王毅紅(1955-),女,山東煙臺人,教授,博士生導(dǎo)師,E-mail:wangyh@chd.edu.cn
TU 361
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