吳發(fā)紅 ，孫浩 ，劉超 ，嵇蔚冰

（1.鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224001；2.鹽城市建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 鹽城 224001）

農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量巨大，其不當(dāng)處置方式對環(huán)境產(chǎn)生惡劣影響。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計，我國每年產(chǎn)生近6億t秸稈，約97%的秸稈被焚燒、堆積或遺棄。因此，加強(qiáng)農(nóng)作物的合理處置，拓寬其利用途徑，刻不容緩。同時，秸稈纖維作為優(yōu)良的加筋材料，具有生態(tài)環(huán)保，成本低廉等優(yōu)勢，在邊坡防護(hù)，軟基加固中已有一定的應(yīng)用。但由于秸稈纖維具有易降解特性，導(dǎo)致其加筋土工程性質(zhì)劣化，從而阻礙了秸稈纖維加筋工程的推廣。近年來，不少專家學(xué)者針對秸稈纖維降解及其加筋土強(qiáng)度劣化進(jìn)行了研究。Greeshma[1]將稻秸稈置于飽和的石灰溶劑中，再施加30次干濕循環(huán)，稻秸稈的抗拉強(qiáng)度比清水環(huán)境下的下降了91%。Ramakrishna和Sundararajan[2]將植物纖維置于飽和石灰溶劑中，再施加30次干濕循環(huán)，劍麻和木槿纖維抗拉強(qiáng)度幾乎全部喪失；椰絲纖維能保有初始強(qiáng)度的20%～40%。包惠明等[3]指出，在水泥砂漿中摻入3 kg/m3的劍麻纖維，在受到海水腐蝕后，腐蝕前期抗壓強(qiáng)度基本趨于平穩(wěn)，在腐蝕干濕循環(huán)15、30次后，其抗壓強(qiáng)度分別下降2.8%、15.6%。Filho等[4]指出，劍麻纖維水泥復(fù)合材料中纖維降解隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐步發(fā)生，10次周期，纖維與基質(zhì)界面分解，25次周期，劍麻纖維完全降解。

上述成果對凍融循環(huán)條件下秸稈纖維加筋土的強(qiáng)度劣化的研究尚且薄弱。為此，本文選用棉花秸稈纖維作為加筋材料，研究在凍融循環(huán)條件下，棉花秸稈纖維加筋水泥土抗壓強(qiáng)度劣化，并進(jìn)行理論分析，為推進(jìn)農(nóng)作物秸稈在加筋工程中的應(yīng)用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

土：取自鹽城某基坑深度為8～10 m的粉質(zhì)黏土，其物理力學(xué)特性見表1。水泥：江蘇八菱海螺水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥，其物理性質(zhì)見表2。棉花秸稈：產(chǎn)自鹽城郊區(qū)，將其制作成棉花秸稈纖維（直徑0.08～0.20 mm，平均長度20 mm），如圖1所示。

表1 土樣的物理力學(xué)特性

表2 水泥的物理力學(xué)性能

圖1 棉花秸稈纖維

1.2 試樣制備

（1）先將土樣風(fēng)干，過2 mm篩；（2）參考前人研究基礎(chǔ)[5]，按照水泥摻入比（水泥占濕土質(zhì)量）15%，水灰比（水與水泥質(zhì)量比）0.5，土樣配置成目標(biāo)含水率50%，加筋率（纖維占干土質(zhì)量）0.6%，分別稱取土、水泥、水和棉花秸稈纖維；（3）先將土樣和水泥混合，然后將棉花秸稈纖維均勻摻入土樣和水泥的拌和料中，直至完全攪拌均勻后加水；（4）將攪拌好的漿體裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，蓋上塑料薄膜24 h后脫模，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度20℃，相對濕度為95%）。

1.3 試驗方法

（1）凍融循環(huán)試驗方法：將養(yǎng)護(hù)至7 d和28 d試樣取出，參考侯淑鵬和王天亮[6-7]等的研究進(jìn)行凍融循環(huán)，具體步驟：①將試樣放置溫度為20℃養(yǎng)護(hù)箱12 h；②隨后將試樣放入溫度為-20℃的恒溫箱中12 h；③以上步驟即為1次凍融循環(huán)，當(dāng)試樣分別進(jìn)行至5、10、15、20次循環(huán)后進(jìn)行抗壓試驗。

（2）pH 值測試方法：分別將養(yǎng)護(hù)至 3、7、14、21、28 d 的試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，取破壞的試件研磨成粉，取10 g按照1∶5的質(zhì)量比加去離子水，裝入瓶中放置恒溫振蕩器中振蕩1 h后靜置30 min，采用pH值測量儀（pH Mater PHS-4CT）測試其pH值。

2 凍融循環(huán)對棉花秸稈纖維水泥抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為棉花秸稈纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線。

圖2 抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線

由圖2可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷降低。值得說明，養(yǎng)護(hù)7 d的試樣進(jìn)行15次凍融循環(huán)后已不能成型。養(yǎng)護(hù)7 d時，15次凍融循環(huán)后試樣的抗壓強(qiáng)度下降了50.03%；養(yǎng)護(hù)28 d時，20次凍融循環(huán)后試樣的抗壓強(qiáng)度下降了48.82%。

根據(jù)水泥土增強(qiáng)機(jī)理可知，凝結(jié)硬化過程中形成的水泥土結(jié)構(gòu)較為密實(shí)，自身具有一定的膠結(jié)應(yīng)力。在低溫情況下，水泥土中的孔隙水結(jié)成冰，導(dǎo)致體積膨脹，對水泥土中的毛細(xì)孔壁產(chǎn)生一定的膨脹應(yīng)力，當(dāng)膨脹應(yīng)力超過水泥土的膠結(jié)應(yīng)力后產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的細(xì)微裂縫。當(dāng)水泥土處于融化狀態(tài)時，冰融化成水以及外部的水進(jìn)入裂縫中，再次結(jié)冰后，裂縫開展將會更大，從而導(dǎo)致裂縫的擴(kuò)展以及貫通，進(jìn)而對水泥土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷。而棉花秸稈纖維作為加筋材料摻入水泥土環(huán)境中，會阻止裂縫的開展，從而提高試樣的強(qiáng)度和破壞時的應(yīng)變。但由于棉花秸稈纖維作為易降解生物質(zhì)材料，長期處于水泥土環(huán)境中，同時伴隨著凍融循環(huán)的外部環(huán)境，強(qiáng)度會不斷衰減，從而加筋效果逐漸減弱，導(dǎo)致棉花秸稈纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度降低。因此，棉花秸稈纖維水泥土抗壓強(qiáng)度降低的原因一方面是水結(jié)冰產(chǎn)生的體積膨脹特性，另一方面是棉花秸稈纖維強(qiáng)度衰減。

3 棉花秸稈纖維降解及其加筋土強(qiáng)度劣化分析

棉花秸稈纖維的主要成分為纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等，纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分，提供秸稈一定的機(jī)械強(qiáng)度和變形柔韌性；半纖維素具有使得秸稈之間的細(xì)胞連結(jié)更加緊密的作用，木質(zhì)素則具有使得細(xì)胞壁相連，以及強(qiáng)化木質(zhì)纖維的作用，增加秸稈的機(jī)械強(qiáng)度。已有相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，酸堿、水分、溫度、紫外線照射、微生物活動等對秸稈纖維的降解有著重要影響。如Stokke等[8]指出，秸稈纖維熱降解過程可分為5個階段：水分蒸發(fā)、半纖維素分解、纖維素分解、木質(zhì)素分解、聚合物基體高分子降解或解聚。Azwa等[9]指出，半纖維素與熱降解、生物降解和水分降解有關(guān)；木質(zhì)素與紫外線降解和炭生成有關(guān)。

為了分析棉花秸稈纖維在水泥土環(huán)境中的降解，初步測試?yán)w維水泥土在不同養(yǎng)護(hù)齡期的pH值，如圖3所示。

圖3 不同養(yǎng)護(hù)齡期的pH變化曲線

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，棉花秸稈纖維水泥土隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，pH值不斷下降，但所有試樣的pH值均超過12.6，屬于強(qiáng)堿環(huán)境。同時，未摻棉花秸稈纖維的水泥土pH值變化趨勢與摻棉花秸稈纖維水泥土的一致，也和車東日等[10]的結(jié)論一致。堿性環(huán)境對半纖維素以及木質(zhì)素的影響較大，造成秸稈纖維的降解和強(qiáng)度衰減。

圖4為將棉花秸稈纖維從水泥土中剝離出，其外表的微觀形貌。

由圖4可以看出，在水泥土強(qiáng)堿環(huán)境中，纖維表面遭受不同程度的損傷，這與孫浩等[11]的研究一致。本試驗只是初步研究不同養(yǎng)護(hù)齡期的pH值對棉花秸稈纖維的影響，關(guān)于凍融循環(huán)條件下的pH值以及水泥土中含水量、水泥水化溫度等因素對棉花秸稈纖維降解的影響需進(jìn)一步研究。

圖4 棉花秸稈纖維的微觀形貌

圖5為棉花秸稈纖維在養(yǎng)護(hù)7 d，凍融循環(huán)15次的水泥土中的微觀形貌。

圖5 棉花秸稈纖維在水泥土中的微觀形貌

結(jié)合圖4以及唐朝生等[12]關(guān)于聚丙烯纖維在水泥土環(huán)境中的力學(xué)作用，可以認(rèn)為，在棉花秸稈纖維發(fā)生降解之前，土體內(nèi)部的水泥晶體和纖維表面的水泥晶體相互作用，相互連接，具有較強(qiáng)的錨固作用（如圖6所示）。當(dāng)纖維水泥土發(fā)生破壞時，此錨固作用阻止筋土界面顆粒發(fā)生相對位移和錯動，從而增加纖維水泥土的強(qiáng)度以及破壞時的應(yīng)變。

但棉花秸稈纖維在水泥土環(huán)境中發(fā)生降解，纖維表面出現(xiàn)損傷，則纖維表面與水泥晶體作用力會不斷衰減，和土體內(nèi)部的水泥晶體的聯(lián)結(jié)也隨之衰減，從而錨固作用下降（如圖7所示）。另外，由于秸稈纖維的降解，降低纖維與水泥土之間的接觸面積，使得密實(shí)的棉花秸稈纖維水泥土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)薄弱之處，從而使得纖維水泥土強(qiáng)度下降。

圖6 棉花秸稈降解前筋土界面作用示意

圖7 棉花秸稈降解后筋土界面作用示意

4 結(jié)論

（1）凍融循環(huán)條件下，養(yǎng)護(hù)7 d棉花秸稈纖維水泥土經(jīng)過15次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度下降了50.03%；養(yǎng)護(hù)28 d進(jìn)行20次凍融循環(huán)后抗壓強(qiáng)度下降了48.82%。

（2）棉花秸稈纖維水泥土強(qiáng)堿環(huán)境是造成秸稈纖維降解的原因之一。

（3）棉花秸稈纖維降解導(dǎo)致纖維表面和水泥晶體作用力不斷衰減，和土體內(nèi)部的水泥晶體的連接也隨之衰減，從而錨固作用下降，造成纖維水泥土強(qiáng)度劣化。