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        低成本土壤混合物抗壓強度分析

        2020-08-05 14:34:50張思達郝強強李倩楠
        陜西煤炭 2020年4期

        肖 江,張思達,郝強強,彭 浩,李倩楠

        (1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院,陜西 西安 710054;2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點試驗室,陜西 西安 710054)

        0 引言

        在我國,土制品于4000年前就已出現(xiàn),并且應(yīng)用廣泛,主要用于建造城墻、房屋、護欄、家具等[1]。由于單純黃土建筑強度較低,制約其發(fā)展,如何有效提高黃土建筑強度已成為現(xiàn)階段需克服的主要難題[2-4]。國外學(xué)者在順應(yīng)生態(tài)發(fā)展的前提下,就如何有效利用低成本黃土建筑代替不必要的資源浪費開展了相關(guān)研究[5];重視黃土的土壤成分以及實踐中的夯實過程,并提高質(zhì)量檢測標準達到提高建筑整體強度的要求[6]。國內(nèi)的研究主要集中在土壤與添加劑的合理配比、裂縫控制和施工質(zhì)量等方面[7-10],而在土壤中添加其他支撐材料以提高強度的研究較少。為此,在黃土試件中添加竹桿、編織袋碎屑等材料,分析其力學(xué)性能并得到影響不同介質(zhì)材料強度的關(guān)鍵因素,以期為今后提高黃土強度的研究提供參考。

        1 試驗樣品

        1.1 試驗原料選擇

        土壤是建筑物的主要支撐材料,其物理特征直接影響建筑物的強度。原生土壤粒徑大小不同,粒徑過大促進裂隙發(fā)育,粒徑過小影響土壤粘結(jié)性。本試驗所用的土壤選自陜西某地,用5 mm孔徑鐵網(wǎng)篩除粒徑較大的土壤及雜物,將篩除雜物后的土壤樣品置于試驗室并測定其物理特性,測試結(jié)果見表1。土壤中添加適量石灰可改善土壤粘結(jié)力,經(jīng)攪拌、壓實后得到穩(wěn)定混凝土;將等長(10 cm)、粗細均勻(d=4 mm)的竹桿外表面打磨粗糙,在土壤試件中作為支撐材料;選用工業(yè)編織袋,攪拌成2 cm長碎屑。

        表1 土壤材料基本物理特性

        1.2 土壤試件制作

        試件分組:由于試件的大小直接影響材料力學(xué)強度,為使試驗更具有代表性,選用10 cm×10 cm×10 cm長度的土壤試件,將土壤與石灰按照5∶1比例攪拌均勻。分4組試件,第1組土壤試件不加結(jié)構(gòu)材料,為單一土壤混合物試塊。第2組試件將竹桿內(nèi)置于土壤試件中,考慮到不同介質(zhì)之間粘結(jié)力的問題,首先將等長的竹桿固定在模具內(nèi),后將混合均勻的土壤混合物置于模型內(nèi),覆蓋竹桿并充填壓實。第3組將編織袋碎屑加入到土壤混合物中攪拌均勻。第4組將單一成分土壤混合物充入編織袋,并固定在土壤模型內(nèi)充填壓實。每組做3個試件,對試件進行編號,具體試件分組及組成材料見表2。

        表2 試件分組與組成材料

        試件制作過程:在溫度(20±2)℃、濕度(80±5)%條件下,依次放置在陰涼干燥處養(yǎng)護30 d,達到預(yù)定齡期,試件制作過程如圖1所示。

        圖1 土壤試件制作過程

        2 試驗過程及結(jié)果分析

        2.1 試驗設(shè)計

        該試驗采用電液伺服壓力試驗機,由于手工制作試件表面不平,試驗時上下表面用細砂找平,依次按編號加壓試件,加載速率為0.5 mm/min。試驗開始時,壓力機穩(wěn)定加壓,試件處于彈性破壞階段。加載3 min后,外表面出現(xiàn)細微裂隙,壓力曲線增長率減小,此時處于塑性破壞階段。繼續(xù)加壓,裂隙縱向延伸,當(dāng)加載5 min后,個別試件裂隙長度達5 cm,試件強度降低,試驗機壓力示數(shù)小幅下降并逐漸趨于平穩(wěn),此時出現(xiàn)的極值為試件的極限抗壓強度。加載到15 min左右時,試件破壞嚴重,均出現(xiàn)表面土坯剝落現(xiàn)象,個別試件存在裂隙貫穿整個試件,試件抗壓強度趨向于0。

        2.2 結(jié)果分析

        試驗結(jié)果:在控制材料成本前提下,探究不同組成材料對試件強度的影響。試驗中盡量提高竹桿表面粗糙程度,避免桿件結(jié)構(gòu)破壞時與土壤試件分離造成二次破壞,影響試驗結(jié)果。參照相關(guān)標準[11-12],對不同添加材料試件進行抗壓試驗,結(jié)果見表3。

        表3 土壤混合材料抗壓試驗結(jié)果

        竹桿對試件的影響分析:第1組試驗中,單一成分土壤試件抗壓強度較高,平均抗壓強度達到1.290 MPa,對比第2組試驗,加入竹桿后,其破壞分為黃土-竹桿共同支護、黃土-竹桿分離支護、黃土支護3個階段。在該組試驗中,第1階段黃土竹桿共同作用下試件抗壓強度較高,當(dāng)加載強度超過其極限抗壓強度達到1.052 MPa時,試件變形較大,主要因為黃土與竹桿的受力超過極限粘結(jié)強度而分離,竹桿的原始空隙與破壞裂隙貫通,使其整體強度下降,下降速度較第1組試驗快,存在竹桿對黃土試塊二次破壞,該破壞主要發(fā)生在第2階段。當(dāng)試件進入第3階段后,其抗壓強度逐漸降低,竹桿失效,部分竹桿發(fā)生折斷現(xiàn)象,試件抗壓強度主要由黃土塊提供,此時試件抗壓強度為破壞后黃土塊的殘余抗壓強度0.5 MPa。整體來看,在試塊內(nèi)加入竹桿后,由于竹桿的二次破壞使其平均抗壓強度減小,為1.031 MPa。破壞過程如圖2~5所示。

        圖2 竹桿-土壤分離

        圖3 竹桿變形折斷

        編織袋碎屑對試件的影響分析:第3組試驗中,向土壤試件中加入編織袋碎屑,加載至2 min左右出現(xiàn)裂隙,繼續(xù)加壓至4 min時,達到極限抗壓強度,為2.729 MPa,此時試件表面裂隙發(fā)育貫通,平均抗壓強度為2.489 MPa,如圖5所示。該強度較前2組高,且抗壓時間長,支撐效果較好,主要因為編織袋與土壤粘結(jié)性較好,添加編織袋碎屑后,試件在破壞過程中內(nèi)部裂隙的發(fā)育受到碎屑約束,其整體強度明顯提高,相對于單一黃土試塊的抗壓強度提高了1.199 MPa。

        圖4 試件加載破壞過程

        圖5 第2、3組試件荷載-位移曲線

        編織袋對試件的影響分析:第4組試驗試件為單一土壤混合物,并在其外部包裹一層編織袋。與第1組試驗進行對照,加壓后發(fā)現(xiàn)該組試件的抗壓強度與第1組試件相近,加壓至5 min時,達到極限抗壓強度1.278 MPa,如圖6所示;繼續(xù)加壓,其抗壓強度逐漸下降,下降速度較第3組慢,到9 min以后其抗壓強度保持在1 MPa左右,為殘余強度。與第1組試驗對照,在外層包裹的編織袋后主要在加壓后期發(fā)揮作用,為破壞后松散土塊提供整體約束作用,增加了材料內(nèi)部物質(zhì)之間的粘結(jié)強度,可提高試件30%殘余強度,延長試件支撐時間。

        圖6 第1、4組試件荷載-位移曲線

        綜合分析:試驗結(jié)果表明,土壤中的添加物要與土壤充分粘結(jié),粘結(jié)效果越好則試件強度越高,若粘結(jié)效果不好不僅不能發(fā)揮作用,而且會降低試件強度。在土壤中加入竹桿,由于竹桿與土壤粘結(jié)力有限,當(dāng)加載強度超過粘結(jié)強度后,竹桿與土塊分離,只存在殘余摩擦,繼續(xù)加載后,試件整體性越來越差,竹桿周圍殘余空隙與發(fā)育的裂隙貫通,存在竹桿對試件的二次破壞,使試件抗壓強度下降較快。在土壤中加入編織袋碎屑后,由于碎屑是柔性材料并且表面粗糙,與土壤的粘結(jié)性較竹桿好,在加載過程中能約束試件內(nèi)裂隙發(fā)育,還能提高試件強度并延長試件抗壓時間。

        3 結(jié)論

        (1)黃土-竹桿混合材料極限抗壓強度比單一黃土混合物強度低,主要由于2種介質(zhì)粘結(jié)性較低,當(dāng)加載強度超過粘結(jié)強度后,竹桿周圍殘余空隙與發(fā)育的裂隙貫通,降低了試件性能,不能長期提供有效支撐。

        (2)黃土-編織袋碎屑混合物中,編織袋是柔性材料并且表面粗糙,2種介質(zhì)粘結(jié)性較竹桿好,加載過程中碎屑能限制裂隙發(fā)育,所以試件極限抗壓強度比單一土壤試件高1.199 MPa。

        (3)柔性材料編織袋包裹后的試件提供約束力,增強內(nèi)部材料摩擦力,提高殘余強度,黃土塊試驗添加編織袋外套使其殘余強度增高了30%。

        (4)在探究不同介質(zhì)的混合材料強度時,應(yīng)優(yōu)先考慮2種材料之間相互關(guān)系,粘結(jié)性越好,則材料強度越高,粘結(jié)性較差時,影響材料整體性能。

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