謝 冰 吳昌勇

1.洛陽理工學院土木工程學院；2.廣西保利置業(yè)集團有限公司

1 引言

生土材料是古老和且廣泛使用的建筑材料之一。據(jù)估計，世界三分之一的人口和發(fā)展中國家50%的人口仍然居住在以生土建材為主建造的房屋中。雖然隨著建筑材料的發(fā)展，耐久性與力學性能更加優(yōu)越的建筑材料越來越廣泛地應(yīng)用于各類建筑中，例如、混凝土、鋼筋以及各類新型合成保溫材料等，但此類現(xiàn)代建筑材料也逐漸暴露出耗能大、成本高等缺點。為了順應(yīng)時代發(fā)展，提倡綠色、低碳、環(huán)保的建筑要求，實現(xiàn)從原材料獲取、使用、維護到循環(huán)利用能夠最大限度地降低對環(huán)境的影響與擾動，生土建材已成為替代傳統(tǒng)高能源需求建筑材料的一個選擇。

由于生土材料往往具有易變形、強度低等缺點，因此國內(nèi)外眾多學者對生土材料的改性問題進行了諸多研究，例如，楊永等[1]采用粉煤灰、石灰、礦渣等作為生土材料改性添加劑對生土改性前后的微細觀結(jié)構(gòu)進行了研究，分析了生土材料改性的內(nèi)在作用機制。張坤[2]、王毅紅[3]等對礫石、河砂等摻料含量對生土塊材受壓性能影響進行了深入研究；類似的文獻還有文[4、5]。眾所周知，植物纖維對于生土的性能改善有一定的作用[6]，鑒于此，本文將以我國能夠廣泛取材的麥草纖維作為生土添加材料，采用室內(nèi)試驗方法對含麥草纖維生土建材的抗壓與抗拉的基本力學性能進行研究。

2 試件制備

本次試驗所采用的試樣由地處我國西北的敦煌地區(qū)天然水、土、沙、麥草等原材料制備而成，其中水、土和沙的質(zhì)量比為0.5:1:1，沙 粒 徑 約 為0.05mm～2mm，土 粒 徑 約 為0.005mm～0.05mm。麥草作為改性材料加入生土材料中，纖維長度控制在5cm～8cm，質(zhì)量約占土、沙總質(zhì)量的2%。試樣通過模具澆筑加工而成，放入40℃恒溫烘箱內(nèi)，放置72小時后脫模，并繼續(xù)烘干。

由于含麥草纖維的生土建材不屬于傳統(tǒng)意義上的土介質(zhì)與巖石介質(zhì)，對其研究相對較少，尚沒有成熟的試驗方法。若按照土樣進行分析，在《土工試驗規(guī)程》（SL 237—1999）與《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40—2007）中明確規(guī)定建議采用圓柱試樣截面直徑為3.5mm～4.0mm；若按照巖樣進行分析，在《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266—2013）與《公路工程巖石試驗規(guī)程》（JTG E41—2005）中明確規(guī)定試樣直徑應(yīng)大于巖石礦物最大顆粒直徑的10 倍，建議取直徑為50mm。考慮到試樣中摻雜麥草纖維尺寸部分可達到5cm～8cm 長，因此若完全按照傳統(tǒng)的巖石或土工試驗標準進行試驗，勢必存在嚴重的尺寸效應(yīng)，故試件采用了相對較大的尺寸。

根據(jù)試驗項目情況，分別制作了不同的試樣，其中，單軸抗壓強度試驗與單軸壓縮變形試驗試樣尺寸為Φ100mm×200mm；劈裂法抗拉強度試驗試樣尺寸為Φ100mm×100mm。典型的試樣見圖1。

圖1 典型試樣

3 試驗與結(jié)果分析

力學性能試驗將全部在由中國科學院武漢巖土力學研究所研制的巖石與混凝土力學實驗系統(tǒng)RMT-301 上完成。該系統(tǒng)的垂直液壓缸推力可選用1500kN、100kN 兩個級別，活塞行程50mm；有效測力范圍為10kN～1500kN，傳感器精度可達10N；水平液壓缸最大推力500kN，活塞行程50mm，傳感器精度為10N；所有位移及行程傳感器的測量精度均優(yōu)于0.3%；分辨率高于0.01%F.S。變形速率可以控制在0.0001mm/s～1mm/s 或加載速率可以控制在0.01kN/s～90kN/s進行試驗。

圖2 試件的單軸抗壓強度試驗

3.1 單軸抗壓強度測試

選取無明顯缺陷，表面光滑平整的Φ100mm×200mm的圓柱體試件進行實驗。將試樣置于壓力機承壓板中心，調(diào)整有球形座的承壓板，使試樣均勻受載，以位移作為加載控制參量，按0.02mm/s的加載速度加荷，直到試樣破壞為止，由計算機自動記錄最大破壞載荷、彈性模量以及加載過程的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線。試件典型試驗過程見圖2，單軸壓縮的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3。

圖3 典型單軸抗壓試驗曲線

經(jīng)統(tǒng)計可得試件的單軸壓縮強度σc以及彈性模量E如表1。

表1 單軸抗壓試驗結(jié)果

3.2 巴西劈裂法抗拉強度測試

巴西劈裂試驗方法測定試樣抗拉強度時，試件加工為Φ100mm×100mm 的圓柱體，通過試件直徑的兩端，沿軸線方向劃兩條相互平行的加載基線；將兩根墊條沿加載基線固定在試件兩端；將試樣置于壓力機承壓板中心，調(diào)整有球形座的承壓板，使試樣均勻受載，并使墊條與試件在同一加荷軸線上；以0.01mm/s的加載速度加荷，直到試樣破壞為止，記錄下最大破壞載荷及加載過程的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)^程曲線。

試樣的抗拉強度σt通過下式確定：

式中：

P——為試樣破壞時的載荷；

D——為試樣直徑；

t——為試樣厚度。

典型巴西劈裂試驗過程見圖4，巴西劈裂試驗的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖5。

圖4 試件的巴西劈裂試驗

圖5 典型巴西劈裂試驗曲線

試驗結(jié)果統(tǒng)計詳見表2。

表2 巴西劈裂試驗結(jié)果

通過計算各試件抗拉強度的平均值可得含麥草纖維試件的抗拉強度約為0.101MPa。

從上述圖3與圖5的試驗曲線中可以觀察到，無論是抗壓強度試驗還是抗拉強度試驗其應(yīng)力應(yīng)變曲線的峰后段均下降相對緩慢，曲線相對平緩，進而表明添加麥草纖維能夠使土體的塑性增強，提升了此類建材的抗變形能力。

4 結(jié)語

本文選取含麥草纖維的生土建材作為研究對象，對其抗壓與抗拉強度進行了試驗分析，獲得了如下結(jié)論：添加麥草纖維的生土建材具有綠色環(huán)保，能夠循環(huán)再生利用；麥草纖維能夠?qū)ι两ú牡目箟号c抗拉力學性能起到改善作用，增加了土體的塑性，提升了生土建材的抗變形能力。