彭麗云，劉銘杰，劉德欣，朱同宇

(北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044)

0 引 言

我國(guó)是世界第一秸稈大國(guó)，秸稈資源豐富，每年的秸稈總產(chǎn)量約8億t[1]。目前秸稈在我國(guó)的應(yīng)用程度不高，與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大[2]。在廣大農(nóng)村，由于機(jī)械化程度低、成本高，秸稈還田難以推廣，致使大量秸稈被廢棄或焚燒，既浪費(fèi)資源，又污染環(huán)境[3]。因此，可通過提高秸稈綜合利用率，變廢為寶，保護(hù)環(huán)境。

關(guān)于植物纖維在土木工程中的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有了一些研究。劉豫等[4]利用竹纖維制備了水泥基復(fù)合材料，對(duì)其力學(xué)性能與耐久性進(jìn)行了研究；王磊等[5]研究了劍麻纖維增強(qiáng)珊瑚混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律；T.Maliakal等[6]研究在黏土中隨機(jī)摻加椰殼纖維，得到其對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律;A.E.M.K.Mohamed[7]利用干草纖維對(duì)膨脹黏性土進(jìn)行了改良；彭麗云等[8]在粉土中摻加玉米秸稈纖維，提高了粉土黏聚力、水穩(wěn)性和承載能力?？梢?，植物纖維具有一定強(qiáng)度，可在土體改良中應(yīng)用，且該方法環(huán)保無污染，前景光明。麥秸稈在土壤中的應(yīng)用，在我國(guó)可追溯到遠(yuǎn)古時(shí)代，通常是將稻草、麥秸稈等摻入土中，建造生土建筑，以期得到較好的強(qiáng)度、抗裂性和良好的保溫性。麥秸稈加筋土的研究不少，李陳財(cái)?shù)萚9]研究了不同形狀麥秸稈對(duì)上海黏土強(qiáng)度的影響；孫浩[10]進(jìn)行了麥秸稈纖維水泥土室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在水泥土中摻入麥秸稈能提高土體的強(qiáng)度與抵抗變形的能力；魏麗等[11]通過試驗(yàn)得出麥秸稈具有良好的筋土摩擦性能；張振北[12]對(duì)麥秸稈加筋黏性土進(jìn)行了微細(xì)觀試驗(yàn)研究，揭示其加筋作用機(jī)理。

綜上，麥秸稈有良好的力學(xué)性能，可在土體改良中使用，但它易風(fēng)化、易被微生物腐蝕，影響加筋土的長(zhǎng)期使用，防腐可解決該問題，但相關(guān)研究少。因此，本文對(duì)麥秸稈的防腐進(jìn)行研究，以期確定防腐劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)及麥秸稈的最佳浸泡時(shí)間，并對(duì)防腐處理前后的麥秸稈、防腐后埋設(shè)在土壤中的麥秸稈和降水模擬條件下的麥秸稈進(jìn)行不同天數(shù)的抗拉強(qiáng)度測(cè)試，從而對(duì)防腐效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。同時(shí)將防腐處理后的麥秸稈作為加筋材料，摻加在粉土中，對(duì)加筋粉土強(qiáng)度進(jìn)行研究，研究成果以期對(duì)麥秸稈在土壤中的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 麥秸稈的組成

麥秸稈主要成分是以SiO2為骨架包裹的纖維素和結(jié)構(gòu)較為疏松的半纖維素與木質(zhì)素，次要成分是灰分和少量抽出物[13]。因含糖量較高，在高溫潮濕環(huán)境中，麥秸稈易被環(huán)境中的微生物腐蝕而喪失強(qiáng)度。同時(shí)麥秸稈內(nèi)部有很多孔隙，吸水能力較強(qiáng)。圖1為天然麥秸稈的橫截面微觀結(jié)構(gòu)圖，放大220倍，從中可見大量孔隙或孔洞存在。

圖1 天然麥秸稈的橫截面微觀結(jié)構(gòu)

2 天然麥秸稈的抗拉強(qiáng)度

試驗(yàn)所用麥秸稈直徑3～4 mm，試驗(yàn)前將其保存在干燥環(huán)境中，去除外表皮和有病害部分，選用無莖節(jié)和有莖節(jié)的試樣各7根，用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率6 mm/min。圖2為極限拉力試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 天然麥秸稈極限拉力散點(diǎn)圖

從圖2可以看出，麥秸稈具有一定的抗拉強(qiáng)度，測(cè)試數(shù)據(jù)離散性較大，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表1。

表1 麥秸稈極限拉力數(shù)據(jù)分析結(jié)果

表1中d是合理的誤差限。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)中異常數(shù)據(jù)處理的肖維勒準(zhǔn)則(Chauvenet Criterion),試驗(yàn)值舍棄標(biāo)準(zhǔn)d7/σ=1.79。表1中的d/σ是試驗(yàn)數(shù)據(jù)中算得的最大值，均小于1.79，未達(dá)到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的舍棄標(biāo)準(zhǔn)。可將極限拉力的平均值作為天然麥秸稈的極限拉力，即無莖節(jié)麥秸稈的極限拉力為169.80 N，有莖節(jié)麥秸稈的極限拉力為73.07 N，前者為后者的2.3倍；前者被拉斷的位置多為秸稈的中間部位，后者多為薄弱的莖節(jié)部位。

綜上，無莖節(jié)的7根麥秸稈拉力測(cè)試結(jié)果離散性低于有莖節(jié)麥秸稈極限拉力測(cè)試結(jié)果的離散性，且拉力較高、標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明無莖節(jié)麥秸稈的材質(zhì)均一性明顯優(yōu)于有莖節(jié)秸稈，為達(dá)到較好的改良效果，后續(xù)研究都將采用無莖節(jié)麥秸稈。

3 麥秸稈防腐性能

3.1 防腐劑的選擇

防腐劑種類繁多，常見的有卡松、苯甲酸、苯甲酸鈉和聚乙烯醇，其中卡松常用于洗滌和化妝品的防腐；苯甲酸和苯甲酸鈉主要應(yīng)用于食品的防腐；聚乙烯醇常用于建材的黏合，具有較好的防腐效果。對(duì)比上述材料的成本，聚乙烯醇最低。因此，本研究中首選聚乙烯醇。

聚乙烯醇是聚醋酸乙烯酯水解得到的水溶性聚合物，是一種可降解的大分子塑料材料，黏結(jié)力較強(qiáng)，安全無毒無味，廣泛應(yīng)用于化工、建筑、食品、農(nóng)業(yè)等眾多行業(yè)。與天然生物大分子材料相比，聚乙烯醇具有較好的成膜性、機(jī)械性能和阻隔性能[14]。聚乙烯醇溶液則是聚乙烯醇粉末加水?dāng)嚢枧渲贫傻哪z凝狀溶液，其溶解度受溫度影響。

聚乙烯醇溶液應(yīng)用于麥秸稈防腐不會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響，也不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，還不會(huì)影響植被生長(zhǎng)。本文擬采用聚乙烯醇溶液作為防腐劑，對(duì)麥秸稈的防腐進(jìn)行研究。

3.2 防腐劑最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)確定

聚乙烯醇溶液的溶解度受溫度影響，為消除溫度影響，試驗(yàn)在常溫下進(jìn)行。將長(zhǎng)20 mm的麥秸稈試樣10 g分別放入相同體積(900 mL)、不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(4%,6%,8%,10%,12%)的聚乙烯醇溶液中進(jìn)行浸泡。浸泡1,3,6 d后，將秸稈取出放入烘箱中，在40 ℃溫度下烘干10 h，使水分完全蒸發(fā)。之后分別稱量秸稈質(zhì)量，以秸稈質(zhì)量的增加判定防腐劑在秸稈孔隙中的填充情況，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液中不同浸泡時(shí)間麥秸稈的質(zhì)量變化曲線

由圖3可知，相同長(zhǎng)度的麥秸稈，在用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的防腐溶液浸泡后，秸稈質(zhì)量均隨秸稈浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，但增長(zhǎng)速率不同。浸泡1 d的麥秸稈質(zhì)量增長(zhǎng)速率最高，1～3 d的質(zhì)量增長(zhǎng)速率變緩，3～6 d時(shí)除10%,12%溶液外，其余溶液浸泡的秸稈質(zhì)量增長(zhǎng)率非常小。由此可以判定在浸泡3 d后，用低于8%的溶液浸泡麥秸稈，秸稈內(nèi)外的溶液基本達(dá)到平衡狀態(tài)，秸稈不再吸收聚乙烯醇；對(duì)高于8%的溶液，3 d后麥秸稈對(duì)聚乙烯醇的吸收還在持續(xù)進(jìn)行，通過對(duì)聚乙烯醇溶液的觀察，發(fā)現(xiàn)溶液還比較黏稠，說明溶液中還有較多溶質(zhì)，麥秸稈可以繼續(xù)吸收達(dá)到飽和。可見,8%,10%,12%效果較好。

相同長(zhǎng)度的秸稈，在浸泡相同時(shí)間后，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的防腐溶液浸泡的秸稈烘干后質(zhì)量較大，但不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)溶液下秸稈質(zhì)量的增長(zhǎng)有所不同。具體表現(xiàn)為，每增長(zhǎng)2%時(shí)，秸稈質(zhì)量從8%到10%增長(zhǎng)最快，其次為6%～8%，4%～6%和10%～12%增長(zhǎng)量相差不大?？梢耘卸ǎ菹嗤瑫r(shí)間后，從4%增大到12%的過程中，防腐劑對(duì)秸稈的填充度表現(xiàn)為先小幅增加，接著快速增加，隨后增幅減緩；從6%到8%增加很大，從8%到10%增加繼續(xù)，甚至更大，而從10%到12%增幅急劇降低。因此，從溶液的效能發(fā)揮角度而言，10%效果最佳，即此時(shí)秸稈對(duì)溶質(zhì)的吸收效果最好，秸稈質(zhì)量增長(zhǎng)最快。

綜上，確定10%為防腐劑的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

3.3 不同長(zhǎng)度麥秸稈最佳浸泡時(shí)間

為了研究麥秸稈長(zhǎng)度與聚乙烯醇溶液浸泡飽和時(shí)間之間的關(guān)系，將不同長(zhǎng)度(10,15,20,30 mm)的麥秸稈各10 g分別放入900 mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚乙烯醇溶液中，如圖4所示，進(jìn)行浸泡1,2,3,4,5,6,7 d試驗(yàn)。

圖4 浸泡在聚乙烯醇溶液中的麥秸稈

不同長(zhǎng)度麥秸稈浸泡在聚乙烯醇中,不同天數(shù)后烘干的質(zhì)量變化如圖5所示。

圖5 不同長(zhǎng)度麥秸稈浸泡不同天數(shù)的質(zhì)量變化曲線

可以看出，不同長(zhǎng)度的麥秸稈在浸泡1 d時(shí)質(zhì)量增長(zhǎng)速率均最快，其中長(zhǎng)10 mm麥秸稈質(zhì)量增長(zhǎng)率最高，達(dá)到了41.2%。原因是聚乙烯醇溶液具有黏滯性，浸泡其中的麥秸稈是一根兩端開口的管路，溶液在管路中因自身的黏滯性而使流動(dòng)受到阻礙，秸稈長(zhǎng)度越短，1 d時(shí)溶液流進(jìn)秸稈管路的距離相對(duì)越長(zhǎng)，與秸稈的接觸面積越大，起始吸收速率越高，質(zhì)量增長(zhǎng)越大。之后的1～4 d，秸稈質(zhì)量增長(zhǎng)速率明顯降低。

長(zhǎng)10 mm和15 mm麥秸稈在浸泡4 d后質(zhì)量不再發(fā)生變化，可認(rèn)為秸稈中的孔隙被聚乙烯醇完全充滿，已經(jīng)達(dá)到了飽和狀態(tài)；長(zhǎng)20 mm和30 mm的麥秸稈到5 d時(shí)質(zhì)量有所增加，5 d后兩者質(zhì)量基本不再發(fā)生變化，此時(shí)秸稈達(dá)到飽和狀態(tài)，但5 d時(shí)秸稈質(zhì)量與4 d時(shí)相比變化不大，可以忽略。因此，將4 d定為麥秸稈浸泡聚乙烯醇溶液的最佳時(shí)間。

4 防腐效果評(píng)價(jià)

4.1 浸水、浸膠麥秸稈極限拉力對(duì)比

為判定聚乙烯醇溶液對(duì)秸稈的防腐效果，將長(zhǎng)6 cm的麥秸稈分別浸入水中和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的聚乙烯醇溶液中1,2,3,4,5,6,7,14 d，進(jìn)行烘干處理，并測(cè)試抗拉強(qiáng)度，圖6為麥秸稈浸水和浸入聚乙烯醇溶液后極限拉力變化曲線。

圖6 麥秸稈極限拉力變化曲線

由圖6可知，浸水麥秸稈的極限拉力隨著浸泡時(shí)間增長(zhǎng)而不斷降低。與天然麥秸稈相比，浸水4,7,14 d時(shí)的麥秸稈極限拉力分別降低了28.05%,58.09%和88.01%。

浸泡防腐溶液的麥秸稈在前4 d時(shí)極限拉力隨時(shí)間增長(zhǎng)不斷增加，4 d后極限拉力有所降低，但降低幅度不大。4 d時(shí)極限拉力達(dá)到最大值，此時(shí)與未浸泡的天然麥秸相比，極限拉力提高22.6%，與浸水4 d的麥秸稈相比，極限拉力提高70.4%，提升幅度較大，防腐效果明顯。7 d和14 d時(shí)麥秸稈的極限拉力與浸泡6 d的極限拉力非常接近，說明再長(zhǎng)時(shí)間的浸泡也不會(huì)降低麥秸稈強(qiáng)度，此時(shí)的極限拉力也比未浸泡的天然麥秸稈高14.1%，是浸水14 d的麥秸稈的8.5倍，差距明顯?？梢?，聚乙烯醇可提高麥秸稈極限拉力。

秸稈浸泡4 d時(shí)，達(dá)到飽和，此時(shí)抗拉強(qiáng)度最大，說明麥秸稈強(qiáng)度增長(zhǎng)直接取決于麥秸稈浸入防腐劑中孔隙和空隙被防腐劑充填的程度，填充程度越高，強(qiáng)度越大，填充達(dá)到飽和后，強(qiáng)度便不會(huì)隨著麥秸稈的浸泡時(shí)間而繼續(xù)增長(zhǎng)。

4.2 埋入土中麥秸稈在不同環(huán)境中的極限拉力

將98根長(zhǎng)6 cm麥秸稈做防腐處理后分為兩組摻入到最佳含水率的粉土中，壓實(shí)度為0.90。一組每周進(jìn)行一次模擬降雨，12 h降雨量為20 mm，降雨強(qiáng)度為大雨，另一組不進(jìn)行模擬降雨。

1,2,3,5,7,9,11周后取出麥秸稈，進(jìn)行麥秸稈拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 麥秸稈在應(yīng)用環(huán)境中極限拉力變化曲線

由圖7可知，兩組麥秸稈的極限拉力均隨著時(shí)間增長(zhǎng)逐漸減小，但降幅很低，7周后基本達(dá)到穩(wěn)定，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，極限拉力僅降低了2.06%，基本可以忽略。說明以聚乙烯醇溶液作為麥秸稈的防腐劑，不但可從化學(xué)方面起到防腐作用，防止麥秸稈在土體環(huán)境中被微生物腐蝕，而且麥秸稈中的孔隙被聚乙烯醇填充，在孔隙表層生成一層保護(hù)膜，阻隔水進(jìn)入麥秸稈孔隙，因此防腐麥秸稈埋入土中后，其強(qiáng)度沒有較多損失，雨水也并沒有影響防腐麥秸稈的力學(xué)性能。

5 麥秸稈加筋對(duì)粉土抗剪強(qiáng)度的影響

試驗(yàn)用土物理性質(zhì)如表2所示。

表2 試驗(yàn)用土的物理性質(zhì)

該粉土中，細(xì)礫1.74%，粗砂1.86%，中砂1.21%，細(xì)砂2.12%，粉粒92.88%，黏粒0.19%。根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)[15]，可判定其為含砂低液限粉土。

為了探究麥秸稈加筋對(duì)粉土抗剪強(qiáng)度的影響，對(duì)素土和加筋粉土進(jìn)行直剪試驗(yàn)。試驗(yàn)所用麥秸稈長(zhǎng)10 mm，放入最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的聚乙烯醇溶液中浸泡4 d后，取出進(jìn)行烘干處理，按照0.2%,0.4%,0.6%,0.8%的加筋率摻入到土中。將素土與加筋粉土配置成最優(yōu)含水率、0.90壓實(shí)度下的試樣，進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)的剪切速率為0.8 mm/min，豎向壓力為50,100,200,400 kPa，得到加筋粉土的黏聚力和內(nèi)摩擦角,如圖8～9所示。

由圖8可知，麥秸稈加筋粉土的黏聚力隨麥秸稈加筋率的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。與素土相比，加筋率在0.2%,0.4%,0.6%與0.8%的加筋土黏聚力分別提升了36.3%,54.5%,63.6%,36.3%。其原因?yàn)椋蝴溄斩捓w維在土中的分布是無序的，當(dāng)加筋率較低時(shí)，麥秸稈分布無序性較強(qiáng)，麥秸稈自身能夠與土顆粒充分接觸，且土中的麥秸稈纖維相互交織，在土體發(fā)生剪切過程中，這些交織的纖維會(huì)對(duì)剪切產(chǎn)生一定的阻礙作用。而當(dāng)加筋率較大，超過0.6%后，加筋率過高，麥秸稈纖維在土體中分布的均勻度降低，容易聚集在一起，與土顆粒接觸不充分，從而增大了土體的孔隙率，影響了土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和密實(shí)性，削弱了土體的黏聚力。

圖8 加筋土黏聚力的變化曲線

麥秸稈加筋粉土的黏聚力與加筋率的關(guān)系可用式(1)表示，其R2=0.956 2。

c=8.48+21b-20.88b2,

(1)

式中：c為黏聚力，kPa；b為加筋率，%。

由圖9可知，麥秸稈加筋粉土的內(nèi)摩擦角隨著加筋率增加而增大，但是增大的數(shù)值較小且增大速率逐漸降低，與素土比較，加筋率為0.6%～0.8%的加筋土內(nèi)摩擦角增大了6.3%～6.8%，兩者相差不大。這是因?yàn)辂溄斩捓w維摻加在土體中，對(duì)土體中的孔隙起到了一定的充填作用，增加了土體的密實(shí)程度，提高了土顆粒之間的摩擦和咬合，致使土體內(nèi)摩擦角增大。同時(shí)由于麥秸稈表面的光滑性，會(huì)使麥秸稈和土顆粒之間的摩擦減小，但由于麥秸稈摻量很低，這部分對(duì)土體內(nèi)摩擦角的降低作用較小。上述增大作用強(qiáng)于減小作用，因此，內(nèi)摩擦角總體上是增加的，但是隨著麥秸稈摻量增加，減小作用逐漸增強(qiáng)，致使內(nèi)摩擦角增長(zhǎng)速率變緩。麥秸稈加筋粉土的內(nèi)摩擦角與加筋率的關(guān)系可用式(2)表示，其R2=0.991 4。

圖9 加筋土內(nèi)摩擦角變化曲線

φ=25.89+3.74b-1.88b2,

(2)

式中：φ為內(nèi)摩擦角,°；b為加筋率,%。

綜上，麥秸稈加筋可以改善粉土的抗剪強(qiáng)度，主要體現(xiàn)在黏聚力的提升，對(duì)內(nèi)摩擦角也有提升，但提升較小。加筋率為0.6%時(shí)，加筋土的黏聚力達(dá)到最大值，再增大加筋率黏聚力發(fā)生了大幅度降低；對(duì)于內(nèi)摩擦角而言，加筋率為0.6%～0.8%時(shí)，加筋土的內(nèi)摩擦角相差不大，并且增幅較小。增大粉土的黏聚力可以提升其水穩(wěn)性，更有利于土體強(qiáng)度的提升。因此在試驗(yàn)所取的加筋率范圍內(nèi)，可將0.6%作為麥秸稈加筋粉土的最優(yōu)加筋率。當(dāng)加筋率超過該值會(huì)造成土體抗剪強(qiáng)度降低。所以在利用麥秸稈纖維進(jìn)行土體改良時(shí)應(yīng)該控制加筋率。

6 結(jié) 論

(1)聚乙烯醇溶液對(duì)麥秸稈有防腐作用，常溫下，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，麥秸稈防腐效果最佳，4 d為秸稈在防腐劑溶液中的最佳浸泡時(shí)間。

(2)聚乙烯醇溶液防腐處理后的麥秸稈，其極限拉力較天然麥秸稈大幅提高，浸泡4 d后的強(qiáng)度達(dá)到最大值，且長(zhǎng)期浸泡下極限拉力降幅較??；防腐處理后的麥秸稈有較好的防腐性能，埋入土壤中后，放置時(shí)間的長(zhǎng)短和降雨對(duì)麥秸稈的極限拉力影響很小，防腐后的麥秸稈可以在土中長(zhǎng)期使用。

(3)麥秸稈經(jīng)過防腐后摻入到粉土中，會(huì)提高粉土的黏聚力和內(nèi)摩擦角，從而提高粉土的強(qiáng)度、增加粉土填筑工程的水穩(wěn)性。其中對(duì)黏聚力的提升作用較內(nèi)摩擦角顯著；麥秸稈加筋土存在最優(yōu)加筋率，在該加筋率時(shí)對(duì)粉土抗剪強(qiáng)度的提升作用最大。