劉 江，袁 康,2，張松林，陳 楠,2

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832003；2.新疆兵團(tuán)高烈度寒區(qū)建筑抗震節(jié)能技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，石河子 832003)

0 引 言

我國(guó)生土建筑起源于中西部及黃河中上游地區(qū)，使用材料為原狀土質(zhì)材料，故生態(tài)環(huán)保、就地取材、造價(jià)低廉、技術(shù)簡(jiǎn)單成為生土建筑最明顯的優(yōu)點(diǎn)[1]。在環(huán)境污染、生態(tài)危機(jī)備受關(guān)注的今天，生土仍是中西部地區(qū)具有發(fā)展前景的綠色環(huán)保建筑材料，生土建筑仍將長(zhǎng)期存在于中西部農(nóng)村地區(qū)，并在新農(nóng)村建設(shè)中發(fā)揮重要作用。但歷次震害表明，生土結(jié)構(gòu)是各類(lèi)村鎮(zhèn)建筑中破壞最為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)形式，其中生土砌塊墻體的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為沿泥漿灰縫處的剪切破壞，故泥漿作為生土墻砌塊之間的黏結(jié)材料，其力學(xué)性能對(duì)生土砌體的抗剪、抗壓及抗折強(qiáng)度有重要影響，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)的抗震性能[2]。因此在泥漿中摻入適量的改性材料，以提高泥漿砌筑生土墻的抗剪承載力，從而保證生土結(jié)構(gòu)的抗震性能顯得十分必要。

近些年，有關(guān)泥漿改性的研究受到較多學(xué)者關(guān)注。宋加興[3]通過(guò)向素土中摻加不同體積比的麥秸稈和綠豆砂對(duì)泥漿進(jìn)行改性，制作改性泥漿立方體試件并對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，改性后泥漿的抗壓強(qiáng)度增大。王毅紅等[4]研究了稻草對(duì)生土砌筑泥漿力學(xué)性能的影響，采用單軸抗壓試驗(yàn)對(duì)不同配比的泥漿試件進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，稻草有效提高了泥漿的黏結(jié)強(qiáng)度且顯著提升了其抵抗變形能力。楊森等[5]通過(guò)向泥漿中復(fù)摻草筋、水泥、生石灰、糯米改善力學(xué)性能并進(jìn)行正交試驗(yàn)探討泥漿改性后抗壓、抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律，得到改性泥漿最優(yōu)配比。劉伯成[6]利用生土、2.5R水泥、礦渣、砂按一定配比拌和制成改性泥漿，對(duì)利用改性泥漿砌筑而成的砌體進(jìn)行抗壓試驗(yàn)研究并與未改性泥漿砌體進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，由改性泥漿砌筑的砌體在抗壓強(qiáng)度方面有所增加。丁蘇金等[7]研究了礦渣-硫酸鈉復(fù)合改性泥漿，發(fā)現(xiàn)硫酸鈉在生土基黏結(jié)材料內(nèi)起硫酸鹽、堿激發(fā)雙重作用，增強(qiáng)了泥漿黏結(jié)材料的抗壓強(qiáng)度。Walker[8]對(duì)水泥改性的土坯與水泥石灰泥漿砌筑的砌體進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)和彎曲黏結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果表明，土坯砌體彎曲黏結(jié)強(qiáng)度不僅與土坯塊材自身的性能有關(guān)，砌筑泥漿的性能對(duì)其也有顯著的影響。Laursen等[9]利用粉煤灰對(duì)泥漿進(jìn)行改性，用改性后的泥漿砌筑土坯磚砌體并進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明，泥漿改性對(duì)抗壓強(qiáng)度有提高作用。李鑫[10]在素土中加入水泥、砂、熟石灰、氧化鐵紅、聚丙烯纖維等材料制成多組改性泥漿，以普通燒結(jié)磚為黏結(jié)基材，進(jìn)行泥漿的抗裂指數(shù)和黏結(jié)性能的測(cè)試，得到了改性泥漿的最優(yōu)配比，研究表明，改性泥漿的黏結(jié)強(qiáng)度可達(dá)到素泥漿黏結(jié)強(qiáng)度的10倍左右。張曉昌[11]針對(duì)傳統(tǒng)砌筑泥漿黏結(jié)性能差、強(qiáng)度低的缺點(diǎn)對(duì)泥漿進(jìn)行改性，結(jié)果表明，不同灰砂比、外加劑對(duì)泥漿抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、折壓比均有不同程度的影響。Yetgin等[12]發(fā)現(xiàn)纖維可普遍提高泥漿的力學(xué)性能，隨著纖維含量增加，抗壓、抗拉強(qiáng)度提高，收縮率降低。朱憲榮等[13]研究表明，適量的羧甲基淀粉可有效提高泥漿的抗壓強(qiáng)度。

綜上可知，泥漿改性常用方法是物理及化學(xué)改性法，通過(guò)添加改性材料，砂漿力學(xué)性能及耐久性能得到提升。但目前相關(guān)研究主要集中在利用改性材料提高泥漿強(qiáng)度方面，對(duì)提高泥漿砌筑砌體抗剪強(qiáng)度的研究較少，且相關(guān)學(xué)者均未對(duì)所提出的改性材料是否破壞生土的歸田性進(jìn)行探討。為提高生土結(jié)構(gòu)抗震性能的同時(shí)，確保生土結(jié)構(gòu)保留生態(tài)環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的特點(diǎn)，本文在考慮不破壞生土歸田性(即確保生土建筑在服役期結(jié)束后可覆土歸田用于農(nóng)作物種植)的前提下，提出了生土泥漿生態(tài)改性配方以提高砌體抗剪強(qiáng)度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)墻體抗震性能的目的。以糯米膠、丙烯酸乳液、速溶膠粉、纖維素為改性材料，首先采用單因素試驗(yàn)來(lái)初步判斷各改性材料對(duì)泥漿力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，并通過(guò)正交試驗(yàn)進(jìn)一步探討各改性材料摻量對(duì)性能的影響顯著性，得到改性泥漿最優(yōu)配比；然后，通過(guò)生土砌體抗剪試驗(yàn)，獲得改性生土砌體相較于非改性生土砌體抗剪能力的提升效果；最后，通過(guò)對(duì)改性生土材料進(jìn)行土壤種植試驗(yàn)及成分檢測(cè)分析來(lái)判斷其是否具有歸田性。

1 改性泥漿配方

本文通過(guò)單因素試驗(yàn)、正交試驗(yàn)展開(kāi)對(duì)泥漿改性方案的研究，得到改性泥漿的最優(yōu)配比，并采用改性泥漿砌筑生土砌體，與非改性泥漿砌筑生土砌體進(jìn)行抗剪試驗(yàn)對(duì)比研究，驗(yàn)證其砌體層面抗剪強(qiáng)度提升效果。

1.1 試驗(yàn)材料選取

改性材料選取依據(jù)提高泥漿抗剪強(qiáng)度的原則，同時(shí)也應(yīng)考慮無(wú)毒，無(wú)異味性，確保泥漿改性后，可用于種植并且不會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成污染。綜合考慮選取糯米膠、丙烯酸乳液、速溶膠粉、羥丙基甲基纖維素作為改性材料；生土料選取石河子市郊區(qū)黃黏土，去除其中大顆粒土粒及雜質(zhì)，得到1～2 mm的細(xì)土料，同時(shí)參照農(nóng)民習(xí)慣摻入麥秸稈；拌和用水選取實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。所選取改性材料基本特性如下：

1)糯米膠：主要成分為純天然無(wú)毒可食用糯米，呈乳白色膠體狀，有利于增加土料顆粒間的黏結(jié)性。

2)丙烯酸乳液：由純丙烯酸酯類(lèi)單體共聚而成的乳白色乳液，符合無(wú)毒、無(wú)刺激環(huán)保要求。

3)速溶膠粉：以天然高分子聚合物為主料，呈白色粉狀，無(wú)毒，無(wú)害且黏度高。

4)羥丙基甲基纖維素：白色顆粒狀粉末，安全無(wú)毒，可有效改善泥漿的可塑性。

1.2 改性泥漿配比試驗(yàn)

1.2.1 單因素試驗(yàn)

為研究四種改性材料摻量對(duì)生土砌體砌筑泥漿抗剪、抗壓及抗折強(qiáng)度的影響規(guī)律，參考文獻(xiàn)[5，14-15]，采用單因素試驗(yàn)方法同時(shí)初步給出各改性材料摻量水平，還摻有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的麥秸稈，共設(shè)計(jì)17組試驗(yàn)工況，包括未改性組1組，每組工況下制作6個(gè)試件。相關(guān)試驗(yàn)摻量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，四種改性材料摻量如表1所示。

表1 各改性材料摻量水平Table 1 Dosage level of each modified material

抗剪試驗(yàn)中，首先將生土料放入環(huán)刀中擠塑成型，48 h后脫模并將試塊切成高1 cm的上、下餅塊，當(dāng)餅塊養(yǎng)護(hù)至干燥以后，用摻有四種改性材料的泥漿將上、下餅塊黏結(jié)，泥漿厚度為10 mm，試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[16]進(jìn)行，即采用應(yīng)變控制式直剪儀沿泥漿與生土試塊之間灰縫進(jìn)行抗剪試驗(yàn)。具體方法為：將試塊放入剪切盒中，用細(xì)砂在上表面進(jìn)行找平，最后加蓋板并放到應(yīng)變控制式直剪儀上，施加豎直壓力0.1 MPa,并以1.2 mm/min的速率剪切，儀器手柄旋轉(zhuǎn)一周，觀察測(cè)力計(jì)數(shù)值，以數(shù)值達(dá)到穩(wěn)定或顯著下降作為試驗(yàn)結(jié)束條件。抗折、抗壓試驗(yàn)參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)[17]進(jìn)行，試驗(yàn)儀器為30 t萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)，采用連續(xù)位移控制加載方式，加載速度為1.0 mm/min。先進(jìn)行抗折試驗(yàn)，用折斷后的試塊進(jìn)行抗壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后記錄各組強(qiáng)度數(shù)值。

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，按照上文相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)取每組工況6個(gè)試件實(shí)測(cè)強(qiáng)度的平均值作為結(jié)果(試樣如有較大誤差則舍去，則取剩下試件的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算)，如表2所示。各改性材料摻量與泥漿抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。

表2 改性泥漿實(shí)測(cè)強(qiáng)度結(jié)果Table 2 Measured strength results of modified mud

由表2可知，未改性泥漿組抗剪強(qiáng)度為0.451 kPa，抗壓強(qiáng)度為3.47 MPa，抗折強(qiáng)度為1.32 MPa，加入各材料的改性泥漿組的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都有不同程度的提升，本試驗(yàn)研究改性泥漿在提高砌體抗剪能力方面的顯著性，故著重分析各因素?fù)搅克较驴辜魪?qiáng)度提升效果。由圖1可知，各因素對(duì)抗剪強(qiáng)度影響規(guī)律及合理?yè)搅繀^(qū)間分析如下：

1)當(dāng)糯米膠摻量在4%～10%時(shí)，抗剪強(qiáng)度先不斷上升達(dá)到峰值后下降，在峰值兩側(cè)的同一抗剪強(qiáng)度值對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同摻量，需進(jìn)一步分析；當(dāng)摻量在10%～13%時(shí)，抗剪強(qiáng)度雖有所提升，但由于增長(zhǎng)速度過(guò)于緩慢且考慮到后續(xù)農(nóng)作物種植用的土壤結(jié)構(gòu)不宜過(guò)于緊密，故此區(qū)間舍去，初步確定糯米膠合理?yè)搅繀^(qū)間為4%～10%。

2)當(dāng)丙烯酸乳液摻量在0.1%～0.7%時(shí)，抗剪強(qiáng)度先不斷下降達(dá)到谷值后再上升，在此區(qū)間兩端處的同一抗剪強(qiáng)度值對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同摻量，需進(jìn)一步分析；當(dāng)摻量在0.7%～1.0%時(shí)，抗剪強(qiáng)度逐漸下降，所以此區(qū)間舍去，初步確定丙烯酸乳液合理?yè)搅繀^(qū)間為0.1%～0.7%。

3)當(dāng)速溶膠粉摻量在0.8%～1.4%時(shí)，抗剪強(qiáng)度先不斷上升達(dá)到峰值后不斷下降，在峰值附近的同一抗剪強(qiáng)度值對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同摻量，需進(jìn)一步分析；當(dāng)摻量在1.4%～1.7%時(shí)，抗剪強(qiáng)度呈不斷下降的趨勢(shì)，所以此區(qū)間舍去，初步確定速溶膠粉合理?yè)搅繀^(qū)間為0.8%～1.4%。

4)當(dāng)纖維素?fù)搅吭?.5%～1.0%時(shí)，抗剪強(qiáng)度提升速度較快但沒(méi)有達(dá)到峰值，不在最優(yōu)摻量考慮范圍內(nèi)，所以此區(qū)間舍去；當(dāng)摻量在1.0%～1.5%時(shí)，抗剪強(qiáng)度提升速度相較之前有所減緩，摻量為1.5%時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值；當(dāng)摻量在1.5%～2.0%時(shí)，抗剪強(qiáng)度呈不斷下降的趨勢(shì)且考慮此材料經(jīng)濟(jì)性，無(wú)需過(guò)多的摻加，所以此區(qū)間舍去，初步確定纖維素合理?yè)搅繀^(qū)間為1.0%～1.5%。

由單因素試驗(yàn)分析初步得出各因素合理區(qū)間，為后續(xù)正交試驗(yàn)縮小了摻量水平取值范圍。

圖1 各改性材料摻量與泥漿抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.1 Relationship curves of each modified material dosage and mud shear strength

1.2.2 正交試驗(yàn)

基于單因素試驗(yàn)得到糯米膠摻量、丙烯酸乳液摻量、速溶膠粉摻量、纖維素?fù)搅繉?duì)改性泥漿抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，為得到強(qiáng)度滿(mǎn)足砌筑要求的合理配比，采取4因素3水平L9(34)的正交試驗(yàn)方案。參照單因素試驗(yàn)結(jié)果，盡可能地減少改性材料摻量，故選取糯米膠摻量(A)4%、7%、10%三種水平，丙烯酸乳液摻量(B)0.2%、0.4%、0.6%三種水平，速溶膠粉摻量(C)0.8%、1.0%、1.2%三種水平，纖維素?fù)搅?D)1.00%、1.25%、1.50%三種水平，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)方案,如表3所示。抗壓、抗折、抗剪試驗(yàn)方法與單因素試驗(yàn)的相關(guān)方法一致。

表3 正交試驗(yàn)方案Table 3 Orthogonal test scheme

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析并整理得正交試驗(yàn)結(jié)果,如表4所示。本節(jié)將分別對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析、方差分析,以及對(duì)各因素指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，最終確定改性材料的最優(yōu)摻量。

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Orthogonal test results

極差分析可反映各因素對(duì)改性泥漿抗剪、抗壓、抗折強(qiáng)度在不同水平上影響程度的大小。若極差值越大則代表該因素對(duì)研究的性能指標(biāo)影響較大，反之則影響較小。通過(guò)此分析可以確定糯米膠摻量(A)、丙烯酸乳液摻量(B)、速溶膠粉摻量(C)、纖維素?fù)搅?D)對(duì)性能指標(biāo)影響主次順序，極差分析結(jié)果如表5所示。從表5可以得出：①對(duì)于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，各因素影響順序?yàn)槔w維素?fù)搅?、糯米膠摻量、丙烯酸乳液摻量、速溶膠粉摻量;②對(duì)于抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，各因素影響順序?yàn)榕疵啄z摻量、纖維素?fù)搅?、速溶膠粉摻量、丙烯酸乳液摻量;③對(duì)于抗折強(qiáng)度指標(biāo)，各因素影響順序?yàn)槔w維素?fù)搅俊⑴疵啄z摻量、丙烯酸乳液摻量、速溶膠粉摻量。

表5 極差分析結(jié)果Table 5 Range analysis results

極差分析雖簡(jiǎn)便、直觀，但不能區(qū)分試驗(yàn)結(jié)果的差異是由各因素的水平變化導(dǎo)致，還是由試驗(yàn)的隨機(jī)波動(dòng)而導(dǎo)致，故利用方差分析能有效區(qū)分二者差別，方差分析結(jié)果如表6所示。從表6中可以得出：①對(duì)于抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，纖維素?fù)搅繉?duì)改性泥漿影響顯著，糯米膠摻量次之，丙烯酸乳液與速溶膠粉摻量影響較?。虎趯?duì)于抗壓強(qiáng)度指標(biāo)，糯米膠摻量對(duì)改性泥漿影響顯著，纖維素?fù)搅看沃?，丙烯酸乳液與速溶膠粉摻量影響較??；③對(duì)于抗折強(qiáng)度指標(biāo)，纖維素?fù)搅繉?duì)改性泥漿影響顯著，糯米膠摻量次之，丙烯酸乳液與速溶膠粉摻量影響較小。

表6 方差分析結(jié)果Table 6 Variance analysis results

通過(guò)極差、方差分析已經(jīng)得知各因素對(duì)改性泥漿性能的影響大小，但誤差自由度小(僅為2)，會(huì)使檢驗(yàn)靈敏度偏低，所以在確定配比時(shí)應(yīng)進(jìn)行各因素指標(biāo)分析，因本試驗(yàn)研究改性泥漿在提高砌體抗剪強(qiáng)度方面的提升效果，故著重于抗剪強(qiáng)度因素指標(biāo)分析。

四種因素與改性泥漿試塊抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)如圖2所示。由圖2可以看出：當(dāng)糯米膠摻量在4%～7%時(shí)，抗剪強(qiáng)度逐漸上升，這是因?yàn)榕疵啄z與泥漿中土體礦物顆粒黏接在一起，填充較大的孔隙，使結(jié)構(gòu)變得緊密[18]，當(dāng)摻量為7%時(shí)，最大抗剪強(qiáng)度為0.676 kPa，當(dāng)摻量在7%～10%時(shí)，糯米膠的摻量較高，膠中過(guò)多的水分使結(jié)構(gòu)從緊密變得松散，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度下降，故確定糯米膠的最優(yōu)摻量為7%；當(dāng)丙烯酸乳液摻量在0.2%～0.4%時(shí)，抗剪強(qiáng)度略有下降，這是因?yàn)閾饺氲娜橐捍嬖谝欢ǖ囊龤庾饔?，致使泥漿內(nèi)孔洞增加，孔洞處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成結(jié)構(gòu)微裂縫[19]，降低了抗剪強(qiáng)度，當(dāng)摻量為0.4%～0.6%時(shí)抗剪強(qiáng)度有所提升，是因?yàn)殡S著乳液摻量增加，形成的聚合物膜結(jié)構(gòu)變得致密，使泥漿內(nèi)微缺陷得到修復(fù)，考慮此材料的經(jīng)濟(jì)性，故確定丙烯酸乳液的最優(yōu)摻量為0.2%；當(dāng)速溶膠粉摻量在0.8%～1.0%時(shí)，抗剪強(qiáng)度呈上升趨勢(shì)，這是因?yàn)槟z粉填充了泥漿中的孔隙，并對(duì)土顆粒有較好的包裹黏結(jié)作用[20]，當(dāng)摻量為1.0%時(shí)，最大抗剪強(qiáng)度為0.658 kPa，此后抗剪強(qiáng)度逐漸下降，可能是因?yàn)槟酀{中的水分逐漸減少形成失水空腔，削弱了黏結(jié)作用，故確定速溶膠粉的最優(yōu)摻量為1.0%；當(dāng)纖維素?fù)搅吭?.00%～1.25%時(shí)，抗剪強(qiáng)度上升明顯，這是因?yàn)槔w維素為鏈狀大分子，起到了類(lèi)似纖維的作用，增強(qiáng)了泥漿黏聚力[21]，當(dāng)摻量在1.25%～1.50%時(shí)，抗剪強(qiáng)度增幅不明顯，這是因?yàn)槔w維素增強(qiáng)黏結(jié)的能力有限，無(wú)法大幅度提高泥漿抗剪能力，考慮纖維素的價(jià)格，故確定纖維素的最優(yōu)摻量為1.25%。

圖2 各因素與改性泥漿試塊抗剪強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 Relationship curves of each factor and modified mud test block shear strength

四種因素與改性泥漿試塊抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示。由圖3可以看出：當(dāng)糯米膠摻量在4%～10%時(shí)，抗壓強(qiáng)度先上升達(dá)到峰值后再下降，峰值對(duì)應(yīng)的摻量為7%；當(dāng)丙烯酸乳液摻量在0.2%～0.6%時(shí)，抗壓強(qiáng)度先下降再緩慢提升，摻量為0.2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度值最大；當(dāng)速溶膠粉摻量在0.8%～1.2%時(shí)，抗壓強(qiáng)度先上升達(dá)到峰值后再下降，峰值對(duì)應(yīng)的摻量為1.0%；當(dāng)纖維素?fù)搅吭?.00%～1.50%時(shí)，抗壓強(qiáng)度逐漸下降，在摻量為1.25%時(shí)，下降速度有所減小。

圖3 各因素與改性泥漿試塊抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Relationship curves of each factor and modified mud test block compressive strength

四種因素與改性泥漿試塊抗折強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)如圖4所示。由圖4可以看出：當(dāng)糯米膠摻量在4%～10%時(shí)，抗折強(qiáng)度上升到峰值后再逐漸下降，峰值對(duì)應(yīng)的摻量為7%；當(dāng)丙烯酸乳液摻量在0.2%～0.6%時(shí)，抗折強(qiáng)度逐漸下降，最大抗折強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的摻量為0.2%；當(dāng)速溶膠粉摻量在0.8%～1.2%時(shí)，抗折強(qiáng)度呈先上升達(dá)到峰值后再逐漸下降的趨勢(shì)，峰值對(duì)應(yīng)的摻量為1.0%；當(dāng)纖維素?fù)搅吭?.00%～1.50%時(shí)，抗折強(qiáng)度逐漸下降，但在摻量為1.25%時(shí)，下降速度有所減緩。

圖4 各因素與改性泥漿試塊抗折強(qiáng)度關(guān)系曲線(xiàn)Fig.4 Relationship curves of each factor and modified mud test block flexural strength

在各強(qiáng)度因素指標(biāo)分析中，應(yīng)將抗剪強(qiáng)度作為主要控制指標(biāo)，在選取各材料的最優(yōu)摻量時(shí)將抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析結(jié)果作為主要選取依據(jù)。對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差、方差、因素指標(biāo)的分析，得到各材料不同摻量水平下改性泥漿力學(xué)性能的變化規(guī)律及合理?yè)搅?，最終確定改性泥漿材料的最佳配比：糯米膠摻量7%，丙烯酸乳液摻量0.2%，速溶膠粉摻量1.0%，纖維素?fù)搅?.25%。經(jīng)過(guò)改性，泥漿的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為0.679 kPa、4.62 MPa和1.63 MPa，分別提升了50.55%、33.14%和23.48%。

1.3 改性泥漿生土砌體抗剪性能

采用改性砌體砌筑泥漿最優(yōu)配比，參照《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)[22]分別砌筑改性生土磚砌體、非改性生土磚砌體，對(duì)比分析改性前后砌體的抗剪強(qiáng)度，驗(yàn)證改性泥漿配方對(duì)砌體抗剪強(qiáng)度的提升效果。

1.3.1 試件制備

分別制備改性、非改性泥漿生土砌體試件，每個(gè)生土砌體試件由9塊生土砌塊砌筑而成，每組9個(gè)，共2組。砌筑過(guò)程中應(yīng)保證磚塊之間泥漿灰縫飽滿(mǎn)，厚度在12 mm左右。

1.3.2 試驗(yàn)方法

分別對(duì)改性、非改性砌體試件進(jìn)行抗剪試驗(yàn)，采用30 t萬(wàn)能壓力試驗(yàn)機(jī)，加載初期先使千斤頂?shù)牧鞲衅骶徛佑|到上部墊板，正式加載速度為1.5 mm/min，以試件有一個(gè)受剪面破壞作為試驗(yàn)結(jié)束的條件，并記錄破壞荷載值。

1.3.3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試件裂縫的破壞主要沿著泥漿與砌塊的豎向黏結(jié)面展開(kāi)，根據(jù)試驗(yàn)中觀察到的砌體試件裂縫狀況，可將此次試驗(yàn)分為三個(gè)階段：裂縫形成階段，首先觀察到裂縫在試件頂部的灰縫處形成，隨著加載過(guò)程進(jìn)行，裂縫明顯加寬，由于泥漿與土磚之間的粗糙度有差異，故試件在抗剪試驗(yàn)中沿著泥漿兩側(cè)的黏結(jié)面會(huì)產(chǎn)生裂縫，破壞情況如圖5(a)所示；裂縫貫通階段，隨著豎向荷載的增加，試件最終沿黏結(jié)面形成豎向貫通裂縫，此時(shí)磚塊還未脫落，破壞情況如圖5(b)所示；試件破壞階段，加載到最大荷載時(shí)，磚塊開(kāi)始脫落，砌體最終破壞時(shí)生土磚塊表面光滑且無(wú)缺損，泥漿與生土砌塊黏結(jié)并一起成塊狀脫落，試件側(cè)面破壞情況如圖5(c)所示。

圖5 砌體抗剪破壞特征Fig.5 Characteristics of masonry shear failure

記錄改性與非改性砌體抗剪試驗(yàn)的破壞荷載值，并根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50129—2011)[22]中單個(gè)試件沿通縫截面抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式(見(jiàn)式(1))求得各個(gè)砌體沿通縫處的抗剪強(qiáng)度，如表7所示。

fv=Nv/2A

(1)

式中：fv為沿通縫截面的抗剪強(qiáng)度，N/mm2；Nv為抗剪破壞荷載值，N；A為試件受剪面的面積，mm2。

表7 砌體沿通縫處的抗剪強(qiáng)度Table 7 Shear strength of masonry along through seam

根據(jù)表7中改性、非改性試件抗剪強(qiáng)度值以及圖5中生土磚砌體抗剪破壞特征可知：1)非改性生土磚砌體的抗剪強(qiáng)度為0.027 9 MPa，改性生土磚砌體的抗剪強(qiáng)度為0.037 6 MPa，采用本研究提出的改性泥漿配比方案使生土磚砌體結(jié)構(gòu)的抗剪能力提升了34.77%；2)在此抗剪試驗(yàn)研究中，試件的破壞特征是沿著泥漿與砌塊的黏結(jié)面發(fā)生雙剪破壞，黏結(jié)面為砌體受剪過(guò)程中的薄弱位置，破壞時(shí)泥漿層與生土砌塊分離脫落且砌塊保持完整狀態(tài)。

2 土壤歸田性分析

歸田性是指生土建筑因使用壽命到期而拆除后產(chǎn)生的生土材料仍可以覆土回歸農(nóng)田用于種植，不會(huì)造成土壤污染。因此，為驗(yàn)證改性土壤是否具有歸田性，本文將改性生土和原狀生土從農(nóng)作物種植試驗(yàn)和土壤檢測(cè)分析兩個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比研究。

2.1 農(nóng)作物種植試驗(yàn)分析

采用盆栽方法，選用發(fā)芽率高、成活率大的青菜種子，共設(shè)計(jì)5組工況，每組3盆，改性土質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、25%、50%、75%和100%。每天觀察種子發(fā)芽情況，在發(fā)芽后記錄種子出芽率及其苗高。因青菜在10 d后出芽率和苗高不再改變，故只統(tǒng)計(jì)第4天、第7天的生長(zhǎng)狀況。

添加不同比例改性土?xí)r青菜4、7 d的出芽情況分別如圖6和圖7所示，對(duì)青菜種子4、7 d的發(fā)芽率和苗高進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，如表8所示。

圖6 添加不同比例改性土?xí)r青菜4 d的生長(zhǎng)狀況Fig.6 Growth status of green vegetables at 4 d under different content of modified soil

根據(jù)圖6、圖7中青菜生長(zhǎng)狀況以及表8中的青菜發(fā)芽率和平均苗高數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)改性土所占比例為25%時(shí)，青菜4、7 d的發(fā)芽率及平均苗高最優(yōu)，其原因是此時(shí)土壤中的氮、磷、鉀含量比未添加改性土的土壤多；當(dāng)改性土所占比例逐漸增大時(shí)，發(fā)芽率及苗高略有降低，其原因是改性土比例越大，糯米膠摻量也就越多，膠體使土壤顆粒間空隙變小，加上糯米膠自身的物理性質(zhì)，使土壤抗壓強(qiáng)度增大，密實(shí)的土壤環(huán)境不利于青菜種子的發(fā)芽及生長(zhǎng)；在第7天時(shí)青菜的生長(zhǎng)狀況已基本不變，改性土所占比例為0%時(shí)的發(fā)芽率和平均苗高分別為52.5%和5.1 cm，而所占比例為100%時(shí)的發(fā)芽率和平均苗高分別為50.5%和4.9 cm?？傮w而言，改性土與非改性土對(duì)發(fā)芽率、平均苗高的影響差別不大，改性后的土壤仍能使農(nóng)作物正常生長(zhǎng)。

圖7 添加不同比例改性土?xí)r青菜7 d的生長(zhǎng)狀況Fig.7 Growth status of green vegetables at 7 d under different content of modified soil

表8 青菜4和7 d的發(fā)芽率和平均苗高Table 8 Germination rate and average seedling height of green vegetables at 4 and 7 d

2.2 土壤檢測(cè)分析

對(duì)上述改性土進(jìn)行養(yǎng)分控制指標(biāo)及重金屬控制指標(biāo)檢測(cè)，并依據(jù)《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)[23]中的相關(guān)控制指標(biāo)來(lái)判斷改性土是否能夠歸田使用，檢測(cè)內(nèi)容及結(jié)果如表9所示。

表9 土壤養(yǎng)分及重金屬控制指標(biāo)檢測(cè)內(nèi)容及結(jié)果Table 9 Test content and results of soil nutrient and heavy metal control indexes

根據(jù)表9土壤養(yǎng)分及重金屬控制指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果分析可知,生土料選用的是石河子市郊區(qū)的黃黏土，土中氮的含量偏低，經(jīng)過(guò)改性后氮的含量有所提升。改性后其余各項(xiàng)養(yǎng)分控制指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，可以滿(mǎn)足綠化種植土壤肥力等技術(shù)要求。根據(jù)土壤重金屬控制指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，改性土壤中的汞、鎘、鉛含量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于標(biāo)準(zhǔn)要求，不會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成污染，改性生土材料服役結(jié)束后仍可以歸田使用。

3 結(jié) 論

本文在不破壞土壤歸田性的前提下，提出生土砌體砌筑泥漿生態(tài)改性配方，通過(guò)單因素試驗(yàn)和正交試驗(yàn)得到了改性泥漿的最優(yōu)配比，并通過(guò)土壤種植試驗(yàn)和成分分析，驗(yàn)證了改性泥漿具有歸田性特點(diǎn)，砌體抗剪試驗(yàn)研究表明采用改性泥漿可有效提升生土砌體抗剪性能。具體結(jié)論如下：

1)由單因素試驗(yàn)可得各改性材料合理?yè)搅繀^(qū)間：糯米膠4%～10%，丙烯酸乳液0.1%～0.7%，速溶膠粉0.8%～1.4%，纖維素1.0%～1.5%；由正交試驗(yàn)各因素指標(biāo)綜合分析可得改性泥漿最優(yōu)配比：糯米膠摻量7%，丙烯酸乳液摻量0.2%，速溶膠粉摻量1.0%，纖維素?fù)搅?.25%。改性前泥漿的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為0.451 kPa、3.47 MPa和1.32 MPa；經(jīng)過(guò)改性，泥漿的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為0.679 kPa、4.62 MPa和1.63 MPa，分別提升了50.55%、33.14%和23.48%，故泥漿改性后的抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性能有明顯的提升。

2)根據(jù)改性生土砌體與非改性生土砌體沿通縫截面的抗剪試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其破壞特征可分為三個(gè)階段：裂縫形成階段、裂縫貫通階段和試件破壞階段，采用最優(yōu)配比的改性泥漿方案使生土砌體抗剪強(qiáng)度從0.027 9 MPa增至0.037 6 MPa，提升了34.77%。

3)通過(guò)農(nóng)作物種植試驗(yàn)及對(duì)土壤檢測(cè)分析可得，采用7%糯米膠、0.2%丙烯酸乳液、1.0%速溶膠粉和1.25%纖維素的改性配方改性后的土壤能使農(nóng)作物正常生長(zhǎng)且各項(xiàng)養(yǎng)分控制指標(biāo)含量與未改性土壤的控制指標(biāo)含量相近，能滿(mǎn)足綠化種植土壤肥力的技術(shù)要求，服役期結(jié)束后的改性生土材料仍可以歸田使用。