木屑混合粘土動強度試驗研究

白德貴

(重慶市勘測院，重慶 400020)

木材是古老而永恒的建筑材料。尤其是在中國的古建筑史中，古代木構建筑尤為出彩。木材的優良特性促使木材在我國的建筑歷史上創造不朽功績，木材一直是我國古建筑中的重要材料[1]，但幾千年對木材的運用，也使得木材作為建筑材料的優缺點暴露無遺。它的優缺點如下:施工簡易，工期短，冬暖夏涼，抗震性能優良，質輕，強度大，彈性和韌性比較好，抗沖擊性強，導熱性小，易于加工，外觀好，耐久性好(在干燥條件下)。但木材也有構造不均、各向異性、使用中易受環境影響、腐朽及蟲蛀，收縮，變形，開裂，易燃等缺點。正是由于木材的缺點跟優點一樣的突出，在現代建筑的發展中，木材作為傳統的主流建筑材料逐漸被鋼材與混凝土所取代。雖然在現在的建筑中，鋼筋混凝土鋼架結構為主要的建筑類型，但木材作為一種古老和永恒的建筑材料，在建筑工程中應用依舊十分廣泛，如桁架、梁、柱、門窗、地板、護壁、頂棚、模板、腳手架等。作為環保的裝飾建材，木材更是發揮不可磨滅的作用。但是人們對木屑的處理方法一般是直接當作建筑垃圾處理掉，這無疑造成了巨大的浪費和環保質疑。周志強在制磚原料粘土中添加木屑來對磚進行改良[2]，姚啟均介紹了一種木屑混凝土的制作方法[3]，并在1997年介紹了一種通過添加木屑來增強多孔粘土磚強度的方法[4]。本人對木屑混合粘土的抗剪強度作了深入的研究[5]，結果表明木屑混合粘土能夠顯著影響粘土本身的強度特性。本文將木屑與粘土混合制成木屑混合粘土，進行了木屑混合粘土的動強度試驗研究。

1 試驗內容

本次試驗分析了木屑混合粘土的動強度特性，研究了粘土結構性對動強度特性的影響，并重點考慮初始固結壓力和木屑含量對木屑混合粘土動強度的影響，具體試驗工況如表1所示。試驗土樣取自重慶某工程場地，取土深度約20 m。土樣物理指標如表2所示。具體試驗方法是，利用兩頭擊實法[6]制成39.1 mm(直徑)×80 mm(高度)的試樣，聯合采用真空抽氣和反壓法對其進行飽和，保證B值達到0.95以上，打開動三軸儀的排水閥，在預定圍壓下進行固結，至土樣固結穩定;關閉排水閥，對土樣施加正弦荷載，直至達到終止條件，試驗停止，試驗終止條件為土樣雙幅軸向應變達到5%。按照動強度試驗的要求，每一組試驗進行3個～4個動應力。

2 試驗結果

2.1 最大動剪切模量Gmax

在循環三軸試驗中，我們取每次循環試驗的第一周作為研究對象來分析其最大動剪切模量Gmax的特性。

表1 試驗工況

表2 粘土物理指標

本次試驗中通過三軸試驗采集到的數據為軸向應力，軸向應變，因此需要通過一系列的轉換來得到最大動剪切模量Gmax。

動彈性模量E定義為:

其中，σdmax，σdmin分別為同一次循環荷載中最大軸向動應力和最小軸向動應力;εdmax，εdmax分別為同一次循環荷載中最大軸向動應變和最小軸向動應變。

進一步我們可以通過式(2)得到最大動剪切模量Gmax:

其中，μ為動泊松比。在這次試驗中μ取0.4。

動彈性模量計算示意圖見圖1。

圖1 動彈性模量計算示意圖

圖2給出了不同工況下軟粘土的最大動剪切模量特性，從圖2中我們可以得到如下結論:

1)圍壓對最大動剪切模量有著顯著的影響，最大動剪切模量隨著圍壓的增大而逐漸增大，且二者的關系接近線性增大的關系;比較原狀土和重塑土可以發現，在同樣的圍壓下原狀土的最大動剪切模量明顯大于重塑土的動剪切模量，這表明軟粘土的結構性對其動強度有著顯著的影響;

2)木屑含量對軟粘土的動強度特性有明顯影響，而不同木屑含量對軟粘土動強度特性的影響顯著不同。從圖2中可以發現木屑含量對軟粘土的最大動剪切模量的影響呈現出下凹的拋物線的形狀，這說明存在一個木屑含量的臨界值，當木屑含量小于臨界值的時候，隨著木屑含量的增大，軟粘土的最大動剪切模量也隨之增大，當木屑含量大于臨界值的時候，隨著木屑含量的降低，軟粘土的最大動剪切模量卻隨之降低。

圖2 不同工況下最大剪切模量特性

2.2 動強度特性

圖3給出了工況2-1條件下的典型試驗曲線，從圖中我們可以看出，在整個試驗過程中，應力與應變的發展時程與砂性土的試驗結果基本一致，基本可以分為兩個階段:第一階段，應力維持在較高的水平，而應變沒有較大的發展;第二階段，隨著應力的急劇衰減，應變逐漸增大直至破壞。

圖3 典型試驗曲線

圖4 部分工況破壞振次與動應力關系曲線

圖4給出了三種不同圍壓下原狀土與重塑土的破壞振次與施加動應力的關系曲線，從中可以發現:1)有效固結圍壓對粘度的動強度有著顯著的影響，隨著圍壓的增大，試樣破壞需要的振次相同的情況下所需要施加的動應力就越大，而且原狀樣，重塑樣等所有的工況土樣都有如此類似的規律性;2)比較重塑土與原狀土的動強度曲線可以發現，在相同的圍壓條件下，相同的破壞振次，重塑土所需要施加的動應力越低，說明重塑土的動強度低于原狀土，表明粘土的結構性對其動強度特性有著明顯的影響;同時我們可以看到，隨著有效固結壓力的增大，二者的差異性越來越不明顯，這表明固結壓力的增大可以減小由于粘土擾動而造成其動強度的損失，可以指導我們在對擾動土樣進行室內試驗的研究。

圖5 木屑含量對軟粘土動強度的影響

圖5給出了在圍壓100 kPa條件下木屑含量對軟粘土動強度特性的影響結果，從圖中可以看出，木屑含量對軟粘土的動強度特性有著較為顯著和復雜的影響效果:木屑含量從0%增加到3%，軟粘土的動強度有著相當明顯的增大;木屑含量從3%增加到10%，軟粘土的動強度有著一定程度的增大;木屑含量從10%增大到15%，軟粘土的動強度卻有著明顯的降低。這種試驗結果與上文的結果以及對軟粘土靜強度的研究有著一致的結論。

造成木屑含量對軟粘土最大動剪切模量以及動強度如此復雜的影響效果，主要原因是木屑和軟粘土混合后其相互作用機理比較復雜。單獨的木屑作為典型的纖維材料，其強度特性主要是由木纖維的強度所決定的，而軟粘土的強度特性主要是其粘粒之間的粘聚力所決定的。但是將二者混合在一起，其混合物的強度特性必然受到兩者共同作用的影響。在木屑混合粘土中，木屑主要起到骨架的作用，而軟粘土起到粘結的作用，通過上文的分析，當木屑含量小于某一臨界值時，木屑作為骨架作用可以明顯增強軟粘土的動強度，而超過這一臨界值時，木屑對軟粘土動強度的增強逐漸減弱，這是因為當木屑含量過大時，相應的粘土含量過低，粘土的粘聚力甚至沒有能力將木屑與軟粘土組成一個有機的整體，這種情況下木屑混合粘土的動強度勢必要降低。因此要想木屑混合粘土的強度達到最優，必須將木屑的骨架作用與粘土的粘結作用能夠有效的組合在一起。

3 結語

設計并完成了木屑混合粘土的動三軸試驗，研究了原狀土，重塑土及不同含量木屑混合粘土的動強度特性，得到下面幾點結論:1)軟粘土的動強度受到其結構性的顯著影響;2)木屑含量對軟粘土的動強度的影響呈現出兩面性，木屑含量低于10%時，木屑的骨架作用對軟粘土的動強度有明顯的增強，且含量越高，增強作用越明顯，當木屑含量高于10%時，過高的木屑含量導致木屑混合粘土的粘結作用不足，從而降低了軟粘土的動強度。

[1] 黎 姣.木材在中國當代建筑中的應用[D].上海:同濟大學，2008.

[2] 周志強.粘土木屑輕磚[J].中國建材，1960(6):31.

[3] 姚啟均.用亞麻桿碎屑制作木屑混凝土[J].磚瓦世界，1989(12):3.

[4] 姚啟均.提高多孔粘土磚強度的方法[J].建材工業信息，1997(2):2.

[5] 白德貴.木屑混合粘土抗剪強度試驗研究[J].山西建筑，2014，40(3):101-102.

[6] 鄭劍鋒，馬 巍，趙淑萍，等.重塑土室內制樣技術對比研究[J].冰川凍土，2008，30(3):494-500.