干濕循環下棉花秸稈纖維加筋鹽漬土強度及其劣化研究

倪天翼,殷 勇

(鹽城工學院，江蘇 鹽城 224001)

1 引言

濱海鹽漬土是一種特殊土，其含鹽量高，因此易吸濕軟化，也具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性。土中的鹽分結晶時，一部分鹽顆粒填充于孔隙中，另一部分則充當土的骨架顆粒，土中的鹽分以晶體、溶液或兩者皆有的形式存在，使土成為一種帶電的體系，土的結構發生變化，使得鹽漬土變成了一種“四相”物質體系[1,2]，導致鹽漬土存在強度降低、結構完整性下降問題。因此，工程使用時應對鹽漬土進行固化或加筋處理，使其滿足填筑土的力學性能要求[3]。K J Greer等[4]將黃土和粉煤灰作路堤填料，研究了土壤中鹽分運移、膠結砂土的特性。S J Boone等[5]研究了弱膠結土的孔隙比隨荷載和固化程度的變化規律，得到其固化程度的影響因素包括礦物成分、孔隙水成分、膠結速率、風化程度等；同時研究了鹽漬土的浸泡和淋濾對其結構、壓縮性、崩塌、滲透性、承載力、沉降量的影響，結果表明鹽巖、石膏和鈣質膠結物受到浸泡和淋濾導致崩塌變形，鹽的化合物形式決定了土的結構性質，在潮濕狀態下更易導致崩塌變形。除了固化鹽漬土，纖維加筋也經常被用作增強土的強度和抗變形能力。

天然植物纖維，因為其綠色環保，取材容易和成本低的優點逐漸被應用于工程中，但是天然植物纖維易降解，容易導致整個加筋土的強度發生劣化，所以限制了植物纖維加筋的發展。為了解決這一問題，許多專家學者選擇在植物纖維表面涂抹防腐劑來延緩其降解，如M Bederina和B Belhadj[6]采用將秸稈在水中煮沸和在秸稈表面涂抹柴油、瀝青、硅油等延緩其降解，指出用熱水處理的秸稈能很好地改善秸稈混凝土的抗折強度；在秸稈表面涂抹柴油有效地降低了秸稈混凝土的收縮性；涂抹清漆雖然改善了秸稈混凝土的大部分性能，但增加率低于其他處理；涂抹硅油能使秸稈混凝土具有較好的收縮和熱性能。魏麗[7]等采用SH膠作為纖維表面的防腐材料并對秸稈進行微觀掃描電鏡，發現液體狀的膠液能夠滲透到秸稈內部的孔隙中，形成隔水薄膜，因此防腐后的秸稈的吸水率降低，達到了防腐的效果，而且還增強了秸稈的抗拉性能。

雖然防腐能夠解決天然植物纖維的降解問題，但防腐劑和化學處理法對生態環境造成的污染不容忽視，且在復雜工程環境下，天然植物纖維防腐處理失效的問題難以避免。再者，在降解劣化后加筋土工程性質能較好滿足功能要求情況下，天然植物纖維防腐的必要性、適當性，未見有成果評價。為此，本文選用棉花秸稈纖維與水泥共同固化鹽漬土，研究在干濕循環條件下棉花秸稈纖維加筋鹽漬土抗壓強度劣化規律，并進行相關理論分析，為推進農作物秸稈在加筋工程中的應用提供理論基礎。

2 試驗

2.1 試驗材料

試驗所用的鹽漬土取自鹽城東臺條子泥工程場地，物理力學性質列于表1。風干、碾碎，過2mm篩后裝桶備用。

表1 土的物理力學性質

水泥為江蘇省八菱海螺水泥廠生產的普通硅酸鹽水泥，等級為42.5，其物理性質見表2。

表2 P.O.42.5普通硅酸鹽水泥物理性質

棉花秸稈纖維取自鹽城郊區，將其制成纖維狀，平均直徑約0.15 mm，長度約為15 mm,如圖1所示。

圖1 棉花秸稈纖維

2.2 試樣制備

試驗制備前，按照水泥摻入量15%、水灰比0.5配置成目標含水率50%的土樣，計算好不同纖維加筋率對應的質量并提前稱好。先將土與水泥混合后加入棉花秸稈纖維，加水充分攪拌均勻后將漿體裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體三聯試模中，最后包裹上一層保鮮膜靜置24 h，脫模后在溫度20 ℃，95%的濕度條件下進行養護。

2.3 試驗方案

2.3.1 加筋效果試驗

李廣信等[8]在進行聚丙烯纖維加筋土的三軸試驗時，纖維加筋率選擇的范圍為0.1%～0.4%，其能達到最優強度的纖維摻加量為0.2%。楊繼位[9]將0.1%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%、0.4%的麥秸稈纖維摻入到土中進行抗壓強度試驗，結果表明：0.25%的纖維摻入量能達到強度最大值。

參考以上這些纖維加筋土的研究成果，初定棉花秸稈纖維摻入量為0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，在養護7d后進行無側限抗壓試驗。

2.3.2 干濕循環試驗

Greeshma[10]對分別放入清水和飽和石灰溶劑的稻秸稈進行干濕循環，發現在干濕循環下的抗拉強度分別下降了67%和91%，無側限抗壓強度分別下降了32%和44%。Tonoli[11]則對水泥漿環境中的劍麻纖維進行干濕循環，在養護28 d后分別進行50次和100次干濕循環，進行四點彎曲試驗，結果發現隨著干濕循環次數的增加，強度逐漸劣化。

為了研究棉花秸稈纖維加筋土整體的強度劣化規律，試樣養護28 d后取出，放入20 ℃烘箱內24 h，隨后置于養護箱(20 ℃，95%濕度)中24 h，這樣記作一次干濕循環。分別對試樣進行0、5、10、15、20次干濕循環后進行無側限抗壓試驗。

3 試驗結果分析

3.1 棉花秸稈纖維加筋率研究

棉花秸稈纖維加筋鹽漬土的無側限抗壓強度和加筋率的關系曲線見圖2。由圖2可知，纖維加筋土的抗壓強度，整體高于未添加棉花秸稈纖維的素水泥土的強度，整體的抗壓強度隨著加筋率的增加呈拋物線的趨勢。在加筋率為0.4%時，抗壓強度達到最大值，而且在加筋率從0%到0.4%時，抗壓強度在不斷增加直至最大值。出現這種情況的原因是，棉花秸稈纖維本身有一定的抗拉強度和延展性，和土體接觸時相互之間會產生摩擦力，提高了土體的強度，加固土體。

圖2 抗壓強度隨加筋率變化曲線

當加筋率超過0.4%時，加筋土的抗壓強度開始下降，加筋率為0.5%、0.6%時，抗壓強度分別下降了1.9%和6.2%，原因是棉花秸稈含量過多時，纖維之間會相互重疊，土體之間的粘結力減低，此時的纖維也使土體之間的孔隙擴大，削弱了纖維加筋的效果，加筋鹽漬土的抗壓強度降低。

綜上可知，棉花秸稈纖維對于鹽漬土來說，是一種良好的加筋材料，最優加筋率為0.4%，此時對應的纖維加筋土的無側限抗壓強度為0.664 MPa，相較于未加筋土強度提高了26.6%。

3.2 干濕循環條件下棉花秸稈纖維加筋土強度衰減分析

圖3為抗壓強度隨著干濕循環次數的變化曲線圖。由圖可以看出抗壓強度隨著干濕循環次數的變化趨勢為先增大后減小。在循環次數由0次到5次時，抗壓強度在增加，提升了5.9%，而后隨著干濕循環次數繼續增加，抗壓強度則不斷衰減。進行到第15次干濕循環時，纖維加筋土的抗壓強度與0次干濕循環時基本相同。當進行干濕循環20次時，抗壓強度下降了2.3%。

圖3 抗壓強度隨干濕循環次數變化曲線

導致這種情況的原因，有很大一部分是因為在加固鹽漬土時，同時加入了水泥，特別是在干濕循環下，水泥土會干縮濕脹，產生的變形很大，當這種變形所產生的應力超過了水泥土自身的強度承受范圍時，會發生應力集中，產生微裂縫，導致抗壓強度下降。當干濕循環次數不斷增加，變形就會越來越大，裂縫不斷擴張，最終導致自身結構的破壞，抗壓強度降低。

特別需要注意的是，在前5次的干濕循環作用下，棉花秸稈纖維加筋鹽漬土的抗壓強度在上升，出現這種情況的原因可能是在干濕循環下，棉花秸稈可能會產出含有糖分的浸出液，這些糖分在水泥顆粒表面會對水泥有一定的束縛作用，減緩了水泥水化反應的速度。而隨著干濕循環次數的增加，水泥水化反應的膠結應力大于干縮濕脹產生的應力時，抗壓強度表現出上升的趨勢。

4 結論

使用棉花秸稈纖維與水泥共同固化鹽漬土，通過無側限抗壓試驗結果表明：

(1)棉花秸稈纖維作為加筋材料能有效地提高鹽漬土的抗壓強度，棉花秸稈纖維的最優加筋率為0.4%，對應的纖維加筋土的無側限抗壓強度為0.664 MPa，相較于未加筋土強度提高了26.6%。

(2)經過20次干濕循環，最終纖維加筋土的抗壓強度下降了2.3%，總體隨干濕循環次數呈現先增大后減小的趨勢，20次干濕循環后纖維降解未導致纖維加筋土抗壓強度產生大幅度劣化。