土基檸條強化材料的抗壓性能試驗研究

王 盛，郭玉明，竇金熙

(山西農業大學 工學院，山西 太谷 030801)

0 引言

我國北方溫室大棚墻體一般采用土體結構，具有便于就地取材、造價低、耐酸抗堿及熱惰性好等特點[1]。承載能力是建設大棚墻體主要考慮的因素之一，在土體中摻加纖維材料(如劍麻、麥秸、合成纖維等[2])，可以提高土墻的強度。目前，發展多種纖維材料加筋土正成為加筋土材料發展的一種新趨勢[3]。檸條作為種植面積廣闊的可再生天然木本植物，具有很強的強度、硬度和韌性，故可以作為綠色加筋材料使用[4]。

基于Henri Vidal[5-7]加筋土理論，國內外學者開始了對加筋土的研究。Park[8]將合成纖維應用于路基填料中，通過抗壓強度試驗確認纖維加筋對路堤土的抗壓強度有明顯的提高作用。石茜[9]、張瑞敏[10]等人研究了稻草加筋土和小麥秸稈加筋土的無側限抗壓強度，結果表明：稻草和小麥秸稈等具有一定拉伸性能的天然纖維材料，均可提高土體的抗壓強度和整體力學性能，適宜作加筋材料使用。楊海梅[11]在對比了沙壤土水泥土和黏土水泥土的抗壓強度后發現，沙壤土水泥土有著優于水泥混凝土的抗壓特性。目前，國內外對把木本植物材料作為加筋材料，強化不同種類土體的成型工藝參數和原理的研究開展得還比較少。本文通過無側限抗壓強度力學性能試驗，研究了檸條適宜的加筋長度和質量加筋率對不同種類土體抗壓強度的影響及其變化規律，為今后土基檸條強化材料作為新型綠色環保建筑材料的研究和推廣提供了參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料與設備

試驗所用的黏土土樣采集于山西省太谷縣鳳凰山，沙壤土土樣取自山西農業大學試驗田，所需土樣均為一次性獲取，排除了由于土的物理性質不同引起的試驗結果的差異。試驗樣本制作時對所取土樣先進行去除雜質、烘干、磨碎、過10目篩等預處理后備用，如表1、表2所示。試件采用的加筋檸條原材采集于山西省定襄檸條種植區，檸條莖稈的力學參數如表3所示[4]。

使用粉碎機(永康天祺盛世有限公司，TQ～1000Y,CHINA)將檸條粉碎，將粉碎后的檸條樣本用篩子分成<0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2、2～4、4～4.75mm等6個等級。試驗采用的試驗儀器為微機控制電子萬能材料試驗機(新三思材料檢測有限公司，CMT6104，CHINA)，如圖1所示；在壓縮模式下對樣本進行壓縮力學性能試驗，選用直徑10cm的平板圓柱型壓頭，壓縮速率為0.5mm/min；烘干采用水泥試體養護箱(路達建筑儀器有限公司，YH～40H,CHINA)。

表1 黏土樣的物理性質

表2 沙壤土樣的物理性質

表3 檸條纖維的力學參數

圖1 微機控制電子萬能材料試驗機

1.2 樣本的制備及試驗方法

試驗以土基的種類、檸條加筋長度和加筋率(筋材質量與干土質量的比值)為試驗因子，進行土基檸條加強材料的無側限抗壓強度測試。試驗方案采用全析因試驗設計。黏土檸條強化材料中的檸條以篩子所篩分的6個等級尺寸為加筋長度，以0.05%為梯度，即0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%的加筋率配置試驗樣本，進行3次重復試驗，制作樣本111個。由于加筋率達到0.2%時沙壤土檸條加強材料已經很難成型，所以在制備沙壤土檸條強化材料時加筋率只取0.05%、0.1%、0.15%這3個水平。加筋長度水平的取值仍與黏土檸條強化材料一樣，共進行3次重復試驗，需制作57個樣本。試驗所需的土基檸條強化材料共168個試樣。制樣時，先將預處理后的土樣與檸條充分攪拌[12]，根據土樣的最佳含水率向配置好的土加入適量的水，使得黏土土樣的含水率控制在15%，沙壤土土樣控制在10%；繼續攪拌，使其成粘狀，確保檸條在土樣中均勻分布。用內徑30mm、長度50mm的自制模具制作試驗樣本，每個試樣重復過模具成型，直至表面剛好無裂痕且以壓實度92%定試樣，干密度為1.40g/cm-3；然后，將制作好的試樣用YH～40B型水泥試體養護箱進行烘干，烘干溫度控制在72℃，直至最后兩次稱量質量差小于1g，以確保試件完全烘干。圖2為檸條長度為0.63～1.25mm、質量加筋率為0.15%時的黏土檸條強化材料試樣。

圖2 黏土成型試樣(檸條長度0.63～1.25mm，加筋率為0.15%)

2 試驗結果

2.1 土基檸條加強材料無側限抗壓應力-應變關系

對土基檸條加強材料進行無側限抗壓力學試驗，獲得材料的應力-應變曲線，如圖3、圖4所示。

圖3 檸條檸條加筋長度小于0.16mm試樣應力-應變曲線

圖4 檸條檸條加筋長度大于0.16mm試樣應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curve of Caragana specimens with a particle size larger than 0.16mm

從圖3、圖4中可以看出材料完整的受力破壞過程和具體的失效形式。素土或檸條加筋長度不大于0.16mm時，應力-應變曲線為典型的脆性材料特性，即應力與應變不成正比關系，當到達強度極限時試件表面出現裂紋隨之斷裂。當檸條加筋長度大于0.16mm時，試樣壓縮應力-應變曲線呈現出塑性材料特征，在0.01～0.03范圍為彈性階段，隨后進入屈服階段，當應力達到強度極限試件發生破壞，如圖5所示。

圖5 試樣壓縮剛出現裂紋

其破壞面的方向與軸向約成35°。黏土加入檸條改變了材料性質，提高了土樣的強度和極限應變，大大增強了材料塑性性質。

2.2 土基檸條加強材料壓縮試驗結果

萬能材料試驗機所采集到應力-應變值與強度極限、屈服極限、對應彈性模量E為

(1)

還可求出伸長率，計算式為

(2)

對壓縮試驗測得的3組重復數據用Excel取算數平均值，進行整理，得到黏土檸條強化材料和沙壤土檸條強化材料的極限抗壓強度、屈服強度、壓縮模量及延伸率，如表4所示。

表4 土基檸條強化材料的主要的壓力力學性質指標

續表4

3 試驗數據處理與討論

3.1 兩種土基檸條強化材料抗壓性質比較

用Excel軟件對無側限抗壓強度實驗結果進行處理，計算出樣本均值與樣本標準差，并用Origin軟件繪制沙壤土和黏土經檸條強化材料分別對應的無側限抗壓強度隨著檸條加筋長度及檸條加筋率變化的帶有標準差誤差棒的關系圖，如圖6所示。

圖6 不同類型土樣的試件對應的無側限抗壓強度的比較

由圖6可以看出：相同的加筋率下，沙壤土檸條強化材料和黏土檸條強化材料的無側限抗壓強度隨著檸條加筋長度的變化趨勢是一致的，都是隨著檸條加筋長度的增加而升高；且當檸條加筋長度比較小時，無側限抗壓強度變化比較小；加筋長度超過0.63mm時，無側限抗壓強度快速變大；隨著檸條加筋長度的繼續增大，略有降低的趨勢，但沙壤土檸條強化材料無側限抗壓強度只有黏土檸條強化材料的1/2左右。

3.2 試驗因子組合的最佳處理

工程中，塑性性質好的材料以屈服強度極限評價強度[13]，而呈現脆性性質的材料以極限應力來評價。因此，土基檸條強化土的檸條長度大于0.16mm時以屈服強度來比較，素土和檸條長度不大于0.16mm時以極限應力來比較。

素土制作的試樣是檸條加筋長度水平為0mm、加筋率為0%的特殊情況，把表4的試驗結果通過SAS軟件進行多響應完全隨機設計的試驗分析。 表5所示的均值多重比較列出了各個響應力學指標效應均值從大到小前3位的處理。由表5可知：抗壓強度、彈性模量、伸長率均最佳的處理為T36，即黏土，檸條加筋長度為4～4.75mm、檸條加筋率為0.25%的組合。

表5 試驗處理的均值多重比較

3.3 土基檸條強化材料極限強度最大的回歸模型確定

以土基種類、檸條加筋長度的最大粒徑和加筋率為變量，用SAS軟件做回歸分析，得到回歸方程為

Y=1.8016+0.7818X1+4.7113X2+0.3821X3+

1.3988X1X2+0.0227X1X3-0.0273X2X3-

其中，Y為試件的破壞應力；X1為土基的種類，黏土取值為1，沙壤土為-1；X2為檸條加筋率(%)；X3為檸條所在長度等級的最大粒徑(mm)。

回歸模型的P值小于0.01，決定系數達0.943 0，大于線性回歸的決定系數0.935 7，模型極其顯著且擬合精度較高。一次項系數的P值小于0.001，決定系數達0.939 2，二次項和交叉項不顯著，可見變量間主要是線性關系。分析所得的殘差分析(見圖7)滿足-2<殘差<2的要求，認為方差齊性假設成立。所以，以上的數據可以進行回歸分析。

圖7 橫軸為自變量的標準化殘差圖

3.4 土基檸條強化材料抗壓強度隨檸條加筋長度及加筋率水平的變化

由以上的回歸模型可知：變量X2和X3的系數都是正數，所以土基檸條強化材料的抗壓強度隨著檸條加筋長度和檸條加筋率的增加都呈現增加趨勢。但是，針對不同的土基種類，需要特殊考慮極值點。

不同加筋率的黏土檸條強化材料帶有標準差誤差棒的抗壓強度試驗結果如圖8所示。

圖8 加筋黏土的無側限抗壓強度隨加筋率變化的誤差圖

不同加筋長度的黏土檸條強化材料的破壞應力的變化趨勢大致相同，其抗壓強度先增加后逐漸降低，有明顯的峰值點。同一加筋長度下，隨著加筋率的提高；抗壓強度提高；但是當加筋率大于0.25%時，不同加筋長度的試樣抗壓強度普遍下降。這是因為加入的檸條筋材到達一定量時，增大了土的孔隙度，過大的孔隙度將抵消加筋對強度的增強效果；同時，過多的加筋材料容易在土基中重疊，減弱了土顆粒間的聯結，使其抗壓強度降低[14]。對于同一質量加筋率，在檸條加筋長度為0～5mm時，檸條的加筋長度越大，抗壓強度越大。這是由于土基顆粒與加筋材料的良好粘結力，提高了檸條和土基復合材料的強度[12，14]。

綜上所述，影響土基檸條強化材料力學性能的主要因子是土基的種類和檸條加筋長度；且隨著檸條含量的增加，材料的彈性模量和伸長率都增加，材料所體現的塑性特征也越明顯。

4 結論

1) 分析了試件壓縮時的應力-應變關系及各因子的影響效應，抗壓力學性能試驗分析結果表明：沙壤土檸條強化加筋材料和黏土檸條強化加筋材料所呈現的變化趨勢一致，但抗壓強度前者卻不到后者的1/2。

2)通過比較，確定了最佳的配比參數為黏土，加筋長度為4～4.75mm，檸條加筋率為0.25%。

3)建立回歸模型分析了響應變量隨試驗因子水平的變化趨勢。對于黏土檸條強化材料，在同一質量加筋率條件下，當在檸條加筋長度為0～4.75mm時，檸條的加筋長度越大，材料所表現的塑性特征越明顯；在加筋率為0.25%時，同一加筋長度下的黏土檸條強化材料土達到最大抗壓強度。