凍融循環(huán)條件下棉花秸稈纖維水泥土抗壓強度劣化研究

吳發(fā)紅 ，孫浩 ，劉超 ，嵇蔚冰

（1.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224001；2.鹽城市建筑設計研究院有限公司，江蘇 鹽城 224001）

農作物秸稈產量巨大，其不當處置方式對環(huán)境產生惡劣影響。據相關統計，我國每年產生近6億t秸稈，約97%的秸稈被焚燒、堆積或遺棄。因此，加強農作物的合理處置，拓寬其利用途徑，刻不容緩。同時，秸稈纖維作為優(yōu)良的加筋材料，具有生態(tài)環(huán)保，成本低廉等優(yōu)勢，在邊坡防護，軟基加固中已有一定的應用。但由于秸稈纖維具有易降解特性，導致其加筋土工程性質劣化，從而阻礙了秸稈纖維加筋工程的推廣。近年來，不少專家學者針對秸稈纖維降解及其加筋土強度劣化進行了研究。Greeshma[1]將稻秸稈置于飽和的石灰溶劑中，再施加30次干濕循環(huán)，稻秸稈的抗拉強度比清水環(huán)境下的下降了91%。Ramakrishna和Sundararajan[2]將植物纖維置于飽和石灰溶劑中，再施加30次干濕循環(huán)，劍麻和木槿纖維抗拉強度幾乎全部喪失；椰絲纖維能保有初始強度的20%～40%。包惠明等[3]指出，在水泥砂漿中摻入3 kg/m3的劍麻纖維，在受到海水腐蝕后，腐蝕前期抗壓強度基本趨于平穩(wěn)，在腐蝕干濕循環(huán)15、30次后，其抗壓強度分別下降2.8%、15.6%。Filho等[4]指出，劍麻纖維水泥復合材料中纖維降解隨著干濕循環(huán)次數的增加而逐步發(fā)生，10次周期，纖維與基質界面分解，25次周期，劍麻纖維完全降解。

上述成果對凍融循環(huán)條件下秸稈纖維加筋土的強度劣化的研究尚且薄弱。為此，本文選用棉花秸稈纖維作為加筋材料，研究在凍融循環(huán)條件下，棉花秸稈纖維加筋水泥土抗壓強度劣化，并進行理論分析，為推進農作物秸稈在加筋工程中的應用提供參考。

1 試驗

1.1 試驗材料

土：取自鹽城某基坑深度為8～10 m的粉質黏土，其物理力學特性見表1。水泥：江蘇八菱海螺水泥廠生產的P·O42.5水泥，其物理性質見表2。棉花秸稈：產自鹽城郊區(qū)，將其制作成棉花秸稈纖維（直徑0.08～0.20 mm，平均長度20 mm），如圖1所示。

表1 土樣的物理力學特性

表2 水泥的物理力學性能

圖1 棉花秸稈纖維

1.2 試樣制備

（1）先將土樣風干，過2 mm篩；（2）參考前人研究基礎[5]，按照水泥摻入比（水泥占濕土質量）15%，水灰比（水與水泥質量比）0.5，土樣配置成目標含水率50%，加筋率（纖維占干土質量）0.6%，分別稱取土、水泥、水和棉花秸稈纖維；（3）先將土樣和水泥混合，然后將棉花秸稈纖維均勻摻入土樣和水泥的拌和料中，直至完全攪拌均勻后加水；（4）將攪拌好的漿體裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，蓋上塑料薄膜24 h后脫模，并進行標準養(yǎng)護（溫度20℃，相對濕度為95%）。

1.3 試驗方法

（1）凍融循環(huán)試驗方法：將養(yǎng)護至7 d和28 d試樣取出，參考侯淑鵬和王天亮[6-7]等的研究進行凍融循環(huán)，具體步驟：①將試樣放置溫度為20℃養(yǎng)護箱12 h；②隨后將試樣放入溫度為-20℃的恒溫箱中12 h；③以上步驟即為1次凍融循環(huán)，當試樣分別進行至5、10、15、20次循環(huán)后進行抗壓試驗。

（2）pH 值測試方法：分別將養(yǎng)護至 3、7、14、21、28 d 的試樣進行無側限抗壓強度試驗，取破壞的試件研磨成粉，取10 g按照1∶5的質量比加去離子水，裝入瓶中放置恒溫振蕩器中振蕩1 h后靜置30 min，采用pH值測量儀（pH Mater PHS-4CT）測試其pH值。

2 凍融循環(huán)對棉花秸稈纖維水泥抗壓強度的影響

圖2為棉花秸稈纖維水泥土的抗壓強度與凍融循環(huán)次數的關系曲線。

圖2 抗壓強度隨著凍融循環(huán)次數的變化曲線

由圖2可以看出，隨著凍融循環(huán)次數的增加，養(yǎng)護7 d和28 d的試樣無側限抗壓強度不斷降低。值得說明，養(yǎng)護7 d的試樣進行15次凍融循環(huán)后已不能成型。養(yǎng)護7 d時，15次凍融循環(huán)后試樣的抗壓強度下降了50.03%；養(yǎng)護28 d時，20次凍融循環(huán)后試樣的抗壓強度下降了48.82%。

根據水泥土增強機理可知，凝結硬化過程中形成的水泥土結構較為密實，自身具有一定的膠結應力。在低溫情況下，水泥土中的孔隙水結成冰，導致體積膨脹，對水泥土中的毛細孔壁產生一定的膨脹應力，當膨脹應力超過水泥土的膠結應力后產生不可逆轉的細微裂縫。當水泥土處于融化狀態(tài)時，冰融化成水以及外部的水進入裂縫中，再次結冰后，裂縫開展將會更大，從而導致裂縫的擴展以及貫通，進而對水泥土結構產生嚴重損傷。而棉花秸稈纖維作為加筋材料摻入水泥土環(huán)境中，會阻止裂縫的開展，從而提高試樣的強度和破壞時的應變。但由于棉花秸稈纖維作為易降解生物質材料，長期處于水泥土環(huán)境中，同時伴隨著凍融循環(huán)的外部環(huán)境，強度會不斷衰減，從而加筋效果逐漸減弱，導致棉花秸稈纖維水泥土的抗壓強度降低。因此，棉花秸稈纖維水泥土抗壓強度降低的原因一方面是水結冰產生的體積膨脹特性，另一方面是棉花秸稈纖維強度衰減。

3 棉花秸稈纖維降解及其加筋土強度劣化分析

棉花秸稈纖維的主要成分為纖維素、木質素、半纖維素等，纖維素是植物細胞壁的主要成分，提供秸稈一定的機械強度和變形柔韌性；半纖維素具有使得秸稈之間的細胞連結更加緊密的作用，木質素則具有使得細胞壁相連，以及強化木質纖維的作用，增加秸稈的機械強度。已有相關學者研究發(fā)現，酸堿、水分、溫度、紫外線照射、微生物活動等對秸稈纖維的降解有著重要影響。如Stokke等[8]指出，秸稈纖維熱降解過程可分為5個階段：水分蒸發(fā)、半纖維素分解、纖維素分解、木質素分解、聚合物基體高分子降解或解聚。Azwa等[9]指出，半纖維素與熱降解、生物降解和水分降解有關；木質素與紫外線降解和炭生成有關。

為了分析棉花秸稈纖維在水泥土環(huán)境中的降解，初步測試纖維水泥土在不同養(yǎng)護齡期的pH值，如圖3所示。

圖3 不同養(yǎng)護齡期的pH變化曲線

由圖3可以發(fā)現，棉花秸稈纖維水泥土隨著養(yǎng)護時間的延長，pH值不斷下降，但所有試樣的pH值均超過12.6，屬于強堿環(huán)境。同時，未摻棉花秸稈纖維的水泥土pH值變化趨勢與摻棉花秸稈纖維水泥土的一致，也和車東日等[10]的結論一致。堿性環(huán)境對半纖維素以及木質素的影響較大，造成秸稈纖維的降解和強度衰減。

圖4為將棉花秸稈纖維從水泥土中剝離出，其外表的微觀形貌。

由圖4可以看出，在水泥土強堿環(huán)境中，纖維表面遭受不同程度的損傷，這與孫浩等[11]的研究一致。本試驗只是初步研究不同養(yǎng)護齡期的pH值對棉花秸稈纖維的影響，關于凍融循環(huán)條件下的pH值以及水泥土中含水量、水泥水化溫度等因素對棉花秸稈纖維降解的影響需進一步研究。

圖4 棉花秸稈纖維的微觀形貌

圖5為棉花秸稈纖維在養(yǎng)護7 d，凍融循環(huán)15次的水泥土中的微觀形貌。

圖5 棉花秸稈纖維在水泥土中的微觀形貌

結合圖4以及唐朝生等[12]關于聚丙烯纖維在水泥土環(huán)境中的力學作用，可以認為，在棉花秸稈纖維發(fā)生降解之前，土體內部的水泥晶體和纖維表面的水泥晶體相互作用，相互連接，具有較強的錨固作用（如圖6所示）。當纖維水泥土發(fā)生破壞時，此錨固作用阻止筋土界面顆粒發(fā)生相對位移和錯動，從而增加纖維水泥土的強度以及破壞時的應變。

但棉花秸稈纖維在水泥土環(huán)境中發(fā)生降解，纖維表面出現損傷，則纖維表面與水泥晶體作用力會不斷衰減，和土體內部的水泥晶體的聯結也隨之衰減，從而錨固作用下降（如圖7所示）。另外，由于秸稈纖維的降解，降低纖維與水泥土之間的接觸面積，使得密實的棉花秸稈纖維水泥土結構出現薄弱之處，從而使得纖維水泥土強度下降。

圖6 棉花秸稈降解前筋土界面作用示意

圖7 棉花秸稈降解后筋土界面作用示意

4 結論

（1）凍融循環(huán)條件下，養(yǎng)護7 d棉花秸稈纖維水泥土經過15次凍融循環(huán)后抗壓強度下降了50.03%；養(yǎng)護28 d進行20次凍融循環(huán)后抗壓強度下降了48.82%。

（2）棉花秸稈纖維水泥土強堿環(huán)境是造成秸稈纖維降解的原因之一。

（3）棉花秸稈纖維降解導致纖維表面和水泥晶體作用力不斷衰減，和土體內部的水泥晶體的連接也隨之衰減，從而錨固作用下降，造成纖維水泥土強度劣化。