制樣拌和方法對木質(zhì)素纖維改良黃土強(qiáng)度的影響

高中南,王 謙,2,趙乘程,鄭 龍,馬紫娟,鐘秀梅,2

(1.中國地震局蘭州地震研究所,甘肅 蘭州 730000;2.中國地震局黃土地震工程重點實驗室,甘肅 蘭州 730000)

0 引言

黃土作為一種廣泛分布在我國西北及華北地區(qū)的特殊土,具有強(qiáng)水敏性與動力易損性等不良工程特性,部分情況下需經(jīng)過處理才能滿足工程建設(shè)要求。而改善黃土性能、抑制其不良工程特性的處理方法大致可分為密實處理方法(強(qiáng)夯法、擠密樁法、預(yù)浸水法),樁基處理方法和材料改良處理方法等。其中,材料改良處理方法因其具有穩(wěn)定的改良效果和便捷的施工方式,逐漸得到研究人員的廣泛關(guān)注。傳統(tǒng)改良材料(如水泥、石灰、粉煤灰等)能夠有效提升黃土的靜力與動力性能,抑制黃土的不良工程性質(zhì)[1-5]。在傳統(tǒng)改良材料固化黃土的過程中,盡管其與黃土進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)(火山灰反應(yīng)、碳酸化反應(yīng))會提高土體強(qiáng)度,但還會改變土體中的礦物成分與pH值,對一定范圍內(nèi)的環(huán)境產(chǎn)生污染[6-7]。因此,廣大研究人員開始逐漸研究使用新型環(huán)保黃土改良材料替代傳統(tǒng)材料的可能性。

木質(zhì)素纖維作為一種有機(jī)纖維,通常由天然木材經(jīng)過化學(xué)處理得到,在自然界中的存儲量非常巨大[8]。其韌性較強(qiáng),不溶于水及弱酸弱堿溶液,無毒無味無污染,生產(chǎn)成本低,是一種具有潛力的經(jīng)濟(jì)環(huán)保改良材料[9]。為研究木質(zhì)素纖維對黃土強(qiáng)度的改良效果,使用木質(zhì)素纖維開展了一系列的強(qiáng)度試驗。但是在使用直接拌和法制備的試樣試驗時,平行試驗取得的結(jié)果差異較大。通過比較分析試驗過程中可能產(chǎn)生誤差的原因,發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象是由纖維在試樣內(nèi)分布的隨機(jī)性造成的。尤其是在一次拌和中使用的纖維數(shù)量較少時,纖維長度的不均勻性會對纖維在試樣內(nèi)隨機(jī)分布產(chǎn)生影響,使得試驗結(jié)果的離散程度變大。

針對上述現(xiàn)象,尋找適合室內(nèi)試驗的少量木質(zhì)素纖維改良黃土試樣制備拌和方法,對研究木質(zhì)素纖維對黃土的改良效果具有非常重要的意義。同時,現(xiàn)有研究成果表明制樣方法與尺寸效應(yīng)均會對試驗結(jié)果產(chǎn)生明顯影響,更說明了研究試樣制備方法的必要性[10-12]。本文通過對兩種不同拌和方法制備的木質(zhì)素纖維改良黃土試樣養(yǎng)護(hù)前后的干密度變化以及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果進(jìn)行對比,分析了拌和方法對木質(zhì)素纖維改良黃土的影響,給出了適合室內(nèi)試驗的木質(zhì)素纖維改良黃土試樣制備的拌和方法。

1 試驗概述

1.1 試驗所用黃土與木質(zhì)素纖維性質(zhì)指標(biāo)

試驗所用黃土取自寧夏回族自治區(qū)西吉縣某典型黃土場地,基本物性指標(biāo)列于表1。試驗所用木質(zhì)素纖維來源于河北某建筑材料廠,其外觀為白色絮狀(圖1),工程性能指標(biāo)列于表2。

表1 試驗所用黃土的主要物性指標(biāo)Table 1 Physical parameters of loess used in this study

表2 試驗所用木質(zhì)素纖維性能指標(biāo)Table 2 Properties of the lignin fiber used in this study

圖1 試驗所用木質(zhì)素纖維Fig.1 The lignin fiber used in this study

1.2 制樣及試驗方法

為對比拌和方法對試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響,試樣制備分兩組進(jìn)行,每組試樣制備過程均可分為篩土、改良土拌和與試樣壓制三個階段。兩組試樣制備過程除改良土拌和這一階段外均相同。第一階段篩土?xí)r先將取得的黃土風(fēng)干、碾碎,然后過2 mm篩。第二階段改良黃土按照0%(素土)、1%、2%和3%四種摻量進(jìn)行拌和,拌和時的摻量為木質(zhì)素纖維與黃土質(zhì)量之比。除摻量0%的改良黃土(素土)以外,其余改良土拌和分兩組進(jìn)行(表3),第一組采用直接拌和方法,直接按照1%、2%和3%三種摻量將木質(zhì)素纖維與黃土干拌均勻。第二組采用稀釋拌和方法,先拌和出3%摻量的木質(zhì)素纖維改良黃土,再經(jīng)過計算后將3%摻量的改良黃土分成不等的三份,并向其中兩份摻入一定質(zhì)量的素土,反向拌和出摻量1%和2%的改良黃土。改良黃土干拌均勻后,按照素土的最優(yōu)含水率分別加入蒸餾水拌勻,再悶料24小時以使水分?jǐn)U散均勻。第三階段采用兩端靜壓的方法將悶好的不同摻量改良黃土制備成直徑39.1 mm,高80 mm的實心圓柱試樣。制樣壓實度為94%,試樣密度按照素土的最大干密度進(jìn)行計算。制備好的試樣塑封后在溫度20±2 ℃、相對濕度≥95%的環(huán)境條件下養(yǎng)護(hù)28天。兩種制備方法所制改良黃土試樣如圖2所示。

表3 試樣制備拌和方法Table 3 Mixing methods of sample preparation

圖2 試樣照片F(xiàn)ig.2 The photos of test specimen

養(yǎng)護(hù)前試樣的干密度由試樣壓制完成后所測量的尺寸(高度、直徑)、質(zhì)量和試樣壓制所使用的纖維-土-水混合物的含水率計算得到。養(yǎng)護(hù)后試樣的干密度由進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗前試樣的尺寸、質(zhì)量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗后試樣樣芯部分黃土的含水率計算得到。試樣高度與直徑的測量計算以及含水率的測定均按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[13]進(jìn)行。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗所使用儀器為南京寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的YYW-2型應(yīng)變控制式無側(cè)限壓力儀,試驗過程同樣遵照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行,試驗的軸向加載速率為2.4 mm/min。

2 結(jié)果分析

2.1 干密度變化對比分析

表4為素土試樣與兩種拌和方法制備的木質(zhì)素纖維改良黃土試樣養(yǎng)護(hù)前后干密度及干密度變化率,直接拌和方法與稀釋拌和方法所制備試樣的試樣編號首字母分別為Z和X。

由表4可知,養(yǎng)護(hù)前試樣干密度最大為1.698 g/cm3,最小為1.678 g/cm3,試樣干密度基本接近。試樣養(yǎng)護(hù)過程中木質(zhì)素纖維發(fā)生回彈使得試樣體積變大,干密度減小。兩種拌和方法所制備的同一摻量試樣干密度減小幅度均有所偏差,但偏差大小不同。為分析這種情況,引用離散系數(shù)對兩種拌和方法制備的同一摻量試樣干密度變化率的離散程度進(jìn)行比較,離散系數(shù)越大說明數(shù)據(jù)的離散程度越大,數(shù)據(jù)分布的范圍越大,數(shù)據(jù)越不穩(wěn)定,平均數(shù)的代表性越小,離散系數(shù)由式(1)與(2)計算得到[14],結(jié)果如圖3所示。

表4 試樣養(yǎng)護(hù)前后干密度及干密度變化率Table 4 Variation of dry density and its change rate of samples before and after curing

(1)

(2)

如圖3所示:相同摻量情況下,使用稀釋拌和法所制備試樣的干密度變化率離散系數(shù)均小于使用直接拌和法所制備試樣,試樣在養(yǎng)護(hù)過程中干密度變化更為接近。說明稀釋拌和法對改良黃土試樣干密度變化的影響更小,采用稀釋拌和法所制備試樣能更好的反映出摻量對改良黃土干密度變化的影響。

圖3 木質(zhì)素纖維摻量與干密度變化率離散系數(shù) 關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between lignin fiber content and the discrete coefficient of the dry density change rate using different sample preparation methods

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比分析

為直觀說明拌和方法對木質(zhì)素纖維改良黃土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,計算出同一條件下改良黃土試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值,繪制出摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線(圖4)。再按照式(1)與(2)分別計算出兩種拌和方法制備的同一摻量試樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的離散系數(shù),繪制出摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散系數(shù)關(guān)系曲線(圖5)。

圖4 木質(zhì)素纖維摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between lignin fiber content and unconfined compressive strength using different sample preparation methods

圖5 木質(zhì)素纖維摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散系數(shù) 關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between lignin fiber content and the discrete coefficient of unconfined compressive strength using different sample preparation methods

從圖4中可以看出,兩種拌和方法所制備試樣的摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線大致重合,但在數(shù)值上存在不同程度差異。這說明兩種拌和方法所制備試樣所反映出的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果隨摻量變化的總體趨勢一致,但拌和方法對試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性具有明顯影響。

據(jù)圖5所示,稀釋拌和法所制備試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散系數(shù)總體上小于直接拌和法所制備試樣,且稀釋拌和法所制備試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散系數(shù)基本不隨摻量的變化發(fā)生改變,直接拌和法所制備試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度離散系數(shù)則有突然增大。表明稀釋拌和法所制備的不同摻量改良黃土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的總體變化幅度更小,可以更好反應(yīng)摻量變化對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的影響,稀釋拌和法對試驗結(jié)果的影響更穩(wěn)定。

綜上所述,兩種拌和方法均能體現(xiàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量變化的總體趨勢,但稀釋拌和法所制備試樣測得的試驗數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定,而直接拌和法會影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性,試驗結(jié)果波動較大,不利于分析木質(zhì)素纖維摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。

3 結(jié)論

通過研究主要得到以下結(jié)論:

(1)與直接拌和法所制備木質(zhì)素纖維改良黃土試樣相比,采用稀釋拌和法所制備的試樣在養(yǎng)護(hù)過程中干密度變化更相近,干密度變化率離散程度更小。

(2)稀釋拌和法與直接拌和法均能體現(xiàn)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量變化的基本趨勢,但稀釋拌和法所制備試樣測得的試驗結(jié)果更加穩(wěn)定。

(3)稀釋拌和法所制備的木質(zhì)素纖維改良黃土試樣可以更好的體現(xiàn)木質(zhì)素纖維摻量變化對改良黃土強(qiáng)度的影響。