青海地區改性夯土材料抗壓性能試驗研究

李航航 李輝 趙國智

(1青海大學土木工程學院，青海 西寧 810016；2青海省建筑節能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧810016；3青海省建筑建材科學研究院有限公司，青海 西寧 810008；4青海省高原綠色建筑與生態社區重點實驗室，青海 西寧 810008)

0 引言

在青藏高原村鎮地區，受經濟、文化、交通的影響，由夯土作為墻體的傳統庒廓建筑廣泛存在，夯土建筑具有就地取材、施工簡單、冬暖夏涼、造價低廉的優勢，同時節能環保無污染，是一種典型的綠色建筑，在提倡綠色、循環、低碳發展理念的今天，夯土建筑逐漸煥發出新的活力。但由于夯土材料強度低、穩定性及耐水性差等缺點，一定程度上制約了夯土建筑的發展，因此提高夯土材料的力學性能成為夯土研究最需要解決的問題。為提高夯土的力學性能，研究人員對添加不同摻合料的改性生土材料展開了科學研究。糯米漿與玻璃渣、舊橡膠等工業廢料添加到土體材料中可使抗壓強度和變形能力得到提高[1]；在黃土中摻入固含量為0.8%左右的高分子固化材料SH時，黃土的力學性能和耐久性能得到了大幅的提高，當配合麻刀、石灰等材料使用時，會起到更好的效果[2-5]；竹纖維、麥秸稈等作為加筋材料添加到土體材料中也有助于提高試件的抗壓能力，同時脆性性能得到了改善[6-7]；此外，單摻復摻不同含量的河沙、水泥、礦渣、粉煤灰、礫石都可大幅度提高改性生土試件的無側限抗壓強度、抗折強度等[8-10]。

目前夯土材料研究大多在青藏高原以外，并無專門針對青藏高原的改性夯土研究。本文以青藏地區的土料為基礎，利用天然農業廢棄物青稞秸稈纖維、石子、聚乙烯醇、固化劑、防水劑等材料進行改性試驗，研究相關材料改性夯土的力學性能及變形能力，尋求最佳的改性方式，為青藏地區傳統庒廓建筑的傳承與發展提供科學合理的參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 試驗原料

試驗土料為取自青海湟水河流域的黃土，基本物理性質見表1，去除雜質烘干后使用直徑5mm的篩子過篩。青稞秸稈為青稞收割后遺留在農田的農業廢棄物，纖維含量可達47%，先將表皮剝掉，裁剪為4cm左右的小片段，然后碾壓至扁平狀。石子為普通建筑石子，粒徑分別為5～10mm、10～15mm和15～20mm[11]。聚乙烯醇使用寧夏大地牌160目白色粉末狀聚乙烯醇，聚乙烯醇常作為建筑用膠，添加到土料中可作為改性夯土材料的粘結劑，增強土顆粒之間的粘結力。固化劑使用卓能達牌土壤固化劑，需配合9%生石灰使用。防水劑為納米有機硅防水劑，可滲透進孔隙表面形成防水層。

表1 試驗用土基本物理性質

1.2 試件的設計及制作

試驗試件分為A、B兩個大組，每個大組分4個小組，每個小組3個試件。A組包括一組素土試件，另外三組在素土基礎上分別使用0.8%固含量聚乙烯醇、固化劑、防水劑；B組包括一組0.25%青稞秸稈+20%石子試件，另外三組在此基礎上分別使用0.8%固含量聚乙烯醇、固化劑、防水劑。固化劑按照要求使用質量分數1.2%的固化劑原液，防水劑在試件制作好后噴灑于試件表面。夯土的本質是通過沖擊能使土料變得密實，試驗中將配置好的土料分3層倒入100×100×100mm的模具中，然后使用千斤頂壓制密實成型，制作好的試件在室內自然養護28d。

1.3 試件加載方案

試件加載在青海大學理工實驗樓結構大廳進行，使用美特斯3000kN電液伺服壓力試驗機測量無側限抗壓強度。加載前進行預壓，加載時試件表面鋪設土粉確保表面平整，加載方式采用位移控制法，加載速率為1mm/min，記錄試件的開裂荷載及峰值荷載，當破壞后荷載降低到峰值荷載的80%左右時停止加載，結束試驗。參考GB·T50081-2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》中混凝土的抗壓強度公式得出改性夯土試件的無側限抗壓強度。

2 試驗過程及現象

2.1 A組試件試驗過程及現象

A組試件整體成型較好，表面光滑，無邊角破損，外觀顏色同傳統夯土一致。在加載初期，試件承受壓力的方向中部出現微小的豎向裂紋，隨著荷載的增加，逐漸擴大為較大的豎向裂縫，當達到峰值荷載時，豎向裂縫已上下貫通，且不止一條，此時平均位移超過為2.13mm，之后繼續加載試件破壞，荷載下降，呈現明顯的脆性破壞。破壞后的試件如圖1（a）所示。

2.2 B組試件試驗過程及現象

B組試件由于添加了青稞秸稈及石子，外觀成型相對不好，邊角有細微破損。試件加載時邊角處先有細微土體脫落，然后上下承壓端面出現大量的短小橫向豎向裂縫，隨著荷載增加，裂縫快速發展，在表面形成縱橫交錯的網狀裂縫，伴隨土體的大量脫落，無貫通裂縫產生，加載過程中可以持續聽到青稞秸稈被拉斷的聲音。破壞后的試件內部呈不規則的雙錐形。破壞后的試件如圖1（b）所示。

圖1 破壞后的試件

3 試驗結果分析

3.1 抗壓結果分析

取每小組夯土試件抗壓強度的平均值作為該小組的抗壓強度，結果見表2。

表2 各組試件抗壓強度實驗結果

由表2可知，使用青稞秸稈及石子、聚乙烯醇改性夯土后，試件的無側限抗壓強度均得到相應提高，較素土可提高1.8～6.89倍。當僅使用青稞秸稈及石子改性夯土時，試件的平均抗壓強度為1.514MPa，雖然較素土提高了1.8倍，但是強度依然較低。試件強度是在青稞秸稈和石子共同作用下提高的，石子做骨架，青稞秸稈起加筋作用，當試件受荷載作用時，土石混合體承擔主要壓力，縱橫交錯的秸稈分擔剩余壓力。

在土體中添加聚乙烯醇，聚乙烯醇溶解于水后變成粘度很高的膠溶液，可以充分滲透進微小的土體顆粒之間，增加土體顆粒的粘聚力，同時也可以填充孔隙，使夯土試件的密實性得到增強，進而提高試件的無側限抗壓強度。在素土中單摻聚乙烯醇和復摻青稞秸稈、石子和聚乙烯醇的試件的抗壓強度分別為4.097MPa、4.267MPa，相較素土體試件，抗壓強度分別提高了6.57倍、6.89倍。但是單摻聚乙烯醇試件呈脆性破壞，破壞前征兆不明顯，在試件中添加青稞秸稈可以改善試件脆性破壞的特性。試驗中使用固化劑的A3、B3小組試件抗壓強度并沒有得到提高，與A1、B1相比反而有所降低，試件比較脆弱，此類方法不能提高試件的抗壓強度。試件使用防水劑前后無側限抗壓強度變化很小，A4、B4小組使用防水劑后抗壓強度較A1、B1僅提高2.5%左右，對試件的抗壓強度并無明顯影響。但防水劑可以滲透進試件表面孔隙形成防水層，起到良好的隔水效果，防水效果如圖2所示。

圖2 防水劑試件防水效果

3.2 變形能力分析

根據試驗數據，利用軟件繪制各組的荷載-位移曲線，如圖3所示。由圖3可以看出，A、B組試件荷載-位移曲線在加載初期變化不穩定，總體緩慢上升，表現出凹函數特征，這是由于試件內部土顆粒之間存在空隙，加載初期這些空隙周圍的土顆粒在荷載作用下重新排列，變得相對致密。之后試件荷載-位移曲線經歷一個持續上升階段，直至達到峰值，此階段試件曲線斜率相對穩定，試件表現出彈性性質。最后試件發生破壞，承載力喪失，此時荷載-位移曲線表現出凸函數特點，剛度退化比加載時遲緩。對比不同試件的峰值位移發現，單摻聚乙烯醇和復摻青稞秸稈、石子和聚乙烯醇試件的峰值位移可以達到3.07～3.91mm，較素土試件1.19mm的峰值位移提高了1.58～2.29倍。防水劑試件的峰值位移與素土試件相比僅提高了0.06mm，其他試件的峰值位移均在2.19mm以上，遠高于素土試件。

圖3 試件荷載位移曲線

4 結論

1）在夯土中摻入0.25%青稞秸稈、20%石子和0.8%固含量的聚乙烯醇時，試件的抗壓強度平均值為4.267MPa，比素土試件抗壓強度的平均值提高了6.89倍，峰值荷載時對應的峰值位移位移較素土試件增加了1.88mm，使用此配比改性夯土比較合理。

2）0.8%聚乙烯醇可使夯土試件抗壓強度提高6倍以上，但不能改變夯土脆性破壞的特性，在夯土中摻入青稞秸稈可改善夯土試件脆性破壞的特性。

3）防水劑在夯土上使用阻隔水分的效果理想，但防水劑使用后抗壓強度提高只有2.5%左右，強度提高效果不高，峰值荷載提高只有0.06mm。