棉花秸秆改性生土材料试验研究

蔺广涵，叶洪东

（1.天津城建大学 土木工程学院，天津 300384；2.河北工程大学 土木工程学院，河北 邯郸 056000）

目前生土建筑在我国仍大量存在，但其墙体强度低、脆性大、抗震性能不强，制约了农民建造生土住宅的积极性.生土建筑在我国具有悠久的历史.生土房屋具有取材方便，造价低廉，热工性能好，可循环利用等优点，目前在我国西北地区广大农村仍大量存在[1-3].各地区根据当地气候条件与人们生活习惯建造的生土建筑各式各样，如窑洞、土楼、土坯房等等.然而，生土材料强度差、耐久性低、脆性较大等不足制约了生土建筑在农村的进一步广泛应用.

通过生土建筑的震后灾害调查可知，对生土墙体强度优化和加固是提高其抗震性能的有效措施.一般，通过掺加外填料可以大大提高生土墙体力学性能.目前诸多文献对生土材料改性进行了研究，王毅红、王赟、胡冗冗分别用麦秸秆、稻草、淀粉、麻草改性土体，试验表明适量植物纤维的掺入能有效提高生土材料的力学强度，优化生土材料的变形能力[4-5]；仲继清等通过水泥、石灰对生土材料进行改性，试验发现水泥与石灰的水化作用产物能填充土体空隙，增加土体密实度，使改性后的材料抗剪能力得到大幅改善[6]；王琴[7]研究并发现了粉煤灰作为改性材料与土颗粒反应所生成的水硬性化合物可降低生土材料的孔隙率，提升生土材料的材料力学性能与耐候性.

棉花秸秆在我国北部农村地区产量大，目前对其处理方式大多并不符合越来越严格的环保要求.参考文献大多采用麦秸秆进行改性，考虑到棉花秸秆具有更好的抗拉性能，特别是其外皮具有很强的韧性[8-9]，本文以棉花秸秆为主填料，掺入少量砂土对生土进行改性，试验研究其改性生土材料的优化配比及其力学性能，并对改性机理进行分析.

1　试样制备

1.1　试样配比

将棉花秸秆晾干、剥皮，处理成宽约5 mm的扁平长条，长度分别约为2，4，6 cm共3组.

试验生土为黄土，其液限和塑限分别为24.06和18.98.土样碾碎过筛，掺加砂土，制作成不同配比的生土改性试样，试样配比见表1.

表1　生土试样配比

1.2　最优含水率的确定

依据《土工试验方法标准》[10]，按表1配比分别制作5组试件，进行不同含水率下改性试样的轻型击实试验，测定其最优含水率和最大干密度，试验结果见表2.

表2　击实试验结果

根据表2数据分析可知，由于夯实过程中，一部分水进入秸秆，故使第2组和第3组的最优含水率较素土大；而第4组和第5组试块由于掺入了砂土，有效改善了秸秆的吸水性，建议以植物秸秆类材料做生土改性时最好掺入少量砂土.

1.3　试样制备

以最优含水率制作标准试件，每组配比制作5个，其中3个经自然养护28 d后，用于测量其抗压强度；另外2个试件用于直剪试验.

2　试验结果与分析

2.1　棉花秸秆的掺入及其长度对试件抗压强度的影响

将掺入长度分别为2，4，6 cm，质量比为 0.5%的棉花秸秆改性试件进行抗压强度试验，其试验结果见表3，破坏形态描述见表4.

试验发现，掺入秸秆的试块，其抗压强度较素土试块有一定提高，分析认为掺入秸秆起到了加筋作用，限制了裂缝的出现与发展，同时秸秆的吸水性能有效地调节了试件含水量.

掺入秸秆的长度对抗压强度的提高程度有一定影响，在适当范围内，试件抗压强度随掺入秸秆长度的增大而增大，当掺入秸秆过长时，抗压强度的提高程度有所下降.本试验中，掺入2 cm长秸秆试块的抗压强度较素土试块提高不大；掺入4 cm长秸秆的试件抗压强度最大；而掺入6 cm长秸秆的试件抗压强度提高最小，掰开后发现其内部部分秸秆出现联通现象.分析认为，秸秆长度过长，会导致试件内部因产生较大的应力集中而破坏.因此，在农房建造过程中建议根据墙体大小，掺入适量适当长度的棉花秸秆.

表3　单掺棉花秸秆试件的抗压强度MPa

表4　试件破坏形态描述

2.2　掺秸秆与掺砂复合试件的抗压强度与破坏情况

考虑到外掺4 cm长秸秆试件抗压强度效果较好，故以下试验均选择4 cm长棉花秸秆，在掺入质量比为0.5%秸秆的土样中掺入5%中砂，进行抗压试验，观察破坏情况与抗压强度，并与素土试件、单掺0.7%棉花秸秆试件、单掺5%中砂试件进行对比.其抗压强度试验结果见表5，破坏形态描述见表6.

由表5和表6可知，试件复掺棉花秸秆与中砂的抗压强度较单掺棉花秸秆、中砂有一定提高，裂缝出现时间较素土试件与单掺秸秆试件后移，且破坏过程中能保持较好的整体性，土体脱落较少.分析认为，棉花秸秆的掺入起到了加筋的作用，约束了试块的横向变形，但掺入量过多会降低试样的夯实度，削弱强度提升的程度；中砂的掺入作为骨料，优化了生土材料的密实度与级配，并在试块中起到一定的支撑作用.考虑到轻型击实仪的击实效果与实际工程中存在差距，若要进一步提高试块抗压强度，可选择手动气夯；也可在试块中掺入少量水泥、石膏，但这些材料在生土住宅拆除后对当地生态恢复不利.

表5　各配比下抗压强度MPa

表6　试件破坏形态描述

2.3　生土试样抗剪强度

将各个配比的土样在最优含水率下击实，每组2个，每个用环刀取2个试样用于直剪试验，试验结果见图1和图2.

由图1可知，改性试块与素土试块相比，其剪切强度-位移曲线形状大致相同，剪切位移略有不同.具体分析可知，中砂试块和中砂秸秆复合试块的最大剪切位移较素土稍大，各配比下单掺棉花秸秆的试块最大剪切位移与素土试块相比变化不大.

图1　剪切强度-位移曲线

图2　各配比下试件的抗剪强度

根据图2剪切强度结果，基于剪切强度和垂直压力关系拟合的曲线，计算得到改性生土黏聚力c与内摩擦角φ，结果见表7.

表7　抗剪强度指标

由表7可知，秸秆和中砂对试块抗剪强度的提高影响不同.掺棉花秸秆使得试件的黏聚力提高，而掺中砂提高了试件的内摩擦角；同时掺入中砂和棉花秸秆时，中砂不仅与土颗粒的摩擦提高，同时中砂与秸秆摩擦也提高，这进一步优化了棉花秸秆在土体中的拉结作用.

棉花秸秆的拉结作用和中砂对内摩擦角的提高作用共同约束了改性试块的剪切变形，使试块在抗压强度试验过程中长时间保持垂直受压状态，这进一步提高了试块的抗压强度；压坏后掺有棉花秸秆的试块仍然保持较好的整体性，各破坏部分通过秸秆相互连接，土体并没有严重脱落.

3　结论

（1）不同长度、不同掺量的棉花秸秆对生土试块力学强度和延性有不同程度的影响，与素土试块相比，长2，4，6 cm棉花秸秆的掺入使试块抗压强度分别提高2%，28%，1%，由此可知掺入适当长度的棉花秸秆能较大提高生土材料的抗压性能.

（2）5%中砂的掺入对生土试块抗压强度和抗剪强度提高最大，其中抗压强度提高了26%，抗剪强度提高了17%.

（3）棉花秸秆与中砂均可就地取材，经济环保，还田后易降解.试验发现，与素土试块相比0.5%棉花秸秆和5%中砂的共同掺入对生土试块力学强度提高最大，提高了43%，同时保证了生土试块的变形能力.故在实际工程中，可考虑选此外掺材料和配比.