冻融循环条件下棉花秸秆纤维水泥土抗压强度劣化研究

2019-01-17吴发红孙浩刘超嵇蔚冰

新型建筑材料 2018年12期

吴发红，孙浩，刘超，嵇蔚冰

（1.盐城工学院，江苏盐城 224001；2.盐城市建筑设计研究院有限公司，江苏盐城 224001）

农作物秸秆产量巨大，其不当处置方式对环境产生恶劣影响。据相关统计，我国每年产生近6亿t秸秆，约97%的秸秆被焚烧、堆积或遗弃。因此，加强农作物的合理处置，拓宽其利用途径，刻不容缓。同时，秸秆纤维作为优良的加筋材料，具有生态环保，成本低廉等优势，在边坡防护，软基加固中已有一定的应用。但由于秸秆纤维具有易降解特性，导致其加筋土工程性质劣化，从而阻碍了秸秆纤维加筋工程的推广。近年来，不少专家学者针对秸秆纤维降解及其加筋土强度劣化进行了研究。Greeshma[1]将稻秸秆置于饱和的石灰溶剂中，再施加30次干湿循环，稻秸秆的抗拉强度比清水环境下的下降了91%。Ramakrishna和Sundararajan[2]将植物纤维置于饱和石灰溶剂中，再施加30次干湿循环，剑麻和木槿纤维抗拉强度几乎全部丧失；椰丝纤维能保有初始强度的20%～40%。包惠明等[3]指出，在水泥砂浆中掺入3 kg/m3的剑麻纤维，在受到海水腐蚀后，腐蚀前期抗压强度基本趋于平稳，在腐蚀干湿循环15、30次后，其抗压强度分别下降2.8%、15.6%。Filho等[4]指出，剑麻纤维水泥复合材料中纤维降解随着干湿循环次数的增加而逐步发生，10次周期，纤维与基质界面分解，25次周期，剑麻纤维完全降解。

上述成果对冻融循环条件下秸秆纤维加筋土的强度劣化的研究尚且薄弱。为此，本文选用棉花秸秆纤维作为加筋材料，研究在冻融循环条件下，棉花秸秆纤维加筋水泥土抗压强度劣化，并进行理论分析，为推进农作物秸秆在加筋工程中的应用提供参考。

1 试验

1.1 试验材料

土：取自盐城某基坑深度为8～10 m的粉质黏土，其物理力学特性见表1。水泥：江苏八菱海螺水泥厂生产的P·O42.5水泥，其物理性质见表2。棉花秸秆：产自盐城郊区，将其制作成棉花秸秆纤维（直径0.08～0.20 mm，平均长度20 mm），如图1所示。

表1 土样的物理力学特性

表2 水泥的物理力学性能

图1 棉花秸秆纤维

1.2 试样制备

（1）先将土样风干，过2 mm筛；（2）参考前人研究基础[5]，按照水泥掺入比（水泥占湿土质量）15%，水灰比（水与水泥质量比）0.5，土样配置成目标含水率50%，加筋率（纤维占干土质量）0.6%，分别称取土、水泥、水和棉花秸秆纤维；（3）先将土样和水泥混合，然后将棉花秸秆纤维均匀掺入土样和水泥的拌和料中，直至完全搅拌均匀后加水；（4）将搅拌好的浆体装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中，盖上塑料薄膜24 h后脱模，并进行标准养护（温度20℃，相对湿度为95%）。

1.3 试验方法

（1）冻融循环试验方法：将养护至7 d和28 d试样取出，参考侯淑鹏和王天亮[6-7]等的研究进行冻融循环，具体步骤：①将试样放置温度为20℃养护箱12 h；②随后将试样放入温度为-20℃的恒温箱中12 h；③以上步骤即为1次冻融循环，当试样分别进行至5、10、15、20次循环后进行抗压试验。

（2）pH 值测试方法：分别将养护至 3、7、14、21、28 d 的试样进行无侧限抗压强度试验，取破坏的试件研磨成粉，取10 g按照1∶5的质量比加去离子水，装入瓶中放置恒温振荡器中振荡1 h后静置30 min，采用pH值测量仪（pH Mater PHS-4CT）测试其pH值。

2 冻融循环对棉花秸秆纤维水泥抗压强度的影响

图2为棉花秸秆纤维水泥土的抗压强度与冻融循环次数的关系曲线。

图2 抗压强度随着冻融循环次数的变化曲线

由图2可以看出，随着冻融循环次数的增加，养护7 d和28 d的试样无侧限抗压强度不断降低。值得说明，养护7 d的试样进行15次冻融循环后已不能成型。养护7 d时，15次冻融循环后试样的抗压强度下降了50.03%；养护28 d时，20次冻融循环后试样的抗压强度下降了48.82%。

根据水泥土增强机理可知，凝结硬化过程中形成的水泥土结构较为密实，自身具有一定的胶结应力。在低温情况下，水泥土中的孔隙水结成冰，导致体积膨胀，对水泥土中的毛细孔壁产生一定的膨胀应力，当膨胀应力超过水泥土的胶结应力后产生不可逆转的细微裂缝。当水泥土处于融化状态时，冰融化成水以及外部的水进入裂缝中，再次结冰后，裂缝开展将会更大，从而导致裂缝的扩展以及贯通，进而对水泥土结构产生严重损伤。而棉花秸秆纤维作为加筋材料掺入水泥土环境中，会阻止裂缝的开展，从而提高试样的强度和破坏时的应变。但由于棉花秸秆纤维作为易降解生物质材料，长期处于水泥土环境中，同时伴随着冻融循环的外部环境，强度会不断衰减，从而加筋效果逐渐减弱，导致棉花秸秆纤维水泥土的抗压强度降低。因此，棉花秸秆纤维水泥土抗压强度降低的原因一方面是水结冰产生的体积膨胀特性，另一方面是棉花秸秆纤维强度衰减。

3 棉花秸秆纤维降解及其加筋土强度劣化分析

棉花秸秆纤维的主要成分为纤维素、木质素、半纤维素等，纤维素是植物细胞壁的主要成分，提供秸秆一定的机械强度和变形柔韧性；半纤维素具有使得秸秆之间的细胞连结更加紧密的作用，木质素则具有使得细胞壁相连，以及强化木质纤维的作用，增加秸秆的机械强度。已有相关学者研究发现，酸碱、水分、温度、紫外线照射、微生物活动等对秸秆纤维的降解有着重要影响。如Stokke等[8]指出，秸秆纤维热降解过程可分为5个阶段：水分蒸发、半纤维素分解、纤维素分解、木质素分解、聚合物基体高分子降解或解聚。Azwa等[9]指出，半纤维素与热降解、生物降解和水分降解有关；木质素与紫外线降解和炭生成有关。

为了分析棉花秸秆纤维在水泥土环境中的降解，初步测试纤维水泥土在不同养护龄期的pH值，如图3所示。

图3 不同养护龄期的pH变化曲线

由图3可以发现，棉花秸秆纤维水泥土随着养护时间的延长，pH值不断下降，但所有试样的pH值均超过12.6，属于强碱环境。同时，未掺棉花秸秆纤维的水泥土pH值变化趋势与掺棉花秸秆纤维水泥土的一致，也和车东日等[10]的结论一致。碱性环境对半纤维素以及木质素的影响较大，造成秸秆纤维的降解和强度衰减。

图4为将棉花秸秆纤维从水泥土中剥离出，其外表的微观形貌。

由图4可以看出，在水泥土强碱环境中，纤维表面遭受不同程度的损伤，这与孙浩等[11]的研究一致。本试验只是初步研究不同养护龄期的pH值对棉花秸秆纤维的影响，关于冻融循环条件下的pH值以及水泥土中含水量、水泥水化温度等因素对棉花秸秆纤维降解的影响需进一步研究。

图4 棉花秸秆纤维的微观形貌

图5为棉花秸秆纤维在养护7 d，冻融循环15次的水泥土中的微观形貌。

图5 棉花秸秆纤维在水泥土中的微观形貌

结合图4以及唐朝生等[12]关于聚丙烯纤维在水泥土环境中的力学作用，可以认为，在棉花秸秆纤维发生降解之前，土体内部的水泥晶体和纤维表面的水泥晶体相互作用，相互连接，具有较强的锚固作用（如图6所示）。当纤维水泥土发生破坏时，此锚固作用阻止筋土界面颗粒发生相对位移和错动，从而增加纤维水泥土的强度以及破坏时的应变。

但棉花秸秆纤维在水泥土环境中发生降解，纤维表面出现损伤，则纤维表面与水泥晶体作用力会不断衰减，和土体内部的水泥晶体的联结也随之衰减，从而锚固作用下降（如图7所示）。另外，由于秸秆纤维的降解，降低纤维与水泥土之间的接触面积，使得密实的棉花秸秆纤维水泥土结构出现薄弱之处，从而使得纤维水泥土强度下降。