含麦草纤维生土建材的拉压力学性能试验研究

2020-09-30吴昌勇

绿色环保建材 2020年10期

谢冰吴昌勇

1.洛阳理工学院土木工程学院；2.广西保利置业集团有限公司

1 引言

生土材料是古老和且广泛使用的建筑材料之一。据估计，世界三分之一的人口和发展中国家50%的人口仍然居住在以生土建材为主建造的房屋中。虽然随着建筑材料的发展，耐久性与力学性能更加优越的建筑材料越来越广泛地应用于各类建筑中，例如、混凝土、钢筋以及各类新型合成保温材料等，但此类现代建筑材料也逐渐暴露出耗能大、成本高等缺点。为了顺应时代发展，提倡绿色、低碳、环保的建筑要求，实现从原材料获取、使用、维护到循环利用能够最大限度地降低对环境的影响与扰动，生土建材已成为替代传统高能源需求建筑材料的一个选择。

由于生土材料往往具有易变形、强度低等缺点，因此国内外众多学者对生土材料的改性问题进行了诸多研究，例如，杨永等[1]采用粉煤灰、石灰、矿渣等作为生土材料改性添加剂对生土改性前后的微细观结构进行了研究，分析了生土材料改性的内在作用机制。张坤[2]、王毅红[3]等对砾石、河砂等掺料含量对生土块材受压性能影响进行了深入研究；类似的文献还有文[4、5]。众所周知，植物纤维对于生土的性能改善有一定的作用[6]，鉴于此，本文将以我国能够广泛取材的麦草纤维作为生土添加材料，采用室内试验方法对含麦草纤维生土建材的抗压与抗拉的基本力学性能进行研究。

2 试件制备

本次试验所采用的试样由地处我国西北的敦煌地区天然水、土、沙、麦草等原材料制备而成，其中水、土和沙的质量比为0.5:1:1，沙粒径约为0.05mm～2mm，土粒径约为0.005mm～0.05mm。麦草作为改性材料加入生土材料中，纤维长度控制在5cm～8cm，质量约占土、沙总质量的2%。试样通过模具浇筑加工而成，放入40℃恒温烘箱内，放置72小时后脱模，并继续烘干。

由于含麦草纤维的生土建材不属于传统意义上的土介质与岩石介质，对其研究相对较少，尚没有成熟的试验方法。若按照土样进行分析，在《土工试验规程》（SL 237—1999）与《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）中明确规定建议采用圆柱试样截面直径为3.5mm～4.0mm；若按照岩样进行分析，在《工程岩体试验方法标准》（GB/T 50266—2013）与《公路工程岩石试验规程》（JTG E41—2005）中明确规定试样直径应大于岩石矿物最大颗粒直径的10 倍，建议取直径为50mm。考虑到试样中掺杂麦草纤维尺寸部分可达到5cm～8cm 长，因此若完全按照传统的岩石或土工试验标准进行试验，势必存在严重的尺寸效应，故试件采用了相对较大的尺寸。

根据试验项目情况，分别制作了不同的试样，其中，单轴抗压强度试验与单轴压缩变形试验试样尺寸为Φ100mm×200mm；劈裂法抗拉强度试验试样尺寸为Φ100mm×100mm。典型的试样见图1。

图1 典型试样

3 试验与结果分析

力学性能试验将全部在由中国科学院武汉岩土力学研究所研制的岩石与混凝土力学实验系统RMT-301 上完成。该系统的垂直液压缸推力可选用1500kN、100kN 两个级别，活塞行程50mm；有效测力范围为10kN～1500kN，传感器精度可达10N；水平液压缸最大推力500kN，活塞行程50mm，传感器精度为10N；所有位移及行程传感器的测量精度均优于0.3%；分辨率高于0.01%F.S。变形速率可以控制在0.0001mm/s～1mm/s 或加载速率可以控制在0.01kN/s～90kN/s进行试验。

图2 试件的单轴抗压强度试验

3.1 单轴抗压强度测试

选取无明显缺陷，表面光滑平整的Φ100mm×200mm的圆柱体试件进行实验。将试样置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板，使试样均匀受载，以位移作为加载控制参量，按0.02mm/s的加载速度加荷，直到试样破坏为止，由计算机自动记录最大破坏载荷、弹性模量以及加载过程的应力应变全过程曲线。试件典型试验过程见图2，单轴压缩的应力应变曲线见图3。

图3 典型单轴抗压试验曲线

经统计可得试件的单轴压缩强度σc以及弹性模量E如表1。

表1 单轴抗压试验结果

3.2 巴西劈裂法抗拉强度测试

巴西劈裂试验方法测定试样抗拉强度时，试件加工为Φ100mm×100mm 的圆柱体，通过试件直径的两端，沿轴线方向划两条相互平行的加载基线；将两根垫条沿加载基线固定在试件两端；将试样置于压力机承压板中心，调整有球形座的承压板，使试样均匀受载，并使垫条与试件在同一加荷轴线上；以0.01mm/s的加载速度加荷，直到试样破坏为止，记录下最大破坏载荷及加载过程的应力应变全过程曲线。

试样的抗拉强度σt通过下式确定：