基于青稞秸秆纤维及碎石的改性生土抗压性能试验研究

李航航，李 辉，张吾渝，蒋宁山，安生霞

(1.青海大学土木工程学院，青海 西宁 810016；2．青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，青海 西宁 810016；3.青海省建筑建材科学研究院有限公司，青海 西宁 810008；4.青海省高原绿色建筑与生态社区重点实验室，青海 西宁 810008)

生土结构建筑作为中国传统建筑形式，具有悠久的历史，并且具有就地取材、施工方便、成本低廉、冬暖夏凉等优势，同时源于自然、生态环保，在我国中西部地区大量存在[1]。但由于生土结构建筑材料强度较低、耐久性能及抗震性能较差，生土结构危房在农村危房中所占的比例超过60%[2]。为了提高其强度，对生土材料进行改性成为生土结构建筑研究中首先需要解决的问题。在生土中复掺砾石与水泥可使抗压强度增加1.16～3.55倍，并提高其变形能力[3]，而一定掺量颗粒级配良好的河砂也可大幅度提高生土的抗压能力[4]。小麦秸秆是一种在农村常见的天然加筋材料，添加到生土中可提高生土的抗剪能力、变形能力以及极限承载力[5-8]，剑麻纤维及合成纤维可以增加土体的强度和刚度，也是一种较好的加筋材料[9-11]。本文利用青藏高原特有的青稞秸秆、碎石为掺和料，对生土材料进行绿色、低成本和低耗能的物理改性，研究青稞秸秆、碎石改性生土力学性能和变形性能，提出改性最佳配合比，为传统生土建筑的传承和发展提供理论依据。

1 试验概况

1.1 试验材料

试验土样取自西宁市北郊，黄土质粉质黏土，初始含水率15.2%，最优含水率15.8%，最大干密度1.72 g/cm3。去除杂质后在烘箱中烘干，过直径5 mm 的标准筛。青稞秸秆粗纤维含量高达47%。将青稞秸秆剥掉表皮留下光滑的茎秆，裁剪为长度30～50 mm的片段，然后反复碾压至扁平状备用。

碎石为一般建筑碎石，粒径为5～10、10～15、15～20 mm[12]。

1.2 试件制备

参考GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[13]中的击实试验及研究[14]成果,利用千斤顶、100 mm3C45混凝土块、100 mm3混凝土模具自制制样仪器(图1a)，制作尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体试件，该尺寸试件可较为真实地反应生土材料实际的受力状态。制作好的试件在室内自然养护28 d，养护后试件含水率趋于平缓，抗压试验结果离散性低，可信度高，可表现出更好的力学性能[15]，养护中的试件如图1b所示。

在生土材料中加入多少掺量的青稞秸秆、碎石可改善生土的力学性能和变形性能，为寻求最合理的掺和料配合比进行试验设计，共制作17组立方体试件，考虑到生土材料试验数据离散性较大，每组制作6个试件，共计102个试件。具体改性材料配比为素土体1组，编号为S，作为试验对照组；单掺青稞秸秆4组，编号为J1～J4，青稞秸秆占土体的质量分数分别为0.25%、0.5%、0.75%、1%，在前期试验中发现青稞秸秆含量太少，对试件的影响很小，青稞秸秆含量太多，容易成团致使试件不易成型，青稞秸秆的含量易控制在0.25%～1%；单掺碎石3组，编号为SZ-1～SZ-3，碎石占土体的质量分别为10%、15%、20%，每配比中5～10、10～15、15～20 mm粒径的碎石质量各占1/3；复掺青稞秸秆及碎石9组，编号为JS-1～JS-9，含量按照单掺0.25%、0.5%、0.75%青稞秸秆与10%、15%、20%碎石对应，不选用1%含量青稞秸秆(此含量与任意含量的碎石组合制成的试件无法成型)。

1.3 试件加载

试验在青海大学土木工程学院结构实验室进行，参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[16]中100 mm3混凝土试块试验方法，采用YAW4306微机控制电液伺服压力试验机进行加载，进行改性生土无侧限抗压强度试验。在正式加载前进行预压，确保压力试验机的正常运行，每次加载时用土粉敷设到试件表面，使试件表面平整，压力机与试件紧密接触，加载采用位移控制速度方式，速度恒定为1 mm/min，当试件荷载达到峰值后视为试件破坏，荷载降低到峰值荷载的30%左右时作为试验结束条件。记录试验数据，根据材料抗压强度公式(1)计算试件抗压强度，然后以每组试件的抗压强度平均值作为该组抗压强度。

f=F/A

(1)

式中：f为试件抗压强度(MPa)，F为试件加载过程中的峰值荷载(N)，A为试件的受压面面积(mm2)。

2 结果及分析

2.1 试验现象

(1)素土体试件在加载初期表面没有明显变化，无裂缝出现，随着荷载的逐渐增加，素土体试件四周的上下边角上出现细微的斜向裂缝，且裂缝宽度逐渐增大向试块表面中心区域延伸贯通，整体呈八字状，随着荷载的继续增加，素土体试件顶部边角土体向外鼓胀、剥落，剥落的土体较为松散，当素土体最终破坏时，试件内部呈现出典型的双锥体形，破坏过程中表现为脆性破坏，破坏后的试件如图2a所示。

(2)单掺青稞秸秆试件随着荷载的逐渐增大，顶部及底部承压面出现细微的裂缝，裂缝发展较慢且成网状，当达到峰值荷载时，试件表面无贯通的竖向裂缝，但有明显的网状裂缝，达到峰值荷载后继续增加荷载，网状裂缝表面的土体开始脱落。青稞秸秆试件加载过程中可以听到持续不断青稞秸秆被拉断的声音，在试验结束后卸载荷载土体材料不会完全散落，青稞秸秆的拉结作用使破坏的土体仍然附着在试件主体上，此现象在青稞秸秆含量越高的试件上表现越为明显，破坏后的试件如图2b所示。

(3)单掺碎石试件外表光滑无破坏，土体致密，分层处不明显，整体成型较好。其抗压试验现象与素土体试件基本相同，但单掺碎石试件在荷载作用下出现裂缝较晚，裂缝出现后继续加载上下承压面上的裂缝，快速发展形成竖向贯通裂缝，土体呈条状从主体剥离，有明显的脆性破坏特征，裂缝主要出现在土石结合界面，试件残留主体界面上有较多凸起裸露的碎石，破坏后的试件如图2c所示。

(4)复掺青稞秸秆碎石试件抗压试验现象与单掺秸秆试件基本相同，不同的是，试件加载过程会出现少数竖向贯通裂缝，并有部分包裹着碎石的土体从试件主体上崩落，试验结束后卸载荷载试件会有一定的回弹，具有塑性变形能力，破坏后的试件如图2d所示。

2.2 抗压强度分析

由表1可知，当在生土中掺入0.25%、0.5%、0.75%、1%的青稞秸秆时，改性试件抗压强度分别为0.66、0.85、1.16、1.40 MPa，较素土试件提高了0.23、0.59、1.17、1.62倍，说明随着青稞秸秆的增加试件抗压强度也在增加，当试件中青稞秸秆含量达到1%时，抗压强度比素土试件提高1.26倍。但是随着青稞秸秆的增加，试件强度的标准差和变异系数也在增高，1%青稞秸秆含量改性试件的标准差和变异系数为0.237、0.17，较0.25%青稞秸秆含量改性试件的标准差和变异系数提高了5.03倍和1.83倍。

表1 单掺青稞秸秆试件抗压程度

由表2可知，在试件中单掺10%、15%、20%碎石时，试件的抗压强度与素土试件相比都有很大的提高，改性生土试件的抗压强度分别为1.27、1.17、1.16 MPa，比素土试件提高了1.38、1.22、1.18倍。但随着碎石含量的增加，单掺碎石试件的强度呈下降趋势，20%碎石掺量的试件抗压强度较10%碎石掺量的试件强度降低了10%左右。单掺碎石改性试件抗压强度标准差和变异系数相对比较稳定。

表2 单掺碎石试件

由表3可知，复掺不同配比的青稞秸秆和碎石时，改性生土试件的抗压强度得到大幅度提高(1.4～2.39倍)。配比为0.25%青稞秸秆+20%碎石、0.5%青稞秸秆+20%碎石、0.75%青稞秸秆+10%碎石的复掺改性生土试件抗压强度均比素土试件提高2倍以上。

表3 复掺青稞秸秆及碎石试件

2.3 变形性能分析

根据试验数据绘制部分荷载—位移曲线如图3所示，分析发现，单掺青稞秸秆改性试件和青稞秸秆含量比较高的复掺试件荷载—位移曲线上升段和下降段都相对比较平缓，曲线斜率较低，抵抗变形性能强，峰值荷载对应的位移较其他种类可提高0.4倍左右。试件从加载到破坏所产生的变形比其他种类的试件都要大，变形持续时间比较长，表现出一定的塑性破坏特征。试件达到峰值荷载破坏后并不会短时间内失去承载力，极限位移可达12 mm以上，较其他试件极限位移提高了0.5倍。

素土体试件、单掺碎石改性试件和青稞秸秆含量比较低的复掺试件荷载—位移曲线上升段和下降段都比较迅速，斜率较高，峰值荷载对应的位移为2 mm，抵抗变形性能差，具有一定的脆性破坏特征，说明碎石对改性生土试件的变形性能影响较小。

2.4 最佳配合比分析

对照分析不同配比的复掺青稞秸秆碎石试件的外形、试验现象、抗压强度、标准差、变异系数、变形性能发现，JS-3、JS-6、JS-7改性试件的抗压强度均能提高到素土的3倍以上。由表3可知，JS-3试件抗压强度标准差和变异系数分别为0.079和0.048，JS-6试件抗压强度标准差和变异系数分别为0.274和0.169，JS-7试件抗压强度标准差和变异系数分别为0.31和0.171。JS-3试件抗压强度标准差和变异系数比另外两种试件要小，试件的强度分布更加均匀、稳定，试件外表面相对平滑、破坏较少，养护后没有干缩裂缝，青稞秸秆裸露少、边角完整，分层处土体连接紧密，分层痕迹不明显，变形性能高，具有一定的塑性破坏特性。因此0.25%青稞秸秆+20%碎石配比的改性试件综合性能最优，宜作为复掺最佳配合比使用。

2.5 掺和料改性机理分析

青稞秸秆提高试件抗压强度的主要原因是加筋材料青稞秸秆在试件受压时起到拉结土体的作用，试件在持续荷载作用下内部产生纵横交错的破坏裂缝，青稞秸秆的存在阻碍了裂缝的进一步发展，消耗一定的能量减缓了试件变形，在试验中可以听到持续不断的青稞秸秆纤维断裂破坏的声音。虽然土体中掺和青稞秸秆含量越高强度越大，但是随着青稞秸秆含量的增多，青稞秸秆不易同土料搅拌均匀，影响土料之间的黏结，尤其在试件的分层处表现较为明显。试验中青稞秸秆含量高的试件养护后在压实分层处容易形成干缩裂缝，裂缝会影响试件的抗剪强度和外观。

碎石作为骨料可提高试件的抗压强度，但随着碎石含量的增加试件强度会降低，强度降低的原因：(1)碎石与土体之间没有有效的黏结，在抗压试验过程中土体同碎石轻易分离，致使碎石的高抗压强度不能得到完全的发挥；(2)大量碎石的存在容易在试件中产生空隙，这些空隙四周由碎石围成，处于可塑状态的土料在制件过程中无法大量填充这些空隙，同时这些空隙中的土料也无法被压的密实，致使碎石含量较高的试件在成型后存在天然的缺陷；(3)土体与碎石变形不协调，碎石的表面存在棱角，这些棱角在受力过程中反而会起到切割土体的作用，削弱试件的抗压强度。

复掺不同配比的青稞秸秆和碎石时强度提高倍数与掺和料配比无明显的规律，复掺强度提高是青稞秸秆、碎石、土料三者共同作用的结果，青稞秸秆做加筋材料拉结土体抑制裂缝的发展，碎石做骨料充当骨架填充在土体之间，被挤压密实的土料又将青稞秸秆和碎石紧密包裹住，三者协同共同抵抗外力荷载，充分发挥了掺和料的材料性能。

3 讨论与结论

土体中掺和麦秸秆可以约束土体提高试件的延性[17]，而在生土中单掺0.25%～1%含量青稞秸秆可使改性试件的抗压强度比素土试件提高0.23～1.62倍，改性试件抗压强度随着青稞秸秆含量的增加而增加，青稞秸秆试件成塑性破坏特征，具有良好的变形性能，青稞秸秆含量高的试件分层明显，并且养护后容易出现干缩裂缝，不建议使用高含量的青稞秸秆。使用砂子、水泥和石子等材料改性生土，可提高试件的抗压强度和极限位移[18]，试验发现单掺10%～20%碎石改性试件抗压强度较素土试件可提高1.18～1.38倍，随着碎石含量的增加，改性试件抗压强度呈下降趋势，碎石单独改性土体时含量不易过高，含量以10%为宜，碎石改性试件变形性能较差，表现出脆性破坏特征，试验过程中快速达到破坏并失去承载力，破坏的根本原因是碎石与土体的弹性不匹配[19]。复掺改性试件中青稞秸秆、碎石和土体三者结合共同抵抗外力，使改性试件既具有较高的抗压能力又具有良好的变形性能。对照不同配比复掺青稞秸秆碎石试件的外形、试验现象、抗压强度、标准差、变异系数、变形性能，发现0.25%青稞秸秆+20%碎石配比的改性试件综合性能最优，宜作为复掺最佳配合比使用。