麦秸秆防腐技术和效果评价及其对粉土抗剪强度的影响

2021-06-18彭丽云刘铭杰刘德欣朱同宇

河南理工大学学报(自然科学版) 2021年4期

彭丽云，刘铭杰，刘德欣，朱同宇

(北京建筑大学土木与交通工程学院，北京 100044)

0 引言

我国是世界第一秸秆大国，秸秆资源丰富，每年的秸秆总产量约8亿t[1]。目前秸秆在我国的应用程度不高，与发达国家差距较大[2]。在广大农村，由于机械化程度低、成本高，秸秆还田难以推广，致使大量秸秆被废弃或焚烧，既浪费资源，又污染环境[3]。因此，可通过提高秸秆综合利用率，变废为宝，保护环境。

关于植物纤维在土木工程中的应用，国内外已经有了一些研究。刘豫等[4]利用竹纤维制备了水泥基复合材料，对其力学性能与耐久性进行了研究；王磊等[5]研究了剑麻纤维增强珊瑚混凝土力学性能的变化规律；T.Maliakal等[6]研究在黏土中随机掺加椰壳纤维，得到其对抗剪强度的影响规律;A.E.M.K.Mohamed[7]利用干草纤维对膨胀黏性土进行了改良；彭丽云等[8]在粉土中掺加玉米秸秆纤维，提高了粉土黏聚力、水稳性和承载能力。可见，植物纤维具有一定强度，可在土体改良中应用，且该方法环保无污染，前景光明。麦秸秆在土壤中的应用，在我国可追溯到远古时代，通常是将稻草、麦秸秆等掺入土中，建造生土建筑，以期得到较好的强度、抗裂性和良好的保温性。麦秸秆加筋土的研究不少，李陈财等[9]研究了不同形状麦秸秆对上海黏土强度的影响；孙浩[10]进行了麦秸秆纤维水泥土室内实验研究，发现在水泥土中掺入麦秸秆能提高土体的强度与抵抗变形的能力；魏丽等[11]通过试验得出麦秸秆具有良好的筋土摩擦性能；张振北[12]对麦秸秆加筋黏性土进行了微细观试验研究，揭示其加筋作用机理。

综上，麦秸秆有良好的力学性能，可在土体改良中使用，但它易风化、易被微生物腐蚀，影响加筋土的长期使用，防腐可解决该问题，但相关研究少。因此，本文对麦秸秆的防腐进行研究，以期确定防腐剂的最佳质量分数及麦秸秆的最佳浸泡时间，并对防腐处理前后的麦秸秆、防腐后埋设在土壤中的麦秸秆和降水模拟条件下的麦秸秆进行不同天数的抗拉强度测试，从而对防腐效果进行评价。同时将防腐处理后的麦秸秆作为加筋材料，掺加在粉土中，对加筋粉土强度进行研究，研究成果以期对麦秸秆在土壤中的应用提供指导。

1 麦秸秆的组成

麦秸秆主要成分是以SiO2为骨架包裹的纤维素和结构较为疏松的半纤维素与木质素，次要成分是灰分和少量抽出物[13]。因含糖量较高，在高温潮湿环境中，麦秸秆易被环境中的微生物腐蚀而丧失强度。同时麦秸秆内部有很多孔隙，吸水能力较强。图1为天然麦秸秆的横截面微观结构图，放大220倍，从中可见大量孔隙或孔洞存在。

图1 天然麦秸秆的横截面微观结构

2 天然麦秸秆的抗拉强度

试验所用麦秸秆直径3～4 mm，试验前将其保存在干燥环境中，去除外表皮和有病害部分，选用无茎节和有茎节的试样各7根，用电子万能试验机对其进行拉伸试验，拉伸速率6 mm/min。图2为极限拉力试验结果。

图2 天然麦秸秆极限拉力散点图

从图2可以看出，麦秸秆具有一定的抗拉强度，测试数据离散性较大，统计分析结果见表1。

表1 麦秸秆极限拉力数据分析结果

表1中d是合理的误差限。根据数理统计中异常数据处理的肖维勒准则(Chauvenet Criterion),试验值舍弃标准d7/σ=1.79。表1中的d/σ是试验数据中算得的最大值，均小于1.79，未达到试验数据的舍弃标准。可将极限拉力的平均值作为天然麦秸秆的极限拉力，即无茎节麦秸秆的极限拉力为169.80 N，有茎节麦秸秆的极限拉力为73.07 N，前者为后者的2.3倍；前者被拉断的位置多为秸秆的中间部位，后者多为薄弱的茎节部位。

综上，无茎节的7根麦秸秆拉力测试结果离散性低于有茎节麦秸秆极限拉力测试结果的离散性，且拉力较高、标准差较小，说明无茎节麦秸秆的材质均一性明显优于有茎节秸秆，为达到较好的改良效果，后续研究都将采用无茎节麦秸秆。

3 麦秸秆防腐性能

3.1 防腐剂的选择

防腐剂种类繁多，常见的有卡松、苯甲酸、苯甲酸钠和聚乙烯醇，其中卡松常用于洗涤和化妆品的防腐；苯甲酸和苯甲酸钠主要应用于食品的防腐；聚乙烯醇常用于建材的黏合，具有较好的防腐效果。对比上述材料的成本，聚乙烯醇最低。因此，本研究中首选聚乙烯醇。

聚乙烯醇是聚醋酸乙烯酯水解得到的水溶性聚合物，是一种可降解的大分子塑料材料，黏结力较强，安全无毒无味，广泛应用于化工、建筑、食品、农业等众多行业。与天然生物大分子材料相比，聚乙烯醇具有较好的成膜性、机械性能和阻隔性能[14]。聚乙烯醇溶液则是聚乙烯醇粉末加水搅拌配制而成的胶凝状溶液，其溶解度受温度影响。

聚乙烯醇溶液应用于麦秸秆防腐不会对人体健康产生影响，也不会对环境造成污染，还不会影响植被生长。本文拟采用聚乙烯醇溶液作为防腐剂，对麦秸秆的防腐进行研究。

3.2 防腐剂最佳质量分数确定

聚乙烯醇溶液的溶解度受温度影响，为消除温度影响，试验在常温下进行。将长20 mm的麦秸秆试样10 g分别放入相同体积(900 mL)、不同质量分数(4%,6%,8%,10%,12%)的聚乙烯醇溶液中进行浸泡。浸泡1,3,6 d后，将秸秆取出放入烘箱中，在40 ℃温度下烘干10 h，使水分完全蒸发。之后分别称量秸秆质量，以秸秆质量的增加判定防腐剂在秸秆孔隙中的填充情况，试验结果见图3。

图3 不同质量分数溶液中不同浸泡时间麦秸秆的质量变化曲线

由图3可知，相同长度的麦秸秆，在用不同质量分数的防腐溶液浸泡后，秸秆质量均随秸秆浸泡时间的增长而增大，但增长速率不同。浸泡1 d的麦秸秆质量增长速率最高，1～3 d的质量增长速率变缓，3～6 d时除10%,12%溶液外，其余溶液浸泡的秸秆质量增长率非常小。由此可以判定在浸泡3 d后，用低于8%的溶液浸泡麦秸秆，秸秆内外的溶液基本达到平衡状态，秸秆不再吸收聚乙烯醇；对高于8%的溶液，3 d后麦秸秆对聚乙烯醇的吸收还在持续进行，通过对聚乙烯醇溶液的观察，发现溶液还比较黏稠，说明溶液中还有较多溶质，麦秸秆可以继续吸收达到饱和。可见,8%,10%,12%效果较好。

相同长度的秸秆，在浸泡相同时间后，用质量分数较大的防腐溶液浸泡的秸秆烘干后质量较大，但不同质量分数溶液下秸秆质量的增长有所不同。具体表现为，每增长2%时，秸秆质量从8%到10%增长最快，其次为6%～8%，4%～6%和10%～12%增长量相差不大。可以判定，浸泡相同时间后，从4%增大到12%的过程中，防腐剂对秸秆的填充度表现为先小幅增加，接着快速增加，随后增幅减缓；从6%到8%增加很大，从8%到10%增加继续，甚至更大，而从10%到12%增幅急剧降低。因此，从溶液的效能发挥角度而言，10%效果最佳，即此时秸秆对溶质的吸收效果最好，秸秆质量增长最快。

综上，确定10%为防腐剂的最佳质量分数。

3.3 不同长度麦秸秆最佳浸泡时间

为了研究麦秸秆长度与聚乙烯醇溶液浸泡饱和时间之间的关系，将不同长度(10,15,20,30 mm)的麦秸秆各10 g分别放入900 mL、质量分数为10%的聚乙烯醇溶液中，如图4所示，进行浸泡1,2,3,4,5,6,7 d试验。

图4 浸泡在聚乙烯醇溶液中的麦秸秆

不同长度麦秸秆浸泡在聚乙烯醇中,不同天数后烘干的质量变化如图5所示。

图5 不同长度麦秸秆浸泡不同天数的质量变化曲线

可以看出，不同长度的麦秸秆在浸泡1 d时质量增长速率均最快，其中长10 mm麦秸秆质量增长率最高，达到了41.2%。原因是聚乙烯醇溶液具有黏滞性，浸泡其中的麦秸秆是一根两端开口的管路，溶液在管路中因自身的黏滞性而使流动受到阻碍，秸秆长度越短，1 d时溶液流进秸秆管路的距离相对越长，与秸秆的接触面积越大，起始吸收速率越高，质量增长越大。之后的1～4 d，秸秆质量增长速率明显降低。

长10 mm和15 mm麦秸秆在浸泡4 d后质量不再发生变化，可认为秸秆中的孔隙被聚乙烯醇完全充满，已经达到了饱和状态；长20 mm和30 mm的麦秸秆到5 d时质量有所增加，5 d后两者质量基本不再发生变化，此时秸秆达到饱和状态，但5 d时秸秆质量与4 d时相比变化不大，可以忽略。因此，将4 d定为麦秸秆浸泡聚乙烯醇溶液的最佳时间。

4 防腐效果评价

4.1 浸水、浸胶麦秸秆极限拉力对比

为判定聚乙烯醇溶液对秸秆的防腐效果，将长6 cm的麦秸秆分别浸入水中和质量分数为10%的聚乙烯醇溶液中1,2,3,4,5,6,7,14 d，进行烘干处理，并测试抗拉强度，图6为麦秸秆浸水和浸入聚乙烯醇溶液后极限拉力变化曲线。

图6 麦秸秆极限拉力变化曲线

由图6可知，浸水麦秸秆的极限拉力随着浸泡时间增长而不断降低。与天然麦秸秆相比，浸水4,7,14 d时的麦秸秆极限拉力分别降低了28.05%,58.09%和88.01%。

浸泡防腐溶液的麦秸秆在前4 d时极限拉力随时间增长不断增加，4 d后极限拉力有所降低，但降低幅度不大。4 d时极限拉力达到最大值，此时与未浸泡的天然麦秸相比，极限拉力提高22.6%，与浸水4 d的麦秸秆相比，极限拉力提高70.4%，提升幅度较大，防腐效果明显。7 d和14 d时麦秸秆的极限拉力与浸泡6 d的极限拉力非常接近，说明再长时间的浸泡也不会降低麦秸秆强度，此时的极限拉力也比未浸泡的天然麦秸秆高14.1%，是浸水14 d的麦秸秆的8.5倍，差距明显。可见，聚乙烯醇可提高麦秸秆极限拉力。

秸秆浸泡4 d时，达到饱和，此时抗拉强度最大，说明麦秸秆强度增长直接取决于麦秸秆浸入防腐剂中孔隙和空隙被防腐剂充填的程度，填充程度越高，强度越大，填充达到饱和后，强度便不会随着麦秸秆的浸泡时间而继续增长。

4.2 埋入土中麦秸秆在不同环境中的极限拉力

将98根长6 cm麦秸秆做防腐处理后分为两组掺入到最佳含水率的粉土中，压实度为0.90。一组每周进行一次模拟降雨，12 h降雨量为20 mm，降雨强度为大雨，另一组不进行模拟降雨。

1,2,3,5,7,9,11周后取出麦秸秆，进行麦秸秆拉伸试验，试验结果如图7所示。

图7 麦秸秆在应用环境中极限拉力变化曲线

由图7可知，两组麦秸秆的极限拉力均随着时间增长逐渐减小，但降幅很低，7周后基本达到稳定，在整个试验过程中，极限拉力仅降低了2.06%，基本可以忽略。说明以聚乙烯醇溶液作为麦秸秆的防腐剂，不但可从化学方面起到防腐作用，防止麦秸秆在土体环境中被微生物腐蚀，而且麦秸秆中的孔隙被聚乙烯醇填充，在孔隙表层生成一层保护膜，阻隔水进入麦秸秆孔隙，因此防腐麦秸秆埋入土中后，其强度没有较多损失，雨水也并没有影响防腐麦秸秆的力学性能。

5 麦秸秆加筋对粉土抗剪强度的影响

试验用土物理性质如表2所示。

表2 试验用土的物理性质

该粉土中，细砾1.74%，粗砂1.86%，中砂1.21%，细砂2.12%，粉粒92.88%，黏粒0.19%。根据《公路土工试验规程》(JTGE40-2007)[15]，可判定其为含砂低液限粉土。

为了探究麦秸秆加筋对粉土抗剪强度的影响，对素土和加筋粉土进行直剪试验。试验所用麦秸秆长10 mm，放入最优质量分数10%的聚乙烯醇溶液中浸泡4 d后，取出进行烘干处理，按照0.2%,0.4%,0.6%,0.8%的加筋率掺入到土中。将素土与加筋粉土配置成最优含水率、0.90压实度下的试样，进行直剪试验，试验的剪切速率为0.8 mm/min，竖向压力为50,100,200,400 kPa，得到加筋粉土的黏聚力和内摩擦角,如图8～9所示。

由图8可知，麦秸秆加筋粉土的黏聚力随麦秸秆加筋率的增长呈现先增加后降低的趋势。与素土相比，加筋率在0.2%,0.4%,0.6%与0.8%的加筋土黏聚力分别提升了36.3%,54.5%,63.6%,36.3%。其原因为：麦秸秆纤维在土中的分布是无序的，当加筋率较低时，麦秸秆分布无序性较强，麦秸秆自身能够与土颗粒充分接触，且土中的麦秸秆纤维相互交织，在土体发生剪切过程中，这些交织的纤维会对剪切产生一定的阻碍作用。而当加筋率较大，超过0.6%后，加筋率过高，麦秸秆纤维在土体中分布的均匀度降低，容易聚集在一起，与土颗粒接触不充分，从而增大了土体的孔隙率，影响了土体的内部结构和密实性，削弱了土体的黏聚力。

图8 加筋土黏聚力的变化曲线

麦秸秆加筋粉土的黏聚力与加筋率的关系可用式(1)表示，其R2=0.956 2。

c=8.48+21b-20.88b2,

(1)

式中：c为黏聚力，kPa；b为加筋率，%。

由图9可知，麦秸秆加筋粉土的内摩擦角随着加筋率增加而增大，但是增大的数值较小且增大速率逐渐降低，与素土比较，加筋率为0.6%～0.8%的加筋土内摩擦角增大了6.3%～6.8%，两者相差不大。这是因为麦秸秆纤维掺加在土体中，对土体中的孔隙起到了一定的充填作用，增加了土体的密实程度，提高了土颗粒之间的摩擦和咬合，致使土体内摩擦角增大。同时由于麦秸秆表面的光滑性，会使麦秸秆和土颗粒之间的摩擦减小，但由于麦秸秆掺量很低，这部分对土体内摩擦角的降低作用较小。上述增大作用强于减小作用，因此，内摩擦角总体上是增加的，但是随着麦秸秆掺量增加，减小作用逐渐增强，致使内摩擦角增长速率变缓。麦秸秆加筋粉土的内摩擦角与加筋率的关系可用式(2)表示，其R2=0.991 4。

图9 加筋土内摩擦角变化曲线

φ=25.89+3.74b-1.88b2,

(2)

式中：φ为内摩擦角,°；b为加筋率,%。

综上，麦秸秆加筋可以改善粉土的抗剪强度，主要体现在黏聚力的提升，对内摩擦角也有提升，但提升较小。加筋率为0.6%时，加筋土的黏聚力达到最大值，再增大加筋率黏聚力发生了大幅度降低；对于内摩擦角而言，加筋率为0.6%～0.8%时，加筋土的内摩擦角相差不大，并且增幅较小。增大粉土的黏聚力可以提升其水稳性，更有利于土体强度的提升。因此在试验所取的加筋率范围内，可将0.6%作为麦秸秆加筋粉土的最优加筋率。当加筋率超过该值会造成土体抗剪强度降低。所以在利用麦秸秆纤维进行土体改良时应该控制加筋率。