青海地区改性夯土材料抗压性能试验研究

李航航 李辉 赵国智

(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)

0 引言

在青藏高原村镇地区，受经济、文化、交通的影响，由夯土作为墙体的传统庒廓建筑广泛存在，夯土建筑具有就地取材、施工简单、冬暖夏凉、造价低廉的优势，同时节能环保无污染，是一种典型的绿色建筑，在提倡绿色、循环、低碳发展理念的今天，夯土建筑逐渐焕发出新的活力。但由于夯土材料强度低、稳定性及耐水性差等缺点，一定程度上制约了夯土建筑的发展，因此提高夯土材料的力学性能成为夯土研究最需要解决的问题。为提高夯土的力学性能，研究人员对添加不同掺合料的改性生土材料展开了科学研究。糯米浆与玻璃渣、旧橡胶等工业废料添加到土体材料中可使抗压强度和变形能力得到提高[1]；在黄土中掺入固含量为0.8%左右的高分子固化材料SH时，黄土的力学性能和耐久性能得到了大幅的提高，当配合麻刀、石灰等材料使用时，会起到更好的效果[2-5]；竹纤维、麦秸秆等作为加筋材料添加到土体材料中也有助于提高试件的抗压能力，同时脆性性能得到了改善[6-7]；此外，单掺复掺不同含量的河沙、水泥、矿渣、粉煤灰、砾石都可大幅度提高改性生土试件的无侧限抗压强度、抗折强度等[8-10]。

目前夯土材料研究大多在青藏高原以外，并无专门针对青藏高原的改性夯土研究。本文以青藏地区的土料为基础，利用天然农业废弃物青稞秸秆纤维、石子、聚乙烯醇、固化剂、防水剂等材料进行改性试验，研究相关材料改性夯土的力学性能及变形能力，寻求最佳的改性方式，为青藏地区传统庒廓建筑的传承与发展提供科学合理的参考。

1 原材料及试验方法

1.1 试验原料

试验土料为取自青海湟水河流域的黄土，基本物理性质见表1，去除杂质烘干后使用直径5mm的筛子过筛。青稞秸秆为青稞收割后遗留在农田的农业废弃物，纤维含量可达47%，先将表皮剥掉，裁剪为4cm左右的小片段，然后碾压至扁平状。石子为普通建筑石子，粒径分别为5～10mm、10～15mm和15～20mm[11]。聚乙烯醇使用宁夏大地牌160目白色粉末状聚乙烯醇，聚乙烯醇常作为建筑用胶，添加到土料中可作为改性夯土材料的粘结剂，增强土颗粒之间的粘结力。固化剂使用卓能达牌土壤固化剂，需配合9%生石灰使用。防水剂为纳米有机硅防水剂，可渗透进孔隙表面形成防水层。

表1 试验用土基本物理性质

1.2 试件的设计及制作

试验试件分为A、B两个大组，每个大组分4个小组，每个小组3个试件。A组包括一组素土试件，另外三组在素土基础上分别使用0.8%固含量聚乙烯醇、固化剂、防水剂；B组包括一组0.25%青稞秸秆+20%石子试件，另外三组在此基础上分别使用0.8%固含量聚乙烯醇、固化剂、防水剂。固化剂按照要求使用质量分数1.2%的固化剂原液，防水剂在试件制作好后喷洒于试件表面。夯土的本质是通过冲击能使土料变得密实，试验中将配置好的土料分3层倒入100×100×100mm的模具中，然后使用千斤顶压制密实成型，制作好的试件在室内自然养护28d。

1.3 试件加载方案

试件加载在青海大学理工实验楼结构大厅进行，使用美特斯3000kN电液伺服压力试验机测量无侧限抗压强度。加载前进行预压，加载时试件表面铺设土粉确保表面平整，加载方式采用位移控制法，加载速率为1mm/min，记录试件的开裂荷载及峰值荷载，当破坏后荷载降低到峰值荷载的80%左右时停止加载，结束试验。参考GB·T50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》中混凝土的抗压强度公式得出改性夯土试件的无侧限抗压强度。

2 试验过程及现象

2.1 A组试件试验过程及现象

A组试件整体成型较好，表面光滑，无边角破损，外观颜色同传统夯土一致。在加载初期，试件承受压力的方向中部出现微小的竖向裂纹，随着荷载的增加，逐渐扩大为较大的竖向裂缝，当达到峰值荷载时，竖向裂缝已上下贯通，且不止一条，此时平均位移超过为2.13mm，之后继续加载试件破坏，荷载下降，呈现明显的脆性破坏。破坏后的试件如图1（a）所示。

2.2 B组试件试验过程及现象

B组试件由于添加了青稞秸秆及石子，外观成型相对不好，边角有细微破损。试件加载时边角处先有细微土体脱落，然后上下承压端面出现大量的短小横向竖向裂缝，随着荷载增加，裂缝快速发展，在表面形成纵横交错的网状裂缝，伴随土体的大量脱落，无贯通裂缝产生，加载过程中可以持续听到青稞秸秆被拉断的声音。破坏后的试件内部呈不规则的双锥形。破坏后的试件如图1（b）所示。

图1 破坏后的试件

3 试验结果分析

3.1 抗压结果分析

取每小组夯土试件抗压强度的平均值作为该小组的抗压强度，结果见表2。

表2 各组试件抗压强度实验结果

由表2可知，使用青稞秸秆及石子、聚乙烯醇改性夯土后，试件的无侧限抗压强度均得到相应提高，较素土可提高1.8～6.89倍。当仅使用青稞秸秆及石子改性夯土时，试件的平均抗压强度为1.514MPa，虽然较素土提高了1.8倍，但是强度依然较低。试件强度是在青稞秸秆和石子共同作用下提高的，石子做骨架，青稞秸秆起加筋作用，当试件受荷载作用时，土石混合体承担主要压力，纵横交错的秸秆分担剩余压力。

在土体中添加聚乙烯醇，聚乙烯醇溶解于水后变成粘度很高的胶溶液，可以充分渗透进微小的土体颗粒之间，增加土体颗粒的粘聚力，同时也可以填充孔隙，使夯土试件的密实性得到增强，进而提高试件的无侧限抗压强度。在素土中单掺聚乙烯醇和复掺青稞秸秆、石子和聚乙烯醇的试件的抗压强度分别为4.097MPa、4.267MPa，相较素土体试件，抗压强度分别提高了6.57倍、6.89倍。但是单掺聚乙烯醇试件呈脆性破坏，破坏前征兆不明显，在试件中添加青稞秸秆可以改善试件脆性破坏的特性。试验中使用固化剂的A3、B3小组试件抗压强度并没有得到提高，与A1、B1相比反而有所降低，试件比较脆弱，此类方法不能提高试件的抗压强度。试件使用防水剂前后无侧限抗压强度变化很小，A4、B4小组使用防水剂后抗压强度较A1、B1仅提高2.5%左右，对试件的抗压强度并无明显影响。但防水剂可以渗透进试件表面孔隙形成防水层，起到良好的隔水效果，防水效果如图2所示。

图2 防水剂试件防水效果

3.2 变形能力分析

根据试验数据，利用软件绘制各组的荷载-位移曲线，如图3所示。由图3可以看出，A、B组试件荷载-位移曲线在加载初期变化不稳定，总体缓慢上升，表现出凹函数特征，这是由于试件内部土颗粒之间存在空隙，加载初期这些空隙周围的土颗粒在荷载作用下重新排列，变得相对致密。之后试件荷载-位移曲线经历一个持续上升阶段，直至达到峰值，此阶段试件曲线斜率相对稳定，试件表现出弹性性质。最后试件发生破坏，承载力丧失，此时荷载-位移曲线表现出凸函数特点，刚度退化比加载时迟缓。对比不同试件的峰值位移发现，单掺聚乙烯醇和复掺青稞秸秆、石子和聚乙烯醇试件的峰值位移可以达到3.07～3.91mm，较素土试件1.19mm的峰值位移提高了1.58～2.29倍。防水剂试件的峰值位移与素土试件相比仅提高了0.06mm，其他试件的峰值位移均在2.19mm以上，远高于素土试件。

图3 试件荷载位移曲线

4 结论

1）在夯土中掺入0.25%青稞秸秆、20%石子和0.8%固含量的聚乙烯醇时，试件的抗压强度平均值为4.267MPa，比素土试件抗压强度的平均值提高了6.89倍，峰值荷载时对应的峰值位移位移较素土试件增加了1.88mm，使用此配比改性夯土比较合理。

2）0.8%聚乙烯醇可使夯土试件抗压强度提高6倍以上，但不能改变夯土脆性破坏的特性，在夯土中掺入青稞秸秆可改善夯土试件脆性破坏的特性。

3）防水剂在夯土上使用阻隔水分的效果理想，但防水剂使用后抗压强度提高只有2.5%左右，强度提高效果不高，峰值荷载提高只有0.06mm。