木屑混合粘土動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)研究

白德貴

(重慶市勘測院，重慶 400020)

木材是古老而永恒的建筑材料。尤其是在中國的古建筑史中，古代木構(gòu)建筑尤為出彩。木材的優(yōu)良特性促使木材在我國的建筑歷史上創(chuàng)造不朽功績，木材一直是我國古建筑中的重要材料[1]，但幾千年對木材的運(yùn)用，也使得木材作為建筑材料的優(yōu)缺點(diǎn)暴露無遺。它的優(yōu)缺點(diǎn)如下:施工簡易，工期短，冬暖夏涼，抗震性能優(yōu)良，質(zhì)輕，強(qiáng)度大，彈性和韌性比較好，抗沖擊性強(qiáng)，導(dǎo)熱性小，易于加工，外觀好，耐久性好(在干燥條件下)。但木材也有構(gòu)造不均、各向異性、使用中易受環(huán)境影響、腐朽及蟲蛀，收縮，變形，開裂，易燃等缺點(diǎn)。正是由于木材的缺點(diǎn)跟優(yōu)點(diǎn)一樣的突出，在現(xiàn)代建筑的發(fā)展中，木材作為傳統(tǒng)的主流建筑材料逐漸被鋼材與混凝土所取代。雖然在現(xiàn)在的建筑中，鋼筋混凝土鋼架結(jié)構(gòu)為主要的建筑類型，但木材作為一種古老和永恒的建筑材料，在建筑工程中應(yīng)用依舊十分廣泛，如桁架、梁、柱、門窗、地板、護(hù)壁、頂棚、模板、腳手架等。作為環(huán)保的裝飾建材，木材更是發(fā)揮不可磨滅的作用。但是人們對木屑的處理方法一般是直接當(dāng)作建筑垃圾處理掉，這無疑造成了巨大的浪費(fèi)和環(huán)保質(zhì)疑。周志強(qiáng)在制磚原料粘土中添加木屑來對磚進(jìn)行改良[2]，姚啟均介紹了一種木屑混凝土的制作方法[3]，并在1997年介紹了一種通過添加木屑來增強(qiáng)多孔粘土磚強(qiáng)度的方法[4]。本人對木屑混合粘土的抗剪強(qiáng)度作了深入的研究[5]，結(jié)果表明木屑混合粘土能夠顯著影響粘土本身的強(qiáng)度特性。本文將木屑與粘土混合制成木屑混合粘土，進(jìn)行了木屑混合粘土的動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

本次試驗(yàn)分析了木屑混合粘土的動(dòng)強(qiáng)度特性，研究了粘土結(jié)構(gòu)性對動(dòng)強(qiáng)度特性的影響，并重點(diǎn)考慮初始固結(jié)壓力和木屑含量對木屑混合粘土動(dòng)強(qiáng)度的影響，具體試驗(yàn)工況如表1所示。試驗(yàn)土樣取自重慶某工程場地，取土深度約20 m。土樣物理指標(biāo)如表2所示。具體試驗(yàn)方法是，利用兩頭擊實(shí)法[6]制成39.1 mm(直徑)×80 mm(高度)的試樣，聯(lián)合采用真空抽氣和反壓法對其進(jìn)行飽和，保證B值達(dá)到0.95以上，打開動(dòng)三軸儀的排水閥，在預(yù)定圍壓下進(jìn)行固結(jié)，至土樣固結(jié)穩(wěn)定;關(guān)閉排水閥，對土樣施加正弦荷載，直至達(dá)到終止條件，試驗(yàn)停止，試驗(yàn)終止條件為土樣雙幅軸向應(yīng)變達(dá)到5%。按照動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)的要求，每一組試驗(yàn)進(jìn)行3個(gè)～4個(gè)動(dòng)應(yīng)力。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 最大動(dòng)剪切模量Gmax

在循環(huán)三軸試驗(yàn)中，我們?nèi)∶看窝h(huán)試驗(yàn)的第一周作為研究對象來分析其最大動(dòng)剪切模量Gmax的特性。

表1 試驗(yàn)工況

表2 粘土物理指標(biāo)

本次試驗(yàn)中通過三軸試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)為軸向應(yīng)力，軸向應(yīng)變，因此需要通過一系列的轉(zhuǎn)換來得到最大動(dòng)剪切模量Gmax。

動(dòng)彈性模量E定義為:

其中，σdmax，σdmin分別為同一次循環(huán)荷載中最大軸向動(dòng)應(yīng)力和最小軸向動(dòng)應(yīng)力;εdmax，εdmax分別為同一次循環(huán)荷載中最大軸向動(dòng)應(yīng)變和最小軸向動(dòng)應(yīng)變。

進(jìn)一步我們可以通過式(2)得到最大動(dòng)剪切模量Gmax:

其中，μ為動(dòng)泊松比。在這次試驗(yàn)中μ取0.4。

動(dòng)彈性模量計(jì)算示意圖見圖1。

圖1 動(dòng)彈性模量計(jì)算示意圖

圖2給出了不同工況下軟粘土的最大動(dòng)剪切模量特性，從圖2中我們可以得到如下結(jié)論:

1)圍壓對最大動(dòng)剪切模量有著顯著的影響，最大動(dòng)剪切模量隨著圍壓的增大而逐漸增大，且二者的關(guān)系接近線性增大的關(guān)系;比較原狀土和重塑土可以發(fā)現(xiàn)，在同樣的圍壓下原狀土的最大動(dòng)剪切模量明顯大于重塑土的動(dòng)剪切模量，這表明軟粘土的結(jié)構(gòu)性對其動(dòng)強(qiáng)度有著顯著的影響;

2)木屑含量對軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度特性有明顯影響，而不同木屑含量對軟粘土動(dòng)強(qiáng)度特性的影響顯著不同。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)木屑含量對軟粘土的最大動(dòng)剪切模量的影響呈現(xiàn)出下凹的拋物線的形狀，這說明存在一個(gè)木屑含量的臨界值，當(dāng)木屑含量小于臨界值的時(shí)候，隨著木屑含量的增大，軟粘土的最大動(dòng)剪切模量也隨之增大，當(dāng)木屑含量大于臨界值的時(shí)候，隨著木屑含量的降低，軟粘土的最大動(dòng)剪切模量卻隨之降低。

圖2 不同工況下最大剪切模量特性

2.2 動(dòng)強(qiáng)度特性

圖3給出了工況2-1條件下的典型試驗(yàn)曲線，從圖中我們可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，應(yīng)力與應(yīng)變的發(fā)展時(shí)程與砂性土的試驗(yàn)結(jié)果基本一致，基本可以分為兩個(gè)階段:第一階段，應(yīng)力維持在較高的水平，而應(yīng)變沒有較大的發(fā)展;第二階段，隨著應(yīng)力的急劇衰減，應(yīng)變逐漸增大直至破壞。

圖3 典型試驗(yàn)曲線

圖4 部分工況破壞振次與動(dòng)應(yīng)力關(guān)系曲線

圖4給出了三種不同圍壓下原狀土與重塑土的破壞振次與施加動(dòng)應(yīng)力的關(guān)系曲線，從中可以發(fā)現(xiàn):1)有效固結(jié)圍壓對粘度的動(dòng)強(qiáng)度有著顯著的影響，隨著圍壓的增大，試樣破壞需要的振次相同的情況下所需要施加的動(dòng)應(yīng)力就越大，而且原狀樣，重塑樣等所有的工況土樣都有如此類似的規(guī)律性;2)比較重塑土與原狀土的動(dòng)強(qiáng)度曲線可以發(fā)現(xiàn)，在相同的圍壓條件下，相同的破壞振次，重塑土所需要施加的動(dòng)應(yīng)力越低，說明重塑土的動(dòng)強(qiáng)度低于原狀土，表明粘土的結(jié)構(gòu)性對其動(dòng)強(qiáng)度特性有著明顯的影響;同時(shí)我們可以看到，隨著有效固結(jié)壓力的增大，二者的差異性越來越不明顯，這表明固結(jié)壓力的增大可以減小由于粘土擾動(dòng)而造成其動(dòng)強(qiáng)度的損失，可以指導(dǎo)我們在對擾動(dòng)土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的研究。

圖5 木屑含量對軟粘土動(dòng)強(qiáng)度的影響

圖5給出了在圍壓100 kPa條件下木屑含量對軟粘土動(dòng)強(qiáng)度特性的影響結(jié)果，從圖中可以看出，木屑含量對軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度特性有著較為顯著和復(fù)雜的影響效果:木屑含量從0%增加到3%，軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度有著相當(dāng)明顯的增大;木屑含量從3%增加到10%，軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度有著一定程度的增大;木屑含量從10%增大到15%，軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度卻有著明顯的降低。這種試驗(yàn)結(jié)果與上文的結(jié)果以及對軟粘土靜強(qiáng)度的研究有著一致的結(jié)論。

造成木屑含量對軟粘土最大動(dòng)剪切模量以及動(dòng)強(qiáng)度如此復(fù)雜的影響效果，主要原因是木屑和軟粘土混合后其相互作用機(jī)理比較復(fù)雜。單獨(dú)的木屑作為典型的纖維材料，其強(qiáng)度特性主要是由木纖維的強(qiáng)度所決定的，而軟粘土的強(qiáng)度特性主要是其粘粒之間的粘聚力所決定的。但是將二者混合在一起，其混合物的強(qiáng)度特性必然受到兩者共同作用的影響。在木屑混合粘土中，木屑主要起到骨架的作用，而軟粘土起到粘結(jié)的作用，通過上文的分析，當(dāng)木屑含量小于某一臨界值時(shí)，木屑作為骨架作用可以明顯增強(qiáng)軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度，而超過這一臨界值時(shí)，木屑對軟粘土動(dòng)強(qiáng)度的增強(qiáng)逐漸減弱，這是因?yàn)楫?dāng)木屑含量過大時(shí)，相應(yīng)的粘土含量過低，粘土的粘聚力甚至沒有能力將木屑與軟粘土組成一個(gè)有機(jī)的整體，這種情況下木屑混合粘土的動(dòng)強(qiáng)度勢必要降低。因此要想木屑混合粘土的強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)，必須將木屑的骨架作用與粘土的粘結(jié)作用能夠有效的組合在一起。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)并完成了木屑混合粘土的動(dòng)三軸試驗(yàn)，研究了原狀土，重塑土及不同含量木屑混合粘土的動(dòng)強(qiáng)度特性，得到下面幾點(diǎn)結(jié)論:1)軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度受到其結(jié)構(gòu)性的顯著影響;2)木屑含量對軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度的影響呈現(xiàn)出兩面性，木屑含量低于10%時(shí)，木屑的骨架作用對軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度有明顯的增強(qiáng)，且含量越高，增強(qiáng)作用越明顯，當(dāng)木屑含量高于10%時(shí)，過高的木屑含量導(dǎo)致木屑混合粘土的粘結(jié)作用不足，從而降低了軟粘土的動(dòng)強(qiáng)度。

[1] 黎 姣.木材在中國當(dāng)代建筑中的應(yīng)用[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2008.

[2] 周志強(qiáng).粘土木屑輕磚[J].中國建材，1960(6):31.

[3] 姚啟均.用亞麻桿碎屑制作木屑混凝土[J].磚瓦世界，1989(12):3.

[4] 姚啟均.提高多孔粘土磚強(qiáng)度的方法[J].建材工業(yè)信息，1997(2):2.

[5] 白德貴.木屑混合粘土抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].山西建筑，2014，40(3):101-102.

[6] 鄭劍鋒，馬 巍，趙淑萍，等.重塑土室內(nèi)制樣技術(shù)對比研究[J].冰川凍土，2008，30(3):494-500.