摻入工業(yè)廢料的改性生土材料抗壓試驗(yàn)

王毅紅　劉芳　劉亮　管科杰　張坤

摘要：為合理利用廢棄材料改善生土材料力學(xué)性能，通過在素土中摻入糯米漿、廢玻璃渣和橡膠，形成改性土體材料，設(shè)計(jì)5種配合比方案，制作φ102mm×116mm圓柱體試塊。通過對其進(jìn)行軸心抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，對比不同配比試件的試驗(yàn)現(xiàn)象、抗壓強(qiáng)度、變形能力、荷載一位移曲線，分析不同摻合料的作用機(jī)理、研究不同摻料不同摻量對抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，提出了玻璃渣和橡膠摻量的合理范圍。試驗(yàn)結(jié)果表明，在素土中摻入糯米漿能提高素土抗壓強(qiáng)度，摻入糯米漿、玻璃渣和橡膠，可提高抗壓強(qiáng)度和變形能力，但其抗壓強(qiáng)度隨玻璃渣和橡膠摻量的增多增至3.12 MPa后下降。

關(guān)鍵詞：改性生土材料；抗壓強(qiáng)度；變形能力；復(fù)摻；工業(yè)廢料

中圖分類號：TU361

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-4764（2016）06-0032-06

生土材料是人類應(yīng)用最早的混凝土材料，是理想的保持生態(tài)系統(tǒng)平衡的建筑材料。生土材料具有便于就地取材、技術(shù)簡單、保溫與隔熱性能優(yōu)越、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在中國西部干旱少雨的農(nóng)村仍然有很多居民居住在生土建筑之中。土體本身是一個(gè)復(fù)雜而多樣化的礦物混合物，生土建筑存在強(qiáng)度低、不耐水、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，是生土作為建筑材料存在的主要問題。通過添加摻合料，保持原生土材料的環(huán)保性能，同時(shí)改進(jìn)和提高生土材料的力學(xué)性能，開發(fā)適用于鄉(xiāng)村建筑的高性能生土材料。改性后的生土材料，可望推動中國農(nóng)村建筑節(jié)能與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，對生土結(jié)構(gòu)的發(fā)展有重要意義。學(xué)者們對于改性生土材料進(jìn)行了大量研究，研究表明，在生土中摻入水泥、石灰等膠凝材料，可有效提高生土材料的力學(xué)性能；利用脫硫石膏、粉煤灰等工業(yè)廢料改性生土材料，使抗壓強(qiáng)度、耐水性及耐候性得到較大提升；摻人稻草、麥秸稈、狗尾草等植物纖維材料，可明顯提高生土材料的變形能力。考慮到工業(yè)廢料中玻璃渣強(qiáng)度較高，橡膠變形能力大，可作為生土改性材料，目前，在可查閱到的文獻(xiàn)中，尚未檢索到利用廢舊玻璃渣和橡膠改性生土材料方面的研究。

本文選用糯米漿為土體粘結(jié)劑，嘗試采用廢舊玻璃渣和橡膠為摻合料，對改性生土試件進(jìn)行軸心抗壓試驗(yàn)，研究改性后生材料的抗壓性能和延性比，通過曲線擬合尋求兩種復(fù)摻材料在生土材料中的合理摻量，為生土材料改性研究和工程應(yīng)用提供參考。

1.試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)所用生土為粘性黃土，取自西安市未央?yún)^(qū)，所取生土過5mm標(biāo)準(zhǔn)篩，拌合水為普通的自來水；玻璃采用廢棄的4mm厚普通浮法玻璃，將其碾壓搗碎至粒徑為3～5mm顆粒狀；橡膠取自自行車修理處，將廢舊自行車外胎用剪刀剪碎至徑粒為2～3mm立體狀；糯米漿采用東北糯米制備，參考文獻(xiàn)[14]中糯米漿制備方法，稱取150g糯米將其淘洗后放人鋼制容器中，加入5kg清水后在容器上標(biāo)定水位刻度，加熱煮沸1h使糯米中的淀粉糊化，在此過程中要不斷攪拌糯米漿并適時(shí)補(bǔ)充清水，保持水位在標(biāo)定的刻度位置，冷卻至室溫后取上層清液，即濃度為3%的糯米漿。

1.2試件制作

將去除雜物后的生土放人110°C烘箱中干燥12h，得到干燥的生土，將玻璃渣、橡膠摻人干燥生土中充分?jǐn)嚢?，制作素土試塊時(shí)向生土中加入13%清水，制作改性生土試塊時(shí)加入13%糯米漿，配制含水率為18%的生土，使土樣達(dá)到最優(yōu)含水率以便夯實(shí)。試驗(yàn)參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-1999）中擊實(shí)試驗(yàn)，將預(yù)處理好的生土在0.561kJ夯實(shí)能量下于尺寸為φ102mm×116mm的圓柱形模具中夯筑成型，拆模后將試樣放置于室溫條件下養(yǎng)護(hù)一個(gè)月，測試其抗壓強(qiáng)度。

1.3試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單摻時(shí)摻人糯米漿改性生土材料，復(fù)摻時(shí)利用糯米漿、玻璃渣和橡膠3種材料對生土材料進(jìn)行改性。生土作為主要材料，其含量不小于80%。廢舊橡膠的強(qiáng)度較低，摻人過多不易夯實(shí)，因此，應(yīng)控制橡膠摻量為摻人玻璃渣的10%。每種配比制作5個(gè)試件進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。

1.4試件加載方案

試驗(yàn)采用長安大學(xué)土木工程材料實(shí)驗(yàn)室中YA-300型微機(jī)控制全自動壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。正式加載前用1kN荷載預(yù)壓3次，確保壓力試驗(yàn)機(jī)正常運(yùn)行并與試件緊密接觸后開始試驗(yàn)。采用連續(xù)加載方式，設(shè)置加載速率為0.1mm/s，當(dāng)試件承載力降低至原有承載力的90%時(shí)視為試件破壞，作為試驗(yàn)結(jié)束條件。

2.1素土試塊試驗(yàn)過程及現(xiàn)象

文獻(xiàn)[16]中對圓柱體素土試塊進(jìn)行了軸向抗壓試驗(yàn)研究。在加載初期，試塊近似處于彈性階段（見圖1）。當(dāng)荷載約為峰值荷載的70%時(shí)，試件中部出現(xiàn)細(xì)小短裂紋；隨著荷載的增加，裂紋擴(kuò)展為明顯的豎向裂縫；荷載達(dá)到峰值荷載時(shí)，有一段裂縫穩(wěn)定期，位移變化較緩慢，當(dāng)試件出現(xiàn)數(shù)條貫通裂縫時(shí)，位移迅速變大，荷載急速下降，直到試件被完全壓壞，試件破壞過程表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。由于試驗(yàn)過程中儀器故障，有一組數(shù)據(jù)未采集到，導(dǎo)致本組試驗(yàn)缺少A-5試驗(yàn)結(jié)果。

2.2摻入糯米漿試塊試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1試驗(yàn)過程及現(xiàn)象加壓初期，荷載與位移呈線性關(guān)系（見圖2），試件接近彈性狀態(tài)。當(dāng)荷載加至峰值荷載的82%時(shí)，試件表面出現(xiàn)細(xì)小裂縫，并發(fā)出細(xì)微的響聲。裂縫首先出現(xiàn)于試塊中部，方向與壓力方向平行。隨著荷載增加，裂縫逐步向上下延伸和擴(kuò)展，同時(shí)出現(xiàn)較短的斜裂縫，試件進(jìn)入開裂階段。當(dāng)荷載逐漸增大達(dá)到峰值荷載時(shí)，豎向裂縫與斜裂縫相交發(fā)展形成貫通裂縫，邊緣處土體呈片狀剝落，局部散落掉渣，試塊喪失承載力破壞，破壞形態(tài)見圖3。

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果分析 素土試塊和摻入糯米漿試塊的試驗(yàn)結(jié)果見表2，其中每組各力學(xué)性能指標(biāo)均為該組5個(gè)試塊試驗(yàn)結(jié)果的平均值?？梢钥闯?，加入13%糯米漿后B組試件抗壓強(qiáng)度平均值為3.28MPa，是素土試塊的1.43倍，開裂荷載是素土的1.59倍。由于糯米中的淀粉加熱后糊化，形成黏度較高的膠體溶液（糯米漿）。糯米漿能作為粘結(jié)劑充分滲入到土體顆粒之間，將其粘結(jié)在一起共同受力，增加土體粘聚力，減少試件孔隙率，增強(qiáng)土體密實(shí)性，提高了試件的抗壓強(qiáng)度和開裂荷載，并延長了試塊的彈性受力階段。

延性比即極限位移與開裂位移之比，可以問接反應(yīng)材料對能量的耗散性能和抵御地震作用的能力。素土試塊的延性比為1.75，加入糯米漿后試塊延性比增大至1.77。分析荷載一位移曲線可以看出，開始加載時(shí)加載板與試塊接觸緊密之前，荷載很小，位移較大，加載板與試塊接觸緊密后，曲線接近直線，表現(xiàn)為接近線性性質(zhì)。荷載到達(dá)峰值后下降段曲線坡度較陡，破壞的脆性性質(zhì)較明顯。

2.3摻入糯米漿、玻璃渣、橡膠試塊試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1試驗(yàn)過程及現(xiàn)象 在以糯米漿作為粘結(jié)劑的基礎(chǔ)上，摻入不同含量的廢舊玻璃渣和橡膠制作改性生土材料試件，在加壓初期，與B組試件相似，近似為彈性階段（見圖4）。當(dāng)荷載加至峰值荷載的72%～80%時(shí)，試塊表面有少量細(xì)小裂縫出現(xiàn)在試塊中部。隨著荷載的增加，開裂處玻璃渣與土體錯(cuò)動，玻璃渣之問摩擦發(fā)出清脆的聲音，裂縫逐漸增多并向上下邊緣擴(kuò)展、寬度增大。當(dāng)荷載增加至極限荷載時(shí)，試塊表面部分在皺裂處脫落，但并沒有立即破壞，出現(xiàn)一定數(shù)量縱橫交錯(cuò)裂縫，直至裂縫加深形成多個(gè)豎向通縫，試塊外圍大塊土體脫落，試塊完全破壞（見圖5）。

2.3.2試驗(yàn)結(jié)果分析 摻廢舊玻璃渣和橡膠試塊的試驗(yàn)結(jié)果（表2）表明，將玻璃渣、橡膠和糯米漿一起摻人時(shí)，與A組試塊相比，C1、C2、C3組試塊的抗壓強(qiáng)度分別提高了1.31、1.36、1.00倍，但只達(dá)到B組試塊的抗壓強(qiáng)度的0.91、0.95、0.70倍。試塊的抗壓強(qiáng)度隨玻璃渣與橡膠摻合量的增加先增大后減小，當(dāng)摻入10%玻璃渣、1%橡膠時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大，為3.12MPa。主要原因是玻璃渣的抗壓強(qiáng)度高于生土的抗壓強(qiáng)度，生土試塊中的玻璃渣被土顆粒包裹密實(shí)充當(dāng)骨料的角色，同時(shí)改變了生土粒徑級配，增大了土體在夯實(shí)后的密實(shí)程度，提高了生土材料的強(qiáng)度，但玻璃渣與土顆粒的粘結(jié)面為受力薄弱面，當(dāng)玻璃渣摻量過多時(shí)，裂縫易沿薄弱面發(fā)展貫通致使試件破壞，抗壓強(qiáng)度降低。橡膠韌性較好，但強(qiáng)度低，與土體混合后降低了試塊的抗壓強(qiáng)度，隨著橡膠摻量的增多，抗壓強(qiáng)度降低越明顯。

與B組試塊相比，試塊的開裂位移降低5.6%～16.7%，試塊帶縫工作的范圍擴(kuò)大，極限位移提高。觀察裂縫形態(tài)，可以看出縱橫交錯(cuò)裂縫隨摻量增加而增多，分析試塊延性比，可以得出摻入玻璃渣和橡膠后試塊的變形能力比B組試塊提高1.03～1.19倍，且隨著摻量的增加成正比例增大。這是由于橡膠彈性較好，與土體混合后與土體協(xié)同工作，在受力過程中橡膠本身發(fā)生形變，消耗一定能量，使土體變形減緩，裂縫增多，從而延長了試塊的開裂階段。由圖4可以看出，與A組和B組試塊相比，其荷載一位移曲線下降段較平緩，且玻璃渣和橡膠的摻合量越多越平緩，說明達(dá)到極限荷載后試塊仍能承受一定的荷載，試塊破壞時(shí)具有一定延性。這一指標(biāo)可用來分析材料在地震作用下的后期變形能力。從抗壓強(qiáng)度和延性比綜合比較分析，摻合玻璃渣和橡膠的比例對延性比提高幅度成線性正相關(guān)（見圖6），對抗壓強(qiáng)度提高不明顯，應(yīng)控制玻璃渣摻量在10%、橡膠摻量在1%左右。c1組試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性較大，這是因?yàn)閾饺氩Ａг拖鹉z使土體的均勻性有所差異，在試塊制作過程中攪拌不夠均勻，使摻合料與土體未充分混合；此外由于橡膠具有一定彈性，在試驗(yàn)過程中較難夯實(shí)，容易出現(xiàn)孔隙，導(dǎo)致部分試塊在加載過程中裂縫產(chǎn)生后迅速擴(kuò)展、貫通，部分則粘結(jié)較緊密，使測得的抗壓強(qiáng)度值與實(shí)際略有偏差。后續(xù)研究將加大試塊數(shù)量，取得統(tǒng)計(jì)大樣本。

根據(jù)二次函數(shù)頂點(diǎn)坐標(biāo)公式得出當(dāng)玻璃渣摻量在8.1%時(shí)抗壓強(qiáng)度最大達(dá)到3.17MPa。若要保證抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值的95%即3.01MPa，則要摻人5.2%～11%玻璃渣和0.52%～1.1%橡膠。本試驗(yàn)中摻合料均為廢棄用料，不計(jì)成本，考慮到經(jīng)濟(jì)因素，應(yīng)盡可能多摻人廢舊玻璃渣和橡膠，因此，控制玻璃渣、橡膠摻量分別在8.1%～11%、0.81%～1.1%范圍內(nèi)，能有效提高改性生土材料抗壓強(qiáng)度并合理利用廢舊材料。最小二乘法可適當(dāng)降低試驗(yàn)結(jié)果所帶來的誤差，故試驗(yàn)中產(chǎn)生的誤差對分析結(jié)果影響不顯著。 當(dāng)延性比為1.92時(shí)抗壓強(qiáng)度最大達(dá)到3.18MPa（見圖8）。若要保證抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值的95%即3.02MPa，則要保證延性比在1.84～2.00之間。由于延性比越大，試塊的變形能力越強(qiáng)，因此當(dāng)延性比取2.00時(shí)抗壓強(qiáng)度和變形能力均達(dá)到較優(yōu)水平，此時(shí)對應(yīng)的玻璃渣和橡膠摻量分別為11%、1.1%。以此摻量為中心控制玻璃渣、橡膠摻量分別在10.5%～11.5%、1.05%～1.15%范圍內(nèi)，本次試驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)改性生土材料綜合性能最優(yōu)。

3.結(jié)論

1）本試驗(yàn)提出采用廢舊橡膠和玻璃渣作為生土改性摻和材料，可吸納工業(yè)廢料，有利于環(huán)保，同時(shí)，能有效提高改性生土材料的力學(xué)指標(biāo)，可以作為生土材料改性摻合料。

2）在干燥土體材料中摻人3%濃度、含量為13%的糯米漿時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.28MPa，與素土試塊相比提高了143%、開裂荷載提高了159%，峰值荷載對應(yīng)的變形加大，極限位移略減小，變形能力提高101%。采用糯米漿做粘結(jié)劑能有效提高生土材料的抗壓性能和抗開裂能力。

3）在土體中摻人玻璃渣和橡膠時(shí)，試塊抗壓強(qiáng)度與素土試塊相比有明顯提高，但略低于只添加糯米漿試塊，且隨著摻合量的增加先增大至3.12MPa后減小，試塊開裂位移降低，極限位移提高，破壞過程延長，延性比隨摻量的增加線性增大。摻人橡膠對土體變形能力有明顯改善。

4）分析玻璃渣、橡膠摻量與抗壓強(qiáng)度擬合曲線，得到抗壓強(qiáng)度理論最大值為3.17MPa。在保證抗壓強(qiáng)度不低于最大值的95%時(shí)，玻璃渣與橡膠的合理摻量分別為8.1%～11%、0.81%～1.1%。

5）分析抗壓強(qiáng)度與延性比關(guān)系曲線，得到抗壓強(qiáng)度與變形能力均達(dá)到較優(yōu)水平時(shí)玻璃渣與橡膠摻量的合理范圍，此時(shí)綜合性能最優(yōu)。