生土砌體砌筑泥漿生態(tài)改性配方研究

劉 江，袁 康,2，張松林，陳 楠,2

(1.石河子大學(xué)水利建筑工程學(xué)院，石河子 832003；2.新疆兵團高烈度寒區(qū)建筑抗震節(jié)能技術(shù)工程實驗室，石河子 832003)

0 引 言

我國生土建筑起源于中西部及黃河中上游地區(qū)，使用材料為原狀土質(zhì)材料，故生態(tài)環(huán)保、就地取材、造價低廉、技術(shù)簡單成為生土建筑最明顯的優(yōu)點[1]。在環(huán)境污染、生態(tài)危機備受關(guān)注的今天，生土仍是中西部地區(qū)具有發(fā)展前景的綠色環(huán)保建筑材料，生土建筑仍將長期存在于中西部農(nóng)村地區(qū)，并在新農(nóng)村建設(shè)中發(fā)揮重要作用。但歷次震害表明，生土結(jié)構(gòu)是各類村鎮(zhèn)建筑中破壞最為嚴重的結(jié)構(gòu)形式，其中生土砌塊墻體的破壞形態(tài)主要表現(xiàn)為沿泥漿灰縫處的剪切破壞，故泥漿作為生土墻砌塊之間的黏結(jié)材料，其力學(xué)性能對生土砌體的抗剪、抗壓及抗折強度有重要影響，進而影響結(jié)構(gòu)的抗震性能[2]。因此在泥漿中摻入適量的改性材料，以提高泥漿砌筑生土墻的抗剪承載力，從而保證生土結(jié)構(gòu)的抗震性能顯得十分必要。

近些年，有關(guān)泥漿改性的研究受到較多學(xué)者關(guān)注。宋加興[3]通過向素土中摻加不同體積比的麥秸稈和綠豆砂對泥漿進行改性，制作改性泥漿立方體試件并對其單軸抗壓強度進行分析，結(jié)果表明，改性后泥漿的抗壓強度增大。王毅紅等[4]研究了稻草對生土砌筑泥漿力學(xué)性能的影響，采用單軸抗壓試驗對不同配比的泥漿試件進行測試，結(jié)果表明，稻草有效提高了泥漿的黏結(jié)強度且顯著提升了其抵抗變形能力。楊森等[5]通過向泥漿中復(fù)摻草筋、水泥、生石灰、糯米改善力學(xué)性能并進行正交試驗探討泥漿改性后抗壓、抗折強度的變化規(guī)律，得到改性泥漿最優(yōu)配比。劉伯成[6]利用生土、2.5R水泥、礦渣、砂按一定配比拌和制成改性泥漿，對利用改性泥漿砌筑而成的砌體進行抗壓試驗研究并與未改性泥漿砌體進行對比，結(jié)果表明，由改性泥漿砌筑的砌體在抗壓強度方面有所增加。丁蘇金等[7]研究了礦渣-硫酸鈉復(fù)合改性泥漿，發(fā)現(xiàn)硫酸鈉在生土基黏結(jié)材料內(nèi)起硫酸鹽、堿激發(fā)雙重作用，增強了泥漿黏結(jié)材料的抗壓強度。Walker[8]對水泥改性的土坯與水泥石灰泥漿砌筑的砌體進行了抗壓試驗和彎曲黏結(jié)強度試驗，結(jié)果表明，土坯砌體彎曲黏結(jié)強度不僅與土坯塊材自身的性能有關(guān)，砌筑泥漿的性能對其也有顯著的影響。Laursen等[9]利用粉煤灰對泥漿進行改性，用改性后的泥漿砌筑土坯磚砌體并進行試驗，結(jié)果表明，泥漿改性對抗壓強度有提高作用。李鑫[10]在素土中加入水泥、砂、熟石灰、氧化鐵紅、聚丙烯纖維等材料制成多組改性泥漿，以普通燒結(jié)磚為黏結(jié)基材，進行泥漿的抗裂指數(shù)和黏結(jié)性能的測試，得到了改性泥漿的最優(yōu)配比，研究表明，改性泥漿的黏結(jié)強度可達到素泥漿黏結(jié)強度的10倍左右。張曉昌[11]針對傳統(tǒng)砌筑泥漿黏結(jié)性能差、強度低的缺點對泥漿進行改性，結(jié)果表明，不同灰砂比、外加劑對泥漿抗壓強度、抗折強度、折壓比均有不同程度的影響。Yetgin等[12]發(fā)現(xiàn)纖維可普遍提高泥漿的力學(xué)性能，隨著纖維含量增加，抗壓、抗拉強度提高，收縮率降低。朱憲榮等[13]研究表明，適量的羧甲基淀粉可有效提高泥漿的抗壓強度。

綜上可知，泥漿改性常用方法是物理及化學(xué)改性法，通過添加改性材料，砂漿力學(xué)性能及耐久性能得到提升。但目前相關(guān)研究主要集中在利用改性材料提高泥漿強度方面，對提高泥漿砌筑砌體抗剪強度的研究較少，且相關(guān)學(xué)者均未對所提出的改性材料是否破壞生土的歸田性進行探討。為提高生土結(jié)構(gòu)抗震性能的同時，確保生土結(jié)構(gòu)保留生態(tài)環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展的特點，本文在考慮不破壞生土歸田性(即確保生土建筑在服役期結(jié)束后可覆土歸田用于農(nóng)作物種植)的前提下，提出了生土泥漿生態(tài)改性配方以提高砌體抗剪強度，進而實現(xiàn)增強墻體抗震性能的目的。以糯米膠、丙烯酸乳液、速溶膠粉、纖維素為改性材料，首先采用單因素試驗來初步判斷各改性材料對泥漿力學(xué)性能指標的影響規(guī)律，并通過正交試驗進一步探討各改性材料摻量對性能的影響顯著性，得到改性泥漿最優(yōu)配比；然后，通過生土砌體抗剪試驗，獲得改性生土砌體相較于非改性生土砌體抗剪能力的提升效果；最后，通過對改性生土材料進行土壤種植試驗及成分檢測分析來判斷其是否具有歸田性。

1 改性泥漿配方

本文通過單因素試驗、正交試驗展開對泥漿改性方案的研究，得到改性泥漿的最優(yōu)配比，并采用改性泥漿砌筑生土砌體，與非改性泥漿砌筑生土砌體進行抗剪試驗對比研究，驗證其砌體層面抗剪強度提升效果。

1.1 試驗材料選取

改性材料選取依據(jù)提高泥漿抗剪強度的原則，同時也應(yīng)考慮無毒，無異味性，確保泥漿改性后，可用于種植并且不會對土壤環(huán)境造成污染。綜合考慮選取糯米膠、丙烯酸乳液、速溶膠粉、羥丙基甲基纖維素作為改性材料；生土料選取石河子市郊區(qū)黃黏土，去除其中大顆粒土粒及雜質(zhì)，得到1～2 mm的細土料，同時參照農(nóng)民習(xí)慣摻入麥秸稈；拌和用水選取實驗室自來水。所選取改性材料基本特性如下：

1)糯米膠：主要成分為純天然無毒可食用糯米，呈乳白色膠體狀，有利于增加土料顆粒間的黏結(jié)性。

2)丙烯酸乳液：由純丙烯酸酯類單體共聚而成的乳白色乳液，符合無毒、無刺激環(huán)保要求。

3)速溶膠粉：以天然高分子聚合物為主料，呈白色粉狀，無毒，無害且黏度高。

4)羥丙基甲基纖維素：白色顆粒狀粉末，安全無毒，可有效改善泥漿的可塑性。

1.2 改性泥漿配比試驗

1.2.1 單因素試驗

為研究四種改性材料摻量對生土砌體砌筑泥漿抗剪、抗壓及抗折強度的影響規(guī)律，參考文獻[5，14-15]，采用單因素試驗方法同時初步給出各改性材料摻量水平，還摻有質(zhì)量分數(shù)為0.3%的麥秸稈，共設(shè)計17組試驗工況，包括未改性組1組，每組工況下制作6個試件。相關(guān)試驗摻量均為質(zhì)量分數(shù)，四種改性材料摻量如表1所示。

表1 各改性材料摻量水平Table 1 Dosage level of each modified material

抗剪試驗中，首先將生土料放入環(huán)刀中擠塑成型，48 h后脫模并將試塊切成高1 cm的上、下餅塊，當(dāng)餅塊養(yǎng)護至干燥以后，用摻有四種改性材料的泥漿將上、下餅塊黏結(jié)，泥漿厚度為10 mm，試驗參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[16]進行，即采用應(yīng)變控制式直剪儀沿泥漿與生土試塊之間灰縫進行抗剪試驗。具體方法為：將試塊放入剪切盒中，用細砂在上表面進行找平，最后加蓋板并放到應(yīng)變控制式直剪儀上，施加豎直壓力0.1 MPa,并以1.2 mm/min的速率剪切，儀器手柄旋轉(zhuǎn)一周，觀察測力計數(shù)值，以數(shù)值達到穩(wěn)定或顯著下降作為試驗結(jié)束條件。抗折、抗壓試驗參照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)[17]進行，試驗儀器為30 t萬能壓力試驗機，采用連續(xù)位移控制加載方式，加載速度為1.0 mm/min。先進行抗折試驗，用折斷后的試塊進行抗壓試驗，試驗結(jié)束后記錄各組強度數(shù)值。

將試驗數(shù)據(jù)進行整理，按照上文相關(guān)標準取每組工況6個試件實測強度的平均值作為結(jié)果(試樣如有較大誤差則舍去，則取剩下試件的強度進行計算)，如表2所示。各改性材料摻量與泥漿抗剪強度關(guān)系曲線如圖1所示。

表2 改性泥漿實測強度結(jié)果Table 2 Measured strength results of modified mud

由表2可知，未改性泥漿組抗剪強度為0.451 kPa，抗壓強度為3.47 MPa，抗折強度為1.32 MPa，加入各材料的改性泥漿組的抗剪強度、抗壓強度和抗折強度都有不同程度的提升，本試驗研究改性泥漿在提高砌體抗剪能力方面的顯著性，故著重分析各因素摻量水平下抗剪強度提升效果。由圖1可知，各因素對抗剪強度影響規(guī)律及合理摻量區(qū)間分析如下：

1)當(dāng)糯米膠摻量在4%～10%時，抗剪強度先不斷上升達到峰值后下降，在峰值兩側(cè)的同一抗剪強度值對應(yīng)兩個不同摻量，需進一步分析；當(dāng)摻量在10%～13%時，抗剪強度雖有所提升，但由于增長速度過于緩慢且考慮到后續(xù)農(nóng)作物種植用的土壤結(jié)構(gòu)不宜過于緊密，故此區(qū)間舍去，初步確定糯米膠合理摻量區(qū)間為4%～10%。

2)當(dāng)丙烯酸乳液摻量在0.1%～0.7%時，抗剪強度先不斷下降達到谷值后再上升，在此區(qū)間兩端處的同一抗剪強度值對應(yīng)兩個不同摻量，需進一步分析；當(dāng)摻量在0.7%～1.0%時，抗剪強度逐漸下降，所以此區(qū)間舍去，初步確定丙烯酸乳液合理摻量區(qū)間為0.1%～0.7%。

3)當(dāng)速溶膠粉摻量在0.8%～1.4%時，抗剪強度先不斷上升達到峰值后不斷下降，在峰值附近的同一抗剪強度值對應(yīng)兩個不同摻量，需進一步分析；當(dāng)摻量在1.4%～1.7%時，抗剪強度呈不斷下降的趨勢，所以此區(qū)間舍去，初步確定速溶膠粉合理摻量區(qū)間為0.8%～1.4%。

4)當(dāng)纖維素摻量在0.5%～1.0%時，抗剪強度提升速度較快但沒有達到峰值，不在最優(yōu)摻量考慮范圍內(nèi)，所以此區(qū)間舍去；當(dāng)摻量在1.0%～1.5%時，抗剪強度提升速度相較之前有所減緩，摻量為1.5%時，抗剪強度達到峰值；當(dāng)摻量在1.5%～2.0%時，抗剪強度呈不斷下降的趨勢且考慮此材料經(jīng)濟性，無需過多的摻加，所以此區(qū)間舍去，初步確定纖維素合理摻量區(qū)間為1.0%～1.5%。

由單因素試驗分析初步得出各因素合理區(qū)間，為后續(xù)正交試驗縮小了摻量水平取值范圍。

圖1 各改性材料摻量與泥漿抗剪強度關(guān)系曲線Fig.1 Relationship curves of each modified material dosage and mud shear strength

1.2.2 正交試驗

基于單因素試驗得到糯米膠摻量、丙烯酸乳液摻量、速溶膠粉摻量、纖維素摻量對改性泥漿抗剪強度的影響規(guī)律，為得到強度滿足砌筑要求的合理配比，采取4因素3水平L9(34)的正交試驗方案。參照單因素試驗結(jié)果，盡可能地減少改性材料摻量，故選取糯米膠摻量(A)4%、7%、10%三種水平，丙烯酸乳液摻量(B)0.2%、0.4%、0.6%三種水平，速溶膠粉摻量(C)0.8%、1.0%、1.2%三種水平，纖維素摻量(D)1.00%、1.25%、1.50%三種水平，設(shè)計了正交試驗方案,如表3所示。抗壓、抗折、抗剪試驗方法與單因素試驗的相關(guān)方法一致。

表3 正交試驗方案Table 3 Orthogonal test scheme

對試驗數(shù)據(jù)分析并整理得正交試驗結(jié)果,如表4所示。本節(jié)將分別對正交試驗結(jié)果進行極差分析、方差分析,以及對各因素指標進行綜合分析，最終確定改性材料的最優(yōu)摻量。

表4 正交試驗結(jié)果Table 4 Orthogonal test results

極差分析可反映各因素對改性泥漿抗剪、抗壓、抗折強度在不同水平上影響程度的大小。若極差值越大則代表該因素對研究的性能指標影響較大，反之則影響較小。通過此分析可以確定糯米膠摻量(A)、丙烯酸乳液摻量(B)、速溶膠粉摻量(C)、纖維素摻量(D)對性能指標影響主次順序，極差分析結(jié)果如表5所示。從表5可以得出：①對于抗剪強度指標，各因素影響順序為纖維素摻量、糯米膠摻量、丙烯酸乳液摻量、速溶膠粉摻量;②對于抗壓強度指標，各因素影響順序為糯米膠摻量、纖維素摻量、速溶膠粉摻量、丙烯酸乳液摻量;③對于抗折強度指標，各因素影響順序為纖維素摻量、糯米膠摻量、丙烯酸乳液摻量、速溶膠粉摻量。

表5 極差分析結(jié)果Table 5 Range analysis results

極差分析雖簡便、直觀，但不能區(qū)分試驗結(jié)果的差異是由各因素的水平變化導(dǎo)致，還是由試驗的隨機波動而導(dǎo)致，故利用方差分析能有效區(qū)分二者差別，方差分析結(jié)果如表6所示。從表6中可以得出：①對于抗剪強度指標，纖維素摻量對改性泥漿影響顯著，糯米膠摻量次之，丙烯酸乳液與速溶膠粉摻量影響較?。虎趯τ诳箟簭姸戎笜?，糯米膠摻量對改性泥漿影響顯著，纖維素摻量次之，丙烯酸乳液與速溶膠粉摻量影響較??；③對于抗折強度指標，纖維素摻量對改性泥漿影響顯著，糯米膠摻量次之，丙烯酸乳液與速溶膠粉摻量影響較小。

表6 方差分析結(jié)果Table 6 Variance analysis results

通過極差、方差分析已經(jīng)得知各因素對改性泥漿性能的影響大小，但誤差自由度小(僅為2)，會使檢驗靈敏度偏低，所以在確定配比時應(yīng)進行各因素指標分析，因本試驗研究改性泥漿在提高砌體抗剪強度方面的提升效果，故著重于抗剪強度因素指標分析。

四種因素與改性泥漿試塊抗剪強度關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可以看出：當(dāng)糯米膠摻量在4%～7%時，抗剪強度逐漸上升，這是因為糯米膠與泥漿中土體礦物顆粒黏接在一起，填充較大的孔隙，使結(jié)構(gòu)變得緊密[18]，當(dāng)摻量為7%時，最大抗剪強度為0.676 kPa，當(dāng)摻量在7%～10%時，糯米膠的摻量較高，膠中過多的水分使結(jié)構(gòu)從緊密變得松散，導(dǎo)致抗剪強度下降，故確定糯米膠的最優(yōu)摻量為7%；當(dāng)丙烯酸乳液摻量在0.2%～0.4%時，抗剪強度略有下降，這是因為摻入的乳液存在一定的引氣作用，致使泥漿內(nèi)孔洞增加，孔洞處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成結(jié)構(gòu)微裂縫[19]，降低了抗剪強度，當(dāng)摻量為0.4%～0.6%時抗剪強度有所提升，是因為隨著乳液摻量增加，形成的聚合物膜結(jié)構(gòu)變得致密，使泥漿內(nèi)微缺陷得到修復(fù)，考慮此材料的經(jīng)濟性，故確定丙烯酸乳液的最優(yōu)摻量為0.2%；當(dāng)速溶膠粉摻量在0.8%～1.0%時，抗剪強度呈上升趨勢，這是因為膠粉填充了泥漿中的孔隙，并對土顆粒有較好的包裹黏結(jié)作用[20]，當(dāng)摻量為1.0%時，最大抗剪強度為0.658 kPa，此后抗剪強度逐漸下降，可能是因為泥漿中的水分逐漸減少形成失水空腔，削弱了黏結(jié)作用，故確定速溶膠粉的最優(yōu)摻量為1.0%；當(dāng)纖維素摻量在1.00%～1.25%時，抗剪強度上升明顯，這是因為纖維素為鏈狀大分子，起到了類似纖維的作用，增強了泥漿黏聚力[21]，當(dāng)摻量在1.25%～1.50%時，抗剪強度增幅不明顯，這是因為纖維素增強黏結(jié)的能力有限，無法大幅度提高泥漿抗剪能力，考慮纖維素的價格，故確定纖維素的最優(yōu)摻量為1.25%。

圖2 各因素與改性泥漿試塊抗剪強度關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves of each factor and modified mud test block shear strength

四種因素與改性泥漿試塊抗壓強度關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可以看出：當(dāng)糯米膠摻量在4%～10%時，抗壓強度先上升達到峰值后再下降，峰值對應(yīng)的摻量為7%；當(dāng)丙烯酸乳液摻量在0.2%～0.6%時，抗壓強度先下降再緩慢提升，摻量為0.2%時，抗壓強度值最大；當(dāng)速溶膠粉摻量在0.8%～1.2%時，抗壓強度先上升達到峰值后再下降，峰值對應(yīng)的摻量為1.0%；當(dāng)纖維素摻量在1.00%～1.50%時，抗壓強度逐漸下降，在摻量為1.25%時，下降速度有所減小。

圖3 各因素與改性泥漿試塊抗壓強度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship curves of each factor and modified mud test block compressive strength

四種因素與改性泥漿試塊抗折強度關(guān)系曲線如圖4所示。由圖4可以看出：當(dāng)糯米膠摻量在4%～10%時，抗折強度上升到峰值后再逐漸下降，峰值對應(yīng)的摻量為7%；當(dāng)丙烯酸乳液摻量在0.2%～0.6%時，抗折強度逐漸下降，最大抗折強度對應(yīng)的摻量為0.2%；當(dāng)速溶膠粉摻量在0.8%～1.2%時，抗折強度呈先上升達到峰值后再逐漸下降的趨勢，峰值對應(yīng)的摻量為1.0%；當(dāng)纖維素摻量在1.00%～1.50%時，抗折強度逐漸下降，但在摻量為1.25%時，下降速度有所減緩。

圖4 各因素與改性泥漿試塊抗折強度關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curves of each factor and modified mud test block flexural strength

在各強度因素指標分析中，應(yīng)將抗剪強度作為主要控制指標，在選取各材料的最優(yōu)摻量時將抗剪強度指標分析結(jié)果作為主要選取依據(jù)。對正交試驗結(jié)果進行極差、方差、因素指標的分析，得到各材料不同摻量水平下改性泥漿力學(xué)性能的變化規(guī)律及合理摻量，最終確定改性泥漿材料的最佳配比：糯米膠摻量7%，丙烯酸乳液摻量0.2%，速溶膠粉摻量1.0%，纖維素摻量1.25%。經(jīng)過改性，泥漿的抗剪強度、抗壓強度和抗折強度分別為0.679 kPa、4.62 MPa和1.63 MPa，分別提升了50.55%、33.14%和23.48%。

1.3 改性泥漿生土砌體抗剪性能

采用改性砌體砌筑泥漿最優(yōu)配比，參照《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50129—2011)[22]分別砌筑改性生土磚砌體、非改性生土磚砌體，對比分析改性前后砌體的抗剪強度，驗證改性泥漿配方對砌體抗剪強度的提升效果。

1.3.1 試件制備

分別制備改性、非改性泥漿生土砌體試件，每個生土砌體試件由9塊生土砌塊砌筑而成，每組9個，共2組。砌筑過程中應(yīng)保證磚塊之間泥漿灰縫飽滿，厚度在12 mm左右。

1.3.2 試驗方法

分別對改性、非改性砌體試件進行抗剪試驗，采用30 t萬能壓力試驗機，加載初期先使千斤頂?shù)牧鞲衅骶徛佑|到上部墊板，正式加載速度為1.5 mm/min，以試件有一個受剪面破壞作為試驗結(jié)束的條件，并記錄破壞荷載值。

1.3.3 試驗結(jié)果及分析

試件裂縫的破壞主要沿著泥漿與砌塊的豎向黏結(jié)面展開，根據(jù)試驗中觀察到的砌體試件裂縫狀況，可將此次試驗分為三個階段：裂縫形成階段，首先觀察到裂縫在試件頂部的灰縫處形成，隨著加載過程進行，裂縫明顯加寬，由于泥漿與土磚之間的粗糙度有差異，故試件在抗剪試驗中沿著泥漿兩側(cè)的黏結(jié)面會產(chǎn)生裂縫，破壞情況如圖5(a)所示；裂縫貫通階段，隨著豎向荷載的增加，試件最終沿黏結(jié)面形成豎向貫通裂縫，此時磚塊還未脫落，破壞情況如圖5(b)所示；試件破壞階段，加載到最大荷載時，磚塊開始脫落，砌體最終破壞時生土磚塊表面光滑且無缺損，泥漿與生土砌塊黏結(jié)并一起成塊狀脫落，試件側(cè)面破壞情況如圖5(c)所示。

圖5 砌體抗剪破壞特征Fig.5 Characteristics of masonry shear failure

記錄改性與非改性砌體抗剪試驗的破壞荷載值，并根據(jù)《砌體基本力學(xué)性能試驗方法標準》(GB/T 50129—2011)[22]中單個試件沿通縫截面抗剪強度計算公式(見式(1))求得各個砌體沿通縫處的抗剪強度，如表7所示。

fv=Nv/2A

(1)

式中：fv為沿通縫截面的抗剪強度，N/mm2；Nv為抗剪破壞荷載值，N；A為試件受剪面的面積，mm2。

表7 砌體沿通縫處的抗剪強度Table 7 Shear strength of masonry along through seam

根據(jù)表7中改性、非改性試件抗剪強度值以及圖5中生土磚砌體抗剪破壞特征可知：1)非改性生土磚砌體的抗剪強度為0.027 9 MPa，改性生土磚砌體的抗剪強度為0.037 6 MPa，采用本研究提出的改性泥漿配比方案使生土磚砌體結(jié)構(gòu)的抗剪能力提升了34.77%；2)在此抗剪試驗研究中，試件的破壞特征是沿著泥漿與砌塊的黏結(jié)面發(fā)生雙剪破壞，黏結(jié)面為砌體受剪過程中的薄弱位置，破壞時泥漿層與生土砌塊分離脫落且砌塊保持完整狀態(tài)。

2 土壤歸田性分析

歸田性是指生土建筑因使用壽命到期而拆除后產(chǎn)生的生土材料仍可以覆土回歸農(nóng)田用于種植，不會造成土壤污染。因此，為驗證改性土壤是否具有歸田性，本文將改性生土和原狀生土從農(nóng)作物種植試驗和土壤檢測分析兩個方面進行對比研究。

2.1 農(nóng)作物種植試驗分析

采用盆栽方法，選用發(fā)芽率高、成活率大的青菜種子，共設(shè)計5組工況，每組3盆，改性土質(zhì)量分數(shù)分別為0%、25%、50%、75%和100%。每天觀察種子發(fā)芽情況，在發(fā)芽后記錄種子出芽率及其苗高。因青菜在10 d后出芽率和苗高不再改變，故只統(tǒng)計第4天、第7天的生長狀況。

添加不同比例改性土?xí)r青菜4、7 d的出芽情況分別如圖6和圖7所示，對青菜種子4、7 d的發(fā)芽率和苗高進行數(shù)據(jù)整理，如表8所示。

圖6 添加不同比例改性土?xí)r青菜4 d的生長狀況Fig.6 Growth status of green vegetables at 4 d under different content of modified soil

根據(jù)圖6、圖7中青菜生長狀況以及表8中的青菜發(fā)芽率和平均苗高數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)改性土所占比例為25%時，青菜4、7 d的發(fā)芽率及平均苗高最優(yōu)，其原因是此時土壤中的氮、磷、鉀含量比未添加改性土的土壤多；當(dāng)改性土所占比例逐漸增大時，發(fā)芽率及苗高略有降低，其原因是改性土比例越大，糯米膠摻量也就越多，膠體使土壤顆粒間空隙變小，加上糯米膠自身的物理性質(zhì)，使土壤抗壓強度增大，密實的土壤環(huán)境不利于青菜種子的發(fā)芽及生長；在第7天時青菜的生長狀況已基本不變，改性土所占比例為0%時的發(fā)芽率和平均苗高分別為52.5%和5.1 cm，而所占比例為100%時的發(fā)芽率和平均苗高分別為50.5%和4.9 cm?？傮w而言，改性土與非改性土對發(fā)芽率、平均苗高的影響差別不大，改性后的土壤仍能使農(nóng)作物正常生長。

圖7 添加不同比例改性土?xí)r青菜7 d的生長狀況Fig.7 Growth status of green vegetables at 7 d under different content of modified soil

表8 青菜4和7 d的發(fā)芽率和平均苗高Table 8 Germination rate and average seedling height of green vegetables at 4 and 7 d

2.2 土壤檢測分析

對上述改性土進行養(yǎng)分控制指標及重金屬控制指標檢測，并依據(jù)《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)[23]中的相關(guān)控制指標來判斷改性土是否能夠歸田使用，檢測內(nèi)容及結(jié)果如表9所示。

表9 土壤養(yǎng)分及重金屬控制指標檢測內(nèi)容及結(jié)果Table 9 Test content and results of soil nutrient and heavy metal control indexes

根據(jù)表9土壤養(yǎng)分及重金屬控制指標檢測結(jié)果分析可知,生土料選用的是石河子市郊區(qū)的黃黏土，土中氮的含量偏低，經(jīng)過改性后氮的含量有所提升。改性后其余各項養(yǎng)分控制指標均符合標準要求，可以滿足綠化種植土壤肥力等技術(shù)要求。根據(jù)土壤重金屬控制指標檢測結(jié)果來看，改性土壤中的汞、鎘、鉛含量均遠遠小于標準要求，不會對土壤環(huán)境造成污染，改性生土材料服役結(jié)束后仍可以歸田使用。

3 結(jié) 論

本文在不破壞土壤歸田性的前提下，提出生土砌體砌筑泥漿生態(tài)改性配方，通過單因素試驗和正交試驗得到了改性泥漿的最優(yōu)配比，并通過土壤種植試驗和成分分析，驗證了改性泥漿具有歸田性特點，砌體抗剪試驗研究表明采用改性泥漿可有效提升生土砌體抗剪性能。具體結(jié)論如下：

1)由單因素試驗可得各改性材料合理摻量區(qū)間：糯米膠4%～10%，丙烯酸乳液0.1%～0.7%，速溶膠粉0.8%～1.4%，纖維素1.0%～1.5%；由正交試驗各因素指標綜合分析可得改性泥漿最優(yōu)配比：糯米膠摻量7%，丙烯酸乳液摻量0.2%，速溶膠粉摻量1.0%，纖維素摻量1.25%。改性前泥漿的抗剪強度、抗壓強度和抗折強度分別為0.451 kPa、3.47 MPa和1.32 MPa；經(jīng)過改性，泥漿的抗剪強度、抗壓強度和抗折強度分別為0.679 kPa、4.62 MPa和1.63 MPa，分別提升了50.55%、33.14%和23.48%，故泥漿改性后的抗剪強度等力學(xué)性能有明顯的提升。

2)根據(jù)改性生土砌體與非改性生土砌體沿通縫截面的抗剪試驗，發(fā)現(xiàn)其破壞特征可分為三個階段：裂縫形成階段、裂縫貫通階段和試件破壞階段，采用最優(yōu)配比的改性泥漿方案使生土砌體抗剪強度從0.027 9 MPa增至0.037 6 MPa，提升了34.77%。

3)通過農(nóng)作物種植試驗及對土壤檢測分析可得，采用7%糯米膠、0.2%丙烯酸乳液、1.0%速溶膠粉和1.25%纖維素的改性配方改性后的土壤能使農(nóng)作物正常生長且各項養(yǎng)分控制指標含量與未改性土壤的控制指標含量相近，能滿足綠化種植土壤肥力的技術(shù)要求，服役期結(jié)束后的改性生土材料仍可以歸田使用。