摻入玻璃和竹纖維的生土基材料性能試驗研究*

王毅紅，丁思遠，楊世豪，張　坤，宋　萍

(長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710061)

?

摻入玻璃和竹纖維的生土基材料性能試驗研究*

王毅紅，丁思遠，楊世豪，張坤，宋萍

(長安大學 建筑工程學院，陜西 西安 710061)

傳統生土基材料在抗壓強度、變形能力等方面與現代建材相比存在較大差距，為了改善傳統生土基材料的基本力學性能，在生土基材料中摻入改性材料：糯米漿、玻璃渣、竹纖維，形成改性生土基材料。設計1組素土試件和4組不同配比的改性生土試件，由土工試驗方法制作得到直徑102 mm×高116 mm的圓柱體改性生土基試件共5組，24個。通過對試件進行軸心抗壓試驗研究，得到不同摻料以及不同摻量試件的抗壓強度、破壞荷載、斷裂能和位移值。分析不同摻料以及不同摻量對生土試塊抗壓強度、變形能力、斷裂能的影響規律。結果表明，糯米漿能大幅度提高生土塊材的抗壓強度，但對試件的變形能力沒有提高；玻璃渣對生土塊材抗壓強度有一定提高，竹纖維對生土塊材變形能力有較大提高，試件破壞時整體性較好，大大改善試件脆性性能。

改性生土材料；抗壓強度；變形性能；廢玻璃；竹纖維；斷裂能；復摻；

0　引　言

生土材料具有低碳、環保、可持續發展等優勢，以其廉價的制作成本、取材方便、良好的保溫、隔熱性能，在中國廣大農村，尤其是西部貧困地區都有著廣泛應用。但其在抗壓強度、變形性能、耐久性、耐水性等方面存在較嚴重的缺陷，在歷次地震中都會給當地居民造成較大的人員傷亡和經濟損失。因此如何提高生土材料的抗壓、抗剪強度，改善生土建筑房屋抗震性能一直是國內外的研究熱點。長安大學王毅紅、卜永紅等采用傳統工藝制作生土坯試塊，并對其進行抗剪、抗折以及三向抗壓試驗[1-3]，得到了土坯抗壓、抗剪強度的試驗數據以及不同砌法的土坯砌體軸心受壓破壞的全過程，為村鎮生土建筑抗震規程修訂提供依據；長安大學王毅紅、馬蓬渤等通過標準輕型土工擊實試驗得到了不同摻料改性生土材料的最優含水量與摻量之間的關系[4]，為確定生土基材料標準試驗方法和實際工程應用提供依據；阿肯江·托呼提[5-7]在素土中摻和細砂和植物纖維，形成改性生土基材料并進行抗壓試驗，試驗結果表明，在素土中摻和細砂、纖維可大大提高抗壓強度以及極限位移；新疆大學阿肯江，曹耿[8]等依據當地土坯建筑常用尺寸，進行了土坯砌體抗壓強度試驗，提出了抗壓強度標準值的簡化計算公式；中鐵第一勘察設計院陳海軍[9]依據蘭州市地質條件，根據濕陷性黃土特點，總結了當地濕陷性黃土地基處理的方法；西安科技大學邸芃[10]在生土基材料中加入草類纖維制成草磚，并研究其建筑保溫、改性抗壓強度等性能。文中將不同配比的糯米漿、廢玻璃渣、竹纖維[11-12]作為改性摻料加入生土中，形成改性生土基材料[13]。通過軸心抗壓試驗研究其抗壓強度、變形能力、斷裂能等指標，并與素土試塊進行對比，探討各種摻料的合理配比。為摻入糯米漿、竹纖維、廢舊玻璃渣的綠色生土基改性材料基本力學研究和工程應用提供參考。

1　試驗概述

1.1試件材料

試驗用黏性黃土取自西安市未央區，過5 mm標準篩，拌合水為普通的自來水，糯米漿采用東北糯米制備，稱取500 g糯米將其淘洗后，放入5 kg清水中浸泡，加熱煮沸并攪拌1 h使糯米中的淀粉糊化，冷卻至室溫后取上層清液，配置成濃度為3%的糯米漿，將廢棄玻璃碾壓搗碎成粒徑為3～5 mm顆粒狀玻璃渣(圖1)，將竹纖維手工撕成長約20 mm，寬約8 mm短條狀(圖2)。

圖1　玻璃渣Fig.1　Glass Slag

圖2　竹纖維Fig.2　Bamboo Fiber

1.2試件設計及制作

設計了5種配比的試件，共24個(見表1)。試件制作參照土工試驗方法[14]，將擊實筒平放在堅實的地面，安裝好護筒，在擊實筒內涂一層潤滑油，將拌和好的土料分3層裝入擊實筒內，錘自由垂直落下，并均勻分布于土樣表面，每層25擊，擊實功約為592.2 kJ/m3.每層擊好后，加下一層土樣時將接觸面做“拉毛”處理擊實完成后，超出擊實筒頂的試樣高度應小于5 mm.取下導筒，用直刮刀修平超出擊實筒頂部和底部的試樣，拆除底板，將擊實筒外壁擦干。完成后用脫模器將試樣從擊實筒中推出。將制作好的試件置于室溫為20 ℃左右的實驗室內養護34 d.

表1改性生土基材料配比表

Tab.1Matching of modified raw soil materials

(%)

1.3試驗裝置及加載

試驗在長安大學建筑工程實驗室完成，采用了標準擊實儀、微機控制全自動壓力試驗機、YA-300以及GTC350全數字電液伺服控制器。試件在Y-A300型微機控制全自動壓力試驗機進行加載。表面不平整的試件需打磨，由水平尺檢查平整度。正式加載前用1 kN荷載預壓3次，確保壓力試驗機正常運行并與試件緊密接觸后開始試驗，采用連續加載方式，加載速率為0.1 mm/s，當試件承載力降低為峰值荷載的85%時，視為試件破壞。

2　試驗過程及現象

2.1素土試塊試驗過程及現象

素土試件共4個，破壞過程及破壞形態相似，以A1-1試件為例描述其試驗現象和破壞過程。當荷載為破壞荷載的60%時，試件表面出現第一條較為細短的裂縫，隨著荷載的增加，裂縫逐漸沿平行于壓力方向擴展，隨后試件表面材料開始剝落(圖3(a))，繼續加載，試件出現對角方向的貫通裂縫崩潰(圖3(b))。

圖3　A1-1試件開裂-破壞Fig.3　Cracking and failure of A1-1(a)試件開裂　(b)試件破壞

2.2摻糯米漿改性生土試塊試驗過程及現象

摻糯米漿試件共5個，破壞過程及破壞形態相似，以B1-1試件為例描述其試驗現象和破壞過程。當荷載加至破壞荷載的82%時，試件中部表面出現第一條與壓力方向平行的細小裂縫。隨著荷載增加，裂縫上下延伸，同時出現多條較短的橫向裂縫和斜裂縫。裂縫主要集中在試件的中部(圖4(a))，接近峰值荷載時裂縫貫通，試件表面材料開始出現剝落，隨著荷載的增加，試件中部剝落加劇，臨近上下加載板部分，由于受到加載板約束，剝落較少，破壞時殘體呈細腰狀態(圖4(b))。

圖4　B1-1試件開裂-破壞Fig.4　Cracking and failure of B1-1(a)試件開裂　(b)試件破壞

2.3摻玻璃渣和竹纖維試塊試驗過程及現象

摻玻璃和竹纖維的試件分3組，摻量的變化影響試件的受壓承載力和變形能力，對受壓承載力的影響較小，對變形能力的影響較明顯。3組試件的破壞過程和破壞形態相似，以C3-1試件為例描述C組試件的破壞過程及破壞形態。當荷載加至破壞荷載的70%時，試件發出細微響聲，試件表面出現與加載方向平行的豎向裂縫，與素土試件類似，裂縫首先出現在試塊兩端。隨著荷載的不斷增加，裂縫逐漸向中間延伸，形成多條較深較長的平行裂縫(圖5(a))，此過程中，有竹子斷裂的聲音。當荷載繼續增加達到峰值時，試件自上而下形成貫通裂縫，繼續加荷，荷載降低至峰值荷載的85%時，試件未發生崩潰現象，也未出現明顯的片狀脫落，試件基本保持完整(圖5(b))。

圖5　C3-1試件開裂-破壞Fig.5　Cracking and failure of C3-1(a)試件開裂　(b)試件破壞

3　試驗結果與分析

3.1破壞形態分析

素土試件最終破壞時表面大面積的剝落，出現對角貫通裂縫，破壞脆性特征明顯；摻糯米漿試件破壞后呈細腰狀，由于糯米漿作為粘合劑很好地把土顆粒黏在一起，試塊的整體性較好，上下加載板對接觸面的約束作用明顯，破壞的脆性特征較素土試件有所改善。摻玻璃和竹纖維的試件破壞后與素土試件相比整體性較好，裂縫間的竹纖維抑制了裂縫的開展，碎玻璃在試件內部近似混凝土中粗骨料的作用，竹纖維及碎玻璃骨料與素土能夠共同抵抗外力，直到荷載下降至峰值荷載的85%，試件仍基本保持完整，橫向變形明顯，豎向裂縫貫通。

目前，該平臺已著手組織各方力量，進行磷礦資源高效開發及可持續利用、磷資源高效利用農業服務、環境磷資源回收利用等方面的調研，并積極推動首批科技小院的設立。作為國家肥料產業綠色發展科技創新聯盟的支撐單位，該平臺將為實現長江經濟帶及農業綠色發展愿景持續貢獻力量。

3.2試件強度和變形能力分析

根據材料力學中材料的軸心抗壓強度計算公式計算試件的抗壓強度

σ=F/A.

(1)

式中σ為生土塊材的軸心抗壓強度，MPa；F為軸心壓力，kN；A為試件的截面面積，mm2.

所有試件的抗壓強度、峰值位移值等試驗數據見表2，所有試件的抗壓強度均值、峰值位移均值、斷裂能見表3.

表2　各組試件抗壓強度、峰值位移值

表3　各組試件抗壓強度、峰值位移均值

3.2.1試件抗壓強度分析

A，B組試件荷載—位移曲線分別如圖6，7所示，2組試件的荷載-位移曲線的形狀與變化趨勢相近。B組試件的抗壓強度、極限承載力較A組試件增大，試件的平均抗壓強度為3.28 MPa，與素土試塊相比，提高了43%.說明糯米漿很好地粘合了土顆粒，在試件內部形成膠凝材料，提高了試件密實性和抗壓強度。

圖6　A組(素土)試件荷載-位移曲線Fig.6　Load-displacement curve of A group

圖7　B組(13%糯米漿)試件荷載-位移曲線Fig.7　Load-displacement curve of B group

圖8　C1組試件荷載-位移曲線Fig.8　Load-displacement curve of C1 group

圖9　C2組試件荷載-位移曲線Fig.9　Load-displacement curve of C2 group

圖10　C3組試件荷載-位移曲線Fig.10　Load-displacement curve of C3 group

3.2.2試件的變形性能分析

摻糯米漿試件峰值位移與素土試塊相比沒有發生明顯變化。摻玻璃渣和竹纖維試塊變形能力與素土試塊相比有明顯增大，C2組峰值位移為2.88 mm與素土試件相比提高了4%，荷載降低至85%峰值荷載時的位移為2.64 mm，與素土試件相比提高了24%，C3組峰值位移為4.22 mm與素土試件相比提高了50%，荷載降低至85%峰值荷載時的位移為2.51 mm，與素土試件相比提高了18%.由于竹纖維在試塊內部起到拉結作用，有效地限制了試件的橫向變形，碎玻璃骨料與竹纖維一起形成了空間受力骨架，有效地約束了試件的變形，試件的延性性能提高。C1組試件的試驗數據離散性較大。有待進一步加大試塊數量，分析其影響規律。

3.3摻和料對斷裂能的影響

斷裂能是反映材料相互作用時韌性的重要指標，用來表示材料在破壞過程中消耗的總能量。根據斷裂能定義可將試塊破壞機理解釋為：隨著荷載增加，壓應力達到最大，試塊中壓應力較大處竹纖維發生破壞，加速構件破壞[15-16]。此時定義為壓應力-應變曲線所圍成的面積為試塊的斷裂能Gf(本試驗從試驗開始到達到峰值荷載的荷載-位移曲線近似為三角形)，斷裂能的計算公式為

(2)

各組試塊抗壓強度均值、峰值位移、斷裂能見表3.由表3可知隨著玻璃渣和竹纖維摻量的增加，斷裂能增大。C1組的斷裂能為3.71N/m是A組的1.15倍，C2組的斷裂能為3.89N/m是A組的1.21倍，C3組的斷裂能為5.42N/m是A組的1.68倍。說明添加摻和料試塊消耗的斷裂能大于未添加摻和料的試塊。

4　結　論

1)用糯米漿、玻璃渣、竹纖維作為生土的改性摻料，明顯地提高了生土材料的抗壓強度、變形能力。所用改性材料玻璃渣為建筑垃圾，竹纖維為綠色植物，符合綠色環保，可持續發展的的理念；

2)素土試件、糯米漿試件和摻入碎玻璃、竹纖維的試件破壞形態各異。素土試件為突然的脆性破壞。糯米漿試件類似素混凝土試件形成細腰狀破壞殘體。摻入碎玻璃渣和竹纖維試件則表現出較好的整體性，由于纖維的拉結，殘體橫向變形較大，豎向裂縫明顯，上下加載板的約束作用相對減弱，表現出一定的塑性性能；

3)糯米漿摻料可明顯提高素土試件的抗壓強度，本次試驗平均提高幅度為43%，當復摻碎玻璃和竹纖維時，提高幅度略有降低，但也達到12%～18%，說明糯米漿摻料對強度有提高作用；

4)將素土試件與糯米漿試件對比，峰值荷載時兩者位移相近，兩者的變形能力相當。說明糯米漿摻料對試件的變形能力基本沒有影響；

5)在生土中摻入碎玻璃和竹纖維，其強度介于素土和糯米漿之間，但可以較大幅度地提高試件的變形能力。試驗數據表明，隨摻量的增加，峰值荷載和極限荷載對應的位移明顯增加。說明碎玻璃和竹纖維作為生土基材料的摻料，可有效改善生土的脆性性能；

6)摻糯米漿試件斷裂能與素土試件相比提高了21%；摻玻璃渣和竹纖維試件C1組試塊斷裂能與素土試件相比提高了15%，C2組試塊斷裂能與素土試塊相比提高了20%，C3組試塊斷裂能與素土試塊相比提高了68%.單摻和復摻改性材料的試件的斷裂能均有提高；

7)生土基材料C1組試驗數據的離散性較大，可通過進一步增大試件數量來歸納其力學性能相關規律。

References

[1]王毅紅，卜永紅，杜建軍，等.生土坯及生土坯砌體受力性能的試驗研究[C]//砌體結構與墻體材料基本理論和工程應用學術會議論文集，2005：33-37.

WANGYi-hong，BUYong-hong，DUJian-jun，etal.Experimentalstudiesonthebearingperformanceofadobeblockandadobemasonry[C]//AcademicConferenceontheBasicTheoryandEngineeringApplicationofMasonryStructureandWallMaterials，2005：33-37.

[2]王毅紅，蘇東君，劉挺，等.生土墻承重的村鎮建筑抗震性能分析[C]//防震減災工程學術研討會論文集，2004：218-221.

WANGYi-hong，SUDong-jun，LIUTing，etal.Analysisonseismicbehaviorofvillageandtownbuildingswithearthwalls[C]//ResearchandProgressofEarthquakeDisasterReductionEngineering：1thNationalAcademicForumforEarthquakeDisasterReductionEngineering，2004：218-221.

[3]王毅紅，王春英，李先順，等.生土結構的土料受壓及受剪性能試驗研究[J].西安科技大學學報，2006，26(4)：469-473.

WANGYi-hong，WANGChun-ying，LIXian-shun，etal．Experimentonshearpropertiesandcompressivepropertiesofearthmaterialofraw-soilstructure[J]．JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2006，26(4)：469-472.

[4]王毅紅，馬蓬渤，張坤，等.改性生土材料最優含水量的試驗測定[J].西安科技大學學報，2015，35(6)：768-773.

WANGYi-hong，MAPeng-bo，ZHANGKun，etal.Thetestmeasurementofoptimummoisturecontentofraw-soilmaterial[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2015，35(6)：768-773.

[5]阿肯江·托呼提，趙成，秦擁軍.改性土體材料的抗壓強度試驗研究[J].河海大學學報，2010，5(3)：263-268.

AKenjiangTuo-hu-ti，ZHAOCheng，QINYong-jun.Experimentaitestoncompressivestrengthofmodifiedsoilmaterials[J].JournalofHehaiUniversity，2010，5(3)：263-268.

[6]陳嘉.改性土體材料及土坯砌體的受壓力學性能研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2009.

CHENJia.Themechanicalcharacteisticsofthepressurestudyonmodifiedraw-soilmaterialsandadobemasonry[D].Urumqi：XinjiangUniversity，2009.

[7]趙成.改性土坯砌體抗壓強度試驗研究[D].烏魯木齊：新疆大學，2010.

ZHAOCheng.Experimentalstudyoncompressivestrengthofmodifiedadobemasonry[D].Urumqi：XinjiangUniversity，2010.

[8]阿肯江·托呼提，曹耿.土坯砌體抗壓強度試驗研究[J].河海大學學報，2011，39(3)：290-295.

AKenjiangTuo-hu-ti，CAOGeng.Experimentalstudyoncompressivestrengthofadobemasonry[J].JournalofHehaiUniversity，2011，39(3)：290-295.

[9]陳海軍.蘭州新區濕陷性黃土地基處理[J].西安科技大學學報，2014，34(2)：204-209.

CHENHai-jun.LoessfoundationtreatmentforLanzhounewdistrict[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2014，34(2)：204-209.

[10]邸芃，呂秀焱，羅靜.生態草磚建筑節能技術研究[J].西安科技大學學報，2008，28(4)：643-646.

DIPeng，LVXiu-yan，LUOJing.Energy-savingtechnologyofecologicalstraw-balebuildings[J].JournalofXi’anUniversityofScienceandTechnology，2008，28(4)：643-646.

[11]張楠，柏文峰.原竹建筑節點構造分析及改進[J].科學技術與工程，2008，18(8)：5 318-5 326.

ZHANGNan，BAIWen-feng.Theoriginalbamboonodestructureanalysisandimprovement[J].ScienceTechnologyandEngineering，2008，18(8)：5 318-5 326.

[12]王海濤，柏文峰.竹建筑表皮的延續性分析[J].山西建筑，2006，32(1)：10-11.

WANGHai-tao，BAIWen-feng.Thecontinuationofarchitecturesurfaceisanalyzed[J].ShanxiArchitecture，2006，32(1)：10-11.

[13]王毅紅，蘇東君，劉伯權，等.生土結構房屋的承重夯土墻體抗震性能試驗研究[J].西安建筑科技大學學報，2007，8(4)：451-456.

WANGYi-hong，SUDong-jun，LIUBo-quan，etal.Studyontheseismicbehaviorofraw-soilstructurewithrammedearthwall[J].Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，2007，8(4)：451-456.

[14]DaSilvaLFM，RodriguesTNSS，FigueiredoMAV，etal.Effectofadhesivetypeandthicknessonthelapshearstrength[J].JAdhes，2006，82(11)：1 091-1 115.

[15]CognardJY，Creac’hcadecR，MauriceJ.Numericalanalysisofthestressdistributioninsingle-lapsheartestsunderelasticassumption：applicationtotheoptimisationofthemechanicalbehaviour[J].IntJAdhesAdhes，2011，31(7)：715-724.

[16]許魏，陳莉，張錢城.粘結界面力學行為及其表征[J].中國科學，2012，42(12)：1 361-1 376.

XUWei，CHENLi，ZHANGQian-cheng.Bondinginterfacemechanicsbehaviorandcharacterization[J].ScienceChina，2012，42(12)：1 361-1 376.

Experimental study on the performance of raw soil material modified by glass and bamboo fiber

WANG Yi-hong，DING Si-yuan，YANG Shi-hao，ZHANG Kun，SONG Ping

(SchoolofCivilEngineering，Chang’anUniversity，Xi’an710061，China)

Compressive strength and deformation ability of traditional raw soil materials have a gap in comparison with modern building materials.In order to improve the basic mechanics performance of the traditional raw soil materials，through adding glutinous rice paste，glass slag and bamboo fiber，forming modified raw soil materials.The authors designed a set of soil block and four different ratio groups of modified block，the size in diameter 102 mm with high 116 mm cylinder specimens were prepared by soil test method.Through the axial compressive strength test，we got a different dosage of compressive strength of the specimens，the fracture energy and displacement value.Analyze the influential law of different admixtures and different dosage on raw soil block compressive strength，deformation and fracture energy.The results showed that glutinous rice paste material can greatly increase the compressive strength of raw lumps，but can not improve the specimen deformation ability.Effect of glass slag on clump material compressive strength has improved，effect of bamboo fiber on clump material deformation ability has improved greatly.When the specimens damaged，specimens’integrity were good.

modified raw soil material；compressive strength；deformability；waste glass；bamboo fiber；fracture energy；double mixing

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0506

1672-9315(2016)05-0640-07

2016-03-10責任編輯：李克永

國家自然科學基金(51478043)

王毅紅(1955-)，女，山東煙臺人，教授，博士生導師，E-mail：wangyh@chd.edu.cn

TU 361

A