摻入工業(yè)廢料的改性生土材料抗壓試驗

王毅紅，劉芳，劉亮，管科杰，張坤

(長安大學 建筑工程學院， 西安 710061)

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摻入工業(yè)廢料的改性生土材料抗壓試驗

王毅紅，劉芳，劉亮，管科杰，張坤

(長安大學 建筑工程學院， 西安 710061)

改性生土材料；抗壓強度；變形能力；復摻；工業(yè)廢料

生土材料是人類應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[1-2]。生土材料具有便于就地取材、技術簡單、保溫與隔熱性能優(yōu)越、綠色環(huán)保等優(yōu)點，在中國西部干旱少雨的農村仍然有很多居民居住在生土建筑之中[3-4]。土體本身是一個復雜而多樣化的礦物混合物，生土建筑存在強度低、不耐水、穩(wěn)定性差等缺點，是生土作為建筑材料存在的主要問題[5-7]。通過添加摻合料，保持原生土材料的環(huán)保性能，同時改進和提高生土材料的力學性能，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，可望推動中國農村建筑節(jié)能與生態(tài)可持續(xù)發(fā)展，對生土結構的發(fā)展有重要意義。學者們對于改性生土材料進行了大量研究[8-10]，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，使抗壓強度、耐水性及耐候性得到較大提升；摻入稻草、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劑，嘗試采用廢舊玻璃渣和橡膠為摻合料[11-13]，對改性生土試件進行軸心抗壓試驗，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用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗原材料

試驗所用生土為粘性黃土，取自西安市未央?yún)^(qū)，所取生土過5 mm標準篩，拌合水為普通的自來水；玻璃采用廢棄的4 mm厚普通浮法玻璃，將其碾壓搗碎至粒徑為3～5 mm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2～3 mm立體狀；糯米漿采用東北糯米制備，參考文獻[14]中糯米漿制備方法，稱取150 g糯米將其淘洗后放入鋼制容器中，加入5 kg清水后在容器上標定水位刻度，加熱煮沸1 h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補充清水，保持水位在標定的刻度位置，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入110 ℃烘箱中干燥12 h，得到干燥的生土，將玻璃渣、橡膠摻入干燥生土中充分攪拌，制作素土試塊時向生土中加入13%清水，制作改性生土試塊時加入13%糯米漿，配制含水率為18%的生土，使土樣達到最優(yōu)含水率以便夯實。試驗參照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)[15]中擊實試驗，將預處理好的生土在0.561 kJ夯實能量下于尺寸為Φ102 mm×116 mm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)護一個月，測試其抗壓強度。

1.3 試驗設計

單摻時摻入糯米漿改性生土材料，復摻時利用糯米漿、玻璃渣和橡膠3種材料對生土材料進行改性。生土作為主要材料，其含量不小于80%。廢舊橡膠的強度較低，摻入過多不易夯實，因此，應控制橡膠摻量為摻入玻璃渣的10%。每種配比制作5個試件進行抗壓試驗。

表1 摻量配比表

Table 1 Mixing ratio

試件編組糯米漿/%玻璃渣/%橡膠/%A000B1300C11350．5C213101C313151．5

1.4 試件加載方案

試驗采用長安大學土木工程材料實驗室中YA-300型微機控制全自動壓力試驗機進行加載。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(xù)加載方式，設置加載速率為0.1 mm/s，當試件承載力降低至原有承載力的90%時視為試件破壞，作為試驗結束條件。

2 試驗結果與分析

試驗中材料抗壓強度由材料力學中材料的軸心抗壓強度計算公式確定

σ=F/A

(1)

式中:σ為生土塊材的軸心抗壓強度,MPa;F為試件加載過程中的峰值荷載,kN;A為試件的截面面積,m2。

2.1 素土試塊試驗過程及現(xiàn)象

文獻[16]中對圓柱體素土試塊進行了軸向抗壓試驗研究。在加載初期，試塊近似處于彈性階段(見圖1)。當荷載約為峰值荷載的70%時，試件中部出現(xiàn)細小短裂紋；隨著荷載的增加，裂紋擴展為明顯的豎向裂縫；荷載達到峰值荷載時，有一段裂縫穩(wěn)定期，位移變化較緩慢，當試件出現(xiàn)數(shù)條貫通裂縫時，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[16]。由于試驗過程中儀器故障，有一組數(shù)據(jù)未采集到，導致本組試驗缺少A-5試驗結果。

圖1 素土試塊荷載位移曲線Fig. 1 The load-

2.2 摻入糯米漿試塊試驗結果與分析

2.2.1 試驗過程及現(xiàn)象 加壓初期，荷載與位移呈線性關系(見圖2)，試件接近彈性狀態(tài)。當荷載加至峰值荷載的82%時，試件表面出現(xiàn)細小裂縫，并發(fā)出細微的響聲。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展，同時出現(xiàn)較短的斜裂縫，試件進入開裂階段。當荷載逐漸增大達到峰值荷載時，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。

圖2 摻入糯米漿試塊荷載位移曲線Fig. 2 Load-displacement curves of glutinous rice pulp-

圖3 摻入糯米漿試塊破壞形態(tài)Fig. 3 Failure modes of glutinous rice pulp-

2.2.2 試驗結果分析 素土試塊和摻入糯米漿試塊的試驗結果見表2，其中每組各力學性能指標均為該組5個試塊試驗結果的平均值。可以看出，加入13%糯米漿后B組試件抗壓強度平均值為3.28 MPa，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)。糯米漿能作為粘結劑充分滲入到土體顆粒之間，將其粘結在一起共同受力，增加土體粘聚力，減少試件孔隙率，增強土體密實性，提高了試件的抗壓強度和開裂荷載，并延長了試塊的彈性受力階段。

表2 試塊抗壓強度試驗結果平均值

Table 2 Average values of test results of compressive strength test on specimens

試件編組摻合成分及摻量/%糯米漿玻璃渣橡膠開裂荷載/kN開裂位移/mm峰值荷載/kN峰值位移/mm極限位移/mm抗壓強度均值/MPa標準差變異系數(shù)延性比A00013．081．9418．682．813．42．290．0420．0181．75B130022．001．8026．832．373．193．280．1470．0451．77C11350．519．181．524．112．282．742．990．5990．2001．83C213101．019．211．6425．282．353．243．120．2840．0911．98C313151．513．661．7018．832．703．592．300．2480．1082．11

2.3 摻入糯米漿、玻璃渣、橡膠試塊試驗結果與分析

2.3.1 試驗過程及現(xiàn)象 在以糯米漿作為粘結劑的基礎上，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)。當荷載加至峰值荷載的72%～80%時，試塊表面有少量細小裂縫出現(xiàn)在試塊中部。隨著荷載的增加，開裂處玻璃渣與土體錯動，玻璃渣之間摩擦發(fā)出清脆的聲音，裂縫逐漸增多并向上下邊緣擴展、寬度增大。當荷載增加至極限荷載時，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)量縱橫交錯裂縫，直至裂縫加深形成多個豎向通縫，試塊外圍大塊土體脫落，試塊完全破壞(見圖5)。

圖4 摻入玻璃渣、橡膠試塊荷載位移曲線Fig. 4 Load-displacement curves of mixing glass slag and rubber specimens

圖5 摻入玻璃渣、橡膠試塊破壞形態(tài)Fig. 5 Failure modes of mixing glass

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

圖6 玻璃渣與橡膠摻量與延性比關系曲線 Fig. 6 Relationship between the amount of

2.4 合理摻合量分析

依數(shù)據(jù)運用最小二乘法擬合曲線(見圖7)給出生土試塊抗壓強度與玻璃渣摻合量的關系如式(2)：

σ=-0.019x2+0.307x+1.929

(2)

式中:σ為生土塊材的軸心抗壓強度,MPa;x為玻璃渣摻量,%;橡膠摻量為0.1x,%。

圖7 玻璃渣摻量與抗壓強度關系曲線 Fig. 7 Relationship between the amount of glass slag and compressive strength

根據(jù)二次函數(shù)頂點坐標公式得出當玻璃渣摻量在8.1%時抗壓強度最大達到3.17 MPa。若要保證抗壓強度達到最大值的95%即3.01 MPa，則要摻入5.2%～11%玻璃渣和0.52%～1.1%橡膠。本試驗中摻合料均為廢棄用料，不計成本，考慮到經(jīng)濟因素，應盡可能多摻入廢舊玻璃渣和橡膠，因此，控制玻璃渣、橡膠摻量分別在8.1%～11%、0.81%～1.1%范圍內，能有效提高改性生土材料抗壓強度并合理利用廢舊材料。最小二乘法可適當降低試驗結果所帶來的誤差，故試驗中產(chǎn)生的誤差對分析結果影響不顯著。

依據(jù)測試數(shù)據(jù)，擬合(圖6)出玻璃渣摻量與延性比關系如式(3)。

y=0.028x+1.693

(3)

式中:y為生土塊材的延性比;x為玻璃渣摻量,%;橡膠摻量為0.1x,%。由式(2)、式(3)得出延性比y與抗壓強度σ的關系如式(4)。

σ=-24.234y2+93.094y-86.216

(4)

當延性比為1.92時抗壓強度最大達到3.18 MPa(見圖8)。若要保證抗壓強度達到最大值的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，因此當延性比取2.00時抗壓強度和變形能力均達到較優(yōu)水平，此時對應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，本次試驗樣本數(shù)據(jù)改性生土材料綜合性能最優(yōu)。

圖8 延性比與抗壓強度關系曲線Fig. 8 Relationship between ductility

3 結論

1)本試驗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，能有效提高改性生土材料的力學指標，可以作為生土材料改性摻合料。

2)在干燥土體材料中摻入3%濃度、含量為13%的糯米漿時，抗壓強度達到3.28 MPa，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)在土體中摻入玻璃渣和橡膠時，試塊抗壓強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3.12 MPa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。摻入橡膠對土體變形能力有明顯改善。

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

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

[1] HAMED N, ZAIN M F M, MASLINA J. Various types of earth buildings[J]. Social and Behavioral Sciences, 2013, 89: 226-230.

[2] PACHECO-T F, SAID J. Earth construction: Lessons from the past for future eco-efficient construction [J]. Construction and Building Materials, 2012, 29: 512-519.

[3] SILVERA D, VARUM H, COSTA A, et al. Mechanical properties of adobe bricks in ancient constructions[J]. Construction and Building Materials, 2012, 28: 36-44.

[4] 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)：470-472， 484. WANG Y H, WANG C Y, LI X S, et al. Expe riment on shear prope rties and compressive properties of earth mate rial of raw-soil structure [J]. Journal of Xi’an University of Science and Technology, 2006, 26(4): 470-472,484.(in Chinese)

[5] 王毅紅，李麗，王沖鋒，等. 村鎮(zhèn)既有生土結構房屋抗震性能現(xiàn)狀分析[J]. 土木工程學報，2010, 43(Sup)：462-467. WANG Y H, LI L, WANG C F, et al. Research and analysis on aseismic behavior of existing country raw-soil structure [J]. China Civil Engineering Journal, 2010, 43(Sup): 462-467.(in Chinese)

[6] MARWEN B, NAIMA B, DASHNOR H, et al. Physical characterization of natural straw fibers as aggregates for construction materials applications[J]. Materials, 2014, 7: 3034-3048.

[7] DEMIR I. Effect of organic residues addition on the technological properties of clay bricks [J]. Waste Manage, 2008, 28: 622-627.

[8] 劉軍，褚俊英，趙金波，等. 摻合料對生土墻體材料力 學性能的影響[J]. 建筑材料學報，2010，13(4)：446-451. LIU J, CHU J Y, ZHAO J B, et al. Effect of admixures on mechanical properties of raw clay material for wall [J]. Journal of Building Materials, 2010,13(4): 446-451.(in Chinese)

[9] ROBERT M E, ENGELBERT D O, THIERRY Y N, et al. Potential of salvaged steel fibers for reinforcement of unfired earth blocks[J]. Construction and Building Materials,2012, 35: 340-346.

[10] 劉軍，袁大鵬，周紅紅，等. 狗尾草對加筋土坯力學性能的影響[J]. 沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2010,26 (4)：720-723，733. LIU J, YUAN D P, ZHOU H H, et al. Impact of green bristle grass on mechanical properties of reinforced adobe[J]. Journal of Shenyang Jianzhu University (Natural Science Edition), 2010, 26(4) : 720-723, 733.(in Chinese)

[11] ARULRAJAH A, ALI M M Y, DISFANI M M,et al. Recycled glass blends in pavement base/subbase applications: laboratory and field evaluation[J]. Journal of Materisals in Civil Engineering, 2014, 26(7): 4-14, 25.

[12] LORENZO M, URS M, PATRICK F. Mechanical behavior of earthen material: A comparison between earth block masonry, rammed earth and cob [J]. Construction and Building Materials, 2014, 61: 327-339.

[13] SAYYED M H, MOHAMMAD S, SAYYED M A, et al. A simple review of soil reinforcement by using natural and synthetic fibers[J]. Construction and Building Materials, 2012(30):100-116

[14] 彭洪濤，張琪，李乃勝，等. 糯米漿對土遺址修復用三 合土性能的影響[J]. 建筑材料學報，2011,14(5)： 718-722. PENG H T, ZHANG Q, LI N S, et al. Effect of sticky rice paste on properties of tabia used to repair ancient earthen ruins [J]. Journal of Building Materials, 2011, 14(5): 718-722.(in Chinese)

[15] 土工試驗方法標準：GB/T 50123—1999[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社, 1999.

[16] 岳星朝. 生土基材料受壓及受剪強度試驗研究[D].西 安：長安大學，2014. YUE X C. Experimental study on compressive strength and shear strength of raw soil-based materials [D]. Xi’an: Chang’an University, 2014.(in Chinese)

[17] 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(自然科學版)，2010， 38(3)：263-268. AKENJIANG TUOHUTI, ZHAO C, QIN Y J. Experimental tests on compressive strength of modified soil materials [J]. Journal of Hohai University(Natural Sciences): 2010，38(3): 263-268.(in Chinese)

(編輯 胡玲)

Experimental analysis on compressive strength of raw soil material modified by industrial waste

WangYihong,LiuFang,LiuLiang,GuanKejie,ZhangKun

(School of Civil Engineering, Chang'an University, Xi'an 710061, P. R. China)

Some glutinous rice pulp, waste glass slag and rubber are added into plain soil to form modified soil material for the rational use of waste materials to improve the mechanical properties of raw soil material. According to the five kinds of mix proportion scheme, the size in diameter 102mm with high 116mm cylinder specimens were prepared. Through the axial compressive strength test, the experimental phenomena, compressive strength, deformability, load-displacement curves of specimens with different proportions are compared, and the mechanisms of different admixtures are analyzed, and the influence laws of compressive strength with different admixtures and different amount are studied. The reasonable range of he mixing amount of glass slag and rubber is proposed. The results show that the compressive strength of the soil can be enhanced by the incorporation of glutinous rice pulp into the soil. With the incorporation of glutinous rice pulp, glass slag and rubber, the compressive strength and deformation capacity can be improved, but the compressive strength decreases after 3.12MPa with the increase of the amount of glass slag and rubber.

modified raw soil material; compressive strength; deformability; combined admixture; industrial waste

2016-03-09

國家自然科學基金(51478043)

王毅紅(1955-)，女，教授，博士生導師,主要從事混凝土結構基本理論及其應用、建筑結構抗震等研究，(E-mail)wangyh@chd.edu.cn。

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No. 51478043)

10.11835/j.issn.1674-4764.2016.06.005

TU361

A

1674-4764(2016)06-0032-06

Received:2016-03-09

Author brief：Wang Yihong(1955-), professor, doctoral supervisor, main research interests: basic theory of concrete structure and application, seismic resistance of building structure, (E-mail)wangyh@chd.edu.cn.