干濕循環下棉花秸稈纖維水泥土抗壓強度變化研究

李永彬，殷 勇，劉 鐵

(1.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224001；2.星河地產華東區域公司，江蘇 南京 210000)

1 引言

我國是一個農業大國，有著十分豐富的秸稈資源，據農業部統計，我國每年秸稈產量大約有700 Mt，棉花秸稈產量約24 Mt[1]。隨著科技的進步，農業生產力的提高、高效化肥的推廣使用，使得棉花產量的進一步提高，隨之而來的是大量棉花秸稈的產生。

由于種種原因，在我國農作物秸稈長期未能得到重視和利用，以至于大多數的農作物秸稈被當作廢物堆棄或燃燒，不僅浪費生物質資源，同時也污染環境[2～5]。

水泥基材料是目前世界上使用較多的建筑材料，具有高抗壓強度以及較低的抗拉強度，為改善其強度特性，使用纖維改性水泥基復合材料成為現代水泥基材料的主要技術方向之一。

許多專家就植物纖維在水泥基材料中的性能進行研究，有專家就纖維對水泥基材料的作用進行研究發現，纖維可抑制和穩定微裂縫的發展[6，7]。

在關于纖維降解的研究中，水分對纖維的影響引起了廣泛重視，許多專家做了這方面研究， Yousif BF[8]將椰纖維浸泡在不同溶液中，研究椰纖維的劣化效果；Dhakal H[9]以大麻纖維作為研究對象，進行大麻纖維在室溫下的吸水試驗，研究纖維在大麻纖維吸水過程中發揮的作用；Shubhra QTH[10]以天然蠶絲纖維作為研究對象，分別研究其在陽光、濕潤，以及冷凝狀態下的自然降解情況，發現在24 h內其質量損失了52.1%；Athijayamani A[11]將劍麻纖維和玫瑰茄混合在一起研究在濕潤條件下強度下降的情況，從而研究天然纖維吸濕性的效果；Joseph PV[12]對劍麻纖維進行水處理，發現，其拉伸性能會隨著吸水浸泡時間的增加而降低。棉花秸稈纖維在水泥土中進行干濕循環的過程中主要是在不斷重復吸水以及失水的過程，而關于纖維吸水對纖維劣化的影響，上述文獻已經介紹的很清楚了，但關于水泥土和纖維共同作用下，干濕循環對于水泥土和纖維的復合影響卻鮮有人提及。

本文以棉花秸稈纖維加筋下的水泥土作為研究對象，研究在一定養護期限后通過測定不同干濕循環次數后的水泥土強度以及棉花秸稈纖維質量變化來研究纖維的劣化以及纖維劣化對水泥土強度的影響。

2 試驗

2.1 試驗材料

試驗選取的水泥為江蘇省八菱海螺水泥廠生產的P.O.42.5普通硅酸鹽水泥，物理性質見表1；選用的土體為鹽城某基坑深度為8～10 m的粉質黏土，其物理性質見表2；使用的棉花秸稈纖維來自鹽城郊區收購的棉花秸稈，纖維平均長度為20 mm，直徑在0.08～0.12 mm之間，見圖1。

圖1 棉花秸稈纖維

表1 土樣的物理力學特性

表2 P.O.42.5 普通硅酸鹽水泥土物理性質

2.2 試樣制備

將從基坑中取出的土樣風干過2 mm篩；參考前人基礎[13]，按照水泥摻入比(水泥占濕土質量)15%，水灰比(水與水泥質量比)0.5，土樣配置成目標含水率50%，加筋率(纖維占干土質量)0.6%稱取土、水泥、水以及棉花秸稈纖維；將水泥和土樣進行充分攪拌混合；在水泥和土樣的拌合料中加入準備好的棉花秸稈纖維，直至完全攪拌均勻后加水；將攪拌好的漿體裝入100 mm×100 mm×100 mm的模具中，蓋上塑料薄膜靜置24h后脫模，并在標準條件(溫度為20 ℃，濕度為95%)下進行養護。

2.3 試驗方法——干濕循環試驗

將養護至7 d和28 d的試樣分別取出進行干濕循環。干濕循環條件采用規范(ASTM)D4843-88的規定，采用低溫烘箱和養護箱進行，具體如下：步驟一，將一批試樣做好標記，放至溫度為20 ℃水中23 h后取出，放置室溫環境中1 h(室溫為20 ℃);步驟二，將試樣放置溫度為40 ℃烘箱內烘干24 h；上述步驟為1次干濕循環，剩余試樣重復步驟一～步驟二，分別進行干濕循環次數為0次、10次、15次、20次。將干濕循環結束的試樣平均分為兩批，一批進行無側限抗壓試驗，另一批將纖維從試樣中剝離出來，稱量質量。

3 試驗結果分析

在圖2中兩條曲線皆為先升后降，對數據細節進行研究：養護7 d后進行干濕循環的水泥土：隨著干濕循環次數的增加，無側限抗壓強度先增高后降低，從初始時的0.56 MPa提高至1.23 MPa(15次干濕循環)，強度提升幅度為119.6%，而后又降至1.16 MPa(20次干濕循環)，降低幅度為30.1%；養護28 d后進行干濕循環的水泥土無側限抗壓強度變化規律和養護7 d時的規律基本相同，但峰值在干濕循環10次時出現，為1.22 MPa，相比于循環0次時的1.06 MPa強度提升幅度為15.1%，在干濕循環達到20次時降到最低，為0.98 MPa，降低幅度為19.7%。

圖2 抗壓強度隨循環次數變化曲線

水泥土在養護過程中強度提高的過程實質上是水泥中的活性物質發生水化反應的過程，在這一過程中，纖維與水泥土被水泥的水化產物粘結在一起。

在干濕循環過程中纖維水泥土發生干縮濕脹，由于這黏土，水泥，纖維材質的不同，收縮和膨脹并不同步，因而在反復的干縮濕脹的過程中就會產生裂縫；纖維也會在這一過程中發生降解；干濕循環也會帶來一定的好處：干燥環境提供的較高溫度(40 ℃)以及濕潤環境提供的較高濕度(浸泡在水中)可以加速水泥的水化反應，縮短養護齡期。

養護7 d后進行干濕循環，水泥的水化作用并不充分，水泥中未反應的活性物質較多，在干濕循環過程中，由于干濕循環的環境而大量生成的水化產物填充了因3種材料不同步的干縮濕脹產生的大量微裂縫，提高水泥土強度，除此之外，纖維與基體間的摩擦力延緩了水泥土裂隙的生長，間接提高了纖維水泥土的強度。

干濕循環一次耗時2 d，完成20次循環需耗時40 d，常規養護時間是28 d,也就是說這么長時間已經足以正常養護至28 d強度，水化基本完成的程度，而在干濕循環過程中這一速度還要快一些，所以在15次干濕循環后，強度達到峰值，且由于填充縫隙的緣故，強度要比正常養護28 d的強度高。干濕循環的次數繼續向上增加，但水泥的水化反應接近尾聲，只有干縮濕脹帶來的微裂隙還在繼續增加，故20次干濕循環后強度下降。

養護28 d后進行干濕循環，水化反應接近尾聲，強度的提高主要是繼續生成的水化產物填充微裂隙的結果，干濕循環10次，水化反應接近結束，此時水泥土的強度達到峰值，繼續干濕循環，裂隙繼續生長增多，強度開始降低。

在強度下降過程中，可以看出養護28 d后的水泥土強度下降幅度遠大于養護7 d后的水泥土強度下降幅度。這是由于養護7 d后的水泥土強度達到峰值前，裂縫填充的效果要優于28 d后的效果。

養護7 d的水泥土在干濕循環10次后強度(1.17 MPa)已經超過了養護28 d后的水泥土強度(1.16 MPa)，兩種齡期的水泥土最終強度分別為1.23 MPa和1.22 MPa，幾乎相同，但前者耗時37 d(7+15×2),后者耗時48d(28+10×2)，說明在水泥土養護早期進行干濕循環有助于水泥土強度的提高，縮短養護齡期；養護7 d后的水泥土在干濕循環10次到15次之間的提升幅度(5.12%)與養護28 d后的水泥土在干濕循環0次到10次之間的強度變化幅度(5.17%)基本一致，證明上述細觀機理分析基本正確。

4 干濕循環過程中纖維質量損失率變化研究

為了進一步研究棉花秸稈纖維在干濕循環條件下的降解程度，在實驗開始前記錄所使用棉花秸稈纖維的質量作為纖維的初始質量，干濕循環結束后取出纖維，稱量質量，與初始質量進行對比，得到纖維在干濕循環過程中的質量損失率，匯總如圖3所示。

圖3 秸稈纖維質量損失率隨循環次數的變化曲線

在圖3中，隨著干濕循環次數的增加，兩種養護齡期的水泥土中纖維的質量損失率都出現不同程度提高，養護28 d后水泥土中纖維降解程度高于7 d后的降解程度。值得注意的是在干濕循環開始時，養護7 d和養護28 d的纖維質量損失率分別為2.2%和3.7%，說明在水泥土的環境下纖維一直在降解，但其降解幅度遠小于干濕循環對降解的影響，故可將其忽略。

棉花秸稈纖維主要由木質素內嵌的纖維素組成，纖維素耐水解、耐強堿、耐氧化劑，但接觸化學品和溶液處理時會在一定程度上發生降解[13]，負責吸收水分的纖維成分是組成細胞壁的半纖維素，半纖維素是親水性的，易被稀酸和稀堿水解，半纖維素含量越高，吸水性越強[14]。

在干濕循環的過程中，土體干縮濕脹導致在土體中出現了微裂隙，水體順著這些毛細通道與纖維接觸，進而被纖維中的半纖維素吸入纖維細胞中，在纖維中，水滲入并吸附到纖維的親水基團上，形成與纖維結合的分子間氫鍵，降低纖維-基體的界面附著力[15]，使得纖維與土體之間的摩擦力減弱；纖維的吸水之后發生膨脹，在界面區域出現應力，導致膨脹周圍的纖維出現微裂縫；纖維發生降解。

在干縮濕脹過程中微裂隙會隨著吸水和失水的過程不斷增大，而裂隙的增大增多又會導致干縮濕脹以及纖維吸水過量，纖維過量吸水時，游離水減少，結合水增加，纖維中水溶性物質開始浸出，最終導致纖維與基體解離，纖維與基體的解離會在解離區域出現微空隙，促進毛細吸水作用，進而加快纖維與基體解離以及纖維降解的進程，因此，在干濕循環的后期，纖維質量損失率明顯增大。

纖維自身與基體之間的解離以及水對纖維的浸潤作用導致的纖維與土體間的摩擦力變弱會導致加筋土中應力傳遞效率變差，進而使得加筋效果減弱。

圖4為養護28d干濕循環10次后，從纖維水泥土剝離出來的棉花秸稈纖維的表面電鏡圖，可以明顯看出秸稈表面遭受了嚴重的損傷。進一步佐證了干濕循環會造成纖維的降解。

圖4 棉花秸稈纖維表面掃描電鏡

在進行干濕循環的過程中，溫度和濕度變化會導致土體和水泥的收縮膨脹，產生微裂隙，水分沿著這些裂隙進入水泥土中與纖維接觸，使之發生水解，干濕循環過程中的溫度變化使纖維發生縮脹，水泥土的堿性環境對纖維產生腐蝕，這些因素共同作用使得纖維降解，力學強度降低，從而纖維水泥土強度下降。

從圖3中可知，纖維在水泥土環境中一直在緩慢降解，干濕循環加劇了這一過程。結合圖2，可以得出結論：干濕循環過程中纖維的降解是導致水泥土在干濕循環過程中強度降低的原因之一。

5 結論

(1)由圖3的兩條曲線可知，在養護早期進行一段時間的干濕循環可以加速水泥土強度的提高，盡早達到強度峰值

(2)在干濕循環的過程中，強度提高的很大一部分原因是水化產物填充裂隙的結果

(3)干濕循環雖然可以在一定程度上加速水泥土強度的提升，但干濕循環超過一定次數之后水泥土強度會開始下降，需進行預實驗找出最佳干濕循環次數。

(4)在干濕循環的過程中，纖維中的水溶性物質在水中浸出導致纖維的強度下降，體積收縮導致纖維和土體解離，降低了應力傳遞效率使得纖維水泥土強度降低。