干濕循環(huán)下棉花秸稈纖維加筋鹽漬土強度及其劣化研究

倪天翼,殷 勇

(鹽城工學院，江蘇 鹽城 224001)

1 引言

濱海鹽漬土是一種特殊土，其含鹽量高，因此易吸濕軟化，也具有溶陷、鹽脹、腐蝕等工程特性。土中的鹽分結(jié)晶時，一部分鹽顆粒填充于孔隙中，另一部分則充當土的骨架顆粒，土中的鹽分以晶體、溶液或兩者皆有的形式存在，使土成為一種帶電的體系，土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得鹽漬土變成了一種“四相”物質(zhì)體系[1,2]，導致鹽漬土存在強度降低、結(jié)構(gòu)完整性下降問題。因此，工程使用時應(yīng)對鹽漬土進行固化或加筋處理，使其滿足填筑土的力學性能要求[3]。K J Greer等[4]將黃土和粉煤灰作路堤填料，研究了土壤中鹽分運移、膠結(jié)砂土的特性。S J Boone等[5]研究了弱膠結(jié)土的孔隙比隨荷載和固化程度的變化規(guī)律，得到其固化程度的影響因素包括礦物成分、孔隙水成分、膠結(jié)速率、風化程度等；同時研究了鹽漬土的浸泡和淋濾對其結(jié)構(gòu)、壓縮性、崩塌、滲透性、承載力、沉降量的影響，結(jié)果表明鹽巖、石膏和鈣質(zhì)膠結(jié)物受到浸泡和淋濾導致崩塌變形，鹽的化合物形式?jīng)Q定了土的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，在潮濕狀態(tài)下更易導致崩塌變形。除了固化鹽漬土，纖維加筋也經(jīng)常被用作增強土的強度和抗變形能力。

天然植物纖維，因為其綠色環(huán)保，取材容易和成本低的優(yōu)點逐漸被應(yīng)用于工程中，但是天然植物纖維易降解，容易導致整個加筋土的強度發(fā)生劣化，所以限制了植物纖維加筋的發(fā)展。為了解決這一問題，許多專家學者選擇在植物纖維表面涂抹防腐劑來延緩其降解，如M Bederina和B Belhadj[6]采用將秸稈在水中煮沸和在秸稈表面涂抹柴油、瀝青、硅油等延緩其降解，指出用熱水處理的秸稈能很好地改善秸稈混凝土的抗折強度；在秸稈表面涂抹柴油有效地降低了秸稈混凝土的收縮性；涂抹清漆雖然改善了秸稈混凝土的大部分性能，但增加率低于其他處理；涂抹硅油能使秸稈混凝土具有較好的收縮和熱性能。魏麗[7]等采用SH膠作為纖維表面的防腐材料并對秸稈進行微觀掃描電鏡，發(fā)現(xiàn)液體狀的膠液能夠滲透到秸稈內(nèi)部的孔隙中，形成隔水薄膜，因此防腐后的秸稈的吸水率降低，達到了防腐的效果，而且還增強了秸稈的抗拉性能。

雖然防腐能夠解決天然植物纖維的降解問題，但防腐劑和化學處理法對生態(tài)環(huán)境造成的污染不容忽視，且在復雜工程環(huán)境下，天然植物纖維防腐處理失效的問題難以避免。再者，在降解劣化后加筋土工程性質(zhì)能較好滿足功能要求情況下，天然植物纖維防腐的必要性、適當性，未見有成果評價。為此，本文選用棉花秸稈纖維與水泥共同固化鹽漬土，研究在干濕循環(huán)條件下棉花秸稈纖維加筋鹽漬土抗壓強度劣化規(guī)律，并進行相關(guān)理論分析，為推進農(nóng)作物秸稈在加筋工程中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 試驗

2.1 試驗材料

試驗所用的鹽漬土取自鹽城東臺條子泥工程場地，物理力學性質(zhì)列于表1。風干、碾碎，過2mm篩后裝桶備用。

表1 土的物理力學性質(zhì)

水泥為江蘇省八菱海螺水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，等級為42.5，其物理性質(zhì)見表2。

表2 P.O.42.5普通硅酸鹽水泥物理性質(zhì)

棉花秸稈纖維取自鹽城郊區(qū)，將其制成纖維狀，平均直徑約0.15 mm，長度約為15 mm,如圖1所示。

圖1 棉花秸稈纖維

2.2 試樣制備

試驗制備前，按照水泥摻入量15%、水灰比0.5配置成目標含水率50%的土樣，計算好不同纖維加筋率對應(yīng)的質(zhì)量并提前稱好。先將土與水泥混合后加入棉花秸稈纖維，加水充分攪拌均勻后將漿體裝入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體三聯(lián)試模中，最后包裹上一層保鮮膜靜置24 h，脫模后在溫度20 ℃，95%的濕度條件下進行養(yǎng)護。

2.3 試驗方案

2.3.1 加筋效果試驗

李廣信等[8]在進行聚丙烯纖維加筋土的三軸試驗時，纖維加筋率選擇的范圍為0.1%～0.4%，其能達到最優(yōu)強度的纖維摻加量為0.2%。楊繼位[9]將0.1%、0.2%、0.25%、0.3%、0.35%、0.4%的麥秸稈纖維摻入到土中進行抗壓強度試驗，結(jié)果表明：0.25%的纖維摻入量能達到強度最大值。

參考以上這些纖維加筋土的研究成果，初定棉花秸稈纖維摻入量為0%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，在養(yǎng)護7d后進行無側(cè)限抗壓試驗。

2.3.2 干濕循環(huán)試驗

Greeshma[10]對分別放入清水和飽和石灰溶劑的稻秸稈進行干濕循環(huán)，發(fā)現(xiàn)在干濕循環(huán)下的抗拉強度分別下降了67%和91%，無側(cè)限抗壓強度分別下降了32%和44%。Tonoli[11]則對水泥漿環(huán)境中的劍麻纖維進行干濕循環(huán)，在養(yǎng)護28 d后分別進行50次和100次干濕循環(huán)，進行四點彎曲試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，強度逐漸劣化。

為了研究棉花秸稈纖維加筋土整體的強度劣化規(guī)律，試樣養(yǎng)護28 d后取出，放入20 ℃烘箱內(nèi)24 h，隨后置于養(yǎng)護箱(20 ℃，95%濕度)中24 h，這樣記作一次干濕循環(huán)。分別對試樣進行0、5、10、15、20次干濕循環(huán)后進行無側(cè)限抗壓試驗。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 棉花秸稈纖維加筋率研究

棉花秸稈纖維加筋鹽漬土的無側(cè)限抗壓強度和加筋率的關(guān)系曲線見圖2。由圖2可知，纖維加筋土的抗壓強度，整體高于未添加棉花秸稈纖維的素水泥土的強度，整體的抗壓強度隨著加筋率的增加呈拋物線的趨勢。在加筋率為0.4%時，抗壓強度達到最大值，而且在加筋率從0%到0.4%時，抗壓強度在不斷增加直至最大值。出現(xiàn)這種情況的原因是，棉花秸稈纖維本身有一定的抗拉強度和延展性，和土體接觸時相互之間會產(chǎn)生摩擦力，提高了土體的強度，加固土體。

圖2 抗壓強度隨加筋率變化曲線

當加筋率超過0.4%時，加筋土的抗壓強度開始下降，加筋率為0.5%、0.6%時，抗壓強度分別下降了1.9%和6.2%，原因是棉花秸稈含量過多時，纖維之間會相互重疊，土體之間的粘結(jié)力減低，此時的纖維也使土體之間的孔隙擴大，削弱了纖維加筋的效果，加筋鹽漬土的抗壓強度降低。

綜上可知，棉花秸稈纖維對于鹽漬土來說，是一種良好的加筋材料，最優(yōu)加筋率為0.4%，此時對應(yīng)的纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強度為0.664 MPa，相較于未加筋土強度提高了26.6%。

3.2 干濕循環(huán)條件下棉花秸稈纖維加筋土強度衰減分析

圖3為抗壓強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線圖。由圖可以看出抗壓強度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的變化趨勢為先增大后減小。在循環(huán)次數(shù)由0次到5次時，抗壓強度在增加，提升了5.9%，而后隨著干濕循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，抗壓強度則不斷衰減。進行到第15次干濕循環(huán)時，纖維加筋土的抗壓強度與0次干濕循環(huán)時基本相同。當進行干濕循環(huán)20次時，抗壓強度下降了2.3%。

圖3 抗壓強度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線

導致這種情況的原因，有很大一部分是因為在加固鹽漬土時，同時加入了水泥，特別是在干濕循環(huán)下，水泥土會干縮濕脹，產(chǎn)生的變形很大，當這種變形所產(chǎn)生的應(yīng)力超過了水泥土自身的強度承受范圍時，會發(fā)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生微裂縫，導致抗壓強度下降。當干濕循環(huán)次數(shù)不斷增加，變形就會越來越大，裂縫不斷擴張，最終導致自身結(jié)構(gòu)的破壞，抗壓強度降低。

特別需要注意的是，在前5次的干濕循環(huán)作用下，棉花秸稈纖維加筋鹽漬土的抗壓強度在上升，出現(xiàn)這種情況的原因可能是在干濕循環(huán)下，棉花秸稈可能會產(chǎn)出含有糖分的浸出液，這些糖分在水泥顆粒表面會對水泥有一定的束縛作用，減緩了水泥水化反應(yīng)的速度。而隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，水泥水化反應(yīng)的膠結(jié)應(yīng)力大于干縮濕脹產(chǎn)生的應(yīng)力時，抗壓強度表現(xiàn)出上升的趨勢。

4 結(jié)論

使用棉花秸稈纖維與水泥共同固化鹽漬土，通過無側(cè)限抗壓試驗結(jié)果表明：

(1)棉花秸稈纖維作為加筋材料能有效地提高鹽漬土的抗壓強度，棉花秸稈纖維的最優(yōu)加筋率為0.4%，對應(yīng)的纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強度為0.664 MPa，相較于未加筋土強度提高了26.6%。

(2)經(jīng)過20次干濕循環(huán)，最終纖維加筋土的抗壓強度下降了2.3%，總體隨干濕循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，20次干濕循環(huán)后纖維降解未導致纖維加筋土抗壓強度產(chǎn)生大幅度劣化。