含麥草纖維生土建材的拉壓力學性能試驗研究

2020-09-30 02:11:52吳昌勇

綠色環保建材 2020年10期

謝冰吳昌勇

1.洛陽理工學院土木工程學院；2.廣西保利置業集團有限公司

1 引言

生土材料是古老和且廣泛使用的建筑材料之一。據估計，世界三分之一的人口和發展中國家50%的人口仍然居住在以生土建材為主建造的房屋中。雖然隨著建筑材料的發展，耐久性與力學性能更加優越的建筑材料越來越廣泛地應用于各類建筑中，例如、混凝土、鋼筋以及各類新型合成保溫材料等，但此類現代建筑材料也逐漸暴露出耗能大、成本高等缺點。為了順應時代發展，提倡綠色、低碳、環保的建筑要求，實現從原材料獲取、使用、維護到循環利用能夠最大限度地降低對環境的影響與擾動，生土建材已成為替代傳統高能源需求建筑材料的一個選擇。

由于生土材料往往具有易變形、強度低等缺點，因此國內外眾多學者對生土材料的改性問題進行了諸多研究，例如，楊永等[1]采用粉煤灰、石灰、礦渣等作為生土材料改性添加劑對生土改性前后的微細觀結構進行了研究，分析了生土材料改性的內在作用機制。張坤[2]、王毅紅[3]等對礫石、河砂等摻料含量對生土塊材受壓性能影響進行了深入研究；類似的文獻還有文[4、5]。眾所周知，植物纖維對于生土的性能改善有一定的作用[6]，鑒于此，本文將以我國能夠廣泛取材的麥草纖維作為生土添加材料，采用室內試驗方法對含麥草纖維生土建材的抗壓與抗拉的基本力學性能進行研究。

2 試件制備

本次試驗所采用的試樣由地處我國西北的敦煌地區天然水、土、沙、麥草等原材料制備而成，其中水、土和沙的質量比為0.5:1:1，沙粒徑約為0.05mm～2mm，土粒徑約為0.005mm～0.05mm。麥草作為改性材料加入生土材料中，纖維長度控制在5cm～8cm，質量約占土、沙總質量的2%。試樣通過模具澆筑加工而成，放入40℃恒溫烘箱內，放置72小時后脫模，并繼續烘干。

由于含麥草纖維的生土建材不屬于傳統意義上的土介質與巖石介質，對其研究相對較少，尚沒有成熟的試驗方法。若按照土樣進行分析，在《土工試驗規程》（SL 237—1999）與《公路土工試驗規程》（JTG E40—2007）中明確規定建議采用圓柱試樣截面直徑為3.5mm～4.0mm；若按照巖樣進行分析，在《工程巖體試驗方法標準》（GB/T 50266—2013）與《公路工程巖石試驗規程》（JTG E41—2005）中明確規定試樣直徑應大于巖石礦物最大顆粒直徑的10 倍，建議取直徑為50mm。考慮到試樣中摻雜麥草纖維尺寸部分可達到5cm～8cm 長，因此若完全按照傳統的巖石或土工試驗標準進行試驗，勢必存在嚴重的尺寸效應，故試件采用了相對較大的尺寸。

根據試驗項目情況，分別制作了不同的試樣，其中，單軸抗壓強度試驗與單軸壓縮變形試驗試樣尺寸為Φ100mm×200mm；劈裂法抗拉強度試驗試樣尺寸為Φ100mm×100mm。典型的試樣見圖1。

圖1 典型試樣

3 試驗與結果分析

力學性能試驗將全部在由中國科學院武漢巖土力學研究所研制的巖石與混凝土力學實驗系統RMT-301 上完成。該系統的垂直液壓缸推力可選用1500kN、100kN 兩個級別，活塞行程50mm；有效測力范圍為10kN～1500kN，傳感器精度可達10N；水平液壓缸最大推力500kN，活塞行程50mm，傳感器精度為10N；所有位移及行程傳感器的測量精度均優于0.3%；分辨率高于0.01%F.S。變形速率可以控制在0.0001mm/s～1mm/s 或加載速率可以控制在0.01kN/s～90kN/s進行試驗。

圖2 試件的單軸抗壓強度試驗

3.1 單軸抗壓強度測試

選取無明顯缺陷，表面光滑平整的Φ100mm×200mm的圓柱體試件進行實驗。將試樣置于壓力機承壓板中心，調整有球形座的承壓板，使試樣均勻受載，以位移作為加載控制參量，按0.02mm/s的加載速度加荷，直到試樣破壞為止，由計算機自動記錄最大破壞載荷、彈性模量以及加載過程的應力應變全過程曲線。試件典型試驗過程見圖2，單軸壓縮的應力應變曲線見圖3。

圖3 典型單軸抗壓試驗曲線

經統計可得試件的單軸壓縮強度σc以及彈性模量E如表1。

表1 單軸抗壓試驗結果

3.2 巴西劈裂法抗拉強度測試

巴西劈裂試驗方法測定試樣抗拉強度時，試件加工為Φ100mm×100mm 的圓柱體，通過試件直徑的兩端，沿軸線方向劃兩條相互平行的加載基線；將兩根墊條沿加載基線固定在試件兩端；將試樣置于壓力機承壓板中心，調整有球形座的承壓板，使試樣均勻受載，并使墊條與試件在同一加荷軸線上；以0.01mm/s的加載速度加荷，直到試樣破壞為止，記錄下最大破壞載荷及加載過程的應力應變全過程曲線。

試樣的抗拉強度σt通過下式確定：