掺入玻璃和竹纤维的生土基材料性能试验研究*

王毅红，丁思远，杨世豪，张　坤，宋　萍

(长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061)



掺入玻璃和竹纤维的生土基材料性能试验研究*

王毅红，丁思远，杨世豪，张坤，宋萍

(长安大学 建筑工程学院，陕西 西安 710061)

传统生土基材料在抗压强度、变形能力等方面与现代建材相比存在较大差距，为了改善传统生土基材料的基本力学性能，在生土基材料中掺入改性材料：糯米浆、玻璃渣、竹纤维，形成改性生土基材料。设计1组素土试件和4组不同配比的改性生土试件，由土工试验方法制作得到直径102 mm×高116 mm的圆柱体改性生土基试件共5组，24个。通过对试件进行轴心抗压试验研究，得到不同掺料以及不同掺量试件的抗压强度、破坏荷载、断裂能和位移值。分析不同掺料以及不同掺量对生土试块抗压强度、变形能力、断裂能的影响规律。结果表明，糯米浆能大幅度提高生土块材的抗压强度，但对试件的变形能力没有提高；玻璃渣对生土块材抗压强度有一定提高，竹纤维对生土块材变形能力有较大提高，试件破坏时整体性较好，大大改善试件脆性性能。

改性生土材料；抗压强度；变形性能；废玻璃；竹纤维；断裂能；复掺；

0　引　言

生土材料具有低碳、环保、可持续发展等优势，以其廉价的制作成本、取材方便、良好的保温、隔热性能，在中国广大农村，尤其是西部贫困地区都有着广泛应用。但其在抗压强度、变形性能、耐久性、耐水性等方面存在较严重的缺陷，在历次地震中都会给当地居民造成较大的人员伤亡和经济损失。因此如何提高生土材料的抗压、抗剪强度，改善生土建筑房屋抗震性能一直是国内外的研究热点。长安大学王毅红、卜永红等采用传统工艺制作生土坯试块，并对其进行抗剪、抗折以及三向抗压试验[1-3]，得到了土坯抗压、抗剪强度的试验数据以及不同砌法的土坯砌体轴心受压破坏的全过程，为村镇生土建筑抗震规程修订提供依据；长安大学王毅红、马蓬渤等通过标准轻型土工击实试验得到了不同掺料改性生土材料的最优含水量与掺量之间的关系[4]，为确定生土基材料标准试验方法和实际工程应用提供依据；阿肯江·托呼提[5-7]在素土中掺和细砂和植物纤维，形成改性生土基材料并进行抗压试验，试验结果表明，在素土中掺和细砂、纤维可大大提高抗压强度以及极限位移；新疆大学阿肯江，曹耿[8]等依据当地土坯建筑常用尺寸，进行了土坯砌体抗压强度试验，提出了抗压强度标准值的简化计算公式；中铁第一勘察设计院陈海军[9]依据兰州市地质条件，根据湿陷性黄土特点，总结了当地湿陷性黄土地基处理的方法；西安科技大学邸芃[10]在生土基材料中加入草类纤维制成草砖，并研究其建筑保温、改性抗压强度等性能。文中将不同配比的糯米浆、废玻璃渣、竹纤维[11-12]作为改性掺料加入生土中，形成改性生土基材料[13]。通过轴心抗压试验研究其抗压强度、变形能力、断裂能等指标，并与素土试块进行对比，探讨各种掺料的合理配比。为掺入糯米浆、竹纤维、废旧玻璃渣的绿色生土基改性材料基本力学研究和工程应用提供参考。

1　试验概述

1.1试件材料

试验用黏性黄土取自西安市未央区，过5 mm标准筛，拌合水为普通的自来水，糯米浆采用东北糯米制备，称取500 g糯米将其淘洗后，放入5 kg清水中浸泡，加热煮沸并搅拌1 h使糯米中的淀粉糊化，冷却至室温后取上层清液，配置成浓度为3%的糯米浆，将废弃玻璃碾压捣碎成粒径为3～5 mm颗粒状玻璃渣(图1)，将竹纤维手工撕成长约20 mm，宽约8 mm短条状(图2)。

图1　玻璃渣Fig.1　Glass Slag

图2　竹纤维Fig.2　Bamboo Fiber

1.2试件设计及制作

设计了5种配比的试件，共24个(见表1)。试件制作参照土工试验方法[14]，将击实筒平放在坚实的地面，安装好护筒，在击实筒内涂一层润滑油，将拌和好的土料分3层装入击实筒内，锤自由垂直落下，并均匀分布于土样表面，每层25击，击实功约为592.2 kJ/m3.每层击好后，加下一层土样时将接触面做“拉毛”处理击实完成后，超出击实筒顶的试样高度应小于5 mm.取下导筒，用直刮刀修平超出击实筒顶部和底部的试样，拆除底板，将击实筒外壁擦干。完成后用脱模器将试样从击实筒中推出。将制作好的试件置于室温为20 ℃左右的实验室内养护34 d.

表1改性生土基材料配比表

Tab.1Matching of modified raw soil materials

(%)

1.3试验装置及加载

试验在长安大学建筑工程实验室完成，采用了标准击实仪、微机控制全自动压力试验机、YA-300以及GTC350全数字电液伺服控制器。试件在Y-A300型微机控制全自动压力试验机进行加载。表面不平整的试件需打磨，由水平尺检查平整度。正式加载前用1 kN荷载预压3次，确保压力试验机正常运行并与试件紧密接触后开始试验，采用连续加载方式，加载速率为0.1 mm/s，当试件承载力降低为峰值荷载的85%时，视为试件破坏。

2　试验过程及现象

2.1素土试块试验过程及现象

素土试件共4个，破坏过程及破坏形态相似，以A1-1试件为例描述其试验现象和破坏过程。当荷载为破坏荷载的60%时，试件表面出现第一条较为细短的裂缝，随着荷载的增加，裂缝逐渐沿平行于压力方向扩展，随后试件表面材料开始剥落(图3(a))，继续加载，试件出现对角方向的贯通裂缝崩溃(图3(b))。

图3　A1-1试件开裂-破坏Fig.3　Cracking and failure of A1-1(a)试件开裂　(b)试件破坏

2.2掺糯米浆改性生土试块试验过程及现象

掺糯米浆试件共5个，破坏过程及破坏形态相似，以B1-1试件为例描述其试验现象和破坏过程。当荷载加至破坏荷载的82%时，试件中部表面出现第一条与压力方向平行的细小裂缝。随着荷载增加，裂缝上下延伸，同时出现多条较短的横向裂缝和斜裂缝。裂缝主要集中在试件的中部(图4(a))，接近峰值荷载时裂缝贯通，试件表面材料开始出现剥落，随着荷载的增加，试件中部剥落加剧，临近上下加载板部分，由于受到加载板约束，剥落较少，破坏时残体呈细腰状态(图4(b))。

图4　B1-1试件开裂-破坏Fig.4　Cracking and failure of B1-1(a)试件开裂　(b)试件破坏

2.3掺玻璃渣和竹纤维试块试验过程及现象

掺玻璃和竹纤维的试件分3组，掺量的变化影响试件的受压承载力和变形能力，对受压承载力的影响较小，对变形能力的影响较明显。3组试件的破坏过程和破坏形态相似，以C3-1试件为例描述C组试件的破坏过程及破坏形态。当荷载加至破坏荷载的70%时，试件发出细微响声，试件表面出现与加载方向平行的竖向裂缝，与素土试件类似，裂缝首先出现在试块两端。随着荷载的不断增加，裂缝逐渐向中间延伸，形成多条较深较长的平行裂缝(图5(a))，此过程中，有竹子断裂的声音。当荷载继续增加达到峰值时，试件自上而下形成贯通裂缝，继续加荷，荷载降低至峰值荷载的85%时，试件未发生崩溃现象，也未出现明显的片状脱落，试件基本保持完整(图5(b))。

图5　C3-1试件开裂-破坏Fig.5　Cracking and failure of C3-1(a)试件开裂　(b)试件破坏

3　试验结果与分析

3.1破坏形态分析

素土试件最终破坏时表面大面积的剥落，出现对角贯通裂缝，破坏脆性特征明显；掺糯米浆试件破坏后呈细腰状，由于糯米浆作为粘合剂很好地把土颗粒黏在一起，试块的整体性较好，上下加载板对接触面的约束作用明显，破坏的脆性特征较素土试件有所改善。掺玻璃和竹纤维的试件破坏后与素土试件相比整体性较好，裂缝间的竹纤维抑制了裂缝的开展，碎玻璃在试件内部近似混凝土中粗骨料的作用，竹纤维及碎玻璃骨料与素土能够共同抵抗外力，直到荷载下降至峰值荷载的85%，试件仍基本保持完整，横向变形明显，竖向裂缝贯通。

目前，该平台已着手组织各方力量，进行磷矿资源高效开发及可持续利用、磷资源高效利用农业服务、环境磷资源回收利用等方面的调研，并积极推动首批科技小院的设立。作为国家肥料产业绿色发展科技创新联盟的支撑单位，该平台将为实现长江经济带及农业绿色发展愿景持续贡献力量。

3.2试件强度和变形能力分析

根据材料力学中材料的轴心抗压强度计算公式计算试件的抗压强度

σ=F/A.

(1)

式中σ为生土块材的轴心抗压强度，MPa；F为轴心压力，kN；A为试件的截面面积，mm2.

所有试件的抗压强度、峰值位移值等试验数据见表2，所有试件的抗压强度均值、峰值位移均值、断裂能见表3.

表2　各组试件抗压强度、峰值位移值

表3　各组试件抗压强度、峰值位移均值

3.2.1试件抗压强度分析

A，B组试件荷载—位移曲线分别如图6，7所示，2组试件的荷载-位移曲线的形状与变化趋势相近。B组试件的抗压强度、极限承载力较A组试件增大，试件的平均抗压强度为3.28 MPa，与素土试块相比，提高了43%.说明糯米浆很好地粘合了土颗粒，在试件内部形成胶凝材料，提高了试件密实性和抗压强度。

图6　A组(素土)试件荷载-位移曲线Fig.6　Load-displacement curve of A group

图7　B组(13%糯米浆)试件荷载-位移曲线Fig.7　Load-displacement curve of B group

图8　C1组试件荷载-位移曲线Fig.8　Load-displacement curve of C1 group

图9　C2组试件荷载-位移曲线Fig.9　Load-displacement curve of C2 group

图10　C3组试件荷载-位移曲线Fig.10　Load-displacement curve of C3 group

3.2.2试件的变形性能分析

掺糯米浆试件峰值位移与素土试块相比没有发生明显变化。掺玻璃渣和竹纤维试块变形能力与素土试块相比有明显增大，C2组峰值位移为2.88 mm与素土试件相比提高了4%，荷载降低至85%峰值荷载时的位移为2.64 mm，与素土试件相比提高了24%，C3组峰值位移为4.22 mm与素土试件相比提高了50%，荷载降低至85%峰值荷载时的位移为2.51 mm，与素土试件相比提高了18%.由于竹纤维在试块内部起到拉结作用，有效地限制了试件的横向变形，碎玻璃骨料与竹纤维一起形成了空间受力骨架，有效地约束了试件的变形，试件的延性性能提高。C1组试件的试验数据离散性较大。有待进一步加大试块数量，分析其影响规律。

3.3掺和料对断裂能的影响

断裂能是反映材料相互作用时韧性的重要指标，用来表示材料在破坏过程中消耗的总能量。根据断裂能定义可将试块破坏机理解释为：随着荷载增加，压应力达到最大，试块中压应力较大处竹纤维发生破坏，加速构件破坏[15-16]。此时定义为压应力-应变曲线所围成的面积为试块的断裂能Gf(本试验从试验开始到达到峰值荷载的荷载-位移曲线近似为三角形)，断裂能的计算公式为

(2)

各组试块抗压强度均值、峰值位移、断裂能见表3.由表3可知随着玻璃渣和竹纤维掺量的增加，断裂能增大。C1组的断裂能为3.71N/m是A组的1.15倍，C2组的断裂能为3.89N/m是A组的1.21倍，C3组的断裂能为5.42N/m是A组的1.68倍。说明添加掺和料试块消耗的断裂能大于未添加掺和料的试块。

4　结　论

1)用糯米浆、玻璃渣、竹纤维作为生土的改性掺料，明显地提高了生土材料的抗压强度、变形能力。所用改性材料玻璃渣为建筑垃圾，竹纤维为绿色植物，符合绿色环保，可持续发展的的理念；

2)素土试件、糯米浆试件和掺入碎玻璃、竹纤维的试件破坏形态各异。素土试件为突然的脆性破坏。糯米浆试件类似素混凝土试件形成细腰状破坏残体。掺入碎玻璃渣和竹纤维试件则表现出较好的整体性，由于纤维的拉结，残体横向变形较大，竖向裂缝明显，上下加载板的约束作用相对减弱，表现出一定的塑性性能；

3)糯米浆掺料可明显提高素土试件的抗压强度，本次试验平均提高幅度为43%，当复掺碎玻璃和竹纤维时，提高幅度略有降低，但也达到12%～18%，说明糯米浆掺料对强度有提高作用；

4)将素土试件与糯米浆试件对比，峰值荷载时两者位移相近，两者的变形能力相当。说明糯米浆掺料对试件的变形能力基本没有影响；

5)在生土中掺入碎玻璃和竹纤维，其强度介于素土和糯米浆之间，但可以较大幅度地提高试件的变形能力。试验数据表明，随掺量的增加，峰值荷载和极限荷载对应的位移明显增加。说明碎玻璃和竹纤维作为生土基材料的掺料，可有效改善生土的脆性性能；

6)掺糯米浆试件断裂能与素土试件相比提高了21%；掺玻璃渣和竹纤维试件C1组试块断裂能与素土试件相比提高了15%，C2组试块断裂能与素土试块相比提高了20%，C3组试块断裂能与素土试块相比提高了68%.单掺和复掺改性材料的试件的断裂能均有提高；

7)生土基材料C1组试验数据的离散性较大，可通过进一步增大试件数量来归纳其力学性能相关规律。

References

[1]王毅红，卜永红，杜建军，等.生土坯及生土坯砌体受力性能的试验研究[C]//砌体结构与墙体材料基本理论和工程应用学术会议论文集，2005：33-37.

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

[2]王毅红，苏东君，刘挺，等.生土墙承重的村镇建筑抗震性能分析[C]//防震减灾工程学术研讨会论文集，2004：218-221.

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

[3]王毅红，王春英，李先顺，等.生土结构的土料受压及受剪性能试验研究[J].西安科技大学学报，2006，26(4)：469-473.

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

[4]王毅红，马蓬渤，张坤，等.改性生土材料最优含水量的试验测定[J].西安科技大学学报，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，赵成，秦拥军.改性土体材料的抗压强度试验研究[J].河海大学学报，2010，5(3)：263-268.

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

[6]陈嘉.改性土体材料及土坯砌体的受压力学性能研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2009.

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

[7]赵成.改性土坯砌体抗压强度试验研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2010.

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

[8]阿肯江·托呼提，曹耿.土坯砌体抗压强度试验研究[J].河海大学学报，2011，39(3)：290-295.

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

[9]陈海军.兰州新区湿陷性黄土地基处理[J].西安科技大学学报，2014，34(2)：204-209.

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

[10]邸芃，吕秀焱，罗静.生态草砖建筑节能技术研究[J].西安科技大学学报，2008，28(4)：643-646.

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

[11]张楠，柏文峰.原竹建筑节点构造分析及改进[J].科学技术与工程，2008，18(8)：5 318-5 326.

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

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

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

[13]王毅红，苏东君，刘伯权，等.生土结构房屋的承重夯土墙体抗震性能试验研究[J].西安建筑科技大学学报，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]许魏，陈莉，张钱城.粘结界面力学行为及其表征[J].中国科学，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责任编辑：李克永

国家自然科学基金(51478043)

王毅红(1955-)，女，山东烟台人，教授，博士生导师，E-mail：wangyh@chd.edu.cn

TU 361

A