土基柠条强化材料的抗压性能试验研究

王 盛，郭玉明，窦金熙

(山西农业大学 工学院，山西 太谷 030801)

0 引言

我国北方温室大棚墙体一般采用土体结构，具有便于就地取材、造价低、耐酸抗碱及热惰性好等特点[1]。承载能力是建设大棚墙体主要考虑的因素之一，在土体中掺加纤维材料(如剑麻、麦秸、合成纤维等[2])，可以提高土墙的强度。目前，发展多种纤维材料加筋土正成为加筋土材料发展的一种新趋势[3]。柠条作为种植面积广阔的可再生天然木本植物，具有很强的强度、硬度和韧性，故可以作为绿色加筋材料使用[4]。

基于Henri Vidal[5-7]加筋土理论，国内外学者开始了对加筋土的研究。Park[8]将合成纤维应用于路基填料中，通过抗压强度试验确认纤维加筋对路堤土的抗压强度有明显的提高作用。石茜[9]、张瑞敏[10]等人研究了稻草加筋土和小麦秸秆加筋土的无侧限抗压强度，结果表明：稻草和小麦秸秆等具有一定拉伸性能的天然纤维材料，均可提高土体的抗压强度和整体力学性能，适宜作加筋材料使用。杨海梅[11]在对比了沙壤土水泥土和黏土水泥土的抗压强度后发现，沙壤土水泥土有着优于水泥混凝土的抗压特性。目前，国内外对把木本植物材料作为加筋材料，强化不同种类土体的成型工艺参数和原理的研究开展得还比较少。本文通过无侧限抗压强度力学性能试验，研究了柠条适宜的加筋长度和质量加筋率对不同种类土体抗压强度的影响及其变化规律，为今后土基柠条强化材料作为新型绿色环保建筑材料的研究和推广提供了参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料与设备

试验所用的黏土土样采集于山西省太谷县凤凰山，沙壤土土样取自山西农业大学试验田，所需土样均为一次性获取，排除了由于土的物理性质不同引起的试验结果的差异。试验样本制作时对所取土样先进行去除杂质、烘干、磨碎、过10目筛等预处理后备用，如表1、表2所示。试件采用的加筋柠条原材采集于山西省定襄柠条种植区，柠条茎秆的力学参数如表3所示[4]。

使用粉碎机(永康天祺盛世有限公司，TQ～1000Y,CHINA)将柠条粉碎，将粉碎后的柠条样本用筛子分成<0.16、0.16～0.63、0.63～1.25、1.25～2、2～4、4～4.75mm等6个等级。试验采用的试验仪器为微机控制电子万能材料试验机(新三思材料检测有限公司，CMT6104，CHINA)，如图1所示；在压缩模式下对样本进行压缩力学性能试验，选用直径10cm的平板圆柱型压头，压缩速率为0.5mm/min；烘干采用水泥试体养护箱(路达建筑仪器有限公司，YH～40H,CHINA)。

表1 黏土样的物理性质

表2 沙壤土样的物理性质

表3 柠条纤维的力学参数

图1 微机控制电子万能材料试验机

1.2 样本的制备及试验方法

试验以土基的种类、柠条加筋长度和加筋率(筋材质量与干土质量的比值)为试验因子，进行土基柠条加强材料的无侧限抗压强度测试。试验方案采用全析因试验设计。黏土柠条强化材料中的柠条以筛子所筛分的6个等级尺寸为加筋长度，以0.05%为梯度，即0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.25%、0.3%的加筋率配置试验样本，进行3次重复试验，制作样本111个。由于加筋率达到0.2%时沙壤土柠条加强材料已经很难成型，所以在制备沙壤土柠条强化材料时加筋率只取0.05%、0.1%、0.15%这3个水平。加筋长度水平的取值仍与黏土柠条强化材料一样，共进行3次重复试验，需制作57个样本。试验所需的土基柠条强化材料共168个试样。制样时，先将预处理后的土样与柠条充分搅拌[12]，根据土样的最佳含水率向配置好的土加入适量的水，使得黏土土样的含水率控制在15%，沙壤土土样控制在10%；继续搅拌，使其成粘状，确保柠条在土样中均匀分布。用内径30mm、长度50mm的自制模具制作试验样本，每个试样重复过模具成型，直至表面刚好无裂痕且以压实度92%定试样，干密度为1.40g/cm-3；然后，将制作好的试样用YH～40B型水泥试体养护箱进行烘干，烘干温度控制在72℃，直至最后两次称量质量差小于1g，以确保试件完全烘干。图2为柠条长度为0.63～1.25mm、质量加筋率为0.15%时的黏土柠条强化材料试样。

图2 黏土成型试样(柠条长度0.63～1.25mm，加筋率为0.15%)

2 试验结果

2.1 土基柠条加强材料无侧限抗压应力-应变关系

对土基柠条加强材料进行无侧限抗压力学试验，获得材料的应力-应变曲线，如图3、图4所示。

图3 柠条柠条加筋长度小于0.16mm试样应力-应变曲线

图4 柠条柠条加筋长度大于0.16mm试样应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of Caragana specimens with a particle size larger than 0.16mm

从图3、图4中可以看出材料完整的受力破坏过程和具体的失效形式。素土或柠条加筋长度不大于0.16mm时，应力-应变曲线为典型的脆性材料特性，即应力与应变不成正比关系，当到达强度极限时试件表面出现裂纹随之断裂。当柠条加筋长度大于0.16mm时，试样压缩应力-应变曲线呈现出塑性材料特征，在0.01～0.03范围为弹性阶段，随后进入屈服阶段，当应力达到强度极限试件发生破坏，如图5所示。

图5 试样压缩刚出现裂纹

其破坏面的方向与轴向约成35°。黏土加入柠条改变了材料性质，提高了土样的强度和极限应变，大大增强了材料塑性性质。

2.2 土基柠条加强材料压缩试验结果

万能材料试验机所采集到应力-应变值与强度极限、屈服极限、对应弹性模量E为

(1)

还可求出伸长率，计算式为

(2)

对压缩试验测得的3组重复数据用Excel取算数平均值，进行整理，得到黏土柠条强化材料和沙壤土柠条强化材料的极限抗压强度、屈服强度、压缩模量及延伸率，如表4所示。

表4 土基柠条强化材料的主要的压力力学性质指标

续表4

3 试验数据处理与讨论

3.1 两种土基柠条强化材料抗压性质比较

用Excel软件对无侧限抗压强度实验结果进行处理，计算出样本均值与样本标准差，并用Origin软件绘制沙壤土和黏土经柠条强化材料分别对应的无侧限抗压强度随着柠条加筋长度及柠条加筋率变化的带有标准差误差棒的关系图，如图6所示。

图6 不同类型土样的试件对应的无侧限抗压强度的比较

由图6可以看出：相同的加筋率下，沙壤土柠条强化材料和黏土柠条强化材料的无侧限抗压强度随着柠条加筋长度的变化趋势是一致的，都是随着柠条加筋长度的增加而升高；且当柠条加筋长度比较小时，无侧限抗压强度变化比较小；加筋长度超过0.63mm时，无侧限抗压强度快速变大；随着柠条加筋长度的继续增大，略有降低的趋势，但沙壤土柠条强化材料无侧限抗压强度只有黏土柠条强化材料的1/2左右。

3.2 试验因子组合的最佳处理

工程中，塑性性质好的材料以屈服强度极限评价强度[13]，而呈现脆性性质的材料以极限应力来评价。因此，土基柠条强化土的柠条长度大于0.16mm时以屈服强度来比较，素土和柠条长度不大于0.16mm时以极限应力来比较。

素土制作的试样是柠条加筋长度水平为0mm、加筋率为0%的特殊情况，把表4的试验结果通过SAS软件进行多响应完全随机设计的试验分析。 表5所示的均值多重比较列出了各个响应力学指标效应均值从大到小前3位的处理。由表5可知：抗压强度、弹性模量、伸长率均最佳的处理为T36，即黏土，柠条加筋长度为4～4.75mm、柠条加筋率为0.25%的组合。

表5 试验处理的均值多重比较

3.3 土基柠条强化材料极限强度最大的回归模型确定

以土基种类、柠条加筋长度的最大粒径和加筋率为变量，用SAS软件做回归分析，得到回归方程为

Y=1.8016+0.7818X1+4.7113X2+0.3821X3+

1.3988X1X2+0.0227X1X3-0.0273X2X3-

其中，Y为试件的破坏应力；X1为土基的种类，黏土取值为1，沙壤土为-1；X2为柠条加筋率(%)；X3为柠条所在长度等级的最大粒径(mm)。

回归模型的P值小于0.01，决定系数达0.943 0，大于线性回归的决定系数0.935 7，模型极其显著且拟合精度较高。一次项系数的P值小于0.001，决定系数达0.939 2，二次项和交叉项不显著，可见变量间主要是线性关系。分析所得的残差分析(见图7)满足-2<残差<2的要求，认为方差齐性假设成立。所以，以上的数据可以进行回归分析。

图7 横轴为自变量的标准化残差图

3.4 土基柠条强化材料抗压强度随柠条加筋长度及加筋率水平的变化

由以上的回归模型可知：变量X2和X3的系数都是正数，所以土基柠条强化材料的抗压强度随着柠条加筋长度和柠条加筋率的增加都呈现增加趋势。但是，针对不同的土基种类，需要特殊考虑极值点。

不同加筋率的黏土柠条强化材料带有标准差误差棒的抗压强度试验结果如图8所示。

图8 加筋黏土的无侧限抗压强度随加筋率变化的误差图

不同加筋长度的黏土柠条强化材料的破坏应力的变化趋势大致相同，其抗压强度先增加后逐渐降低，有明显的峰值点。同一加筋长度下，随着加筋率的提高；抗压强度提高；但是当加筋率大于0.25%时，不同加筋长度的试样抗压强度普遍下降。这是因为加入的柠条筋材到达一定量时，增大了土的孔隙度，过大的孔隙度将抵消加筋对强度的增强效果；同时，过多的加筋材料容易在土基中重叠，减弱了土颗粒间的联结，使其抗压强度降低[14]。对于同一质量加筋率，在柠条加筋长度为0～5mm时，柠条的加筋长度越大，抗压强度越大。这是由于土基颗粒与加筋材料的良好粘结力，提高了柠条和土基复合材料的强度[12，14]。

综上所述，影响土基柠条强化材料力学性能的主要因子是土基的种类和柠条加筋长度；且随着柠条含量的增加，材料的弹性模量和伸长率都增加，材料所体现的塑性特征也越明显。

4 结论

1) 分析了试件压缩时的应力-应变关系及各因子的影响效应，抗压力学性能试验分析结果表明：沙壤土柠条强化加筋材料和黏土柠条强化加筋材料所呈现的变化趋势一致，但抗压强度前者却不到后者的1/2。

2)通过比较，确定了最佳的配比参数为黏土，加筋长度为4～4.75mm，柠条加筋率为0.25%。

3)建立回归模型分析了响应变量随试验因子水平的变化趋势。对于黏土柠条强化材料，在同一质量加筋率条件下，当在柠条加筋长度为0～4.75mm时，柠条的加筋长度越大，材料所表现的塑性特征越明显；在加筋率为0.25%时，同一加筋长度下的黏土柠条强化材料土达到最大抗压强度。