棉秆纤维轻量土配合比设计研究

杨 涛，张爱军，米文静，任文渊，申若竹，郭敏霞，陈 涛，刘宏泰

(1 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；2 北京首创股份有限公司，北京 100044； 3 机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710000 )

城市缺水、城市内涝及热岛效应等城市环境灾害[1-4]使海绵城市应运而生，利用轻量土换填处理路基[5-7]是海绵城市建设中的重要技术措施。该措施要求轻量土具有较强的透水性和保水性，同时还应该保证足够的强度。一般情况下，强度与渗透性两者关系矛盾，孔隙率越大，渗透性越好，而强度越低，如何解决轻量土渗透性与强度之间的矛盾是轻量土开发的关键。

针对轻量土的强度特性与渗透特性，国内外学者做了大量研究，也取得了一定成果。Kim等[8]将废弃渔网作为轻量土添加材料，并通过无侧限抗压和单轴压缩试验，研究废弃渔网对轻量土强度的影响，得到强度随水泥含量的增加及气泡含量和含水量的减少而增加，强度与废弃渔网不是正比关系。Li等[9]通过添加聚丙烯纤维来改善轻质土力学性能，从微观层面对其力学机理进行分析，认为EPS和水泥含量是影响强度的主要因素：随着EPS含量的增加，强度急剧下降，并随着水泥含量的增加而急剧增加，且添加的纤维可提高轻质土峰值强度。董金梅等[10]以淤泥质粉质黏土作为聚苯乙烯轻质混合土的原料土，并通过室内试验研究其轻质、高强特性，分析了不同材料配合比与抗压强度的关系，得到强度预测公式及应力-应变呈双曲线关系。付小建等[11]认为，EPS含量是影响混合轻质土密度的主要因素，EPS含量和水泥含量是影响抗压强度的主要因素，并通过正交试验优化配合比，得到了混合轻质土密度小、强度大的最佳配比。刘汉龙等[12]对聚苯乙烯轻质混合土进行渗透特性研究，认为影响其渗透性能的因素主要为龄期、水泥含量和EPS含量；同时，用不同围压影响下的渗透系数变化来模拟真实受力状态下渗透系数的变化，得到渗透系数与固结压力近似为乘幂函数关系。杜鑫[13]通过室内三轴常水头渗透试验，研究了黄土EPS颗粒混合轻质土的饱和渗透特性，认为饱和渗透系数随着水泥含量减小而增大，随EPS颗粒含量增大而增大，且含水量对饱和渗透系数的影响很小。以上研究主要针对换填路基等轻量土开展，对适合海绵城市建设的轻量土研究尚少。

本研究针对海绵城市建设的需要，利用丰富的棉秆资源及棉秆纤维独特的机械性能与天然的亲水特性[14]，开发研究适合海绵城市建设的新型轻量土配比，通过正交试验研究了棉秆纤维轻量土在不同配比下的强度与渗透特性，进而对其配比进行优化，以期为棉秆纤维轻量土在海绵城市建设中的应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验原料土为取自陕西省咸阳市周陵镇西石羊庙村附近自重湿陷性原状黄土，土样烘干后过0.5 mm筛备用，其基本物理性质见表1。对购买的EPS颗粒过3 mm筛，得到试验所用粒径的EPS颗粒，堆积体密度为0.008 7 g/cm3，纯颗粒密度为0.013 7 g/cm3；水泥为C32.5复合硅酸盐水泥；棉秆为陕西当地棉秆，经“浸泡-破碎-取皮-打纤-洗涤-烘干”后获得棉秆纤维[15-16]，如图1所示。砂为标准建筑用砂，水为普通自来水。

表1 试验所用黄土基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of loess for experiment

图1 棉秆纤维的制备Fig.1 Preparation of cotton stalk fiber

1.2 试样制备

制备无侧限试样时，按照预先设计的各原料的配比，以干土的质量作为计算标准[17]，分别计算水泥、砂、棉秆纤维及EPS颗粒的掺入质量；将按照配比称量好的干土、水泥、砂充分混合搅拌5 min，直到均匀；加入棉秆纤维，搅拌5 min，直到均匀；再加水，将水泥土搅拌5 min，直到形成均匀水泥浆体；最后加入EPS颗粒，强制式搅拌10 min，制得均匀的混合土。将制得的混合土分4层装入直径为3.91 cm，高8 cm的三瓣模内，再将制备好的试样连同模具一起放入标准养护箱内养护，养护温度为(20±2) ℃，湿度>90%，养护24 h后脱模，再养护至设计龄期。制备渗透试样时，混合土制备方法与无侧限试样相同，之后将制得的混合土分2层装入直径6.18 cm，高4 cm的环刀内，制备好的试样连同模具一起放入标准养护箱内养护至设计龄期。

本试验采用静压法制样[18]，试样初始含水率均为40%。每个试样完成后，再将混合料搅拌1次后再做下一个试样，以保证混合料的均匀性，避免EPS颗粒上浮。

1.3 试验方法

本试验采用正交试验设计[19-20]，选择棉秆纤维含量、EPS颗粒含量、水泥含量、砂含量4个因素作为棉秆纤维轻量土的影响因素，每个因素设5个水平，每个水平的值均用掺入材料与原料干土的质量比表示，正交试验的因素和水平见表2。采用SPSS 20.0统计软件进行L25(54)正交试验设计(表3)，用Microsoft Office Excel 2016和Origin8.5进行数据整理和图表分析。

根据正交试验设计，制备50个试样，采用应变控制式无侧限压缩仪进行无侧限抗压强度试验，测定轻量土的无侧限抗压强度。制备50个试样，采用TST-55渗透仪进行常水头试验；试验前，将轻量土试样抽真空，静置10 h以上，使轻量土试样达到饱和状态后测定轻量土的渗透系数，即单位水力坡降下的渗透流速，相关试验操作参照《土工实验方法标准》[18]进行。

表2 棉秆纤维轻量土L25(54)正交试验的因素和水平Table 2 Factors and levels of L25(54)orthogonal test of lightweight soil with cotton stalk fibers

表3 棉秆纤维轻量土L25(54)正交试验方案Table 3 L25(54) orthogonal test protocol of lightweight soil with cotton stalk fibers

注：A.棉秆纤维含量；B.水泥含量；C.砂含量；D.EPS颗粒含量。表5同。

Note：A.Cotton stalk fiber content;B.Cement content;C.Sand content;D.EPS content.The same table 5.

2 结果与分析

2.1 原状黄土地基极限承载力计算

通过无侧限抗压强度试验，测得原状黄土无侧限抗压强度为qu=88.19 kPa；由太沙基理论可得，地基极限承载力为92.93 kPa。

2.2 棉秆纤维轻量土L25(54)正交试验结果

2.2.1 正交试验结果 棉秆纤维轻量土L25(54) 正交试验设计及试验结果见表4。根据表4并结合表3可以看出：20#试样的无侧限抗压强度最高，为191.68 kPa，各因素组合为棉秆纤维含量7 g/kg，水泥含量40 g/kg，砂含量105 g/kg，EPS颗粒含量10 g/kg；密度最大的试样为23#，各因素组合为棉秆纤维含量8 g/kg，水泥含量30 g/kg，砂含量120 g/kg，EPS颗粒含量10 g/kg；6#试样的渗透系数最大，为2.13×10-4cm/s，各因素组合为棉秆纤维含量5 g/kg，水泥含量20 g/kg，砂含量120 g/kg，EPS颗粒含量14 g/kg。

表4 棉秆纤维轻量土L25(54)正交试验结果Table 4 L25(54) orthogonal test of lightweight soil with cotton stalk fibers

2.2.2 正交试验结果的极差分析 极差越大说明该因素对试验结果的影响越大，极差最大的因素即最主要因素，极差较小的因素为次要因素[21]。正交试验结果的极差分析见表5。由表5可以看出，影响棉秆纤维轻量土抗压强度的主要因素是水泥含量，次要因素是EPS颗粒含量，棉秆纤维和砂含量对抗压强度影响不大，各因素对棉秆纤维轻量土抗压强度的影响主次顺序表现为水泥含量>EPS颗粒含量>砂含量>棉秆纤维含量；水泥含量是影响棉秆纤维轻量土渗透系数的主要因素，各因素对棉秆纤维轻量土渗透系数的影响主次顺序表现为水泥含量>砂含量>EPS颗粒含量>棉秆纤维含量；影响棉秆纤维轻量土密度的主要因素是EPS颗粒含量，次要因素是砂含量，各因素对棉秆纤维轻量土密度的影响主次顺序表现为EPS颗粒含量>砂含量>水泥含量>棉秆纤维含量。

表5 棉秆纤维轻量土L25(54)正交试验结果的极差分析Table 5 Range analysis of L25(54) orthogonal test of lightweight soil with cottonstalk fibers

注：Ki代表抗压强度、渗透系数和密度的因素含量水平(i=1，2，3，4，5)。

Note:Kirepresent the factors of compressive strength,permeability coefficient,and density respectively(i=1,2,3,4,5).

为更加直观地反映各因素与抗压强度和密度之间的关系，以各影响因素的含量水平Ki为横坐标，抗压强度和密度的均值为纵坐标绘制关系曲线，结果见图2。

图2 各因素含量水平与抗压强度和密度的关系Fig.2 Relationships between level of factor and compressive strength and density

由图2可知，水泥含量越大，EPS颗粒含量越小，棉秆纤维轻量土抗压强度越高；EPS颗粒含量越大，砂含量越小，棉秆纤维轻量土的密度越小，且EPS颗粒含量是影响轻量土密度的决定性因素。

2.2.3 正交试验结果的方差分析 极差分析虽简洁明了，但难以估计试验误差大小，无法确定试验结果的变化是由因素水平变化引起还是由误差引起，故进行了方差分析，其结果见表6。

表6 棉秆纤维轻量土L25(54)正交试验结果的方差分析Table 6 Variance analysis of L25(54) orthogonal test of lightweight soil with cotton fibers

由表6可知：4个影响因素中，水泥含量和EPS颗粒含量对棉秆纤维轻量土抗压强度有极显著影响(P<0.01)，棉秆纤维含量和砂含量对其影响较小，因素主次顺序为水泥含量>EPS颗粒含量>砂含量>棉秆纤维含量。水泥含量对棉秆纤维轻量土渗透系数影响最大，4个因素的主次顺序为水泥含量>EPS颗粒含量>砂含量>棉秆纤维含量，与极差分析结果不完全相同，可能是由于试验误差所致。EPS颗粒含量和砂含量对棉秆纤维轻量土密度有极显著影响，因素主次顺序为EPS颗粒含量>砂含量>水泥含量>棉秆纤维含量。通过方差分析可以进一步验证极差分析的可靠性。

2.3 棉秆纤维轻量土抗压强度与水泥和EPS颗粒含量的关系

由极差和方差分析可知，影响棉秆纤维轻量土抗压强度的主要因素是水泥含量和EPS颗粒含量，与相关的研究结论[22-24]基本一致，因此重点分析水泥、EPS颗粒含量对轻量土抗压强度的影响，结果如图3所示。由图3可以看出：同一EPS颗粒含量下，轻量土抗压强度随水泥含量增大而增大，二者近似于正相关关系，不同EPS颗粒含量只影响正相关的斜率和截距，则抗压强度与水泥含量关系式可表示为：

qu=aC+b。

(1)

式中：qu为轻量土无侧限抗压强度，kPa；C为水泥含量，即水泥质量所占干土质量的质量比；a、b为试验系数。

同一水泥含量下，轻量土抗压强度随着EPS颗粒含量的增大而减小，二者近似于负相关关系，不同水泥含量只影响负相关的斜率和截距，则抗压强度与EPS颗粒含量的关系式可表示为：

qu=a-bE。

(2)

式中：E为EPS颗粒含量，即EPS颗粒质量所占干土质量的质量比。

图3 水泥和EPS颗粒含量与棉秆纤维轻量土抗压强度的关系Fig.3 Relationships among cement,EPS content and compressive strength

2.4 棉秆纤维轻量土密度与EPS颗粒和砂含量的关系

由极差和方差分析可知，影响棉秆纤维轻量土密度的主要因素是EPS颗粒和砂含量，EPS颗粒和砂含量对轻量土密度影响的关系曲线如图4所示。

图4 EPS颗粒和砂含量与棉秆纤维轻量土密度的关系Fig.4 Relationships among EPS, sand content and density

由图4可以看出：棉秆纤维轻量土的密度随着EPS颗粒含量的增大而减小，二者近似为幂函数关系，则EPS颗粒含量与轻量土密度关系可表示为:

ρ=aEb。

(3)

式中：ρ为棉秆纤维轻量土的密度;E为EPS颗粒含量，即EPS颗粒质量所占干土质量的质量比。

棉秆纤维轻量土的密度随着砂含量的增大而增大，二者近似为幂函数关系，也属于强相关，则砂含量与轻量土密度关系可表示为:

ρ=aSb。

(4)

式中：S为砂含量，即砂质量所占干土质量的质量比。

2.5 水泥含量与棉秆纤维轻量土渗透系数均值的关系

通过正交试验结果可得到水泥含量与棉秆纤维轻量土渗透系数均值的关系，如图5所示。由图5可知，随着水泥含量的增加，棉秆纤维轻量土渗透系数均值大幅度降低，且降低幅度为1个数量级。

图5 水泥含量与棉秆纤维轻量土渗透系数均值的关系Fig.5 Relationship between cement contentand mean ofpermeability coefficient

2.6 原状黄土与棉秆纤维轻量土的饱和含水率

分别进行了2组原状黄土和棉秆纤维轻量土2种试样的饱和含水率对比试验，试验中对土样进行抽气饱和后，用烘干称重法测定并计算饱和含水率[25]。结果表明：2组原状黄土饱和含水率为36.31%和38.13%，棉秆纤维轻量土饱和含水率为38.58%和40.96%。

3 讨 论

3.1 轻量土的透水特性

原料黄土的渗透性能及水泥的固化作用决定了棉秆纤维轻量土的透水特性。通过室内常水头渗透试验测定原料黄土渗透系数4.28×10-4cm/s，由正交试验结果可知，当原料土中掺入水泥后，所有试样渗透系数均小于原料土渗透系数，满足强度要求的试样渗透系数数量级10-5～10-7cm/s，两者相差10～1 000倍，可见水泥固化作用对轻量土透水特性影响极大。从微观上分析，渗透即水分子通过土体间孔隙流动的现象，则影响棉秆纤维轻量土渗透特性就是其内部的孔隙，棉秆纤维轻量土内部孔隙主要包括团粒体间孔隙、EPS颗粒间孔隙及团粒体与EPS颗粒间孔隙。水泥的水化水解反应产生的水化产物随着水泥含量的增大而增多，且这些水化产物的填充作用使轻量土内部孔隙减小，导致其渗透系数降低；水泥水化过程中的离子交换作用使土粒形成团块结构，并连带EPS颗粒进一步聚集并固结，使轻量土孔隙率减小，减低其渗透性能[12-13,26]。

3.2 轻量土的持水特性

持水性是土壤保持水分的特征，取决于材质吸水性和土中联通孔隙的多少，用饱和含水率来衡量。饱和含水率与土壤保持和蓄积水分的能力呈正比，饱和含水率越高土样的持水性越好。海绵城市建设中要求路基土具有较高的持水性，也就要求棉秆纤维轻量土具有较高的饱和含水率。由饱和含水率试验结果可知，棉秆纤维轻量土的饱和含水率高出原状黄土饱和含水率2%～4%，说明棉秆纤维轻量土具有较好的持水性。

由于棉秆纤维轻量土中EPS颗粒不吸水，水泥作为固化材料也不具有增加土壤持水性的能力，持水性的增加主要是棉秆的作用。棉秆纤维掺加到土样中不仅增大了土的吸水性，同时起到联通土中孔隙的作用，对提高轻量土的持水性具有决定性的作用。

3.3 轻量土的最优配合比

轻量土用于海绵城市建设，需要满足强度高、量轻和渗透性基本接近天然土3类要求。由本研究正交试验结果可知，当水泥含量为20 g/kg时，无论其他因素含量如何变化，所有试样无侧限抗压强度均小于地基极限承载力，说明水泥含量大于20 g/kg时才能满足地基承载力要求。在满足抗压强度要求下，2#试样的渗透系数最大，为6.84×10-5cm/s，比较接近原状黄土的渗透系数(4.28×10-4cm/s)，其抗压强度为114.59 kPa，也满足地基承载力的要求。因此，满足地基承载力要求且透水性最好试样的配合条件为棉秆纤维含量4 g/kg，水泥含量25 g/kg，砂含量120 g/kg，EPS颗粒含量12 g/kg。

4 结 论

(1)棉秆纤维含量、EPS颗粒含量、水泥含量、砂含量4个因素对棉秆纤维轻量土无侧限抗压强度影响的主次顺序为水泥含量>EPS颗粒含量>砂含量>棉秆纤维含量，其权重依次为5.94%，16.91%，68.33%和8.82%；对棉秆纤维轻量土渗透系数影响的主次顺序为水泥含量>EPS颗粒含量>砂含量>棉秆纤维含量；对棉秆纤维轻量土密度影响的主次顺序为EPS颗粒含量>砂含量>水泥含量>棉秆纤维含量。

(2)棉秆纤维轻量土无侧限抗压强度与EPS颗粒含量和水泥含量具有良好的线性关系：同一水泥含量下，轻量土的无侧限抗压强度与EPS颗粒含量呈负相关关系；同一EPS颗粒含量下，轻量土的无侧限抗压强度与水泥含量呈正相关关系。轻量土密度随着EPS颗粒含量增大而减小，随砂含量增大而增大，且密度与EPS颗粒含量和砂含量均为幂函数关系。

(3)随着水泥含量增大，轻量土的渗透系数大幅度下降，数量级为10-5～10-7cm/s，较原料黄土降低10～1 000倍；添加棉秆纤维可增大土样的吸水性，且对提高轻量土的持水性具有决定性的作用。

(4)适合海绵城市建设的棉秆纤维轻量土的最优配合条件为棉秆纤维含量4 g/kg，水泥含量25 g/kg，砂含量120 g/kg，EPS颗粒含量12 g/kg。在一定范围内，改变各因素含量配比，其抗压强度、密度与透水特性均可调整，可适应不同工程的需求。