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郭琪兴，长江刘，魏轩，岳岳泛，冰章，岳钊， ＂无侧限抗压强度为盐碱土的预测混合水泥和麦秸“，材料科学与工程研究进展， 卷。2020.， 文章ID.2765145.， 14. 页面， 2020.． https://doi.org/10.1155/2020/2765145.
无侧限抗压强度为盐碱土的预测混合水泥和麦秸
摘要
通过一系列无侧限抗压试验，研究了麦秸对盐碱土和掺水泥盐碱土无侧限抗压强度的影响。在无侧限抗压强度的测试中,20组土壤标本准备五种不同比例的小麦秸秆的内容(例如,0.0%,0.1%,0.15%,0.2%,和0.25%的体重盐碱土壤)和四种不同的水泥含量百分比(例如,0%,3%,6%,9%,盐碱土壤的重量),无侧限压缩试验分别在养护3、7、14、28、56 d后进行。试验结果表明，麦秸掺入盐碱土和掺水泥的盐碱土均提高了盐碱土的无侧限抗压强度，并使盐碱土的脆性向延性转变。此外，根据无侧限压缩试验结果，确定了水泥掺量、麦秸掺量、养护龄期等因素对试件无侧限抗压强度的预测公式，并与无侧限压缩试验结果进行了比较。该方法对预测试件的无侧限抗压强度具有较高的精度。
1.介绍
由于合成纤维的许多优点，如高强度和相当良好的耐腐蚀性，它广泛应用于弱或软土的加强，一些研究人员研究了与合成纤维混合的土壤的机械性能[1- - - - - -5］.现在，用合成纤维加强的土壤应用技术广泛用于岩土工程。此外，天然纤维，包括植物纤维，如小麦秸秆，稻草，竹子和沟渠，也引起了一般的关注，易于降低，成本较低，环境友好等等。一些研究人员还对具有自然纤维增强的土壤进行了可行性研究[6- - - - - -8]，结果表明，添加天然纤维可有效提高土壤强度[9- - - - - -12.］.
盐碱土壤中广泛存在的渤海湾西岸和东南沿海在中国。盐含量是在盐碱土壤，它可以使膨胀路基大于0.3％。此外，盐碱土也会使路面塌陷。因此，盐水碱性土壤不能直接用作路基填充，然后水泥或石灰通常用在加强盐水碱性土壤使用。为了盐碱土适用于岩土工程，一些研究人员已经研究了水泥或石灰[增强盐碱土的力学性能13.- - - - - -15.］.
在中国北方，大量麦秸被焚烧或堆放在露天，造成环境污染。麦秆作为加固材料，其力学性能不同于土钉、锚杆等刚性材料和土工布等柔性材料。麦秆的主要优点是在当地就能买到，而且非常便宜。如果小麦秸秆用于土壤加固，它们是可生物降解的，因此不会在环境中造成处理问题。Wei等人[16.]探索麦秸的张力根据测试方法。此外，一些研究人员已经应用了麦秸为增强材料，以软土或盐碱土[17.- - - - - -22.］.但目前，麦秸加固土的理论研究尚处于初级阶段，有待进一步深入研究。
因此，在本文中，进一步研究了小麦吸管对盐碱土壤的影响，补充了文献中可用的数据对纤维增强土壤的行为。首先，进行了一系列无束缚的压缩试验，以探讨小麦吸管对盐碱土壤的影响。其次，基于从非整合压缩试验中获得的数据，准确地推导出用于预测与水泥和小麦吸管混合的盐水碱性土壤的非整合压缩强度的公式。
2.材料和实验方案
2.1。材料
试验中使用的盐碱土样品取自中国渤海湾西岸。通过SEM测试得到的盐碱土微观结构如图所示1，在盐碱土中表现出絮凝结构。为了在实验室中塑造盐碱土，首先他们在空气中干燥，然后破碎成碎片。盐碱土的物理性质和离子含量列于表中1和2， 分别。如表所示1，对于用于测试中使用的盐水 - 碱性土壤，它们是基于土壤分类的粉质粘土[23.］.从表中可以看出2，内容为和HCO3−在1000 g土壤中为0.382 mmol/kg，大于0.3 mmol/kg (JTG D30-2015 [24.]中国高速公路路基的国家标准），因此土壤被称为盐碱土壤。此外，普通波特兰水泥用作钢筋材料，普通波特兰水泥的化学含量和物理性质列于表中3.．
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离子含量为1000g盐碱土的离子质量。 |
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试验使用的小麦秸秆取自中国汉亭区。在小麦秸秆与土壤混合之前，应将其分成条状，如图所示2．在图中2，条带的平均宽度和平均长度分别为约1.5mm和约10mm。小麦秸秆的横截面如图所示3.，表明纤维组织松散，适用于液体的保湿，扩散和渗透。为了防止盐渍碱土壤中的小麦吸管，它们应浸泡在水溶液中，用0.4％的水重量的水24小时，然后在空气中干燥[20.］.
2.2。样本准备
无侧限抗压试验采用直径39.1 mm，高80 mm的试件，如图所示4．本文将麦秸和水泥的含量定义为 在哪里Tw是小麦秸秆的重量，Tc是水泥的重量，和T是风干盐水 - 碱性土壤的重量。在测试中，价值Wc被采用作为0，0.03，0.06，和0.09和Ww为0、0.001、0.0015、0.002、0.0025。基于…的价值Ww，Wc， 和T时，麦秸和水泥所需重量可由公式(1)和(2）。
将混合物倒入模具之前，模具的内部应涂有润滑剂，可以减少去除过程中试样的骨折。在制备试样时，盐水 - 碱性土壤，水泥和小麦秸秆的混合物应分为三个相等的部分，然后每个部分倒入模具中以压实，直至达到最大的干密度，以最佳的水分含量达到最大的干密度。在每个压缩层之间，应冲洗压缩层的表面，在压缩层之间提供合理的键合。此外，如果在标本中不使用水泥和小麦秸秆，则基于最佳水分含量与水混合风干盐水碱性土壤。如果仅在样品中使用水泥，则首先将所需的水倒入风干盐水 - 碱性土壤中，考虑到水泥的快速水合，然后加入水泥以润湿的盐水 - 碱性土壤。如果仅在标本中仅使用麦子吸管，则首先将它们加入到空气干燥的盐水 - 碱性土壤中以实现均匀的混合物，然后将所需的水加入到小麦秸秆和盐水碱性土壤中。如果水泥和小麦吸管都用于标本，则首先制备小麦秸秆和盐水碱性土壤的潮湿混合物，如上所述，然后将水泥加入潮湿的混合物中。在上述混合的每个阶段，手动制备均匀的混合物。所有试样在模具中压实后，它们应用塑料膜包裹，然后分别置于固化室3,7,14,28和56天。
在该研究中，为非整合的压缩试验制备20组与不同水泥含量和小麦秸秆含量混合的标本（GB / T 50123-1999 [25.]，这是中国岩土考试的国家标准）。为了确保实验的可重复性，还应进行验证试验，因此每组应包括3个标本。不同水泥和小麦秸秆含量的细节如表所示4．此外，对于测试中使用的标本，它们应该处于最大密度的状态，这可以从压实试验中获得。桌子4还显示每个组的最佳水分含量。
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２.３.无侧限抗压强度测试
为了获得标本的不包含束缚的压缩强度，在测试中使用常规的无凝集压缩装置，如图所示5．在无侧限压缩试验中，通过多通道实时记录系统可自动获取轴力及相应位移。此外，在养护期最后一天对试件进行了无侧限压缩试验。试验中使用的常规无侧限压缩仪，加载速率设置为2.4 mm/min，直至试件失效。
3.结果和讨论
3.1。麦秸对标本的无侧限抗压强度影响
本文基于在固化后与水泥和小麦秸秆混合的样品上没有整齐的压缩试验的结果，得到应力 - 应变曲线，如图所示6（a）- - - - - -6（c）．从图中可以看出6（a），随着麦秸掺量的增加，试件的无侧限抗压强度也增加。但进一步增加麦秸含量并不能显著改善峰值轴向应力。此外，添加麦秸含量增加的试样比未添加的试样具有更强的延展性。数字6（b）显示对试样无侧限抗压强度水泥含量的影响。从图中可以看出6（b），增加水泥掺量可以提高试件的轴向应力峰值，同时比未掺水泥的试件表现出更强的脆性行为。数字6（c）表示对与水泥混合试样无侧限抗压强度麦秸含量的影响。从图中可以看出6（c），当试件中水泥掺量一定时，麦秸掺量的增加对试件无侧限抗压强度的影响如图所示6（a）．
（一种）
（b）
（C）
麦秸掺量对不同水泥掺量试件养护14 d后无侧限抗压强度的影响如图所示7．从图中可以看出7麦秸的添加不仅可以提高胶结试样的无侧限抗压强度，对非胶结试样也一样。如图所示7，添加0.1%麦秸后，水泥掺量为3%、6%、9%的试件无侧限抗压强度分别由0.18 ~ 0.22 MPa、0.36 ~ 0.40 MPa和0.51 ~ 0.53 MPa提高，说明添加0.1%麦秸含量对试件无侧限抗压强度的提高影响不大。麦秸掺量为0.25%时，水泥掺量为3%、6%和9%时，无侧限抗压强度分别从0.19 MPa、0.36 MPa、0.52 MPa和0.49 MPa提高到0.58 MPa。
固化期对与3％水泥含量混合的标本的非整合抗压强度和0.1％小麦秸秆含量的影响8．从图中可以看出8，试样的无侧限抗压强度随养护龄期的延长而增大。当养护期小于14天时，试件的破坏表现为延性行为。但当养护期大于14 d时，试件的脆性破坏行为越来越明显。
3.2。小麦秸秆含量对标本失效机制的影响
本节采用养护28天后的试件进行无侧限抗压强度试验。数字9(一个)- - - - - -9（e）显示样品仅与麦秸混合的失败。从图中可以看出9(一个)，当小麦吸管未添加到标本中时，故障主要发生在标本的底部，显示剪切失效模式。当小麦秸秆含量为0.10重量％时，失效也主要发生在标本的底部;但是，剪切平面不形成，如图所示9（b）．当麦秸掺量按重量增加到0.15%时，形成一个大剪切面，并延伸至试件顶部，如图所示9（c）．从图中可以看出9（d），当小麦秸秆含量增加到0.20重量％时，标本中有两种失效模式：一个剪切失效和样品的另一个底部失效。当小麦秸秆含量增加到0.25重量％时，仅发生样品的底部失败，并且剪切平面不形成，如图所示9（e）．
（一种）
（b）
（C）
（d）
（e）
数字10（a）- - - - - -10 (e)显示标本与不同小麦秸秆含量和6％水泥含量混合的失败。当在标本中没有添加小麦吸管时，主要表现出剪切平面发生故障，这也显示出标本的脆性行为，如图所示10（a）．而当试件中加入麦秸时，当麦秸质量含量分别达到0.10%和0.15%时，试件中形成了较大的剪切面，如图所示10（b）和10 (c)．从图中可以看出10 (d)，当麦秸掺量为0.20%时，仅出现底部破坏，未形成剪切面。但当麦秆含量达到0.25%时，试样顶部发生破坏，且试样未形成剪切面，如图所示10 (e)．
（一种）
（b）
（C）
（d）
（e）
基于与3％水泥含量和0.1％小麦秸秆含量混合的样品的无凝结压缩强度试验的结果，可以获得固化期对试样失效的影响，如图所示11（a）- - - - - -11 (e)．从图中可以看出11（a）和11 (b)，当固化时段小于7天时，发生样品底部的失败，并且不明显地展示剪切平面。当固化期为14天时，样品中有两种同时发生模式，如图所示11 (c)．但是，从数字中可以看出11（d）和11 (e)，当固化时间为14天以上，在样品仅发生剪切平面故障。在无侧限抗压强度测试中，我们还发现，固化时间可提高样品的脆性行为和对标本的脆性行为固化周期的影响的趋势越来越类似于如图8．
（一种）
（b）
（C）
（d）
（e）
3.3。用麦秆和水泥混合的标本的无束缚抗压强度的预测
如上所讨论的，影响的试样无侧限抗压强度的因素包括小麦秸秆含量，水泥含量和固化时间。在本节中，可以预测试样无侧限抗压强度的公式，提出了基于从无侧限抗压强度测试与麦秸和水泥混合盐水碱性土壤的结果。数字12（a）- - - - - -12（d）试样无侧限抗压强度随养护龄期的增加而增加。
（一种）
（b）
（C）
（d）
从图中可以看出12（a）- - - - - -12（d）当标本具有相同的水泥含量时，随着小麦秸秆含量的增加，标本的不包含抗压强度增加。根据来自数字的数据12（a）- - - - - -12（d）中，曲线为固化期间和用0.2％小麦秸秆含量和不同的水泥含量混合标本无侧限抗压强度之间的关系装配在图中示出13（a）- - - - - -13（d）．
（一种）
（b）
（C）
（d）
在数据13（a）- - - - - -13（d）时，曲线拟合可表示为: 在哪里是标本的无束缚的抗压强度;t是治疗期;是最终的无限压缩强度;是初始无侧限抗压强度;α.是与曲线形状相关的系数。
在方程(3.)，采用拟合方法， ， ，和α.可以基于从图中的数据获得12（a）- - - - - -12（d），如表所示5．
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如表所示5，α.是在0.14398到0.14643之间，说明α.非常小。的平均值α.是0.14533。因此，为了简化方程（1)的价值α.由0.145，和方程（取代1)可以表示为
3.3.1。最初的无侧限抗压强度，
在方程(4），和也可以根据图中的数据获得10（a）- - - - - -10 (d)通过拟合方法，如表中所示6．根据表中的数据6，进行曲线拟合之间的关系并且可以得到不同的水泥含量麦秸内容，如图14.．
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（一种）
（b）
（C）
（d）
图中曲线拟合图14（a）- - - - - -14 (d)，可以用下面的表达式来描述: 在哪里η.为曲线增长系数;一个年代小麦秸秆含量，％;b是指数;p0我是只涉及到水泥含量初始无侧限抗压强度。根据表中的数据6，η.，b， 和在方程(5)可以通过拟合方法得到，如表所示7．
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从表中可以看出7，改变η.是很小的，平均值是多少η.是0.0017。因此，方程（5）可以简化并表示为
同样，根据Table中的数据6和等式（6），b和可以通过拟合方法获得，如表所示8．
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如表所示8，改变b也很少，平均值b是9.356。因此，为了简化方程（6），b通过在方程式9.356（取代6），然后表示为
而且，从表中可以看出8，水泥含量有关。根据表中的数据8，之间的关系和水泥掺量，如图所示15.．
曲线适用于之间的关系p0我和图中的水泥含量15.可以表示为 在哪里一个c是水泥含量，％。因此，方程（7)可以表示为
3.3.2。极限无凝结的抗压强度，
在本节中，方程(4)也用来确定的值 ．但是，在等式中（4），可以从等式获得（9)按水泥掺量和麦秸掺量计算。此外，根据图中的数据12（a）- - - - - -12（d），可由式(3.），如表所示9．
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对于图中的曲线适配16.，可以用下面的表达式来描述: 在哪里一个与曲线增长有关的系数;一个年代小麦秸秆含量，％;b是指数;是与水泥含量有关的标本的初始终极无限性抗压强度。相似地，一个， ，和在方程(10.）可以通过基于表中的数据进行拟合方法获得9，如表所示10.．
（一种）
（b）
（C）
（d）
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从表中可以看出10.，一个是在0.00832到0.00861的范围内，说明一个非常小。的平均值一个是0.00849和的值一个在方程(10.）由0.0085取代;那么方程（10.)可以表示为
然后，基于等式（11.）和表中的数据9，和可以通过拟合方法进一步得到，如Table11.．
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数字17.显示曲线适用于关系之间的关系ξ和水泥含量，以下表达式可以描述曲线拟合： 在哪里一个1与曲线增长有关的系数;一个c为水泥掺量，%;b1是指数;ξ0为的初值ξ只与水泥含量有关。根据表中的数据11.，一个1，b1， 和ξ0可以通过拟合方法获得，分别为1.514,0.096和5.002。因此，方程（12.)可以表示为
此外,图18.显示曲线适用于关系之间的关系和水泥的内容。下面的表达式可以描述在图拟合曲线18.：
因此，用公式（13.)和(14.）代入方程式（11.），它可以表示为 和在方程(4)被方程(9)和(15.）;那么方程（4)可以表示为
来自出版文献[16.]，最终无侧限抗压强度与添加麦秸先增加;然而，随着麦秸含量进一步增加，最终的无侧限抗压强度降低。在测试中，我们可以用公式时找不到最大麦秸内容，因此（16.)来预测极限无侧限抗压强度，麦秆含量不能超过盐碱土的0.25%(按重量计)。此外，当盐碱土试样中水泥掺量大于9%(重量比)时，我们无法进行一系列试验来得出水泥掺量对极限无侧限抗压强度的影响，因此在应用式(16.)，水泥掺量应小于9%。此外，对于式(16.)，当用它来预测试样的极限无侧限抗压强度时，试样的最佳含水量范围应在盐碱土重量的12.7% ~ 14.5%之间。
3．4．推导方程的有效性(16.)为试件的无侧限抗压强度
为了得到导出方程的可靠性(16.）对于标本的非整合压缩强度，来自衍生方程的结果（16.）应与从测试中进行比较。基于等式（16.)，得到水泥掺量为6%、麦秸掺量为0.2%时不同龄期试件的无侧限抗压强度，如表所示12.．此外，对于与6％的水泥含量和0.2％的小麦秸秆含量为不同固化时期混合标本无侧限抗压强度的测试结果也示于表12.．
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从表中可以看出12.，对于非整合压缩强度的大部分偏差下降到26.0％〜30.0％的范围内，当固化期为3天时，无束缚压缩强度的最大偏差可达到31.6％。因此，与测试结果相比，来自衍生方程的结果的准确性（16.）不是很高，也表明等式（16.）仅适用于的盐水碱性土壤的无侧限抗压强度的近似的评价。在本文中，我们仅对比与目前的研究已经使用的小麦秸秆含量和水泥含量组合样品的测试结果。当使用方程（16.)预测除现有研究外，麦秸掺量与水泥掺量另一组合的试件的无侧限抗压强度时，试件应处于最大密度状态;因此，应首先进行压实试验，以获得试样的最佳含水率。
4。结论
通过一系列试验研究了麦秸和水泥对试件无侧限抗压强度的影响。研究了麦秸、水泥夹杂物及养护龄期对无侧限抗压强度的影响。从这些试验中得出以下结论。
麦秸掺入盐碱土和盐碱土与水泥混合后，无侧限抗压强度增加。增加麦秸掺量可提高水泥盐碱土的轴向应力峰值，削弱其脆性。无侧限抗压强度随养护龄期的延长而增大。麦秸界面粗糙度对土壤的加固起着重要作用。虽然这是一个重要的课题，但尚未尝试确定界面粗糙度的最佳程度。此外，根据无侧限抗压强度试验数据，提出了水泥掺量、麦秸掺量、养护龄期等因素对试件无侧限抗压强度的预测公式。与试验结果比较，方程(16.)仅适用于试件无侧限抗压强度的近似评估。
此外，在本研究中，我们不能在标本标本的非整合压缩强度上获得大于0.25％和/或水泥含量大于9％的小麦秸秆含量的影响。因此，等式的应用范围（16.)是有限的。当麦秸掺量大于0.25%和/或水泥掺量大于9%的试件无侧限抗压强度试验结果较多时，16.）将在预测具有最佳水分含量标本无侧限抗压强度更加广泛。此外，只有无侧限抗压强度试验已与麦秸和水泥混合标本进行。因此，调查应进一步通过其他力量测试，如直剪试验，三轴剪切试验等进行了研究麦秸对试样强度的影响。
数据可用性
用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。
利益冲突
作者声明在本文的研究、作者身份和/或出版方面没有利益冲突。
致谢
这项工作受到中国国家自然科学基金的财政支持（授予No.51908430），潍坊大学博士科学基金项目（授予No.214），潍坊高新区科技项目（授予No.209KJHM09）。
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