楊森，李志強，王國慶，鞠冠男

（石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子，832003）

我國生土建筑已經(jīng)有7000多年的歷史，生土建筑具有就地取材、技術簡單、建造方便、物理性能良好、隔聲性能好、對室內的溫度以及濕度有很好的調節(jié)能力等優(yōu)點，在我國西部的陜西、山西、甘肅、寧夏、新疆農村地區(qū)得到廣泛應用。目前，對生土材料的研究偏向于生土試塊力學性能和墻體抗震方面研究[1-8]，丁蘇金等[1]研究了生土砌塊用粘結材料物理力學性能的影響和粘結材料的改性方法，王毅紅、周鐵鋼等[2-5]對西北的粘土進行了試塊、改性砂漿、墻體抗震等較全面的研究，劉成奎、馮堅等[6]針對青海地區(qū)改性生土墻體材料進行了試驗研究，茹克亞·阿不地熱依木等[7]對新疆的南疆生土建筑黏性土體材料基本土力學性能進行研究，卜永紅等[8]研究了承重夯土墻體在地震荷載作用下的破壞過程、破壞形態(tài)的研究。

由上述研究可知，生土材料的研究仍是廣大學者關注的焦點之一，但大多數(shù)的研究都是在缺乏配套粘結材料的基礎上進行的。而由《砌體結構設計規(guī)范》（GB50003-2011）可知，砌體結構的受拉、受彎、受剪性能主要是由粘結材料決定的，粘結材料對墻體結構穩(wěn)定性、耐久性、抗震性能具有顯著影響。加之我國地處地震活動多發(fā)區(qū)，生土建筑的抗震性能受到極大挑戰(zhàn)。因此，本文在生土泥漿中復摻草筋、水泥、生石灰、糯米以改善其受力性能和耐久性，并通過正交試驗探討改性生土泥漿的受力特性和其最優(yōu)配合比，為改性生土材料的相關研究提供參考。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

粘土采用新疆石河子150團的粘土；水泥采用新疆石河子開發(fā)區(qū)青松天業(yè)水泥有限公司生產的32.5R復合硅酸鹽水泥；生石灰采用石河子一五一團振興石灰廠；草筋采用長度≤50 mm的麥秸稈；糯米采用超市食用糯米；試驗拌和水及養(yǎng)護水均采用自來水。

1.2 正交試驗設計

試驗主要研究草筋摻量（A）、水泥摻量（B）、生石灰摻量（C）和糯米（D）摻量4種因素對生土砌體的抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響。為了減少試驗的次數(shù)，所以設計四因素三水平L9（34）正交試驗。根據(jù)本課題組的前期試驗研究[9]，制定了正交因素試驗水平表及試驗方案，如表1、2所示。

表1 因素水平表Tab.1 Factor level of test

表2 正交試驗方案表L9（34）Tab.2 The scheme of orthogonal test

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

依據(jù)GB/T 4111-2013《混凝土砌塊和磚試驗方法》進行試驗，可得改性泥漿砌塊的抗壓強度和劈裂抗拉強度（表3）。

按照正交試驗的分析方法，對表2和表3的試驗結果進行處理，結果如表4所示。

由表4可以看出，28 d抗壓強度的各因素影響順序為：草筋A＞糯米D＞水泥B＞生石灰C；28 d劈裂強度的各因素影響順序為：糯米D＞草筋A＞水泥B＞生石灰C。

表3 正交試驗結果Tab.3 The results of orthogonal test

表4 正交試驗極差分析Tab.4 The range analysis of orthogonal test

2.2 抗壓強度因素指標分析

根據(jù)正交試驗法，所考察的28 d抗壓強度的指標由直觀分析表可求出各因素在不同水平下的強度值，見圖1。由圖1可知：

（1）改性泥漿砌塊的抗壓強度隨著草筋A摻量的增加而逐漸增加，當草筋A摻量由0%增加到0.25%時，28 d抗壓強度增加至初始強度2倍（圖1a）。

究其原因主要是：加入草筋起到了生土骨架作用，所以在改性泥漿中加入草筋可提高砌塊抗壓強度。

（2）當水泥摻量B由 15%增至 17.5%時，改性泥漿砌塊28 d抗壓強度逐漸減小，減少10.9%，說明在前期水泥摻量對生土固相物質的重組影響不大，對改性泥漿砌塊的抗壓強度增加不明顯；而當B的摻量由17.5%增加到20%時，28 d抗壓強度增加48.6%，但是整體呈上升趨勢（圖1b），此時水泥的摻量對改性泥漿砌塊的抗壓強度影響最顯著。

究其原因主要是：生土中加入水泥能增加生土固相物質的重組，所以改性泥漿砌塊的抗壓強度隨著水泥摻量B的增加而增加。

（3）改性泥漿砌塊的抗壓強度隨著生石灰摻量C的增加而降低。由于生石灰摻量較少時，參與土粒反應的石灰量少，生成的膠結物少從而影響土體的整體性、穩(wěn)定性和強度提高。石灰摻量從2.5%增加到5%時，改性泥漿砌塊28 d抗壓強度逐漸增大，增幅為9%；但是整體上呈下降趨勢（圖1c）。

究其原因是：由于生石灰整體摻量少，在做實驗時可能出現(xiàn)拌和不均勻現(xiàn)象，使土的空隙變大對改性泥漿砌塊的抗壓強度提高不顯著。

（4）隨著糯米摻量C的增加，改性泥漿砌塊28 d抗壓強度逐漸增加，其強度增加到初始強度的22%；糯米摻量從5%增加到10%時，其28 d的強度逐漸減小，減幅為28%；整體上呈下降趨勢（圖1d）。

究其原因主要是：添加糯米汁后，土粒間的粘性更多，土粒呈粘團狀，很難被擊實，從而使砌塊內部產生空隙造成砌塊受力不均使抗壓強度降低。

圖1 各因素對改性泥漿砌塊28 d抗壓強度的影響Fig.1 Influence of four factors on 28 d compressive strength of the modified mud block

2.3 劈裂強度因素指標分析

根據(jù)正交試驗法，所考察的28 d劈裂抗拉強度的指標由直觀分析表可求出各因素在不同水平下的強度值，結果見圖2。由圖2可知：

（1）隨著草筋摻量A的增加，劈裂抗拉強度而增加。草筋摻量從0增加到2.5%時，28 d抗拉強度增加至原始強度的1.43倍（圖2a），草筋大大增加了生土骨架作用。這表明：在改性泥漿砌塊中加入草筋可使變形能力大大提高，改性泥漿砌塊抗拉強度隨著草筋摻量增加而增加。

（2）隨著水泥摻量B的增加，改性泥漿砌塊的抗拉強度逐漸增加（圖2b），水泥可有效使生土內固相物質重組，但是變形能力較低。

（3）改性泥漿砌塊近似隨著生石灰摻量C的增加而逐漸增加，當C的摻量由0增加到2.5%時，抗拉強度相比于初始強度減小7.5%（圖2c），生石灰對劈裂抗拉強度和變形能力較低。

（4）當糯米摻量D由0增加到5%時，28 d劈裂抗拉強度急劇增大，抗拉強度增加至初始1.53倍，此時改性泥漿砌塊的抗拉強度和變形能力最大；當糯米摻量由5%增加到10%，抗拉強度逐漸減小，減幅為24.1%（圖2d）；隨著糯米摻量的進一步增多，土粒的粘性變得更大，不易攪拌均勻，使土粒間的空隙變大，從而影響改性泥漿砌塊抗拉強度提高。

圖2 各因素對改性泥漿砌塊28 d劈裂抗拉強度的影響Fig.2 Influence of foiirs factors on 28 d spitting tensile strength of the modified mud block

2.4 方差分析

改性泥漿砌塊立方體抗壓強度試驗結果的方差分析見表5。

表5 正交試驗方差分析Tab.5 The variance analysis of orthogonal test

由表5可知：

（1）對28 d時的抗壓強度，草筋摻量A對改性泥漿砌塊的影響最為顯著，其次是糯米摻量D，最后是生石灰摻量C、水泥摻量D（二者對抗壓強度的影響比較接近）。

（2）對28 d時的抗拉強度，糯米對改性泥漿砌塊的影響最為顯著，其次是草筋摻量，最后是水泥摻量，生石灰摻量對劈裂抗拉強度的影響不具有顯著性。

2.5 最優(yōu)配合比

由因素指標分析可知，改性泥漿砌塊的抗壓強度的最優(yōu)配比為A3B3C1D2，即草筋為0.25%，水泥為20%，生石灰為0%，糯米為5%。改性泥漿砌塊劈裂抗拉強度的最優(yōu)配比為A3B3C2D2，即草筋為0.25%，水泥為20%，生石灰為2.5%，糯米為5%。

綜合考慮改性泥漿砌塊抗壓強度、劈裂抗拉強度的最優(yōu)配合比，其中草筋摻量A、水泥摻量B和糯米摻量D可作為定量，并由方差分析知生石灰C對改性泥漿砌塊的抗壓強度、劈裂抗拉強度影響不顯著，再考慮到生石灰能提高改性泥漿砌塊的耐水性，最終確定最優(yōu)配合比為為A3B3C2D2，即草筋為0.25%，水泥為20%，生石灰為2.5%，糯米為5%。

3 討論

經(jīng)文獻檢索，目前有關改性泥漿的研究很少，本文的試驗結果與改性泥漿的相關研究[1]對比分析，有以下主要特點：

（1）文獻[1]選取水泥、水泥礦渣、粉煤灰以及氯化鈣、硫酸鈉為摻合料；本文選取草筋、水泥、生石灰、糯米為摻合料，是根據(jù)我國古代“糯米灰漿”和現(xiàn)代泥漿的工藝進行了改進，更符合生土建筑工藝的要求。

（2）文獻[1]主要采取單因素的試驗方法，各摻量對泥漿抗壓強度的影響比較直觀，但是試驗量比較大。本文采用正交試驗方法，各摻量對泥漿抗壓強度的影響需要通過理論分析才能得到，但試驗量較小，且能體現(xiàn)出各摻量之間的相互作用對泥漿抗壓強度的影響，能更真實反映各材料對生土材料整體性能的影響。

（3）文獻[1]主要以泥漿的抗壓強度、保水率為設計目標；本文主要以泥漿的抗壓強度和劈裂抗拉強度為設計目標，并綜合考慮了材料的耐久性，更適用于對耐久性有較高要求的生土建筑。

4 結論

由9組改性泥漿砌塊的正交試驗的結果及分析，本研究得到以下結論：

（1）影響改性泥漿砌塊抗壓強度的各因素影響順序為：草筋A＞糯米D＞水泥B＞生石灰C；影響改性泥漿砌塊劈裂抗拉強度的各因素影響順序為：糯米D＞草筋A＞水泥B＞生石灰C。

（2）當A3B3C2D2時為最優(yōu)配合比，即草筋為0.25%，水泥為20%，生石灰為2.5%，糯米為5%，此時改性泥漿砌塊的抗壓強度和劈裂抗拉強度較高。

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