羧甲基纤维素钠改性生土力学性能研究

马奇，马宏旺，杨朔，张旭

（上海交通大学船建学院土木工程系，上海 200240）

羧甲基纤维素钠改性生土力学性能研究

马奇，马宏旺，杨朔，张旭

（上海交通大学船建学院土木工程系，上海 200240）

生土材料符合绿色建筑的要求，低碳环保、造价低廉、可循环利用，但是本身强度低，耐久性差，限制了其在现代社会建设中的应用。使用羧甲基纤维素钠（CMC）对甘肃南部生土进行改性试验研究，测试其无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度。试验结果表明：CMC可有效改善生土的力学性能，其掺量为1.0%时生土的抗压强度达3 MPa以上，劈拉强度达0.26 MPa，能够满足村镇低层住宅建设的要求。

改性生土材料；羧甲基纤维素钠；无侧限抗压强度；劈裂抗拉强度

0 前言

生土材料是历史最为悠久的建筑材料之一，应用非常广泛，且加工工艺趋于多样[1]，但是由于生土本身区域性、不均匀性强，缺乏系统的研究；加之生土材料自身强度较低、耐水性较差，在近代逐渐被烧结砖、混凝土和钢材等取代。但这些现代建筑材料具有生产及使用过程耗能巨大、价格高等缺点。近年来，绿色建筑概念逐渐完善，变成建筑行业的一个新目标。所谓绿色建筑，即从原材料获取、结构建造、使用、维护到再利用的整个生命周期中，实现环境友好、经济合理，并最大程度降低对环境的影响，而能效及可再生原材料是其关键[2-3]。生土可再生，具有良好的热工性能，符合绿色建筑的要求。Reddy和Kumar[4]研究表明，使用8%水泥改性后生土中物化能比同体积烧结黏土砖中物化能低15%～25%。

生土建筑具有上述优点，且造价低廉，适用于村镇地区建造房屋，但强度问题制约了其发展。非洲、欧洲及新西兰等地规定用于建造房屋生土强度不宜小于2 MPa。而一般生土强度较低，需进行有效的固化改性后才能达到要求。当前主要的改性剂有水泥和石灰等，根据各国学者的研究，水泥掺量为8%～10%时，通过施加不同的压力压制砌块，可使其抗压强度达到2 MPa以上。但水泥、石灰的生产过程能耗高，Reddy等[5]认为，水泥改性土能耗主要由水泥引起，相比于水泥中的物化能，压实砌块制作过程的能耗甚至可以忽略不计。且经其改性后的生土本身性质有较大改变，无法重复使用亦不可回田，这些与选取生土作为绿色建筑材料的初衷相悖。

本文研究羧甲基纤维素钠（CMC）对生土力学性能的影响，CMC通常是由天然纤维素与苛性碱及一氯醋酸反应后制得，生产使用过程能耗低。农业中使用CMC作为土壤保水剂，经其改性后的土体仍可种植植物，符合绿色建筑的要求。CMC市场价不高，用在生土改性研究和实际建筑中时，掺量非常低，故而总体造价较低，可用于实际房屋建造中。

1 实验

1.1 原材料

本次试验针对甘肃南部地区农村生土房屋进行，故取当地黄土进行各类力学性能试验，该类土体基本物理力学性质如表1所示，土壤粒径分布见图1。

表1 土样的基本物理力学性质

图1 土壤的粒径分布

试验中采用的改性添加剂为羧甲基纤维素钠（CMC），其分子式为C8H11O7Na。CMC通常为白色粉末状固体，密度为0.5～0.7 g/cm3，具有较高的吸湿性，易溶于水但不溶于有机溶剂，在水中形成透明状的黏稠溶液。CMC在石油钻探、混凝土改性等方面有所应用[6-7]，本文用作生土固化剂，旨在提高生土的抗压和抗拉强度。

1.2 试件制作

按照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》中规定，使用标准击样器制作直径39.1 mm、高度80 mm的圆柱形试件。制作试件时，土样分4层填入，每层使用300 g小锤自20 cm高度处自由落体敲击10次。

无侧限抗压强度试验中，制作3组改性添加剂掺量分别为0.5%、1.0%和1.5%的试件，每组试件有5个不同含水率，每种配合比制作5个试件，另外按照最佳含水率配比制作素土试件，共计75个试件。劈裂抗拉强度试验中，选取4种配比的混合材料为试验对象：未掺CMC，最佳含水率；CMC掺量为0.5%，含水率为24%；CMC掺量为1.0%，含水率为24%；CMC掺量为1.5%，含水率为24%的混合材料，共计20个试件。试件制作完成后立即称重，然后置于烘干机中，低温（40℃）烘干3 d后，取出称重，然后立即进行后续试验。

1.3 性能测试方法

无侧限抗压强度试验参考GB/T 50123—1999中相关规定进行，鉴于试件、仪器等不同，对试验方案稍作修改。将试件竖向安装在上下加载板中间，使用液压伺服加载系统进行加载，按照变形控制加载速率为0.5 mm/min，加载至试件破坏，计算机记录并储存各个试件的力-变形曲线。劈裂抗拉强度试验参照英国规范BS EN 13286-42《Test method for the determination of the indirect tensile strength of hydraulically bound mixtures》中相关规定进行，基于试件及仪器情况对其提供的方案稍作修改。水平放置圆柱形试件，试件上下使用4 mm×4 mm×80 mm的3层胶合木条作垫片，按照变形控制加载速率为0.3 mm/min，加载至试件破坏，计算机记录并储存各试件的力-变形曲线。

2 结果与讨论

2.1 实验现象

无侧限抗压强度试验中，随着压力达到最大承载力的75%左右时，试件出现细微竖向裂缝，随后裂缝逐渐增多、加宽，并发展形成贯通裂缝，见图2（a）。试件达到最大承载力后，承载能力迅速下降，最终试件彻底破坏，其力-位移曲线与混凝土类似。试件最终破坏的形式主要有2种：竖向贯通裂缝、锥形破坏面。劈裂抗拉强度试验中，荷载达到最大承载力80%左右时，端面沿上下垫条连线出现细微裂缝，裂缝迅速发展，达到最大承载力后，试件突然破坏而彻底失去承载力，试件从中间裂开、分为两瓣，见图2（b）。

图2 试件的破坏形式

2.2 CMC掺量和含水率对无侧限抗压强度的影响

为避免环境影响及试件吸潮等对试件质量的影响，使用试件制作完成时质量与试件烘干后质量计算每个试件的实际初始含水率，即试件制作完成时的含水率。按照GB/T50123—1999的相关规定计算试件的无侧限抗压强度，计算过程中考虑试件变形引起的截面积变化而导致的计算误差，使用截面变形系数进行调整。每种配比采用5个试件的算术平均值作为该配比试件的无侧限抗压强度，绘制每组CMC掺量下无侧限抗压强度与含水率的关系，结果见图3。

图3 CMC掺量和初始含水率对无侧限抗压强度的影响

由图3可见，未掺CMC的素土试件无侧限抗压强度约为0.64 MPa，添加CMC及一定量的水后，试件的无侧限抗压强度普遍有所提高。CMC掺量为1.0%和1.5%时，二者区别不明显，但是相比添加0.5%CMC则有显著提升。添加1.5%CMC、初始含水率为26%时，无侧限抗压强度达到最大值4.65 MPa，是素土试件抗压强度的7.3倍。Chan和Low[8]同样使用圆柱形水泥改性土试件进行试验，当水泥掺量为5%时，抗压强度为1.20～1.39 MPa；当水泥掺量为10%时，抗压强度为2.16～2.67 MPa。Sturm等[9]针对马拉维地区生土使用5%水泥和9%高岭土进行改性，养护28 d后圆柱形试件的无侧限抗压强度可达1.1 MPa左右。Galán-Marín等[10]使用天然纤维改性土制作立方体试件，测得其抗压强度为2～3 MPa。而通常情况下，立方体试件的抗压强度高于圆柱形试件的无侧限抗压强度。虽然不同试验中，土的种类、试件制作方法等会影响试件的强度，但是从最终结果仍然可以看出，CMC对提高生土的抗压强度有非常明显的作用。

另外，试件抗压强度受初始含水率的影响非常明显，在试验包含的初始含水率范围内，二者近似为线性关系。试件制作过程中发现，对于每种CMC掺量的土样，含水率较高时，土样不易搅拌且成型困难。含水率为24%左右时，3种CMC掺量的试件抗压强度均达到3 MPa以上，可满足基本要求，故本次试验选取24%含水率进行后续试验。

2.3 劈裂抗拉强度

本试验中，素土试件含水率为16%，3种CMC掺量的试件含水率均为24%，CMC掺量对试件劈裂抗拉强度的影响如图4所示。

由图4可见，CMC对试件的劈裂抗拉强度有显著提升作用，随着CMC掺量的增加，试件的劈裂抗拉强度逐渐提高，但后期提升不明显。素土试件的劈裂抗拉强度为0.08 MPa；CMC掺量为1.0%时，试件的劈裂抗拉强度达到0.26 MPa，为素土试件的3.3倍；CMC掺量为1.5%时，试件劈裂抗拉强度达到最高值，为0.29 MPa。Sturm等[9]使用5%水泥和9%高岭土进行生土改性，采用相同试验方法获得圆柱试件的劈裂抗拉强度为0.058 MPa，约为同类试件无侧限抗压强度的5%。对比可见，CMC对生土的劈裂抗拉强度的提升效果非常明显。

图4 CMC掺量对试件劈裂抗拉强度的影响

3 结论

（1）CMC能够有效提高生土的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度。

（2）CMC的作用与其掺量有明显关系，在0～1.5%内，CMC掺量越高，生土强度提升幅度越大，但是当CMC掺量超过1.0%时，其提升幅度趋于平缓。

（3）CMC的作用与混合料中水含量有明显关系，在试验范围内，水含量越高，生土强度提升越明显，但是水含量过高后，混合料黏稠，明显提升了加工难度。

本试验只研究了CMC对压实生土抗压、劈裂抗拉强度的影响，其它性能如耐久性、防水性和热工性能会在今后研究中展开。

[1]赵成，阿肯江·托呼提.生土建筑研究综述[J].四川建筑，2010（1）：31-33.

[2]Dwaikat L N，Ali K N.Green buildings cost premium：A review of empirical evidence[J].Energy and Buildings，2016，110：396-403.

[3]崔艳琦.国外绿色建材及其对我国的启示[J].新型建筑材料，2008（10）：37-39.

[4]Reddy B V V，Kumar P P.Embodied energy in cement stabilised rammed earth walls[J].Energy and Buildings，2010，42（3）：380-385.

[5]Reddy B V V，Leuzinger G，Sreeram V S.Low embodied energy cement stabilised rammed earth building-A case study[J].Energy and Buildings，2014，68（1）：541-546.

[6]牛生洋，郝峰鸽.羧甲基纤维素钠的应用进展[J].安徽农业科学，2006，34（15）：3574-3575.

[7]李扬.羧甲基纤维素钠的提纯和交联[D].武汉：湖北大学，2012.

[8]Chan C M，Low L P.Development of a Strength Prediction Model for"Green"Compressed Stabilised Earthbricks[J].Journal of Sustainable Development，2010，3（3）：140-150.

[9]Sturm T，Ramos L F，Lourenço P B.Characterization of dry-stack interlocking compressed earth blocks[J].Materials and Structures，2015，48（9）：3059-3074.

[10]Galán-Marín C，Rivera-Gómez C，Petric J.Clay-based composite stabilized with natural polymer and fiber[J].Construction and Building Materials，2010，24（8）：1462-1468.

Study on mechanical properties of sodium CMC stabilized soil

MA Qi，MA Hongwang，YANG Shuo，ZHANG Xu
（Department of Civil Engineering，School of Naval Architecture，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

Raw soil material conforms properly to the requirements of"green"buildings，with the advantages of low-carbon，low cost and cyclic utilization.However，its low strength and bad durability limit its application in modern social construction.In this research，sodium carboxyl methyl cellulose（CMC）is used to stabilize raw soils from south Gansu province.The unconfined compressive strength and splitting tensile strength were tested to characterize the mechanical properties of compacted specimens.Results showed that CMC could improve the mechanical properties significantly.When CMC content is 1.0%，the compressive and tensile strength could reach 3MPa and 0.26MPa respectively，which can meet the requirement of town low-rise dwelling construction.

stabilized raw soil，sodium carboxyl methyl cellulose，unconfined compressive strength，splitting tensile strength

TU521.3

A

1001-702X（2016）12-0060-03

中国地震局黄土地震工程重点实验室开放基金资助项目（KLLEE-14-001）

2016-04-12；

2016-06-02

马奇，男，1990年生，山东潍坊人，硕士研究生，主要研究

方向为生土建筑抗震。