夯土墙是以杵等工具将放在木板之间的土逐层分段夯实而成的墙体^[1], 是传统夯土墙承重房屋中主要承力构件。由于传统夯土墙有很多优点^[2,3]:就地取材, 技术简单, 造价低廉, 保温隔热性能优越, 可降低能耗, 倒塌后回归自然, 具有无可比拟的绿色环保性和可持续发展性, 生态优势明显, 具有应用发展前景。但夯土墙存在抗压强度低, 易出现裂缝等缺点, 承载力和抗震性能都有待提高^[4,5,6,7,8]。为此, 夯土墙改良方面研究受到了国内外学者的重视。

　　 Sridhar等^[9]采用剑麻纤维作为改性材料, 通过单轴、三轴压缩试验, 验证了剑麻纤维的掺入可改善生土材料的抗压和剪切强度。Guettala等^[10]进行了在生土中掺入水泥、石灰、树脂等改性剂后的耐久性试验研究, 试验结果表明掺入水泥和树脂等对生土耐久性提升显著。M.Achenza等^[11]采用复掺海藻、甜菜和番茄杆根部等植物纤维与天然高分子化合物改性生土, 使夯土的抗压强度和耐水性得到了显著提高。C.Jayasinghe等^[12]进行了水泥改性夯土墙的试验研究;发现当水泥掺量≥6.0%时, 可显著提高生土材料的抗压强度。Steve Burroughs^[13]提出了用石灰、水泥改性生土的最佳组成比。

　　 我国学者褚俊英、梁海学等^[14]分别测试了单掺和复掺矿渣、桐油和糯米汁等改性剂生土材料在改性前后的抗压强度、抗剪强度和抗渗性。结果表明改性后生土材料抗压强度、抗剪强度和抗渗性均有明显提高。柏文峰^[15]通过改性研究发现, 使用废纸加工的二次纤维可提高生土材料的抗裂性;掺加水泥可提高生土材料的抗压强度, 缩短养护时间。刘军、褚俊英等^[16]采用水泥、矿渣和粉煤灰对西安和河南地区的生土进行改性, 确定了单掺各种改性材料的优劣, 以及改性剂复掺时各种改性剂的最优掺量。刘军、袁大鹏等^[17]研究了掺加不同掺量、不同长度的狗尾草对土坯抗压强度、抗折强度和抗剪强度的影响。王立久等^[18]采用低掺量矿渣、标准砂、稻草纤维作为改性剂, 对大连地区生土材料展开了改性研究。卜永红等^[19]进行了内置绳网夯土墙的改性试验。王赟等^[20]以稻草、生石灰、熟石灰和淀粉等为改性剂, 对陕南地区夯土进行了改性试验研究。

　　 从上述夯土改性研究现状看, 国内外学者通过在夯土或生土中加入不同的改性材料使夯土或生土这一具有绿色环保的可再生建筑材料的强度、稳定性和耐久性等性能得到了提高, 一定程度上促进了夯土墙的应用和发展。但上述改性研究中多采用了石灰、水泥、矿渣、粉煤灰等无机材料, 或者加入天然植物纤维 (海藻、甜菜、番茄杆根、稻草、绳网等) , 或者树脂、桐油和糯米汁等聚合物与粘合剂。石灰、水泥等无机材料虽提高了生土材料的物理力学性能和耐久性, 但却忽略了服役结束后生土材料的可再生性能;而竹筋、海藻、绳网等天然植物纤维, 随着时间的推移, 材料很容易变脆, 且在潮湿的环境中植物纤维易腐烂, 其耐久性有待探讨。为此, 本文拟提出了一种新的复合改性方案, 在夯土中加入适量的聚丙烯纤维、碎石和土工格栅以改善夯土的抗压等性能。该改性方案中聚丙烯纤维、碎石和土工格栅均不会改变夯土的可再生性能, 同时具有一定耐久性, 为验证所提出改性方案的合理性, 以及寻求聚丙烯纤维和碎石最优掺量, 进行了该复合改性方案夯土抗压性能试验。试验结果表明, 该复合改性方案较显著地提高了夯土抗压强度, 可用于实际夯土墙房屋的建造中, 以达到提高房屋墙体承载力和抗裂性能的目的。

　　 聚丙烯纤维是以聚丙烯为原材料, 通过特殊工艺制造而成的, 聚丙烯纤维的密度为0.90~0.92g/cm³。聚丙烯纤维具有强度高、耐酸、耐碱、抗微生物等优良特性, 已在加固软土、灰土等方面^[21,22,23]得到成功应用, 可以起到荷载传递和分散的作用, 有效增强土体的强度和抗裂性。基于此, 在本文改性试验中拟加入聚丙烯纤维, 以增加夯土内固相物质重组, 以起到抗裂改良作用, 提高强度和耐久性。选用的纤维长度为12mm。

　　 碎石指的是符合工程要求的岩石, 经开采并按一定尺寸加工成有棱角的粒料, 粒径一般在5~25mm。碎石是天然材料, 其强度高, 在夯土墙中可以起到骨架作用, 有效提高夯土墙体的受力性能。

　　 土工格栅常用作加筋土结构的筋材或复合材料的筋材, 本次试验选用双向聚丙烯纤维经编土工格栅, 见图1, 2。该类格栅具有抗拉强度高, 延伸力小, 抗撕力强度大, 纵横强度差异小, 耐紫外线老化、耐磨损、耐腐蚀、质轻等优点, 与土或碎石嵌锁力强, 可约束土体侧向变形, 提高土体的强度、承载力和整体性^[24]。

　　 在夯土中加入多少掺量的聚丙烯纤维、碎石、不同粒径碎石组合, 并加入土工格栅可使夯土的抗压强度得到最大程度的提高, 为寻求结果进行了如下抗压性能试验:1) 单独加入掺量 (质量比) 分别为0.25%, 0.5%, 0.75%, 1%的聚丙烯纤维夯土试样;2) 单独加入掺量 (质量比) 分别为5%, 10%的粒径5mm碎石夯土试样;3) 同时加入不同掺量聚丙烯纤维和碎石 (含不同粒径碎石组合) 的夯土试样;4) 同时加入聚丙烯纤维、碎石 (含不同粒径碎石组合) 和土工格栅夯土试样。

　　 在试验中, 均采用液性指数为0.21的硬塑性黏土, 各类试样都按照其最优含水量夯实成直径60mm、高60mm的圆柱体试样 (图3) , 然后将试样放置于通风干燥处, 待试样水分散失至自然干燥状态 (15d左右) , 质量和强度稳定后, 在微机控制电液伺服万能试验机 (图4) 按0.5mm/min速度进行抗压性能试验。

　　 设定了五组掺量分别为0% (素土) , 0.25%, 0.5%, 0.75%, 1%的聚丙烯纤维夯土试样 (每组6个试样) 进行本组试验, 试样最优含水量分别为11.2%, 11.1%, 11%, 10.8%, 10.6%。在试验中设定最大纤维掺量为1%的原因是:如加入更多纤维, 夯土试样的纤维在土中已表现明显的成团现象, 不易均匀分布于土体中。试验结果如表1所示。

　　 表1表明, 加入聚丙烯纤维的夯土试样的抗压强度随着纤维含量的增大而增大;1%纤维的夯土试样抗压强度得到了最大程度的提高。0% (素土) 试样的抗压强度为1.60MPa, 而1%聚丙烯纤维夯土试样抗压强度可达到2.67MPa, 可使夯土的抗压强度提高约64%, 改良效果良好。图5为0% (素土) 和1%聚丙烯纤维夯土试样压力-位移关系曲线。结合试验现象发现1%纤维的夯土试样在试验荷载达到5.1k N时, 试样才有微小裂缝, 而在此荷载作用下, 0% (素土) 试样已破坏;且达到极限荷载7.57k N时, 荷载下降也平缓, 到试验结束, 也只形成了一些主要裂缝, 但试样都保持了较好原始形状, 这说明在夯土中掺入适量聚丙烯纤维可以控制夯土裂缝的产生和发展, 提高了夯土抗压强度。

　　 在上述聚丙烯纤维夯土试验基础上, 拟加入碎石以进一步提高夯土的抗压强度。为此, 设定了如下聚丙烯纤维、粒径5mm碎石夯土试样:1) 5%碎石夯土;2) 10%碎石夯土;3) 0.5%聚丙烯纤维、5%碎石夯土;4) 1%聚丙烯纤维、5%碎石夯土;5) 0.5%聚丙烯纤维、10%碎石夯土;6) 1%聚丙烯纤维、10%碎石夯土。对上述试样进行抗压性能试验。其中, 前两组试样单独加入碎石的主要原因是:1) 明确在夯土中加入碎石是否可以提高夯土的抗压强度;2) 加入碎石对夯土抗压强度的提高程度。通过试验, 获得了表2所示的试验结果。

　　 表2中单独加入碎石的试验数据表明:当在夯土中单独掺入5%, 10%, 粒径为5mm的碎石, 反而使夯土试样的抗压强度分别降低了11%, 42%。通过观察试验现象发现, 单独加入碎石夯土试样一旦出现裂缝就很快达到极限承载力, 裂缝也主要出现在石子和土接合面位置, 试验结束后试样几乎完全破碎, 不再是一个整体, 表现出脆性破坏特征。这表明石子强度虽然比较大, 但石子是分散的, 与土之间不能形成可靠的粘结力, 并不能提高夯土抗压强度。

　　 而在夯土中同时加入不同掺量的聚丙烯纤维、碎石, 使得夯土的抗压强度相对于0% (素土) 都得到了不同程度的提高, 分别为:0.5%聚丙烯纤维、5%碎石夯土试样提高了34%, 1%聚丙烯纤维、5%碎石夯土试样提高了85%, 1%聚丙烯纤维、5%碎石夯土试样提高了14%, 1%聚丙烯纤维、10%碎石夯土试样提高了19%。而相对于1%聚丙烯纤维夯土试样, 仅有1%聚丙烯纤维、5%碎石夯土试样抗压强度提高了11%, 其他夯土试样抗压强度都相对于其他相应纤维掺量的夯土试样没有得到提高, 反而使其强度降低。这说明要使同时加入纤维、碎石的夯土抗压强度得到提高, 需要加入适量的纤维和一定粒径且适量的碎石。本组试验结果表明, 在夯土中加入1%聚丙烯纤维、5%粒径为5mm的碎石可以使夯土的抗压性能得到最大程度的提升。结合2.1节所述聚丙烯纤维夯土试验现象, 掺入聚丙烯纤维和碎石的夯土抗压强度得到提升的机理应是聚丙烯纤维起到了传递和分散荷载的作用, 可控制夯土裂缝的产生和发展, 而碎石在聚丙烯纤维控制裂缝产生和发展的基础上, 在土体中形成骨架, 提高了夯土的抗压性能。

　　 上述聚丙烯纤维、夯土试样中加入碎石仅为5mm粒径的碎石, 未考虑粒径和不同粒径配比对同时加入聚丙烯纤维和碎石夯土试样抗压性能的影响, 为此进行了夯土中加入1%聚丙烯纤维, 掺量均为5%, 碎石粒径分别为小于5, 5, 10, 15, 20mm和不同粒径碎石组合的夯土试样的抗压试验。

　　 图6为1%聚丙烯纤维、不同粒径碎石夯土试样压力-位移关系曲线, 该曲线表明, 在1%聚丙烯纤维夯土中, 加入5%不同粒径的夯土试样相对于0%素土的抗压性能都有明显的改善, 但是相对于加入1%聚丙烯纤维, 5%碎石粒径5mm的夯土试样, 仅有掺入1%聚丙烯纤维、碎石粒径小于5mm和10mm的夯土试样抗压性能得到了提高, 分别提高了5.1%和7.1%, 其中又以1%聚丙烯纤维, 5%粒径为10mm的夯土试样的抗压性能提高最为明显。

　　 图7为1%聚丙烯纤维、不同粒径碎石组合夯土试样压力-位移关系曲线, 该试验是在1%聚丙烯纤维、5%不同粒径碎石夯土试样抗压试验基础上进行的。主要在1%聚丙烯纤维夯土试样基础上加入5%不同粒径碎石组合形成两组试样进行抗压强度试验, 试样如下:1) 1%聚丙烯纤维、5%碎石组合 (粒径小于5mm碎石和10mm碎石质量比为1∶1) 的夯土试样;2) 1%聚丙烯纤维、5%碎石组合 (粒径小于5mm碎石、10mm碎石和15mm碎石质量比为1∶1∶1) 的夯土试样。

　　 由试验可知, 1%聚丙烯纤维、5%10mm碎石的极限抗压强度为3.19MPa;1%聚丙烯纤维、5%碎石组合 (小于5mm碎石和10mm碎石质量比1∶1) ) 的极限抗压强度为3.24MPa;1%聚丙烯纤维、5%碎石组合 (小于5mm碎石, 10mm碎石和15mm碎石质量比1∶1∶1) 的极限抗压强度为3.5。

　　 在聚丙烯纤维掺量为1%、碎石掺量为5%的情况下, 粒径小于5mm碎石和10mm碎石组合 (质量比为1∶1) 的夯土试样抗压强度较仅掺入10mm碎石的抗压强度提高了5%。而粒径小于5mm碎石、10mm碎石和15mm碎石组合 (质量比为1∶1∶1) 的夯土试样的抗压强度从掺入5%粒径10mm碎石的夯土试样的抗压强度3.19MPa提高到了3.5MPa, 提高约10%, 且变形性能也较粒径小于5mm和10mm碎石组合 (质量比为1∶1) 夯土试样有明显提高。

　　 为进一步提高夯土的抗压性能, 拟在夯土中加为入土工格栅。主要在1%聚丙烯纤维、5%粒径10mm碎石的夯土试样和1%聚丙烯纤维、5%碎石组合 (粒径小于5mm碎石、10mm碎石和15mm碎石质量比为1∶1∶1) 的夯土试样试验基础上, 进行加入与未加入土工格栅的对比试验。由于试样小, 仅在试样中加入一层土工格栅。通过试验, 获得了表4试验结果和图8所示的压力-位移关系对比曲线。

　　 由试验可知, 1%聚丙烯纤维、粒径10mm碎石掺量为5%夯土的抗压强度为3.19MPa;1%聚丙烯纤维、5%碎石组合 (小于5mm碎石、10mm碎石和15mm碎石质量比为1∶1∶1) 夯土的抗压强度为3.51MPa;1%聚丙烯纤维、粒径10mm碎石掺量为5%加土工格栅夯土的抗压强度为3.33MPa;1%聚丙烯纤维、5%碎石组合 (小于5mm碎石、10mm碎石和15mm碎石质量比为1∶1∶1) 夯土加土工格栅的抗压强度为3.89MPa。

　　 由图8可知, 在1%聚丙烯纤维、5%粒径10mm碎石的夯土试样和1%聚丙烯纤维、5%碎石组合 (粒径小于5mm碎石、10mm碎石和15mm碎石质量比为1∶1∶1) 的夯土试样中加入土工格栅后, 其抗压性能都得到了不同程度的提高, 使夯土试样的抗压强度分别从3.19, 3.51MPa提高到了3.33, 3.89MPa, 提高程度分别为4.1%, 10.93%, 相对于0% (素土) 提高了104%, 139%。

　　 另外从图8中可看出, 加入经编土工格栅的纤维、碎石夯土试样的压力-位移关系曲线与未加入土工格栅的纤维、碎石夯土试样压力-位移关系曲线基本相似, 这说明经编土工格栅在提高聚丙烯纤维、碎石夯土试样抗压性能的同时, 对试样受力破坏过程不会有明显改变, 不会表现出明显脆性破坏特征。

　　 (1) 单独掺入聚丙烯纤维, 以加入1%的聚丙烯纤维夯土试样抗压强度最优, 可使夯土的抗压强度提高约64%。

　　 (2) 同时加入聚丙烯纤维和碎石夯土试样, 以加入1%聚丙烯纤维、5%碎石组合 (粒径小于5mm碎石、10mm碎石和15mm碎石质量比为1∶1∶1) 夯土试样最优, 可以使夯土抗压强度提高104%。

　　 (3) 在夯土中加入1%聚丙烯纤维、5%碎石组合 (粒径小于5mm碎石、10mm碎石和15mm碎石质量比为1∶1∶1) 和土工格栅的夯土改性方案最优, 可使夯土的抗压强度提高139%, 使夯土的抗压强度得到最大程度的提高。该改性方案可有效提高夯土墙体的抗压、抗裂性能。

　　 (4) 在夯土中加入合适掺量的聚丙烯纤维、碎石和土工格栅, 可以有效地提高夯土的抗压、抗裂性能;其机理在于聚丙烯纤维可以起到传递和分散荷载的作用, 承担土体内部分拉应力, 提高了土体的抗裂性和强度指标, 土工格栅有效地起到了嵌锁土体和侧向约束的作用, 提高了土体整体性能和强度, 碎石在土工格栅和聚丙烯纤维的约束作用, 有效地起到了土体骨架作用, 三者有机结合, 有效地提高了夯土的抗压、抗裂性能, 且上述三种材料都具有一定的耐久性, 不会影响夯土的可再生性能。