聚丙烯腈纖維水泥土的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

賀祖浩，李守德，姚　燕，董　薇，曹明緯

(河海大學(xué)　土木與交通學(xué)院，江蘇　南京　210098)

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聚丙烯腈纖維水泥土的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究

賀祖浩，李守德，姚燕，董薇，曹明緯

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098)

摘要：通過試驗(yàn)研究聚丙烯腈纖維對(duì)水泥土力學(xué)性質(zhì)的影響，對(duì)水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)分析。結(jié)果表明：纖維能夠明顯的提高水泥土的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)，纖維對(duì)水泥土劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度的提高優(yōu)于纖維對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的提高，纖維能夠大大提高水泥土粘聚力，以及相同上浮荷載下的抗剪強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：聚丙烯腈纖維；水泥土；力學(xué)性質(zhì)；粘聚力；抗剪強(qiáng)度

近年來水泥土因?yàn)槠湟子谑┕?、造價(jià)低、污染少等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于軟土地基加固、基礎(chǔ)防滲、渠岸護(hù)坡等實(shí)際工程。但水泥土是脆性材料,容易發(fā)生斷裂破壞，造成工程事故。許多學(xué)者開始研究在水泥土中加入纖維來改善水泥土的性質(zhì),并取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，纖維在混凝土中的應(yīng)用已經(jīng)趨向成熟。石北嘯研究了鋼纖維混凝土動(dòng)載疲勞特性；石欠欠通過Ansys對(duì)碳纖維混凝土梁的裂縫進(jìn)行模擬；李廣信指出聚丙烯纖維可以有效提高土體的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)對(duì)土體的臨界斷裂韌度也有明顯增強(qiáng)；何培玲研究了鋼纖維對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度有小部分提高；唐朝生等人按不同質(zhì)量百分比的聚丙烯纖維分別加入素土、石灰土和水泥土中，用以提高水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，改善水泥土脆性破壞形式；張雷等人研究了聚丙烯纖維對(duì)水泥土彈性模量的影響。研究纖維水泥土纖維的選擇大都集中在聚丙烯纖維和玻璃纖維上。聚丙烯腈纖維相較聚丙烯纖維有更高的抗拉強(qiáng)度，更大的密度，不會(huì)像聚丙烯纖維一樣浮在水泥漿液表面；玻璃纖維在堿性條件下容易腐蝕。所以本文選擇在水泥土中摻入聚丙烯腈纖維來改善水泥土的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì),分別對(duì)纖維水泥土做了無側(cè)限抗拉、劈裂抗拉、抗折和直剪實(shí)驗(yàn)，以研究聚丙烯腈纖維對(duì)水泥土力學(xué)性質(zhì)的改善效果。

1材料與方法

1.1　試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣為南京地鐵4號(hào)線回填所用硬質(zhì)粘土，土樣進(jìn)行風(fēng)干碾碎，并過5mm篩，其物理力學(xué)性質(zhì)如圖1、表1所示。水泥為市場(chǎng)上銷售的32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。試驗(yàn)所選用的纖維為聚丙烯腈單絲短纖維，其物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表1　土壤基本物理性質(zhì)

表2　聚丙烯腈纖維的主要性能指標(biāo)

1.2　試驗(yàn)方案與裝置

本次實(shí)驗(yàn)水泥摻量為15%，纖維摻量分別按與土的質(zhì)量之比0.5%、1%、1.5%摻入。對(duì)纖維水泥土做了7、14、28d的無側(cè)限抗壓、劈裂抗拉、抗折和直剪實(shí)驗(yàn)。其中無側(cè)限抗壓、劈裂抗拉試樣尺寸是70.7mm×70.7mm×70.7mm的標(biāo)準(zhǔn)正方體，抗折實(shí)驗(yàn)用的是40mm×40mm×160mm的小梁試件，直剪實(shí)驗(yàn)用的是標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀試樣。為保證纖維能夠均勻的摻入水泥土試塊中，把纖維分少量多次依次加入攪拌機(jī)中，當(dāng)攪拌均勻后，把水泥土裝入水泥土試模，24h后脫模編號(hào)，在水中分別養(yǎng)護(hù)7、14、28d后取出。無側(cè)限抗壓、劈裂抗拉與抗折實(shí)驗(yàn)在多功能萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。在直剪儀上做水泥土的直剪實(shí)驗(yàn)。

2結(jié)果分析

2.1　聚丙烯腈纖維對(duì)水泥土荷載-位移曲線的影響

圖2為不同齡期聚丙烯腈纖維水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線，由曲線可以看出，在曲線達(dá)到峰值之前，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本線性增長(zhǎng);當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線達(dá)到峰值后，水泥土強(qiáng)度急劇減小，水泥土呈脆性破壞。纖維水泥土當(dāng)強(qiáng)度達(dá)到峰值后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較平緩，沒有水泥土強(qiáng)度急劇減小的情況出現(xiàn)。

水泥土破壞后的特點(diǎn)是基體迅速喪失承載力，而纖維水泥土破壞后會(huì)有很大的殘余強(qiáng)度，殘余強(qiáng)度隨纖維的摻入量的增加而增大。說明纖維的摻入使水泥土從脆性到柔性的變化。

2.2　聚丙烯腈纖維對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的影響

由圖3可以看出纖維的摻入能夠明顯的提高水泥土的強(qiáng)度。水泥土的強(qiáng)度隨纖維的摻入呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。三個(gè)齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的最大值都是在摻入量為1%時(shí)。其中7、14、28d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別較相同齡期未摻纖維的水泥土增加了75%、59%、42%；三個(gè)齡期劈裂抗拉強(qiáng)度分別較相同齡期水泥土增加了110%、103%、71%；三個(gè)齡期抗

折強(qiáng)度分別較相同齡期水泥土增加了156%、132.8%、124.1%。

為了能夠更好的反映纖維的摻入對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析。從圖3可以看出，不同纖維摻量下纖維的摻量和抗壓、劈裂抗拉、抗折強(qiáng)度均可用二次曲線進(jìn)行擬合，其中纖維摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度擬合方程與擬合度檢驗(yàn)值R2均大于0.91；纖維摻量與劈裂抗拉強(qiáng)度擬合方程與擬合度檢驗(yàn)值R2均大于0.83；擬合方程與擬合度檢驗(yàn)值R2均大于0.95，相關(guān)性較高。

y=ax2+bx+c

式中，y為水泥土與纖維水泥土的強(qiáng)度(kPa)；x為干纖維的摻量；a,b,c為公式擬合系數(shù)，取值與水泥土性質(zhì)和纖維含量有關(guān)。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，纖維水泥土不僅可以提高水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，對(duì)水泥土抗折與劈裂抗拉強(qiáng)度的提高更加明顯,原因是纖維在水泥土基體中主要承擔(dān)拉應(yīng)力，基體在受拉時(shí)纖維能夠很好的發(fā)揮其高模量高延伸率的特點(diǎn)，能夠很好的提高水泥土基體的抗拉強(qiáng)度與抗彎性能。

2.3　聚丙烯腈纖維對(duì)水泥土抗剪強(qiáng)度的影響

由圖4可以看出，在不同的上浮壓力下纖維的摻入都能夠較大幅度的提高水泥土的抗剪強(qiáng)度。纖維的摻入能夠大幅提高水泥土的粘聚力，7d齡期水泥土的粘聚力從69.9kPa最高提高到了419.3kPa；14d齡期粘聚力由225.1kPa提高到563.9kPa；28d齡期粘聚力由402kPa最高提高到了1032kPa。

在考察范圍內(nèi)，對(duì)抗剪強(qiáng)度的提高并不是纖維摻量愈多越好。綜合來看當(dāng)上浮載荷達(dá)到400kPa時(shí)，纖維摻量為0.5%的水泥土強(qiáng)度抗剪最高。在14d與28d齡期時(shí)纖維摻量為0.5%時(shí)對(duì)抗剪強(qiáng)度提高效果最好。由圖4(d)、(e)可以看出當(dāng)纖維摻量為0.5%時(shí)，纖維不僅能很大程度上提高水泥土的粘聚力，水泥土的內(nèi)摩擦角也沒有減小。而在纖維摻量為1%時(shí)，雖然能夠明顯提高水泥土的粘聚力，但水泥土的內(nèi)摩擦角也有明顯的減小。說明對(duì)于抗剪強(qiáng)度來說，纖維在水泥土中也有最優(yōu)摻量的問題。

3機(jī)理分析

目前對(duì)纖維在水泥土中的作用分析主要集中在摩擦加筋的作用，即隨著水泥土的固結(jié)硬化，纖維和水泥土界面之間產(chǎn)生粘結(jié)力。在受荷初期，水泥土和纖維共同承擔(dān)外力，而水泥土基體是外力的主要承擔(dān)者，纖維主要起加筋的作用。當(dāng)荷載進(jìn)一步增大，水泥土?xí)a(chǎn)生細(xì)小裂縫，由于加入的纖維嵌入了水泥土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的內(nèi)部和各個(gè)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)之間，阻礙了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，使得水泥土的整體性更加緊密，纖維承受拉應(yīng)力并把附加應(yīng)力傳給水泥土基體，進(jìn)而可以阻止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。從而提高纖維水泥土的強(qiáng)度。

觀察纖維水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)水泥土的韌性與延性均有顯著的提高。巖石與混凝土等脆性材料在不同圍壓下也表現(xiàn)出不同的特征。隨著圍壓的增大，材料的延性和強(qiáng)度均得到顯著的提高，圍壓的作用猶如在圓柱形混凝土外設(shè)置箍筋或螺旋筋對(duì)混凝土柱的約束效應(yīng)，阻止了裂紋的傳播和擴(kuò)展。

所以筆者認(rèn)為纖維在水泥土中也存在等效圍壓的作用。纖維在水泥土中亂向分布，在豎向應(yīng)力作用下，水泥土產(chǎn)生側(cè)向變形，而相對(duì)于水平分布的纖維嵌入水泥土中則產(chǎn)生了類似箍筋或螺旋筋的效果，對(duì)水泥土起到側(cè)向約束。在水泥土直剪實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)纖維的摻入能夠大大增加水泥土的粘聚力，內(nèi)摩擦角除在纖維摻量為1%齡期為14、28d有明顯減小外，其它變化不大。在豎向壓力與抗剪強(qiáng)度曲線來看，利用摩爾庫(kù)倫強(qiáng)度理論，Mohr圓與包絡(luò)線相切使水泥土破壞。若Mohr圓都過原點(diǎn)，那么明顯摻入纖維的水泥土主應(yīng)力較大；若主應(yīng)力相同，那么未摻纖維的水泥土Mohr圓定要向右移動(dòng)，與坐標(biāo)軸的交點(diǎn)離原點(diǎn)的距離，就是等效圍壓。這從另一個(gè)方面證明了等效圍壓假設(shè)的正確性。

4結(jié)論

1)聚丙烯腈纖維能夠很好的提高水泥土的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì),改善水泥土脆斷破壞的性質(zhì)。纖維水泥土具有更好的整體性，裂而不斷，其中對(duì)水泥土抗折、抗拉強(qiáng)度的提高較無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的提高更加明顯。

2)聚丙烯腈纖維能夠大大提高水泥土的粘聚力，對(duì)內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律不是特別明顯，纖維的摻入能夠大大提高水泥土的抗剪強(qiáng)度。

3)纖維對(duì)水泥土的作用不僅有摩擦加筋的作用，還有類似混凝土中箍筋的作用，阻止水泥土的側(cè)向變形，起到等效圍壓的作用。

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(特約編輯李軍)

ExperimentalstudyonmechanicalpropertiesofPANfibercementsoil

HEZu-hao，LIShou-de，YAOYan,DONGWei,CAOMing-wei

(InstituteofCivilandTrafficEngineering,HohaiUniversity,JiangsuNanjing210098,China)

Abstract：Inthispaper,throughtheexperimentalstudyonpolyacrylonitrilefiberonmechanicalpropertiesofcementstabilizedsoilandthecementsoilwithoutsidelimitcompressionstrength,splittingtensilestrength,flexuralstrength,shearstrengthtestandanalysiswereconducted.Resultsshowthat,fibercanobviouslyimprovethecementsoilofthemechanicalpropertiesofthematter.Fiberoncementsoilsplittingtensileandflexuralstrengthincreaseisbetterthanfiberonthecompressivestrengthofcementsoilimprove.Fibercangreatlyenhancethecohesionofcementsoil,andunderthesamefloatingloadshearstrength.

Keywords：PANfiber;cementsoil;mechanicalproperty;cohesiveforce;shearstrength

中圖分類號(hào)：P642.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-9469(2015)04-0042-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2015.04.010

作者簡(jiǎn)介：賀祖浩(1988-)，男，江蘇徐州，碩士，研究方向?yàn)槔w維水泥土試驗(yàn)與邊坡穩(wěn)定。

基金項(xiàng)目：教育部博士點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(20100094110002)

收稿日期：2015-08-28