粉煤灰
—玄武巖纖維改良膨脹土試驗(yàn)研究

莊心善， 游　鵬， 余曉彥， 周　談

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢　430068)

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粉煤灰
—玄武巖纖維改良膨脹土試驗(yàn)研究

莊心善， 游鵬， 余曉彥， 周談

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院， 湖北 武漢430068)

[摘要]作為20世紀(jì)的重大發(fā)明，加筋技術(shù)被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)，我國(guó)的路網(wǎng)等級(jí)和密度不斷提高，公路膨脹土問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。粉煤灰改良膨脹土的應(yīng)用十分廣泛，但是利用粉煤灰改良中強(qiáng)膨脹土的效果并不理想。將4種不同百分比(0%、0.15%、0.3%和0.45%)的玄武巖纖維分別均勻摻入到最優(yōu)摻灰率為20%的膨脹土中，配制試樣，通過(guò)試驗(yàn)研究不同纖維含量，不同養(yǎng)護(hù)齡期，不同圍壓對(duì)加筋灰土的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：與粉煤灰改良膨脹土相比，玄武巖纖維加筋灰土的強(qiáng)度有很大提高，自由膨脹率明顯減?。煌瑫r(shí)可以確定灰土的最佳加筋率為0.3%。

[關(guān)鍵詞]玄武巖纖維； 膨脹土； 改良； 強(qiáng)度

0前言

膨脹土在我國(guó)分布廣泛，作為一種特殊的粘性土，在工程中被稱(chēng)為“工程中的癌癥”[1]。它遇水體積迅速膨脹，失水體積迅速收縮，對(duì)道路及其他建筑物的建設(shè)有著巨大的破壞作用，極易引發(fā)安全事故。粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，被廣泛的應(yīng)用在膨脹土的改良中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。但在應(yīng)用中我們也發(fā)現(xiàn)依靠粉煤灰改良中、強(qiáng)膨脹土的效果不是很明顯[2]。纖維加筋技術(shù)的出現(xiàn)，為膨脹土的改良提供了一種全新的方法，許多學(xué)者已在這方面做了大量的研究并取得了良好的效果：施利國(guó)，張孟喜[3]等研究發(fā)現(xiàn)與普通灰土相比，聚丙烯纖維能有效的增大灰土的抗剪強(qiáng)度；徐洪鐘，彭軼群[4]等在膨脹土中摻入玄武巖纖維的試驗(yàn)表明玄武巖纖維能夠抑制膨脹土的脹縮性，同時(shí)膨脹土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度也均有提高。玄武巖纖維作為一種新型的綠色無(wú)機(jī)高性能材料，以其良好的性能和低廉的成本[5，6]，被我國(guó)列為重點(diǎn)發(fā)展的四大纖維之一，被廣泛的應(yīng)用于各行業(yè)中。本文通過(guò)在膨脹土中加入粉煤灰和玄武巖纖維，進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)：直剪試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及三軸壓縮試驗(yàn)來(lái)研究不同纖維含量，不同齡期，不同圍壓下膨脹土的強(qiáng)度特性，為玄武巖纖維-粉煤灰改良膨脹土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所使用玄武巖纖維的平均長(zhǎng)度為6 mm，將成束的纖維撕開(kāi)后，與膨脹土均勻拌合。其性能指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 玄武巖纖維的性能指標(biāo)Table1 Performanceindexofbasaltfiber纖維類(lèi)型單絲直徑/μm密度/(kg·m-3)平均長(zhǎng)度/mm抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa極限延伸率/%耐酸堿性熔點(diǎn)/℃束狀單絲13265063500～380092～1103.199.51250

本試驗(yàn)使用的粉煤灰，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得其主要的化學(xué)成分及含量如表2所示，從粉煤灰的主要氧化物組成成分來(lái)看， CaO的含量低于10%，根據(jù)A STM粉煤灰分類(lèi)方法可以確定本試驗(yàn)所用粉煤灰為F。

表2 粉煤灰的組成成分Table2 Composingcomponentoffly-ash%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OK2OTiO2燒失量45.3124.118.269.282.533.851.221.151.083.21

試驗(yàn)土樣取自河南南陽(yáng)某高速公路施工工地，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2007在工程現(xiàn)場(chǎng)取土?xí)r，試樣的含水率較高，成塊狀。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得其為中膨脹土，其物理參數(shù)如表3所示。

表3 土的物理參數(shù)Table3 Physicalparametersofsoil比重粘土礦物主要成分含量/%伊蒙混層礦物伊利石高嶺石塑限Wp/%液限WL/%塑性指標(biāo)Ip/%天然密度ρ/(g·cm-3)含水率W/%2.781.35.27.120.755.235.61.9927.3

2試件制備

試驗(yàn)開(kāi)始前，按照土工試驗(yàn)要求，將試驗(yàn)土放入烤箱中在105 ℃～110 ℃條件下烘烤24 h后碾碎過(guò)2 mm篩。通過(guò)前期試驗(yàn)，測(cè)得膨脹土的最大干密度和最優(yōu)含水率分別為1.83 g/cm3、22.3%，粉煤灰改良膨脹土的最佳摻灰率(重量比)為20%，因此在本試驗(yàn)中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的粉煤灰，并分別測(cè)定其最優(yōu)含水率和最大干密度，如圖1所示。

由圖1可知： 測(cè)得的最優(yōu)含水率、最大干密度分別為21.4%、1.74 g/cm3。摻入粉煤灰后膨脹土的最優(yōu)含水率和最大干密度均出現(xiàn)了不同程度的降低，這是因?yàn)樵趽魧?shí)過(guò)程中，粉煤灰與膨脹土中的離子發(fā)生交換作用，降低了膨脹土周?chē)p層電子層的厚度，同時(shí)加速了絮凝作用的發(fā)生，因而導(dǎo)致了最優(yōu)含水率降低；粉煤灰屬于不良及配，密度較小，可以填充膨脹土的空隙；此外，由于發(fā)生膠結(jié)作用，降低了擊實(shí)特性，導(dǎo)致干密度降低。

為了使試樣的含水率均勻穩(wěn)定，將試樣調(diào)配至最優(yōu)含水率后用保鮮膜密封放置在濕度95%以上的養(yǎng)護(hù)缸中養(yǎng)護(hù)24 h。在試樣制備前分別加入含量為0%、0.15%、0.3%、0.45%的玄武巖纖維充分拌合。

圖1　灰土的擊實(shí)試驗(yàn)曲線Figure 1　The compaction curves

將摻入纖維的試樣按照土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)，采用φ39.1 mm×80 mm的模具來(lái)制作無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)的試樣；脹縮性試驗(yàn)采用尺寸為φ61.8 mm×20 mm的環(huán)刀直接取樣。將制備好的試樣密封后放入養(yǎng)護(hù)缸中養(yǎng)護(hù)，按照試驗(yàn)方案，對(duì)不同纖維含量、不同養(yǎng)護(hù)齡期的試樣進(jìn)行強(qiáng)度與變形試驗(yàn)，據(jù)此研究不同因素對(duì)膨脹土力學(xué)性能的影響。

3試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1纖維對(duì)灰土脹縮性影響

根據(jù)土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[7],進(jìn)行纖維灰土的脹縮性試驗(yàn)。由于纖維加筋灰土的脹縮性具有很多共性，故選取其中部分典型曲線進(jìn)行分析。如圖曲線為粉煤灰含量20%，齡期為1 d的無(wú)荷載膨脹率與時(shí)間關(guān)系曲線。

從圖2中可以明顯的看出： 隨著纖維的增加，試樣的無(wú)荷載膨脹率明顯減小。這是因?yàn)樵谕馏w摻入的纖維，表面粗糙，增大了與土體的接觸面積，使得試塊內(nèi)部的摩擦力增大，起到了約束作用，從而導(dǎo)致試件內(nèi)部的膨脹力減小，阻止試樣的膨脹變形。但當(dāng)纖維含量超過(guò)0.3%時(shí)，試樣無(wú)荷載膨脹率減小不明顯，考慮到實(shí)際工程需要，纖維含量為0.3%時(shí)是最經(jīng)濟(jì)的。

圖2　不同纖維含量下的無(wú)荷載膨脹率與時(shí)間關(guān)系曲線Figure 2　The no load expansion rate with times curves in different fiber content

3.2纖維對(duì)灰土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響

試驗(yàn)采用的是YYW-Ⅱ型無(wú)側(cè)限抗壓儀，其配套重塑筒型號(hào)為φ39.1 mm×80 mm，按《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2007制備試樣。進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，升降板的速率控制在0.06～0.12 mm/min,使得試樣能在8～20 min內(nèi)完成，并按照0.5%應(yīng)變量記錄軸向壓力。當(dāng)百分表達(dá)到峰值或者讀數(shù)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行3%～5%的應(yīng)變值后停止試驗(yàn)。

由圖3無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線可知： 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著纖維含量的增加而逐漸增加，當(dāng)纖維的含量增加到0.3%時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，當(dāng)纖維含量繼續(xù)增加，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減小，這說(shuō)明纖維可以增加灰土的抗壓強(qiáng)度，而且當(dāng)纖維含量為0.3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值。在相同纖維條件下，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大的，當(dāng)齡期達(dá)到14 d時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化值最大，這說(shuō)明養(yǎng)護(hù)時(shí)間的長(zhǎng)短也可以增加灰土的抗壓強(qiáng)度，建議加筋灰土的養(yǎng)護(hù)周期至少為14 d。

圖3　不同纖維含量、不同齡期下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線Figure 3　The unconfined compressive strength curves in different fiber content and different ages

3.3應(yīng)力-應(yīng)變曲線

試驗(yàn)采用南京電力自動(dòng)化總廠生產(chǎn)的SJ-1A.G型應(yīng)變控制式三軸儀進(jìn)行三軸CU試驗(yàn)，選用φ61.8 mm的壓力室，試驗(yàn)數(shù)據(jù)提取采用TSW-3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)中σ3采用100、200、300 kPa共3種圍壓。試驗(yàn)以(σ1-σ3)的峰值為破壞點(diǎn)。根據(jù)不同的纖維含量、不同的養(yǎng)護(hù)齡期共設(shè)計(jì)出16種試驗(yàn)工況(見(jiàn)表4)，為了降低試驗(yàn)的偶然性，每組試樣都在圍壓為100、200、300 kPa的條件下分別進(jìn)行3組平行試驗(yàn)，共計(jì)48組有效數(shù)據(jù)。

表4 試驗(yàn)工況Table4 Testconditions試樣期齡/d粉煤灰含量20%時(shí)的玄武巖纖維參量(s)/%100.150.30.45700.150.30.451400.150.30.452800.150.30.45

由于加筋灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線走勢(shì)大致相似，本文選取養(yǎng)護(hù)周期為28 d，纖維含量為0.3%的試樣來(lái)繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見(jiàn)圖4。

圖4　100、200、300 kPa圍壓下28 d養(yǎng)護(hù)條件下不同纖維含量改良土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 4　Deviator stress-axial strain curves in different fiber content under the 28 days curing condition and confining pressure 100,200,300 kPa

由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知：

① 玄武巖纖維加筋灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的走勢(shì)大致與普通灰土大致相同。

② 玄武巖纖維加筋灰土隨著軸向應(yīng)變的增加，主應(yīng)力差也是在不斷增大的；當(dāng)軸向應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢〞r(shí)，主應(yīng)力不再增加，甚至有減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)榧咏罨彝涟l(fā)生應(yīng)變硬化，表現(xiàn)出了良好的延性。

③ 摻入玄武巖纖維后，在同一圍壓條件下，纖維含量從0%增加到0.3%時(shí)，主應(yīng)力差隨著纖維含量的增加而增加。這是因?yàn)槔w維表面的覆蓋著大量的SiO2顆粒，增大了纖維與土體的接觸面積，使得纖維與土體之間的摩擦力增大，這樣就限制了纖維與土體之間的相對(duì)滑動(dòng)，同時(shí)試樣中的纖維可承擔(dān)部分拉應(yīng)力，整體分擔(dān)部分外力作用。此外，試樣中的纖維隨機(jī)分布，相互交織，限制土體變形，有利于提高試樣的力學(xué)性能，并且當(dāng)其中一根纖維受拉時(shí)必然會(huì)帶動(dòng)其他纖維多的共同作用，形成一個(gè)系統(tǒng)的三維受力網(wǎng)絡(luò)[8]，荷載更均勻的分布于整個(gè)試樣，從而進(jìn)一步提高試樣的力學(xué)性能；當(dāng)纖維含量從0.3%增加到0.45%時(shí)，主應(yīng)力差隨著纖維含量的增加而減小，這是因?yàn)楫?dāng)纖維含量超過(guò)最佳摻筋率時(shí)，試樣內(nèi)部的纖維相互交織在一起，呈團(tuán)絮狀，導(dǎo)致纖維與土體之間的相互作用力轉(zhuǎn)變?yōu)槔w維與纖維之間的作用力，而纖維帶有同種電荷相互排斥不利于改良后土體穩(wěn)定。通過(guò)本試驗(yàn)可以確定灰土的最佳摻筋率為0.3%。

④ 從圖4可知: 試樣的強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大。當(dāng)圍壓在100 kPa時(shí)，軸向應(yīng)變的最大為0.04%；而當(dāng)圍壓為300 kPa時(shí)，軸向應(yīng)變的最大值達(dá)到0.12%。這說(shuō)明在較小圍壓條件下，軸向應(yīng)變較小，試樣中的玄武巖纖維尚未發(fā)揮作用；但當(dāng)圍壓較大時(shí)，軸向應(yīng)變相應(yīng)變大，試樣中纖維開(kāi)始伸展，發(fā)揮出灰土與玄武巖纖維之間的相互作用，試樣展現(xiàn)出良好的延展性。

3.4極限偏應(yīng)力

試樣在極限偏應(yīng)力條件下試樣的纖維含量，齡期以及圍壓的相關(guān)曲線。由圖5可知：

① 齡期對(duì)試樣的強(qiáng)度影響很大，在同一玄武巖纖維含量條件下，隨著齡期的增加，試樣的強(qiáng)度也在不斷的增大，當(dāng)齡期達(dá)到14 d時(shí)，試樣的強(qiáng)度差不多是期齡為1 d時(shí)的1.5倍，甚至更多。這是因?yàn)榉勖夯抑泻写罅康幕钚匝趸韬突钚匝趸X，在一定條件下與堿金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水硬性凝膠化合物，隨著時(shí)間的增加，化合物在空氣或者水中逐步硬化，從而增強(qiáng)試樣的強(qiáng)度，粉煤灰中含有少量的MgO、Na2O、K2O等會(huì)逐漸與水結(jié)合生成玻璃體；同時(shí)在膨脹土中摻入粉煤灰，存在離子交換作用，粉

煤灰中存在大量的Ca2+,Al3+,Fe3+等高價(jià)離子可置換出膨脹土中相對(duì)低價(jià)的陽(yáng)離子，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，發(fā)生硬凝反應(yīng)，產(chǎn)生團(tuán)聚或者絮凝作用，使得土體的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有效的提高土體的強(qiáng)度。

② 玄武巖纖維的含量對(duì)試樣的強(qiáng)度也有較大的影響：在不同齡期條件下，試樣的強(qiáng)度隨著纖維含量的增加呈現(xiàn)出較大的增長(zhǎng)。這是因?yàn)槌鋷r纖維與灰土之間存在摩擦力外，玄武巖纖維表面也存在大量的陽(yáng)離子，同步參與到離子的交換過(guò)程中，使

圖5　100、200、300 kPa圍壓下試樣破壞時(shí)的主應(yīng)力差Figure 5　Principal stress difference at failure in confining pressure 100，200，300 kPa

得離子的交換更加徹底，從而降低膨脹土中雙電層的厚度，提高了土體的強(qiáng)度。

4結(jié)論

在最佳摻灰率條件下，通過(guò)對(duì)玄武巖纖維加筋灰土強(qiáng)度與變形特性的試驗(yàn)研究，有如下結(jié)論：

① 在灰土中摻入纖維可有效抑制改良后膨脹土的脹縮性。當(dāng)土體發(fā)生膨脹時(shí)，土體中的纖維通過(guò)與灰土之間的拉力作用、離子交換作用有效抑制土體的膨脹，減小膨脹性，增加灰土的強(qiáng)度。

② 在一定范圍內(nèi)，隨著纖維含量的增加，改良后膨脹土的抗壓強(qiáng)度也在不斷增加；當(dāng)纖維含量達(dá)到0.3%后，其抗壓強(qiáng)度開(kāi)始降低，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的峰值在纖維含量達(dá)到0.3%時(shí)出現(xiàn)。同時(shí)隨著纖維含量增加，試樣破壞時(shí)軸向應(yīng)變也在增加，說(shuō)明摻入纖維使試樣的塑性變形滯后。

③ 隨著養(yǎng)護(hù)周期的延長(zhǎng)，玄武巖纖維-粉煤灰膨脹土的抗壓強(qiáng)度有明顯提高，當(dāng)養(yǎng)護(hù)周期超過(guò)14 d后，其增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。因此結(jié)合工程實(shí)際情況，可以確定利用玄武巖-粉煤灰改良膨脹土的最佳養(yǎng)護(hù)周期為14 d。

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Experimental Study on the Strength of Reinforced Expansive Soils with Fly Ash-basalt Fiber

ZHUANG Xinshan, YOU Peng, YU Xiaoyan, ZHOU Tan

(School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology, Wuhan, Hubei 430068, China)

[Abstract]Reinforcement technology which has made tremendous economic and social benefits is widely used in practical engineering as an important invention in twentieth Century. The expansive soil problem is becoming more and more serious with the network level and the density of our country continues to be improved by the rapid economic growth. Expansive soil is modified by the fly ash widely used, but the effect of modified expansive soil is not ideal. In this paper, four kinds of different percentage (0%, 0.15%, 0.3% and 0.45%) of basalt fiber are evenly mixed into expansive soil of the optimal ratio of fly ash is 20% to prepare for samples, through the experimental study of different fiber content, different curing ages, the different effects of confining pressure on the reinforced soil. The test results show that the strength of modified expansive soil by mixed the basalt fiber is greatly improved compared with the strength of fly ash modified expansive soil, the free expansion rate of modified expansive soil by mixed the basalt fiber is decreased; at the same time the best modified the ratio of basalt fiber is 0.3% in this paper.

[Key words]basalt fiber； expansive soil； modified； strength

[收稿日期]2015-02-10

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金(51209084)

[作者簡(jiǎn)介]莊心善(1984-)，男，河南周口人，博士、教授，研究方向?yàn)榄h(huán)境巖土與邊坡工程，E-mail:zhuangxinshan@163.com

[中圖分類(lèi)號(hào)]TU 472.3+4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0001-04