玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究

姜恒超，李青林，楊志勇，胡宏靂，馬超，阮波

玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究

姜恒超1，李青林1，楊志勇1，胡宏靂2，馬超3，阮波3

(1. 湖南利聯(lián)安邵高速公路開發(fā)有限公司，湖南 漣源 417100；2. 臨武縣公路管理局，湖南 臨武 424300；3. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

為研究玻璃纖維的加筋效果，開展玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。研究纖維摻量為0，1‰，2‰，3‰和4‰，纖維長度3，6，9和12 mm、水泥摻量1%，3%，5%，7%和9%和養(yǎng)護(hù)齡期3，7，14，28和60 d等4個(gè)影響因素對玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明，玻璃纖維水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量和纖維長度的增大而先增大后減小，最優(yōu)纖維摻量為2‰，最優(yōu)纖維長度為6 mm。玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度隨著水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大；玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變隨著纖維摻量的增大而增大，而隨著水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小。

玻璃纖維；水泥改良土；劈裂抗拉強(qiáng)度；峰值應(yīng)變；纖維摻量；纖維長度；水泥摻量；養(yǎng)護(hù)齡期

鐵路路基基床應(yīng)優(yōu)先選用A組填料，其次為B組填料。對于C組和D組填料，應(yīng)采取填料改良。工程實(shí)踐中，雖然常使用水泥改良土，但水泥改良土脆性大、抗彎和抗拉強(qiáng)度低。而玻璃纖維具有抗拉強(qiáng)度大、延伸率小、抗腐蝕性好、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在水泥改良土中摻入玻璃纖維可以提高其抗拉強(qiáng)度和抗裂性能。Kumar等[1]研究表明，加入纖維后，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度得到了提高。Mohammad等[2]通過試驗(yàn)研究了2種不同的纖維和4種來自路易斯安那州的土壤，通過劈裂抗拉試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)纖維存在最優(yōu)摻量，最優(yōu)摻量與土壤種類有關(guān)。Festugato等[3]以巴西阿雷格里港地區(qū)的土為研究對象，研究結(jié)果表明，纖維水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維長度的增大而增大。Fatahi等[4]以軟土為試驗(yàn)對象，研究了聚丙烯纖維、地毯纖維和鋼纖維對水泥土的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度隨地毯纖維摻量和鋼纖維摻量的增加而增大，當(dāng)聚丙烯纖維摻量較小時(shí)，纖維對纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度影響較小。Yadav等[5]用NaOH處理過的椰子纖維、火電廠產(chǎn)生的池灰以及水泥來改良黏土，通過劈裂抗拉試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)劈裂抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量的增加而先增加后減小，在纖維摻量為1%時(shí)強(qiáng)度達(dá)到最大值。高常輝等[6]研究了玄武巖纖維摻入量和摻砂量對水泥粉質(zhì)黏土劈裂抗拉試驗(yàn)的影響。玄武巖纖維水泥粉質(zhì)黏土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著玄武巖纖維摻量的增大而增大，1.5%玄武巖纖維摻量達(dá)到最大值，隨后，隨著玄武巖纖維摻量的增大而減小。殷勇[7]為了改善水泥黏土的力學(xué)性能在水泥土中加入了玻璃纖維，試驗(yàn)結(jié)果表明，在水泥黏土中加入玻璃纖維能有效提高水泥黏土的劈裂抗拉強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，建立了二者之間的關(guān)系表達(dá)式。阮波 等[8]研究了玻璃纖維和石灰對紅黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：在紅黏土中摻入玻璃纖維能顯著提高其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，使其具有較好的水穩(wěn)定性；阮波等[9]以淤泥質(zhì)土為研究對象，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究玻璃纖維對水泥淤泥質(zhì)土的加筋效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥穩(wěn)定土中加入玻璃纖維后其殘余強(qiáng)度較未加入之前有了很大的提高。在實(shí)際工程中，路基不均勻沉降會引起路面開裂、邊坡滑動。但國內(nèi)學(xué)者對纖維土的研究主要集中在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，而劈裂抗拉強(qiáng)度的研究相對較少。本文將研究纖維摻量、纖維長度、水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土來自湖南長沙某工地，物理力學(xué)指標(biāo)見表1，玻璃纖維的物理力學(xué)參數(shù)見表2，水泥的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示。試驗(yàn)用水為長沙市自來水。根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)[10]進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表1 土的物理力學(xué)性質(zhì)

表2 玻璃纖維的物理力學(xué)性質(zhì)

表3 水泥的物理力學(xué)性質(zhì)

表4 土的最大干密度和最優(yōu)含水率

2 試驗(yàn)方案

劈裂抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)采用控制變量法研究纖維摻量、纖維長度、水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期4個(gè)影響因素對玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度、峰值應(yīng)變的影響。具體試驗(yàn)方案見表5。

表5 試驗(yàn)方案

3 試樣制備及試驗(yàn)

根據(jù)《鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》(TB10102—2010)[10]，將水泥、土、纖維和水按一定比例充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笾瞥苫旌狭希缓筮M(jìn)行制樣。玻璃纖維水泥改良黏土壓實(shí)系數(shù)為0.95，成型后的試件直徑為50 mm，高度為50 mm。

進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，加載速率控制在1 mm/min，記錄試件被破壞時(shí)的最大壓力。劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：t為劈裂抗拉強(qiáng)度，kPa；為試樣破壞荷載N；為試樣直徑，mm；為試樣高度，mm。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 纖維摻量影響分析

當(dāng)纖維長度為6 mm，水泥摻入比為3%，不同纖維摻量的玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示。劈裂抗拉強(qiáng)度及對應(yīng)峰值應(yīng)變見圖2。

由圖1可知，不同纖維摻量的玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線有著相似的變化規(guī)律，曲線起始段應(yīng)力隨著應(yīng)變近似呈線性增加，達(dá)到峰值應(yīng)力后，隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力開始衰減，應(yīng)力衰減的速率隨著應(yīng)變的增大而逐漸降低。纖維摻量為2‰的應(yīng)力應(yīng)變曲線上升段最為陡峭，峰值應(yīng)力最大。

圖1 纖維摻量對玻璃纖維水泥改良土應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

glass fiber cement improved soil

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度和峰值應(yīng)變與纖維摻量的關(guān)系曲線

由圖2可知，在水泥改良土中加入纖維能提高其劈裂抗拉強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量的增大而增大，當(dāng)纖維摻量為2‰時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量的增大而減小，但降低后的劈裂抗拉強(qiáng)度仍大于未摻入纖維的水泥改良土，說明了玻璃纖維能顯著改善水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度，且纖維摻量存在一個(gè)最優(yōu)值。在玻璃纖維水泥改良土中，水泥水化物硬化收縮后會將玻璃纖維牢牢包裹住，在兩者相接觸的界面上會產(chǎn)生摩擦力，纖維在土體中隨機(jī)分布，會與土體產(chǎn)生機(jī)械咬合力，因此當(dāng)玻璃纖維水泥改良土受到拉力時(shí)，在土體薄弱處最先出現(xiàn)裂縫，此時(shí)土體中的纖維開始承受拉力，裂縫的繼續(xù)發(fā)展受到約束，從而使得土體抗拉強(qiáng)度和韌性得到一定的提升。對于未摻入纖維的水泥土，裂縫會直接產(chǎn)生。

由圖2可知，隨著纖維摻量的增大，峰值應(yīng)變也隨之增大。玻璃纖維水泥改良土的峰值應(yīng)變比未摻入纖維的水泥改良土增大了14.0%~26.7%。玻璃纖維水泥改良土受到拉力后，土體薄弱處出現(xiàn)微小的裂縫，土體中的纖維開始承受拉力，當(dāng)破壞面上的纖維即將被拔出時(shí)，達(dá)到峰值應(yīng)力。因此，纖維在土體中能承受拉力，限制了土體裂縫的繼續(xù)發(fā)展，使得玻璃纖維水泥改良土的峰值應(yīng)變增大，延性有所提高。

4.2 纖維長度影響分析

當(dāng)玻璃纖維水泥改良土的纖維摻量為2‰，水泥摻量為3%，不同纖維長度的玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示(l=0為未摻入纖維)。劈裂抗拉強(qiáng)度及對應(yīng)的峰值應(yīng)變與纖維長度的關(guān)系曲線見圖4。

圖3 纖維長度對玻璃纖維水泥改良土應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

由圖3可知，不同纖維長度的玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律相似，曲線起始段應(yīng)力隨著應(yīng)變近似呈線性增加，達(dá)到峰值強(qiáng)度后，隨著應(yīng)變增大，應(yīng)力開始迅速減小。纖維長度為6 mm的玻璃纖維水泥改良土應(yīng)力隨應(yīng)變增長的速率最快，其峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變最大。

圖4 劈裂抗拉強(qiáng)度和峰值應(yīng)變與纖維長度的關(guān)系曲線

由圖4可知，隨著纖維長度的持續(xù)增大，玻璃纖維水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度不斷增大，當(dāng)纖維長度為6 mm時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，纖維長度繼續(xù)增大時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度開始衰減，纖維長度為12 mm的劈裂抗拉強(qiáng)度比纖維長度為6 mm的強(qiáng)度降低了36%，但仍比未摻入纖維的水泥土強(qiáng)度高6%。說明了纖維長度對水泥改良土的抗拉強(qiáng)度有一定的提升，當(dāng)纖維長度為6 mm時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度最大。當(dāng)纖維長度小于6 mm時(shí)，纖維長度較短，纖維和土體顆粒搭接不緊密，難以發(fā)揮出纖維的加筋作用，如果纖維不彎曲，隨著纖維長度的增加，由于增加了比表面積，從而在土壤和纖維之間提供了更大的界面相互作用[11]，應(yīng)力因此得到了改善；當(dāng)纖維長度大于6 mm后，纖維長度過大，纖維之間容易發(fā)生成團(tuán)、纏繞現(xiàn)象，與土顆粒之間難以拌和均勻，影響了土體的擊實(shí)效果，土壤和纖維的之間的相互作用減弱[12]，導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度有所下降。玻璃纖維水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的峰值應(yīng)變隨纖維長度增大而增大，當(dāng)纖維長度為6 mm時(shí)，峰值應(yīng)變達(dá)到最大值，當(dāng)纖維長度繼續(xù)增大時(shí)，峰值應(yīng)變開始降低，水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度及對應(yīng)的峰值應(yīng)變存在最優(yōu)纖維長度。

4.3 水泥摻量影響分析

當(dāng)玻璃纖維水泥改良土的纖維摻量為2‰，纖維長度為6 mm，不同水泥摻量的玻璃纖維水泥改良土的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5所示。劈裂抗拉強(qiáng)度及對應(yīng)的峰值應(yīng)變與水泥摻量的關(guān)系曲線見圖6。

圖5 水泥摻量對玻璃纖維水泥改良土應(yīng)力 應(yīng)變曲線的影響

圖6 劈裂抗拉強(qiáng)度和峰值應(yīng)變與水泥摻量的關(guān)系曲線

由圖5可知，不同水泥摻量的玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律相似，曲線起始段應(yīng)力隨著應(yīng)變近似呈線性增加，達(dá)到峰值后，隨著應(yīng)變增大，應(yīng)力卻逐漸減小。

由圖6可知，玻璃纖維水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨水泥摻量的增大而增大，其增長速率逐步減小。水泥摻量為9%的玻璃纖維水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度是未摻入水泥的2.36倍。玻璃纖維水泥改良土中的水泥水化物隨著水泥摻量增大而增多，但水泥水化物含量不會一直增長，其增長速率會逐漸降低，因此土體的劈裂抗拉強(qiáng)度增長速率也會逐漸降低。玻璃纖維水泥改良土的峰值應(yīng)變隨水泥摻量的增大而減小，降低速率也逐步減緩。

4.4 養(yǎng)護(hù)齡期影響分析

當(dāng)玻璃纖維水泥改良土的纖維長度為6 mm，水泥摻入比為3%，纖維摻量為2‰時(shí)，不同養(yǎng)護(hù)齡期的玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7所示。以養(yǎng)護(hù)齡期為橫坐標(biāo)、劈裂抗拉強(qiáng)度和峰值應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)畫出相應(yīng)的關(guān)系曲線，見圖8。

圖7 養(yǎng)護(hù)齡期對玻璃纖維水泥改良土應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

圖8 劈裂抗拉強(qiáng)度和峰值應(yīng)變與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線

由圖7可知，不同養(yǎng)護(hù)齡期的玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線變化規(guī)律相似，曲線起始段應(yīng)力隨著應(yīng)變近似呈線性增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后，隨著應(yīng)變增大，應(yīng)力逐漸減小。

由圖8可知，玻璃纖維水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大，但劈裂抗拉強(qiáng)度增長速率隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小。玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的峰值應(yīng)變隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小，而且減小速率隨著養(yǎng)護(hù)齡期增大而逐步減小。這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)齡期增大，土體中水泥水化物逐步增多，玻璃纖維水泥改良土劈裂抗拉強(qiáng)度也隨著增大，脆性也得到了提高。

5 結(jié)論

1) 玻璃纖維水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量的增大而持續(xù)增大，纖維摻量為2‰時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨后，劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量的增大而減小。玻璃纖維水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的峰值應(yīng)變隨纖維摻量的增大而增大，玻璃纖維能提高水泥改良土的塑性。

2) 隨著纖維長度的增大，玻璃纖維水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度和峰值應(yīng)變先增大后減小，當(dāng)纖維長度為6 mm時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度和峰值應(yīng)變達(dá)到最大值。

3) 玻璃纖維水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨水泥摻量的增大而增大，劈裂抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的峰值應(yīng)變隨水泥摻量的增大而減小，水泥摻量越大，土體的脆性越大。

4) 玻璃纖維水泥改良土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大，而劈裂抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的峰值應(yīng)變隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而減小。

[1] Kumar A, Gupta D. Behavior of cement-stabilized fiber-reinforced pond ash, rice husk ash–soil mixtures[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2016, 44(3): 466?474.

[2] Khattak Mohammad J, Mohammad Alrashidi. Durability and mechanistic characteristics of fiber reinforced soil–cement mixtures[J]. The International Journal of Pavement Engineering , 2006, 7(1): 53?62.

[3] Festugato, Lucas. Fibre-reinforced cemented soils compressive and tensile strength assessment as a function of filament length[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2017, 45(1): 77?82.

[4] Fatahi B, Khabbaz H. Mechanical characteristics of soft clay treated with fibre and cement[J]. Geosynthetics International, 2012, 19(3): 252?262.

[5] Yadav, Jitendra Singh, Tiwari Suresh Kumar. Behaviour of cement stabilized treated coir fibre-reinforced clay- pond ash mixtures[J]. Journal of Building Engineering, 2016, 8: 131?140.

[6] 高常輝, 馬芹永. 玄武巖纖維摻砂水泥土壓拉強(qiáng)度的試驗(yàn)分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程, 2017, 17(2): 262?266. GAO Changhui, MA Qinyong. Experimental analysis of compressive tensile strength of basalt fiber mixed with sand cement soil[J]. Science, Technology and Engineering, 2017, 17(2): 262?266.

[7] 殷勇. 玻璃纖維改善水泥土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[D]. 南京: 東南大學(xué), 2006. YIN Yong. Experimental study on improvement of mechanical properties of cement and soil by glass fiber [D]. Nanjing: Southeast University, 2006.

[8] 阮波, 阮慶, 田曉濤, 等. 淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響因素的正交試驗(yàn)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2013, 10(6): 45?48. RUAN Bo, RUAN Qing, TIAN Xiaotao, et al. Orthogonal experimental study on influencing factors of unconfined compressive strength of silty clay cement[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2013, 10(6): 45?48.

[9] 阮波, 鄧林飛, 馬超, 等. 纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2017, 14(7): 1415?1419. RUAN Bo, DENG Linfei, MA Chao, et al. Experimental study on unconfined compressive strength of fiber cement soil[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(7): 1415?1419.

[10] TB 10102—2010, 鐵路工程土工試驗(yàn)規(guī)程[S].TB 10102—2010, Code for soil test of railway engineering[S].

[11] Prabakar J, Sridhar R S. Effect of random inclusion of sisal fibre on strength behaviour of soil[J]. Construction & Building Materials, 2002, 16(2): 123?131.

[12] TANG C, SHI B, GAO W, et al. Strength and mechanical behavior of short polypropylene fiber reinforced and cement stabilized clayey soil[J]. Geotextiles & Geomembranes, 2007, 25(3): 194?202.

Experimental study on split tensile strength of glass fiber cement improved soil

JIANG Hengchao1, LI Qinglin1, YANG Zhiyong1, HU Hongli2, MA Chao3, RUAN Bo3

(1. Hunan Lilian Anshao Expressway Development Co., Ltd, Lianyuan 417100, China;2. Linwu County Highway Administration Bureau, Linwu 424300, China;3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to study the reinforcement effect of glass fiber, the split tensile strength test of glass fiber cement improved soil was carried out. The effects of fiber content 0, 1‰, 2‰, 3‰ and 4‰, fiber length 3, 6, 9 and 12 mm, cement content 1%, 3%, 5% and 9%, curing age 3, 7, 14, 28 and 60 d on the tensile strength of glass fiber cement improved soil were studied. The results show that the tensile strength of glass fiber cement improved soil increases at first and then decreases with the increase of fiber content and fiber length. The optimum fiber content is 2‰ and the optimal fiber length is 6 mm. The tensile strength of glass fiber cement improved soil increases with the increase of cement content and curing age, and the strain corresponding to the split tensile strength of glass fiber cement improved soil increases with the increase of fiber content, but decreases with the increase of cement content and curing age.

glass fiber; cement improved soil; split tensile strength; peak strain; fiber content; fiber length; cement content; curing age

TU447

A

1672 ? 7029(2019)11? 2742 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.11.013

2018?11?20

阮波(1972?)，男，河南新縣人，副教授，博士，從事巖土工程教學(xué)與研究；E?mail：421084359@qq.com

(編輯 涂鵬)