二次纖維水泥土力學(xué)特性研究

張明飛 王立娜 徐永浩 饒碧玉 熊凱 郭延輝

摘 要：為彌補(bǔ)水泥土材料受壓破壞后承載能力迅速衰減的缺陷，借鑒纖維改善水泥基材料性能的方法，以廢紙降解獲得二次纖維制成的二次纖維水泥土為研究對(duì)象，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)分析其抗壓強(qiáng)度、變形特征和破壞形態(tài)，提出考慮纖維摻量的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，探索水泥土改良新措施及廢紙資源利用新途徑。結(jié)果表明，1）養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，同樣產(chǎn)生1.42%應(yīng)變時(shí)，水泥土強(qiáng)度下降39%，而摻量為2%的二次纖維水泥土強(qiáng)度下降僅為27%，摻入2%二次纖維不僅可以提高水泥土強(qiáng)度0.42%，也可使水泥土達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變延后1.82%;2）纖維摻量存在一個(gè)閾值，當(dāng)摻量高于閾值時(shí)纖維水泥土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而降低，當(dāng)摻量低于閾值時(shí)變化規(guī)律則相反;3）摻入2%和4%的二次纖維使水泥土由中部劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橥馏w典型的剪切破壞，破壞時(shí)保留了水泥土產(chǎn)生裂紋較少，無(wú)明顯擠壓變形等優(yōu)點(diǎn)。添加二次纖維可以在保持強(qiáng)度的同時(shí)減少水泥土工程缺陷，研究結(jié)果豐富了纖維水泥土理論，可為水泥土工程應(yīng)用及基礎(chǔ)研究提供參考。

關(guān)鍵詞：復(fù)合建筑材料;二次纖維;水泥土;無(wú)側(cè)限抗壓;破壞形式;應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

中圖分類號(hào)：TU46?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04002

文章編號(hào)：1008-1534（2020）04-0218-07

Abstract：In order to remedy the rapid decline of bearing capacity of cement-soil materials after compression failure， learning from the method for improving the properties of cement-based materials by fiber， the secondary fiber cement soil made from waste paper degradation was taken as the research object. Through unconfined compression test， the compressive strength，?deformation?characteristic and failure mode were analyzed， and the stress-strain relationship considering fiber content was proposed to explore new measures for improvement of cement-soil and new ways for utilization of waste paper resources. The?results?show that： 1） After 28 days of curing， both two kinds of cement-soil produce the strain of 1.42%， the strength of?cement-soil?decreases 39%， while the strength of cement-soil with 2% fiber decreases 27%， and the strength of cement-soil with 2% secondary fiber can be increased by 0.42% and the strain， produced when the peak stress is reached， can be delayed by 1.82%. 2） There is a threshold value for fiber content. When the content is higher than the threshold value， the strength of?fiber?cement-soil decreases with the increase of curing time， while when the content is lower than the threshold value， the change rule is opposite. 3） Adding 2% and 4% of secondary fiber makes the cement-soil change from the middle split failure to the typical shear failure of the soil， which retains the advantages of less cracks and no obvious extrusion deformation.?Adding secondary?fiber can not only maintain the strength but also improve the defects of cement-soil engineering. The research content enriches the theory of fiber cement-soil and provides reference for the application and basic research of cement-soil?engineering.

Keywords：composite building materials; secondary fiber; cement-soil; unconfined compression; failure form; stress strain?relationship

水泥土廣泛應(yīng)用于水利工程、建筑工程、道路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1-3]。然而在壓力作用下水泥土自身易呈脆性破壞，對(duì)塑性指數(shù)較高的黏土、有機(jī)土等土體的固化效果不明顯，導(dǎo)致材料破壞后承載能力迅速衰減，這些都限制了對(duì)水泥土的進(jìn)一步應(yīng)用[4]。另一方面中國(guó)是紙張制造及消耗大國(guó)，僅2017年紙及紙板的生產(chǎn)量就達(dá)到了?11 130?萬(wàn)t，與此同時(shí)消耗量達(dá)到了10 897萬(wàn)t[5]，但廢紙回收利用率卻在50%以下，不及日本、韓國(guó)、泰國(guó)等國(guó)家，造成了一定的資源浪費(fèi)，加大力度開發(fā)利用廢紙資源勢(shì)在必行。

借鑒纖維改善混凝土等水泥基材料性能的方法[6-9]，可將廢紙降解獲得的二次纖維作為添加劑用于彌補(bǔ)水泥土的缺陷，探究提高水泥土性能及廢紙資源有效利用的新方法。吳亞明[4]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)二次纖維水泥土強(qiáng)度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雖然養(yǎng)護(hù)7 d和14 d時(shí)纖維水泥土強(qiáng)度隨纖維摻量增加而減少，但在養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)添加1%和3%的二次纖維可以對(duì)普通水泥土強(qiáng)度提高10%和8%，同時(shí)1%～5%的二次纖維皆對(duì)水泥土的韌性起到增益作用。張璐等[10]通過(guò)氫氧化鈉溶液制備廢紙漿，將其加入到脫硫石膏中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雖然加入廢紙漿后石膏的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但可以有效提高抗折強(qiáng)度，隨摻入廢紙量增加，石膏的壓折比不斷減小。COUTTS[11]對(duì)比了木質(zhì)纖維水泥基材料與二次纖維水泥基材料的性能，發(fā)現(xiàn)兩者的密度和吸水性接近，前者的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性較后者大，但是廢紙的價(jià)格僅是木質(zhì)纖維價(jià)格的15%～25%，在同時(shí)滿足強(qiáng)度和韌性的要求下二次纖維更具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。ASHORI等[12]利用回收的廢舊報(bào)紙，經(jīng)處理后與氯化鈣共同加入到水泥板中，研究發(fā)現(xiàn)摻量為10%的二次纖維將水泥板的斷裂強(qiáng)度提高11.7%～44%，將水泥板彈性模量提高了2.9～3.3倍，但當(dāng)纖維摻量增加到15%和20%時(shí)雖然能對(duì)水泥板彈性模量小幅提高，但斷裂強(qiáng)度卻降低了10.34%～31.03%和51.72%～55.17%。一定摻量范圍內(nèi)的二次纖維可以提高水泥基材料的強(qiáng)度，并且對(duì)材料韌性及彈性模量有所增益，同時(shí)二次纖維相對(duì)與其他添加劑更具有經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

筆者通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)研究不同摻量二次纖維水泥土在養(yǎng)護(hù)7，14，28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度、變形特性及破壞形態(tài)，提出一種考慮二次纖維摻量的數(shù)學(xué)模型描述其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

1?試?驗(yàn)

1.1?試驗(yàn)材料及試件制備

試驗(yàn)所需土樣取自昆明市盤龍區(qū)內(nèi)的紅黏土，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得其風(fēng)干含水率為2%。選用C32.5礦渣硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料，二次纖維是由普通辦公廢棄紙張經(jīng)碎紙機(jī)（見圖1）處理后，泡水降解（見圖2），再經(jīng)過(guò)攪拌、晾曬獲得，如圖3所示。

在制作試件過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，試樣含水率較低時(shí)，制作試件土樣很難成型，因此設(shè)定土體目標(biāo)含水率為38%，水泥的摻量為15%，二次纖維摻量分別為2%，4%，6%，水泥及纖維摻量計(jì)算公式見式（1）。

參考吳亞明[4]的試驗(yàn)方法和《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-1999），將土樣風(fēng)干過(guò)篩，并將稱量好的土樣與水泥均勻攪拌，加入纖維并進(jìn)行第1次加水?dāng)嚢柚晾w維均勻的分散在混合料中，再將剩余水倒入混合料中攪拌至混合料中無(wú)呈干粉狀的顆粒結(jié)束。以PVC管為模具控制試件成型尺寸為直徑50 mm高度100 mm。試件制作完畢靜置24 h后脫膜，脫膜后將試件密封放入標(biāo)準(zhǔn)混凝土養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直至試驗(yàn)設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)齡期取出，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。

1.2?試驗(yàn)方案

采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，設(shè)定加載速率為2 mm/min，直至試樣出現(xiàn)破壞或軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)停止加載。試驗(yàn)前用砂紙進(jìn)行打磨并涂抹凡士林，每組試驗(yàn)測(cè)試不少于3個(gè)試樣，試驗(yàn)分組如表1所示。

2?無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

2.1?不同養(yǎng)護(hù)齡期下二次纖維水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

取3個(gè)平行試件強(qiáng)度結(jié)果平均值作圖，各組試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間關(guān)系見圖4。

素土試件與水泥土試件養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)強(qiáng)度分別是養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的1.51倍和1.36倍，表明隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加土顆粒和水泥材料都對(duì)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有增益效果。觀察3組二次纖維水泥土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：纖維摻量為2%時(shí)試件從養(yǎng)護(hù)7 d增加到?28 d?后強(qiáng)度提高了47.3%;纖維摻量為4%時(shí)試件從養(yǎng)護(hù)7 d增加到28 d后強(qiáng)度僅變化5.2%;纖維摻量為6%時(shí)試件從養(yǎng)護(hù)7 d增加到28 d后強(qiáng)度減少32.5%;其中纖維摻量為4%時(shí)試件強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化較小。對(duì)比各組水泥土早期強(qiáng)度（7 d）添加6%二次纖維摻量可以對(duì)水泥土強(qiáng)度提升10.83%;養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)二次纖維摻量為2%的試件強(qiáng)度在所有試件表現(xiàn)出來(lái)的強(qiáng)度范圍內(nèi)最高。試驗(yàn)結(jié)果與吳亞明[4]的結(jié)果類似，即在養(yǎng)護(hù)28 d情況下加入1%和3%二次纖維皆對(duì)水泥土強(qiáng)度有所提高，而加5%的二次纖維后強(qiáng)度較普通水泥土強(qiáng)度有所降低，具體強(qiáng)度提升不同是由于所用土體及水泥類型不同導(dǎo)致。

2.2?不同纖維摻量下二次纖維水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與纖維摻量的關(guān)系如圖5所示。

養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)水泥土中加入2%二次纖維可以提高0.42%的強(qiáng)度，但隨纖維摻量增加，強(qiáng)度呈減少的趨勢(shì);養(yǎng)護(hù)7 d和14 d時(shí)試件強(qiáng)度均隨纖維摻量的增加呈先減小后增大的趨勢(shì);纖維摻量為4%時(shí)，水泥土試件強(qiáng)度最低，并且自此開始同樣纖維摻量下試件強(qiáng)度不再隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)而增大。養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)加入6%二次纖維可以提高水泥土10.83%的強(qiáng)度，但隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加強(qiáng)度減少，這主要是因?yàn)樵嚰尚统跗诙卫w維與土顆粒和水泥形成完整的受力骨架，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加二次纖維在堿性環(huán)境下受到侵蝕極易分解因此骨架將受到影響，當(dāng)二次纖維摻量較大時(shí)，這種影響較為顯著，對(duì)土體強(qiáng)度的影響程度超過(guò)水泥水化帶來(lái)的增益，因此加入6%的二次纖維后，纖維水泥土表現(xiàn)出強(qiáng)度逐漸降低的趨勢(shì)。

3?破壞形態(tài)及變形

3.1?破壞形態(tài)

郭堯順[13]研究發(fā)現(xiàn)水泥土在單軸受壓狀態(tài)下會(huì)出現(xiàn)單剪切帶脆性破壞形、雙剪切帶脆性破壞形及擠壓剪切破壞形情況。張振等[14]研究發(fā)現(xiàn)路堤下水泥土樁受壓破壞時(shí)，芯樁端部出現(xiàn)擠脹，樁身未出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象。

圖6為本試驗(yàn)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)素土、水泥土和二次纖維水泥土受壓破壞的形態(tài)，A組素土出現(xiàn)典型剪切破壞且下部出現(xiàn)擠壓變形，在加載初始階段整體產(chǎn)生明顯變形，到達(dá)應(yīng)力峰值前下部出現(xiàn)擠壓鼓脹并產(chǎn)生裂紋，隨加載進(jìn)行中部產(chǎn)生裂紋，達(dá)到峰值應(yīng)力后裂紋發(fā)展貫通，部分顆粒脫落，表面酥松。B組水泥土破壞形式為中部劈裂，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，水泥土出現(xiàn)細(xì)微聲響，出現(xiàn)豎向裂紋并迅速發(fā)展，應(yīng)力下降迅速，破壞后整體并未出現(xiàn)明顯壓縮變形，產(chǎn)生裂紋數(shù)量較少，表面完整度高。

二次纖維水泥土皆為剪切破壞，加載過(guò)程中C組水泥土未出現(xiàn)擠壓鼓脹現(xiàn)象，而D組和E組分別出現(xiàn)上部和下部的擠壓鼓脹。C組和D組水泥土的初始裂紋多發(fā)生在到達(dá)峰值應(yīng)力前很短時(shí)間內(nèi)，達(dá)到峰值應(yīng)力后表面裂縫發(fā)展延伸但并未貫通，裂縫寬度較B組小，土體表面相對(duì)A組完整，C組裂紋延伸方向接近垂直90°，D組裂紋延伸方向接近斜向45°。E組水泥土在加載初期伴隨擠壓變形出現(xiàn)裂紋，隨加載進(jìn)行中部裂紋發(fā)展迅速，應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)，土體表面形成斜向貫穿裂縫，繼續(xù)加載土體出現(xiàn)錯(cuò)位現(xiàn)象，變形明顯，土體表面顆粒剝落，破壞后裂紋寬度大，表面不完整。

3.2?應(yīng)力-應(yīng)變曲線

根據(jù)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果和破壞形態(tài)，選定養(yǎng)護(hù)28 d下B組、C組、D組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析（選取3個(gè)平行試件中無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度接近平均值的試件作圖，見圖7）。

纖維水泥土與水泥土應(yīng)力應(yīng)變曲線都分為4個(gè)階段，壓密階段（OA段），彈性階段（AB段），塑性上升階段（BC段），破壞下降階段（CD段）。纖維水泥土壓密階段較水泥土壓密階段時(shí)間長(zhǎng)是因?yàn)樵嚰?nèi)部未水化的水泥、土體顆粒、二次纖維得到壓密曲線呈現(xiàn)上凹趨勢(shì)剛度逐漸增大，而水泥土中不含有二次纖維，所以壓密階段迅速完成進(jìn)入彈性階段;進(jìn)入塑性上升時(shí)水泥土軟化現(xiàn)象較纖維水泥土明顯;表2為應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)值，纖維摻量為2%時(shí)試件達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)的應(yīng)變?yōu)?.99%與水泥土0.97%接近，而纖維摻量為4%時(shí)纖維水泥土達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變1.45%較水泥土增長(zhǎng)明顯;當(dāng)水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)束時(shí)，水泥土產(chǎn)生了1.42%的應(yīng)變，強(qiáng)度下降39%，而摻量為2%二次纖維水泥土產(chǎn)生1.42%的應(yīng)變時(shí)強(qiáng)度僅下降27%。

4?應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型

近年來(lái)許多學(xué)者嘗試將混凝土的本構(gòu)模型引入到水泥土及其復(fù)合材料當(dāng)中[15-16]，但周海龍等[17]研究發(fā)現(xiàn)水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線上升段由于土體受壓時(shí)存在壓密階段曲線呈倒“S”型，用混凝土本構(gòu)模型上升段描述水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線會(huì)出現(xiàn)偏差，并且二次纖維水泥土中纖維摻量越多曲線呈倒“S”現(xiàn)象越明顯，筆者采用周海龍等[17]提出的水泥土本構(gòu)模型（分為上升段和下降段）描述二次纖維水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，如式（2）和式（3）所示。

表3表明模型可以較好的描述B組，C組和D組應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，但由于模型上升段參數(shù)較多，要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。由前文分析可知水泥土、摻量為2%和4%的二次纖維水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線都可以分為4個(gè)階段且曲線形狀相似，可以將B組、C組、D組的應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系進(jìn)行歸一化處理見式（4）。

表3顯示使用周海龍等[17]模型擬合3組水泥土試件得到a和b參數(shù)值與纖維摻量呈拋物線關(guān)系，c和n參數(shù)值與纖維摻量呈線性關(guān)系和指數(shù)關(guān)系，分別采用二次多項(xiàng)式、線性函數(shù)和指數(shù)函數(shù)將a，b和c，n與纖維摻量建立聯(lián)系，得到的關(guān)系式見式（6）-式（9）。

將式（6）、式（7）和式（8）、式（9）分別代入式（5）和式（3）中得到二次纖維摻量在0～4%范圍內(nèi)考慮二次纖維摻量的水泥土應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系模型，見式（10）和式（11）。

5?結(jié)?語(yǔ)

試驗(yàn)結(jié)果表明，水泥土中加入2%的二次纖維可以略微提升養(yǎng)護(hù)28 d的水泥土材料強(qiáng)度，同時(shí)能有效彌補(bǔ)水泥土破壞后承載能力迅速衰減的缺陷，因此，可以將添加二次纖維作為降低水泥土缺陷的一種手段。

1）養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，摻入2%的二次纖維可以使水泥土強(qiáng)度提高0.42%;纖維摻量存在一個(gè)閾值，當(dāng)摻量高于閾值時(shí)，二次纖維水泥土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加呈減少趨勢(shì)，當(dāng)摻量低于閾值時(shí)二次纖維水泥土抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間的增加呈增大趨勢(shì)。

2）二次纖維水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分為4個(gè)階段，加入2%和4%的二次纖維可以使水泥土達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變延后1.82%和49.05%。當(dāng)水泥土產(chǎn)生1.42%的應(yīng)變時(shí)強(qiáng)度較峰值應(yīng)力下降了39%，而摻量為2%的二次纖維水泥土在產(chǎn)生同樣應(yīng)變時(shí)強(qiáng)度僅下降27%。

3）摻量為2%和4%的二次纖維水泥土破壞時(shí)保留了水泥土破壞后產(chǎn)生裂紋較少，完整度高，未產(chǎn)生明顯擠壓變形，同時(shí)由水泥土中部劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橥馏w典型的剪切破壞。

4）二次纖維水泥的力學(xué)特性受纖維摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的共同作用，養(yǎng)護(hù)28 d后摻量為2%的二次纖維水泥土力學(xué)性能最優(yōu)。

5）試驗(yàn)結(jié)果表明養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)不同摻量二次纖維水泥土性能的影響規(guī)律不同，初步分析原因是隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)二次纖維在水泥土內(nèi)部發(fā)生分解導(dǎo)致水泥土力學(xué)性能發(fā)生改變，目前尚未系統(tǒng)開展養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土力性能影響的機(jī)理研究。

在將來(lái)的研究中，可借助掃描電鏡和原子力顯微鏡對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期下不同纖維摻量的水泥土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)和二次纖維賦存狀態(tài)進(jìn)行研究，選取合適的狀態(tài)變量建立養(yǎng)護(hù)齡期與微觀狀態(tài)、微觀狀態(tài)與宏觀力學(xué)的關(guān)系模型。

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