纖維對水泥土加固效果影響的試驗研究

牛雷　徐麗娜　鄭俊杰

摘 要：將短切玄武巖纖維和水泥摻入取自長春地區(qū)的黃土中，進行無側(cè)限抗壓強度試驗。主要研究纖維摻量、纖維長度對纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度特性的影響。試驗結(jié)果表明：同一纖維質(zhì)量摻入比下，隨著纖維長度的增加，纖維水泥土抗壓強度大體呈上凸型曲線形式，曲線最終趨于無纖維摻入的水泥土強度，說明纖維分布均勻性和纖維分布密度對強度影響較大;同一纖維長度下，纖維水泥土強度隨纖維質(zhì)量摻入比的增大呈波浪型曲線形式發(fā)展，第1次波峰值大于第2次波峰值，曲線最終趨于某個固定值，在實際工程應(yīng)用中，可采用初次波峰的摻入量進行水泥土加固，達到預(yù)期加固效果的同時，能夠大幅降低工程造價;同時，要充分考慮攪拌不均勻性對水泥土強度帶來的影響，且不宜采用過長的纖維進行加固，一方面容易形成集束現(xiàn)象，另一方面容易連掛在攪拌器械上。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維;水泥土;抗壓強度;纖維長度;纖維摻入比

中圖分類號：TU411.6? ?文獻標(biāo)志碼：A ??文章編號：2096-6717（2021）02-0035-06

Abstract： In order to study the influence of fiber content and fiber length on unconfined compressive strength characteristics of fiber reinforced cemented soil which was made of short-cut basalt fiber， cement and soil taken from Changchun， a series of unconfined compressive strength tests were carried out. The results show that the strength of basalt fiber reinforced cemented soil presents a generally convex curve with increase of fiber length， and the curve finally tends to be the strength of cemented soil without fiber under the same fiber contents. It shows that the fiber distribution uniformity and fiber distribution density have great influence on the strength. The strength of basalt fiber reinforced cemented soil presents a wavy curve with increase of fiber content under the same fiber length， the second wave peak value is less than the first wave peak value and the curve finally tends to a constant value. In practical engineering application， the fiber content of the first wave peak can be used in cemented soil reinforcement to achieve the expected reinforcement effect and reduce the project cost. Meanwhile， the impact of uneven mixing on the strength of cemented soil should be fully considered， and excessively long fibers should not be used. On the one hand， long fibers are easy to produce cluster phenomenon; on the other hand， they are easy to be attached to the stirring apparatus.

Keywords：basalt fiber; cemented soil; unconfined compressive strength; fiber length; fiber contens

近年來，學(xué)者們將不同的纖維摻入到水泥土中，將土體改良技術(shù)中的化學(xué)改良法和力學(xué)改良法有機結(jié)合，形成纖維加筋水泥土，通常簡稱纖維水泥土。大量研究結(jié)果表明，在水泥土中加入聚丙烯纖維[1]、玻璃纖維[2]、聚苯乙烯纖維[3]等纖維材料可以提高水泥土抗壓和抗拉強度。

玄武巖纖維抗拉強度高、彈性模量大，具有耐腐蝕、耐高溫等特性，在性價比上比其他纖維具有較明顯的優(yōu)勢，因此，許多學(xué)者開展了玄武巖纖維對水泥土加固效果影響的研究[4-5]。胡建林等[6]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對水泥土抗壓、抗拉強度均有所提升，并確定了玄武巖的較優(yōu)摻入長度和最優(yōu)摻量范圍。陳峰[7-9]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維的摻入不僅可以提高水泥土的抗拉強度，還可增強水泥土塑性，對其黏聚力增強效果較為明顯。鄭俊杰等[10]將玄武巖纖維摻入到微生物固化砂土中，同樣可以提高其強度和韌性。徐麗娜等[11]發(fā)現(xiàn)將玄武巖纖維摻入到水泥土中可以減緩水泥土在凍融循環(huán)作用下的強度損失，提高水泥土的抗凍性能。馬芹永等[12]對不同玄武巖纖維摻量的水泥土進行沖擊壓縮和動態(tài)劈裂試驗，得到合適摻量的玄武巖纖維對水泥土動態(tài)特性起著積極作用，通過試驗得出玄武巖纖維的合適摻量。王閔閔等[13]通過動三軸試驗，發(fā)現(xiàn)水泥土的動強度和動彈性模量與圍壓、摻入纖維的種類和纖維摻量有關(guān);隨著纖維摻量的增多，水泥土的動強度和動彈性模量增大，動變形減小，對比分析后發(fā)現(xiàn)摻入玄武巖纖維的水泥土動力性能較好。然而，目前將玄武巖纖維摻入進長春地區(qū)黃土的研究很少見到，筆者對此進行了相應(yīng)的研究，為玄武巖纖維在該地區(qū)的應(yīng)用與推廣提供參考。

1 試驗方案及測試方法

按照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》（JGJ/T 233—2011）中的要求進行試驗設(shè)計。土樣為黃土，取自吉林省長春市凈月區(qū)某施工場地附近，塑限ωP為25%，液限ωL為41%，塑性指數(shù)IP為16%。原狀土經(jīng)風(fēng)干碾碎過篩，密封保存，供試驗使用，試驗用土的粒徑分布曲線如圖1所示。采用的水泥為亞泰鼎鹿牌P.O 42.5級水泥，水泥質(zhì)量摻入比為0.1%，水灰比為0.5。試驗選用海寧安捷復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，摻入纖維長度分別為3、6、12、20、35 mm。試驗所用纖維質(zhì)量摻量入比分別為0%、0.1%、0.3%、0.5%和0.7%。

試樣制作采用尺寸為70.7 mm的立方體試模，選用天津市慶達試驗儀器制造有限公司生產(chǎn)的70型振動臺，振動頻率為2 860次/min。采用人工拌和法，拌和時間為6 min。制作好的試件在常溫條件下養(yǎng)護3 d后拆模，而后進行28 ℃恒溫水養(yǎng)，養(yǎng)護齡期分別為7、14、28 d。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 纖維長度影響

圖2是纖維長度與抗壓強度之間的關(guān)系，從圖2（a）～（c）可看出，在纖維摻入比不變的條件下，纖維水泥土的抗壓強度隨纖維長度的增加大體呈先增加后減小的特點。玄武巖纖維的強度比較高，一般不容易斷裂，所以，在纖維水泥土破壞的過程中，纖維是被拔出的。

圖2（d）是纖維摻入比為0.5%時纖維水泥土抗壓強度與纖維長度之間的關(guān)系，其中，點A7、A14、A28分別為無纖維水泥土7、14、28 d的強度，而B7、B14、B28為摻入長度為35 mm纖維的水泥土7、14、28 d的強度。由圖2可以看出，B7、B14、B28的值分別接近A7、A14、A28的值，點A與點B之間的強度線將出現(xiàn)峰值。

2.2 纖維摻量影響

現(xiàn)有試驗條件下，保持纖維長度不變，隨著纖維摻入比的增加，纖維水泥土28 d的無側(cè)限抗壓強度均大體表現(xiàn)出增大—減小—增大的特點，即呈波浪曲線形式，如圖3所示。

纖維材料能否真正發(fā)揮作用，一方面取決于水泥土與纖維之間握裹力的大小，而握裹力與水泥土齡期、土顆粒大小、水泥土密實度和水泥摻量等因素有關(guān)，即與水泥土強度成正比;另一方面也取決于纖維的分散程度，對加載后的試件進行觀察，發(fā)現(xiàn)試件中均有纖維集束無法充分打開的現(xiàn)象，如圖4所示。

這會造成有效纖維摻量減小，如圖5（a）、（b）所示。另外，即便是分散成絲的纖維也存在分布不均的現(xiàn)象，如圖5（c）所示，單位截面內(nèi)纖維過密和過疏都會對強度產(chǎn)生影響，過密會影響握裹力，過疏起不到加筋的效果，其作用機理與錨桿、錨索作用機理類似，纖維過密會降低水泥土對其錨固力，從而對水泥土強度造成不利影響，如圖6所示，廣義上講，集束也是纖維不均勻分布的一種體現(xiàn)。

在水泥土強度發(fā)展過程中，隨著纖維摻入比的增加，上述各方面因素所占權(quán)重并不相同，而且相互制約，同時發(fā)生，為了描述方便，在每個階段割舍次要矛盾，使行文更加清晰，并取12 mm的纖維水泥土為例，如圖7所示。隨著纖維摻入比的增加，水泥土達至峰值點強度點A，隨著纖維摻入比繼續(xù)增加，纖維集束的作用凸顯，AE段為強度下降段，其中，點C的有效纖維含量與點D的含量相同;當(dāng)摻入比達至點E時，纖維集束作用發(fā)揮最大，有效纖維含量逐步上升，表現(xiàn)為EB段強度上升，點G的有效纖維含量與點D的水平相當(dāng)，直至到達新的波峰點B;第2次波峰點B數(shù)值會低于第1次波峰點A，這是由于纖維集束部位強度弱化導(dǎo)致整體強度的降低;過了第2峰值點B后，再次出現(xiàn)下滑段BH，此過程中纖維群錨耦合現(xiàn)象更為凸顯，導(dǎo)致最終強度逐漸降低并趨于某個固定數(shù)值。

通過分析可知，現(xiàn)有試驗條件下，在纖維長度不變時，纖維水泥土強度隨纖維摻入比的增加呈曲線發(fā)展，并不是纖維摻入越多越好;隨著纖維摻入比的增加，纖維水泥土的強度均高于無纖維的水泥土強度，并且第1次波峰峰值大于第2次波峰峰值;本試驗最優(yōu)纖維摻入比為0.1%，最優(yōu)纖維長度為12 mm。

2.3 齡期影響

纖維水泥土抗壓強度與齡期的關(guān)系曲線如圖8所示，其中，圖8（a）、（b）是纖維摻入比不變的情況下，不同纖維長度水泥土強度隨齡期的變化規(guī)律;圖8（c）、（d）是纖維長度不變的情況下，不同纖維摻入比水泥土強度與齡期的關(guān)系。無論是按何種坐標(biāo)整理，其強度均隨齡期的增加而增加，這是由于纖維能夠充分發(fā)揮其作用，

主要依賴其抗拔力的大小，水泥水化后，膠結(jié)材料與玄武巖纖維之間形成了強大的握裹力和界面摩擦，隨著齡期的增加，這種作用將越發(fā)明顯，一般到90 d才趨于穩(wěn)定[2]。

2.4 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

纖維長度為12 mm時，不同纖維摻入比條件下纖維水泥土的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9所示，纖維摻入比0.7%的應(yīng)力應(yīng)變曲線基本與無纖維摻入的曲線重合，纖維的摻入能夠增加水泥土的延性，主要原因是分散的玄武巖纖維能夠在水泥土中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，與土顆粒共同受力，改善水泥土的工作狀態(tài)，降低脆性破壞的可能。

3 結(jié)論

1）在保持纖維質(zhì)量摻入比不變的條件下，隨著纖維長度的增加，纖維水泥土抗壓強度大體呈上凸型曲線形式，這與很多學(xué)者得出的結(jié)論一致。

2）試驗條件下，纖維長度不變時，纖維水泥土的強度與纖維摻入比之間整體呈波浪式變化，第2次波峰數(shù)值會小于第1次波峰數(shù)值;最優(yōu)纖維摻入比為0.1%，最優(yōu)纖維長度為12 mm。

3）在實際工程應(yīng)用中，可采用首次波峰的摻入比進行水泥土加固，且不宜采用較長的纖維，以便能夠達到預(yù)期的加固效果，節(jié)省材料的同時能夠降低成本。另外，在制樣過程中以及破壞后的試件中，均發(fā)現(xiàn)了纖維集束和纖維分布不均的現(xiàn)象。

參考文獻：

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

[2] 阮波， 鄧林飛， 馬超， 等. 纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報， 2017， 14（7）： 1415-1419.

RUAN B， DENG L F， MA C， et al. Experimental study on unconfined compressive strength of fiber reinforced cement soil [J]. Journal of Railway Science and Engineering， 2017， 14（7）： 1415-1419. （in Chinese）

[3] 朱定華， 董磊平， 何峰， 等. 聚苯乙烯纖維輕質(zhì)混合土的抗壓強度特性[J]. 南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2010， 32（2）： 53-57.

ZHU D H， DONG L P， HE F， et al. Compressive strength properties of light heterogeneous soil mixed with expanded polystyrene and strengthened by polypropylene fibers [J]. Journal of Nanjing University of Technology （Natural Science Edition）， 2010， 32（2）： 53-57. （in Chinese）

[4] 鹿群， 郭少龍， 王閔閔， 等. 纖維水泥土力學(xué)性能的試驗研究[J]. 巖土力學(xué)， 2016， 37（Sup2）： 421-426.

LU Q， GUO S L， WANG M M， et al. Experimental study of mechanical properties of fiber cement soil [J]. Rock and Soil Mechanics， 2016， 37（Sup2）： 421-426. （in Chinese）

[5] FIORE V， SCALICI T， DI BELLA G， et al. A review on basalt fibre and its composites [J]. Composites Part B： Engineering， 2015， 74： 74-94.

[6] 胡建林， 楊鑫， 崔乃夫， 等. 玄武巖纖維對水泥土力學(xué)性能的影響效應(yīng)研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報， 2017， 15（6）： 138-142.

HU J L， YANG X， CUI N F， et al. Effects of basalt fiber on mechanical properties of cement soil [J]. Journal of Water Resources and Architectural Engineering， 2017， 15（6）： 138-142. （in Chinese）

[7] 陳峰. 玄武巖纖維水泥土抗壓強度試驗研究[J]. 福州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2017， 45（2）： 212-215.

CHEN F. Experiment study on compressive strength of basalt fiber cement-soil [J]. Journal of Fuzhou University （Natural Science Edition）， 2017， 45（2）： 212-215. （in Chinese）

[8] 陳峰. 玄武巖纖維水泥土抗拉性能試驗研究[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報（理工版）， 2016， 33（2）： 188-193.

CHEN F. Experiment research on tensile strength of basalt fiber cement-soil [J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering， 2016， 33（2）： 188-193. （in Chinese）

[9] 陳峰. 早齡期玄武巖纖維水泥土的強度及變形特性[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報（理工版）， 2017， 34（6）： 611-617.

CHEN F. Strength and deformation characteristics of basalt fiber cement-soil at early age [J]. Journal of Shenzhen University （Science and Engineering）， 2017， 34（6）： 611-617. （in Chinese）

[10] 鄭俊杰， 宋楊， 吳超傳， 等. 玄武巖纖維加筋微生物固化砂力學(xué)特性試驗[J]. 華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2019， 47（12）： 73-78.

ZHENG J J， SONG Y， WU C C， et al. Experimental study on mechanical properties of basalt fiber reinforced MICP-treated sand [J]. Journal of Huazhong University of Science and Technology （Natural Science Edition）， 2019， 47（12）：73-78. （in Chinese）

[11] 徐麗娜， 牛雷， 鄭俊杰. 季凍區(qū)玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗[J]. 土木工程與管理學(xué)報， 2019， 36（6）： 132-137.

XU L N， NIU L， ZHENG J J. Experiment on unconfined compression strength characteristics of basalt fiber-reinforced cemented soil in seasonal frozen area [J]. Journal of Civil Engineering and Management， 2019， 36（6）： 132-137. （in Chinese）

[12] 馬芹永， 高常輝. 沖擊荷載下玄武巖纖維水泥土吸能及分形特征[J]. 巖土力學(xué)， 2018， 39（11）： 3921-3928， 3968.

MA Q Y， GAO C H. Energy absorption and fractal characteristics of basalt fiber-reinforced cement-soil under impact loads [J]. Rock and Soil Mechanics， 2018， 39（11）： 3921-3928， 3968. （in Chinese）

[13] 王閔閔， 鹿群， 郭少龍， 等. 循環(huán)荷載作用下纖維水泥土動力特性[J]. 巖土力學(xué)， 2018， 39（5）： 1753-1760.

WANG M M， LU Q， GUO S L， et al. Dynamic behavior of soil with fiber and cement under cyclic loading [J]. Rock and Soil Mechanics， 2018， 39（5）： 1753-1760. （in Chinese）

（編輯 胡玲）