木質(zhì)纖維與水泥共同改良軟土的力學(xué)性能與微觀機(jī)制分析

戴 巍，陳智超，馮青山，麥凌威，祝敏剛

(1.廣東交科檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510550；2.廣州市吉華勘測(cè)股份有限公司，廣東 廣州 510550)

0 引 言

在我國(guó)沿海地區(qū)廣泛分布著軟土，隨著道路建設(shè)的日益加劇，軟土地區(qū)路基、邊坡等災(zāi)害嚴(yán)重。軟土具有天然含水量高、抗剪強(qiáng)度低的特點(diǎn)，難以直接用來作為建筑物的地基[1-3]。因此，急需對(duì)軟土進(jìn)行處理，以滿足工程實(shí)際的需要。軟土改良作為最直接有效的方法被廣泛使用[4]。

水泥因其對(duì)力學(xué)性能的改良效果好而被廣泛應(yīng)用于軟土改良中[5-7]。但是，使用水泥作為穩(wěn)定劑對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響，水泥生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量CO2，加劇了全球溫室效應(yīng)[8-9]。此外，水泥改良后對(duì)地下水和表層植被的影響巨大[10]。因此，許多學(xué)者開始尋找一些方法以減小傳統(tǒng)改良劑的用量。Yao等[11]通過利用納米材料改良軟土，并探討了納米MgO改良土在酸性條件下的力學(xué)性能；Chowdary等[12]利用纖維增強(qiáng)的聚合物處理軟土，初步探討了地聚物代替水泥的可能性。但是這些研究所使用的材料獲取比較困難，難以在工程實(shí)際中大量使用。因此，選取一種來源廣泛的材料和水泥共同使用可能更符合工程實(shí)際的要求。

木質(zhì)纖維由于廣泛存在于自然界中，受到眾多研究者的青睞[13-15]。本文采用木質(zhì)纖維與水泥共同改良軟土，通過壓實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和拉伸試驗(yàn)，分析了不同木質(zhì)纖維含量(0、0.25%、0.5%和1%)、水泥含量(4%、8%和12%)和固化時(shí)間(7、14 d和28 d)對(duì)軟土力學(xué)性能的影響規(guī)律，在此基礎(chǔ)上建立了固化時(shí)間、纖維含量、水泥含量等參數(shù)與抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的多元非線性回歸模型。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用的軟土是從我國(guó)廣東省沿海地區(qū)采集的。由于土壤的均勻性是影響試驗(yàn)結(jié)果一致性的關(guān)鍵因素，首先將軟土烘干后碾碎，然后用直徑為2 mm的篩子篩除粗顆粒。測(cè)得軟土的比重、液限和塑限分別為2.6、43.5%和30%，其粒徑級(jí)配曲線見圖1。根據(jù)XRD衍射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)軟土的成分包括石英、高嶺石、伊利石等。通過XRF分析發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)所用軟土中主要含有SiO2(72.58%)、Al2O3(17.28%)、Fe2O3(4.11%)、CaO(1.30%)等。

圖1 軟土的粒徑級(jí)配

試驗(yàn)中采用的水泥為C42.5普通硅酸鹽水泥，其基本組成成分見表1。水泥的比重和比表面積分別為3.01和3.68 cm2/g。

表1 水泥的化學(xué)成分 %

試驗(yàn)中所用的木質(zhì)纖維為玉米秸稈纖維。將原始秸稈洗凈后碾碎、切割成長(zhǎng)1 cm、直徑為0.3 mm的纖維，并在100 條件下完全烘干得到試驗(yàn)所需的木質(zhì)纖維。

1.2 試樣方案及試樣制備

為了研究木質(zhì)纖維和水泥對(duì)軟土力學(xué)性能的影響，試驗(yàn)中所使用的水泥含量為4%、8%和12%，木質(zhì)纖維含量為0、0.25%、0.5%和1%。具體試驗(yàn)方案見表2。

表2 試驗(yàn)方案 %

試驗(yàn)前，需進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得到木質(zhì)纖維、水泥改良軟土的最大干密度及含水率，然后再進(jìn)行試樣的制備。試驗(yàn)中，所有試樣均按下述步驟制備：

(1)按照表2中水泥含量及木質(zhì)纖維含量稱取定量的水泥、木質(zhì)纖維及軟土，并將三者混合，用手?jǐn)嚢? min，使其混合均勻。

(2)稱取定量的去離子水(質(zhì)量為軟土的12%)，將其倒入混合物中，用手快速攪拌，直至混合物中沒有團(tuán)聚體。

(3)稱取定量的混合物，將其倒入無側(cè)限抗壓試樣模具中，采用靜載壓實(shí)的方法分三層壓實(shí)，每層壓實(shí)過程中均需將表層混合物刮毛。試樣直徑為50 mm、高100 mm。

(3)將制備好的試樣用塑料薄膜包裹密封，在20 ℃條件下固化7、14、28 d后，取出試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂試驗(yàn)。

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)JTG E40—2007《公路工程土工試驗(yàn)規(guī)程》分別進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)采用全自動(dòng)材料試驗(yàn)機(jī)，加載速率為0.15 mm/min。試驗(yàn)前，需對(duì)試樣進(jìn)行表面拋光，以保證上下兩端平行、光滑。

2 結(jié)果分析

2.1 擊實(shí)試驗(yàn)

為獲取木質(zhì)纖維對(duì)水泥改良軟土的擊實(shí)性能的影響，通過擊實(shí)試驗(yàn)得到不同含量的木質(zhì)纖維和水泥改良軟土的擊實(shí)曲線，見圖2。從圖2可知：

圖2 擊實(shí)曲線

(1)當(dāng)水泥含量為4%時(shí)，隨著木質(zhì)纖維含量的增加，水泥改良軟土的最佳含水率也隨之逐漸增加，最大干密度隨之減小。同樣，水泥含量為8%和12%時(shí)，可得到相同的結(jié)論。由此可見，木質(zhì)纖維的加入對(duì)水泥改良軟土的擊實(shí)特性有顯著的影響。造成這種現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)槟举|(zhì)纖維的比重低于水泥和軟土，因此加入木質(zhì)纖維，造成木質(zhì)纖維-水泥-軟土的整體密度降低。而木質(zhì)纖維可有效吸收水分，隨著木質(zhì)纖維的增加，其最佳含水率也隨之增大。

(2)相同木質(zhì)纖維含量下，隨著水泥含量的增加，改良后軟土的最大干密度隨之增加，而最優(yōu)含水率也隨之增加。這主要是因?yàn)樗啾戎卮笥谲浲帘戎?，造成其最大干密度的增加。水泥的親水性也優(yōu)于軟土，導(dǎo)致其含水率發(fā)生變化。此外，水泥的水化反應(yīng)也是造成改良后軟土最佳含水率增大的重要原因。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

試驗(yàn)中未改良的軟巖的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為0.6 MPa。圖3為不同木質(zhì)纖維含量、水泥含量下改良軟土養(yǎng)護(hù)7、14、28 d后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。從圖3可知：

圖3 改良軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

(1)當(dāng)水泥含量相同時(shí)，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨木質(zhì)纖維含量的增大先增大后減小，在木質(zhì)纖維含量為0.25%時(shí)最大。造成這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)樘砑幽举|(zhì)纖維后，改良土中出現(xiàn)了木質(zhì)纖維、水泥、軟土的膠結(jié)體，由于木質(zhì)纖維表面粗糙，木質(zhì)纖維與水泥形成互鎖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致改良土顆粒間的摩擦力增大。此外，木質(zhì)纖維表面更易黏附軟土顆粒，形成膠結(jié)。但木質(zhì)纖維含量增多后，其吸水能力大，抑制水泥水化反應(yīng)，減小了水化產(chǎn)物的產(chǎn)生。

(2)當(dāng)木質(zhì)纖維含量相同時(shí)，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥的含量呈正相關(guān)關(guān)系。這主要是因?yàn)樗嗪吭酱螅瑫?huì)產(chǎn)生更多的水化產(chǎn)物，使改良土膠結(jié)更加緊密。

(3)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨之增大。在早期水泥產(chǎn)生的水化產(chǎn)物較少，其內(nèi)部主要依賴木質(zhì)纖維的互鎖效應(yīng)。后期隨著水化產(chǎn)物的不斷增加，使改良土顆粒膠結(jié)更加緊密。

2.3 劈裂強(qiáng)度

圖4是不同木質(zhì)纖維含量下改良軟土的劈裂強(qiáng)度。從圖4可以看出，木質(zhì)纖維對(duì)水泥改良軟土的劈裂強(qiáng)度具有顯著的影響。當(dāng)水泥含量一定時(shí)，改良土的劈裂強(qiáng)度隨木質(zhì)纖維含量的增大表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，并在木質(zhì)纖維含量為0.25%時(shí)最大。這主要是由于木質(zhì)纖維與水泥、軟土形成互鎖效應(yīng)，在劈裂過程中具有一定的緊握效果，并承擔(dān)一定的抗拉強(qiáng)度，增加了改良土的劈裂難度。當(dāng)木質(zhì)纖維含量一定時(shí)，改良土的劈裂強(qiáng)度隨水泥含量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加均呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。這是由于水化產(chǎn)物的增多，使顆粒間膠結(jié)，增強(qiáng)了黏聚力。

圖4 改良軟土的劈裂強(qiáng)度

由此可見，木質(zhì)纖維和水泥均可增強(qiáng)軟土的力學(xué)性能，且兩者共同作用效果遠(yuǎn)大于單獨(dú)使用水泥改良軟土的效果。因此，在實(shí)際工程上，同種改良效果下，添加木質(zhì)纖維的水泥的用量遠(yuǎn)小于單獨(dú)使用水泥時(shí)的水泥用量。

2.4 木質(zhì)纖維、水泥改良機(jī)制分析

為更好地分析木質(zhì)纖維、水泥改良軟土的微觀機(jī)制，選取原狀土、A5(8%水泥)、A6(8%水泥、0.25%木質(zhì)纖維)進(jìn)行SEM測(cè)試。圖5為木質(zhì)纖維、水泥改良軟土的SEM圖片。從圖5可知：

圖5 木質(zhì)纖維、水泥改良軟土的SEM

(1)未處理的軟土內(nèi)部孔隙較大，顆粒間的連接主要是堆疊、點(diǎn)與點(diǎn)連接，土顆粒較為明顯，且顆粒大小比較均勻。

(2)經(jīng)8%水泥處理后的軟土中出現(xiàn)明顯的纖維狀水化產(chǎn)物，且土顆粒明顯比原狀軟土顆粒較大，出現(xiàn)了明顯的膠結(jié)體。此外，與原狀軟土相比，經(jīng)8%水泥處理后的軟土中微觀孔隙明顯減小。

(3)經(jīng)8%水泥和0.25%木質(zhì)素纖維處理后的軟土中有明顯的水化產(chǎn)物，且孔隙率進(jìn)一步減小。同時(shí)，木質(zhì)纖維均勻分布在水化產(chǎn)物與軟土的膠結(jié)體中。

由此可以推斷，木質(zhì)纖維、水泥改良軟土的微觀機(jī)制可大分為2部分：一是，水泥水化產(chǎn)生水化產(chǎn)物，填充了軟土間的孔隙，并使軟土顆粒和水化產(chǎn)物膠結(jié)在一起，增強(qiáng)了軟土的黏聚力，使改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度增加。二是，木質(zhì)纖維自身粗糙，黏土顆粒和水化產(chǎn)物黏附在木質(zhì)纖維表面，產(chǎn)生互鎖效應(yīng)，使改良土的力學(xué)性能得到改善。

3 結(jié) 語

本文通過對(duì)木質(zhì)纖維、水泥改良土進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，得到了不同含量的木質(zhì)纖維、水泥、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)改良土的力學(xué)性能的影響規(guī)律。同時(shí)，利用SEM觀察了改良前后軟土的微觀結(jié)構(gòu)，揭示了木質(zhì)纖維、水泥改良軟土的微觀機(jī)制，得到以下結(jié)論：

(1)木質(zhì)纖維、水泥對(duì)軟土的擊實(shí)特性有顯著的影響。隨著木質(zhì)纖維、水泥含量的增加，改良軟土的最佳含水率也隨之逐漸增加。但最大干密度隨木質(zhì)纖維含量的增加而減小，隨水泥含量的增加而增加。

(2)改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度均隨木質(zhì)纖維含量的增大先增大后減小，在木質(zhì)纖維含量為0.25%時(shí)最大。此外，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及劈裂強(qiáng)度均隨水泥含量及養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而增大。

(3)木質(zhì)纖維和水泥的水化產(chǎn)物均可有效減小土體中的微觀孔隙，使軟土顆粒、木質(zhì)纖維和水泥膠結(jié)成大的膠結(jié)體，從而改善軟土的力學(xué)性能。

(4)木質(zhì)纖維、水泥改良軟土的微觀機(jī)制除水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用外，木質(zhì)纖維與水化產(chǎn)物、軟土顆粒間的互鎖效應(yīng)也是其增強(qiáng)其力學(xué)性能的重要因素。