聚丙烯纖維對(duì)固化工程廢漿壓縮性能和滲透性能的影響

白傳貞，吉 鋒，徐桂中，宋苗苗，朱 鵬，吳振威

(1.南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司，南京 210029；2.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，鹽城 224051； 3.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 232001)

0 引 言

為緩解城市發(fā)展空間不足、交通擁堵等問題，近年來我國(guó)對(duì)城市地下空間進(jìn)行了大規(guī)模開發(fā)和利用，在地下管廊、泥水盾構(gòu)隧道等工程施工過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生大量高含水率工程廢漿[1-2]。傳統(tǒng)的外運(yùn)棄置處理方法，不僅占用大量土地資源，引發(fā)環(huán)境污染，還將造成資源的浪費(fèi)[3]。因此，研究經(jīng)濟(jì)環(huán)保的工程廢漿處置技術(shù)不僅具有重要的理論價(jià)值，對(duì)實(shí)現(xiàn)其資源化利用也十分重要。

通過向工程廢漿中加入固化材料(如水泥、石灰、粉煤灰等)，使固化材料與土顆粒之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)以改善工程廢漿的工程特性，是目前較為常用的處理方法之一[4-6]。該方法不僅可快速大批量處理高含水率工程廢漿，且處理后的工程廢漿可直接轉(zhuǎn)變?yōu)榭捎糜谲囌尽⒌缆返裙こ痰奶盍蟍4-6]。

采用水泥、石灰等固化劑對(duì)土體及高含水率泥漿進(jìn)行加固時(shí)，在周圍環(huán)境因素作用下，固化土/固化泥漿的韌性和抗拉性能相對(duì)較差，且表現(xiàn)出脆性破壞[7-9]。纖維作為一種新型土工加筋材料，具有分散性好、各向同性、經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，加入后可有效改善土體的力學(xué)性能，抑制土中裂縫的開展，使土體具有較好的韌性，從而在工程中逐步得到了廣泛應(yīng)用[10-13]。近年來一些學(xué)者也嘗試將纖維摻入固化土中以改善其抗拉性能和脆性破壞特征，并取得了一些有價(jià)值的研究成果[14-19]。劉衛(wèi)濤等[15]采用聚丙烯纖維對(duì)水泥土進(jìn)行加固處理，并開展無側(cè)限抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)。結(jié)果表明，一定摻量范圍內(nèi)纖維添加可提高水泥土的抗拉和抗壓性能，纖維摻量過多或過少都將產(chǎn)生不利的影響。唐朝生等[19]對(duì)聚丙烯纖維加固水泥固化軟土的強(qiáng)度性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)加入適量的聚丙烯纖維可有效提高水泥土的強(qiáng)度、脆性和斷裂破壞韌性。此外，目前纖維處理固化土的研究主要以低含水率固化土為對(duì)象，而相關(guān)研究結(jié)果表明含水率是影響其力學(xué)性能的一個(gè)重要因素[19-20]。由此可見，需要開展纖維加固對(duì)固化高含水率土力學(xué)性能影響的研究。

將固化高含水率工程廢漿作為工程用土進(jìn)行資源化利用，需保證其強(qiáng)度、變形和滲透性能的同時(shí)滿足工程建設(shè)的要求。因此，有必要明確纖維添加對(duì)固化高含水率工程廢漿壓縮性能和滲透性能的影響。以不同纖維長(zhǎng)度和不同纖維摻量的固化工程廢漿為對(duì)象，開展一維壓縮試驗(yàn)和柔性壁滲透試驗(yàn)。首先研究不同養(yǎng)護(hù)齡期下纖維添加對(duì)固化工程廢漿壓縮性能的影響，明確固化工程廢漿壓縮性能隨纖維長(zhǎng)度和纖維摻量的變化規(guī)律，并對(duì)纖維添加引起固化工程廢漿壓縮性能變化的原因進(jìn)行分析。之后，結(jié)合壓縮試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步研究纖維添加對(duì)固化工程廢漿滲透性能的影響。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

工程廢漿取自安徽省蚌埠市，為保證工程廢漿的均勻性，首先將現(xiàn)場(chǎng)取回的工程廢漿風(fēng)干磨碎，并去除其中的樹葉、雜草等雜質(zhì)。之后，取一定量風(fēng)干后的土樣測(cè)定其基本物理性能。其中，土體的液限和塑限分別為58.3%和27.0%，土粒相對(duì)密度為2.68，土中黏粒、粉粒和砂粒的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為36.8%、62.3%和0.9%。

聚丙烯纖維購自湖南匯祥纖維有限公司，為白色束狀單絲，其基本性質(zhì)見表1。由表可知，聚丙烯纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度與拉伸極限，同時(shí)抗酸堿性高，故固化工程廢漿中的堿性環(huán)境不會(huì)影響其性質(zhì)。此外，為研究纖維長(zhǎng)度對(duì)固化工程廢漿壓縮性能和滲透性能的影響，購買了3 mm、6 mm、12 mm和18 mm四種長(zhǎng)度的聚丙烯纖維。

表1 聚丙烯纖維的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of polypropylene fiber

固化劑為鹽城阜寧佳寧水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其初凝時(shí)間和終凝時(shí)間分別為155 min和220 min，28 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為9.3 MPa和49.2 MPa，均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前先取一定質(zhì)量的風(fēng)干土放入塑料桶內(nèi)，加水浸泡后攪拌均勻形成泥漿并測(cè)定其含水率。實(shí)際工程中固化處理高含水率泥漿常用的水泥摻量范圍為50～350 kg/m3[21-22]，故本研究將根據(jù)固化工程廢漿目標(biāo)含水率采用150 kg/m3的水泥摻量。根據(jù)表2中泥漿初始含水率、水泥摻量和纖維摻量(纖維摻量為纖維質(zhì)量占干土質(zhì)量的百分比，下同)計(jì)算需外加水、水泥和纖維的質(zhì)量。首先，將目標(biāo)質(zhì)量的水加入泥漿中并攪拌均勻。之后，在攪拌均勻的泥漿中加入水泥并快速攪拌均勻，以避免水泥水化使固化泥漿發(fā)生硬化，影響后續(xù)制樣。最后，再分多次將纖維分散加入“泥漿+水泥”混合物中，以保證纖維在混合物中均勻分布。

由于剛攪拌均勻的“泥漿+水泥+纖維”混合物呈流動(dòng)狀態(tài)，無法直接制備壓縮試樣，故本研究中將流態(tài)狀的固化泥漿拌合物先澆筑到大尺寸(直徑為70 mm，高為140 mm)圓柱形模具內(nèi)，待養(yǎng)護(hù)1～2 d試樣成型后，對(duì)試樣進(jìn)行脫模，并繼續(xù)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)至目標(biāo)齡期。之后，將洗凈干燥后的環(huán)刀內(nèi)壁均勻涂抹凡士林，以減小試樣和環(huán)刀間的摩擦，并稱量和記錄環(huán)刀的質(zhì)量。將環(huán)刀分多次緩慢壓入圓柱形試樣中，壓入過程中及時(shí)削去環(huán)刀側(cè)壁多余的土樣。當(dāng)環(huán)刀被土樣充滿后，用切土刀將試樣上下表面刮平，并稱量和記錄“環(huán)刀+試樣”的質(zhì)量，從而獲得試樣的質(zhì)量，并取一定質(zhì)量的試樣測(cè)定其含水率。柔性壁滲透試驗(yàn)所用試樣直徑為70 mm，高為100 mm，其制備方法如前所述。

一維壓縮試驗(yàn)和柔性壁滲透試驗(yàn)具體方案見表2。一維壓縮試驗(yàn)時(shí)，荷載的加載等級(jí)依次為12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、800 kPa 和1 600 kPa。柔性壁滲透試驗(yàn)前，先將試樣放入真空飽和缸內(nèi)進(jìn)行飽和，然后再采用柔性壁滲透儀進(jìn)行試驗(yàn)。

表2 一維壓縮試驗(yàn)和柔性壁滲透試驗(yàn)方案Table 2 Program of one-dimensional compression tests and permeability tests

2 結(jié)果與討論

2.1 壓縮曲線

對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的固化泥漿試樣開展一維壓縮試驗(yàn)，得到相同纖維摻量下含纖維固化泥漿在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下典型的體變-壓力(εv-lgP)壓縮曲線,如圖1所示。由于水泥與泥漿間發(fā)生了一系列的水化反應(yīng)、離子交換反應(yīng)以及火山灰反應(yīng)，生成了大量的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)，填充在孔隙中并將松散的土顆粒和纖維膠結(jié)成整體，故纖維加筋固化泥漿也表現(xiàn)出和天然沉積土類似的壓縮曲線，即壓縮曲線呈倒“S”型，表現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)性。有關(guān)固化泥漿壓縮曲線的這一重要特征，黃英豪等[8-9]都曾進(jìn)行了研究，指出存在一屈服應(yīng)力Py，當(dāng)上覆壓力較小(P

圖1 纖維加筋固化泥漿典型的壓縮曲線 (w0=145%，t=7 d)Fig.1 Typical compression curves of fiber reinforced cemented slurry (w0=145%，t=7 d)

2.1.1 纖維長(zhǎng)度的影響

已有研究[15-19]表明，纖維長(zhǎng)度和纖維摻量是影響纖維加筋固化泥漿力學(xué)性能的重要因素。對(duì)相同養(yǎng)護(hù)齡期和纖維摻量下的固化泥漿壓縮曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)纖維長(zhǎng)度對(duì)固化泥漿壓縮曲線的影響隨纖維摻量和初始含水率的變化而變化，具體如圖2所示。當(dāng)纖維摻量為0.5%(見圖2(a)、(b))時(shí)，不同初始含水率下，含纖維固化泥漿的壓縮曲線基本都位于不含纖維固化泥漿的上方。此時(shí)，對(duì)于初始含水率為145%的纖維加筋固化泥漿，相同上覆壓力下其體應(yīng)變隨纖維長(zhǎng)度的增加而減小。而對(duì)于初始含水率為174%的纖維加筋固化泥漿，纖維長(zhǎng)度增加對(duì)固化泥漿壓縮曲線的影響整體較小。這可能是由于隨著初始含水率的增加，纖維長(zhǎng)度對(duì)固化泥漿壓縮性能的影響將主要受水泥摻量控制。此外，由圖2(a)和圖2(b)還可以發(fā)現(xiàn)，纖維長(zhǎng)度對(duì)固化泥漿體應(yīng)變的影響主要發(fā)生在大壓力下。這主要是由于小壓力下固化泥漿的體應(yīng)變相對(duì)較小，纖維在固化泥漿中的相對(duì)滑動(dòng)也較小，固化泥漿中纖維的加筋效果未得到充分發(fā)揮。之后，當(dāng)上覆壓力繼續(xù)增加時(shí)，固化泥漿產(chǎn)生較大的體應(yīng)變，試樣內(nèi)部開始出現(xiàn)裂縫，纖維和土顆粒間也發(fā)生較大的相對(duì)滑動(dòng)。此時(shí)，纖維將通過單根纖維的一維拉筋作用和纖維網(wǎng)的三維拉筋作用，以及纖維與固化泥漿顆粒接觸面的界面摩阻力，抑制固化泥漿中裂縫的發(fā)展，提高了固化泥漿抵抗上覆壓力的能力，宏觀表現(xiàn)為上覆壓力作用下固化泥漿體應(yīng)變的減小。

當(dāng)纖維摻量增加至1.2%時(shí)(見圖2(c))，對(duì)于纖維長(zhǎng)度小于18 mm的固化泥漿樣，不同長(zhǎng)度纖維加筋固化泥漿的壓縮曲線基本相同，即纖維長(zhǎng)度增加對(duì)其壓縮性能基本不產(chǎn)生影響。當(dāng)纖維長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，纖維單絲相互間接觸的概率將增大，易相互吸附形成團(tuán)塊，降低了纖維在試樣內(nèi)部分布的均勻性[23]。同時(shí)，已有研究[24]還發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)纖維還容易出現(xiàn)彎折和重疊現(xiàn)象，且相同纖維摻量下試樣中的長(zhǎng)纖維數(shù)量相對(duì)也較少，從而將抑制纖維的傳力效果。這和文中纖維長(zhǎng)度增加至18 mm后，出現(xiàn)纖維加筋固化泥漿體應(yīng)變?cè)龃蟮默F(xiàn)象相一致。由此可見，為達(dá)到纖維對(duì)固化泥漿壓縮性能的最佳改善效果，需要合理地選用纖維長(zhǎng)度。

圖2 纖維長(zhǎng)度對(duì)固化泥漿壓縮曲線的影響Fig.2 Effect of fiber length on compression curves of cemented slurry

2.1.2 纖維摻量的影響

對(duì)不同纖維摻量下固化泥漿的壓縮曲線進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3和圖4所示。如前所述，在上覆壓力較小時(shí)纖維的加筋效果未充分發(fā)揮，故添加纖維與未添加纖維試樣的體應(yīng)變差異較小。隨著上覆壓力的進(jìn)一步增加(>200 kPa)，纖維摻量對(duì)固化泥漿壓縮曲線的影響與纖維長(zhǎng)度、養(yǎng)護(hù)齡期及試樣初始含水率是密切相關(guān)的。對(duì)于初始含水率為145%的固化泥漿(見圖3)，上覆壓力超過200 kPa后，纖維與土顆粒間的黏結(jié)力與摩擦力約束了土顆粒間的位移，纖維的加筋效果發(fā)揮作用，故相同上覆壓力下固化泥漿體應(yīng)變隨纖維摻量的增加而減小，且減小幅度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而降低。這可能是由于隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，水泥水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)一起生成了更多的凝膠產(chǎn)物，土顆粒間以及土顆粒與纖維間的連接強(qiáng)度增強(qiáng)。

圖3 典型的固化泥漿壓縮曲線隨纖維摻量變化規(guī)律(w0=145%)Fig.3 Typical changes in compression curves of cemented slurry with fiber content (w0=145%)

對(duì)于初始含水率為174%的固化泥漿(見圖4)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí)，相同上覆壓力下固化泥漿產(chǎn)生的體應(yīng)變隨纖維摻量的增加而減小。之后，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加到28 d后，纖維摻量對(duì)固化泥漿壓縮性能的影響隨纖維長(zhǎng)度的增加是變化的。對(duì)于纖維長(zhǎng)度為3 mm的試樣(見圖4(b))，其壓縮曲線基本不受纖維添加量的影響。而對(duì)于纖維長(zhǎng)度為6 mm、12 mm和18 mm的試樣，纖維摻量對(duì)其壓縮性能的影響則都具有和圖4(c)類似的變化趨勢(shì)，即過量的纖維摻入將引起固化泥漿體應(yīng)變的增加。

圖4 典型的固化泥漿壓縮曲線隨纖維摻量變化規(guī)律(w0=174%)Fig.4 Typical changes in compression curves of cemented slurry with fiber content (w0=174%)

綜上可知，纖維添加對(duì)固化泥漿壓縮性能的影響是多方面因素共同作用的結(jié)果，除纖維長(zhǎng)度、纖維摻量外，還和初始含水率、養(yǎng)護(hù)齡期、水泥摻量等因素有關(guān)。此外，已有研究[15-17,19]還發(fā)現(xiàn)，纖維加筋效果達(dá)到最優(yōu)時(shí)對(duì)應(yīng)的纖維長(zhǎng)度和摻量，隨土樣種類、成分和所在位置的不同也是變化的。劉衛(wèi)濤等[15]以水泥固化張家口地區(qū)黏性土為對(duì)象進(jìn)行研究，指出最佳的纖維摻量為1.0%，較優(yōu)的纖維長(zhǎng)度為12 mm；而佟鈺等[17]對(duì)沈陽地區(qū)水泥固化低液限粉質(zhì)黏土的研究表明，最佳的聚丙烯纖維摻量為0.5%。對(duì)于本研究所用固化工程廢漿，聚丙烯纖維長(zhǎng)度和摻量分別以不超過12 mm和1.2%為宜。

2.2 滲透系數(shù)

根據(jù)壓縮試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)所用固化泥漿試樣的屈服應(yīng)力基本都大于300 kPa，故柔性壁滲透試驗(yàn)時(shí)選定圍壓σ分別為150 kPa和250 kPa，滲透壓為100 kPa。試驗(yàn)過程中記錄不同滲透時(shí)間下的出水量。根據(jù)達(dá)西定律，由公式(1)計(jì)算獲得纖維加筋固化泥漿的滲透系數(shù)k。

k=Ql/TAh

(1)

式中：l為滲流長(zhǎng)度即試樣高度，cm；A為試樣截面積，cm2；h為水頭差，cm；T為滲透時(shí)間，s；Q為出水量，cm3。表3為養(yǎng)護(hù)28 d后固化工程廢漿滲透系數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。由表可知，試驗(yàn)土樣滲透系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)分別小于0.3×10-8cm/s和5%，滲透系數(shù)離散程度較小，這表明由前述方法制備的試樣均勻性滿足要求。

表3 固化工程廢漿的滲透系數(shù)Table 3 Permeability coefficient of cemented construction waste slurry

當(dāng)圍壓為150 kPa時(shí)，纖維的添加引起固化泥漿滲透系數(shù)的減小。纖維長(zhǎng)度為3 mm時(shí)，含纖維固化泥漿滲透系數(shù)隨纖維摻量的增加而減小。隨著纖維長(zhǎng)度增加到6 mm、12 mm和18 mm后，含纖維固化泥漿的滲透系數(shù)則基本不受纖維摻量的影響。之后，當(dāng)圍壓增加為250 kPa時(shí)，含纖維固化泥漿滲透系數(shù)隨纖維長(zhǎng)度的增加整體表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，甚至出現(xiàn)滲透系數(shù)大于不含纖維固化泥漿的情況。這可能是由于在250 kPa的圍壓下固化泥漿的體積變形增加，在纖維和固化泥漿接觸部位產(chǎn)生了一些微裂縫，纖維長(zhǎng)度越長(zhǎng)則在這些微裂縫處越易形成沿纖維長(zhǎng)度方向的貫通滲流通道，從而引起纖維加筋固化泥漿滲透系數(shù)的增大。綜上可知，對(duì)于含纖維固化泥漿，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程對(duì)固化泥漿抗?jié)B性能的要求合理選擇纖維長(zhǎng)度和摻量。

3 結(jié) 論

(1)纖維加筋固化高含水率工程廢漿具有明顯的結(jié)構(gòu)性。當(dāng)上覆壓力較小時(shí)，固化泥漿的體應(yīng)變相對(duì)較小，纖維與土顆粒間的相對(duì)滑動(dòng)也較小，纖維的加筋效果未得到充分發(fā)揮，故屈服前階段纖維添加對(duì)固化泥漿壓縮性能基本不產(chǎn)生影響；隨著上覆壓力繼續(xù)增加，達(dá)到屈服應(yīng)力后，固化泥漿產(chǎn)生較大的體應(yīng)變，纖維和土顆粒間也發(fā)生較大的相對(duì)滑動(dòng)，纖維將通過單根纖維的一維拉筋作用和纖維網(wǎng)的三維拉筋作用，以及纖維與固化泥漿顆粒接觸面的界面摩阻力對(duì)固化工程廢漿的壓縮性能產(chǎn)生影響。

(2)對(duì)于纖維摻量為0.5%的固化工程廢漿，相同上覆壓力下纖維添加引起固化泥漿體應(yīng)變的減小。其中，當(dāng)固化泥漿初始含水率為145%時(shí)，纖維添加引起固化泥漿體應(yīng)變的降低幅度隨纖維長(zhǎng)度的增加而減小。而對(duì)于初始含水率為174%的固化工程廢漿，纖維長(zhǎng)度增加對(duì)固化泥漿壓縮曲線基本不產(chǎn)生影響；當(dāng)纖維摻量較高(1.2%)時(shí)，纖維長(zhǎng)度增加到18 mm后，纖維單絲相互間接觸的概率增大，易出現(xiàn)彎折和重疊現(xiàn)象，且易相互吸附形成團(tuán)塊，降低了纖維對(duì)固化工程廢漿的加固效果，相同上覆壓力下引起固化泥漿體應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

(3)當(dāng)纖維長(zhǎng)度小于12 mm時(shí)，相同圍壓下固化工程廢漿的滲透系數(shù)隨纖維的加入而減小。對(duì)于長(zhǎng)度為12 mm和18 mm的纖維，隨著纖維摻量增加到1.2%，將出現(xiàn)滲透系數(shù)增加的情況。在屈服前階段，纖維添加對(duì)固化泥漿壓縮性能基本不產(chǎn)生影響，故纖維添加對(duì)固化工程廢漿滲透系數(shù)的整體影響較小。

(4)對(duì)于本研究所用固化工程廢漿，適宜的纖維摻量應(yīng)不超過1.2%，且纖維長(zhǎng)度宜小于12 mm。