黃原膠和玄武巖纖維改良黃土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

左晨希，孫樹林*，黃曼捷，高詩欽，張 巖

(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，南京 211100；2.南京信息工程大學(xué)水文與水資源工程學(xué)院，南京 210044；3.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，南京 210098)

黃土的整體結(jié)構(gòu)松散，有大量孔隙，這是其區(qū)別于其他土類的主要特征之一[1]。因具多孔隙、膠結(jié)弱、富含可溶鹽和透水性強(qiáng)等不良工程特性，其力學(xué)承載能力較差[2]。為滿足工程路基的使用要求，黃土一般要經(jīng)過物理、化學(xué)以及生物改良后方能投入使用[3]。現(xiàn)階段，由于生物改良的工程耐久性缺乏，科學(xué)人員把目光多鎖定在化學(xué)類固化劑以及物理作用對(duì)黃土性能改良的相關(guān)研究[4]。過去大面積使用無機(jī)膠凝材料導(dǎo)致環(huán)境污染，后期處理成本高昂。為此，環(huán)境友好型固化劑成為研究熱點(diǎn)。劉釗釗[5]等人研究不同摻量木質(zhì)素改良黃土的持水性和水穩(wěn)性。唐朝生等[6]研究了聚丙烯纖維對(duì)軟土力學(xué)特性的提升。張?jiān)ゴ╗7]等人對(duì)黃土開展室內(nèi)試驗(yàn)，研究土料類型、摻合材料、摻合量、養(yǎng)護(hù)齡期等因素對(duì)改良黃土抗剪強(qiáng)度和滲透性的影響。裴向軍等[8-9]自主研發(fā)高分子材料加固沙土、碎石土以及黃土，對(duì)其抗壓、抗剪強(qiáng)度等性質(zhì)進(jìn)行了研究。

本試驗(yàn)對(duì)重塑黃土摻加黃原膠以及玄武巖纖維，采用無側(cè)限抗壓試驗(yàn)對(duì)加固黃土的力學(xué)強(qiáng)度特性進(jìn)行探討，并確定黃原膠和玄武巖纖維改良黃土抗壓強(qiáng)度的最佳配比，為黃土路基固化等工程提供有參考意義的數(shù)值。

1 改良黃土的試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料與器材

本次試驗(yàn)時(shí)間為2021年5月初至6月底，為期約兩個(gè)月時(shí)間，試驗(yàn)地點(diǎn)為河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院土工實(shí)驗(yàn)室。試驗(yàn)所用黃土采自太原杏花嶺區(qū)內(nèi)的東山森林公園基坑，取土點(diǎn)為黃土臺(tái)塬，為馬蘭黃土，原狀土呈灰黃色。取素土樣試樣碾碎烘干，通過室內(nèi)試驗(yàn)，得到黃土的部分基本物理性能參數(shù)見表1。

表1 原狀黃土的基本物理參數(shù)

本次試驗(yàn)選用某品牌工業(yè)級(jí)黃原膠。黃原膠[10]具有良好的分散性、黏結(jié)性和耐酸堿等特點(diǎn)，用于化學(xué)膠結(jié)。玄武巖纖維是由天然玄武巖合成的環(huán)保高分子聚合物，具有高剛度、高抗拉強(qiáng)度、耐酸耐堿性和耐磨性能[11]，試驗(yàn)所用玄武巖纖維為18mm規(guī)格，對(duì)土體起增韌、增強(qiáng)、阻裂等作用[12]。使用前將纖維分散為細(xì)絲狀，使其能增大與土體的接觸面積，纖維的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 玄武巖纖維主要技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)首先單獨(dú)摻加玄武巖纖維和黃原膠至土體，通過單軸抗壓試驗(yàn)確定二者的最佳摻量。經(jīng)過先期的預(yù)實(shí)驗(yàn)，本次試驗(yàn)玄武巖纖維摻量設(shè)置0.2%、0.4%、0.6%、0.8%四個(gè)水平，黃原膠摻量設(shè)置1%、1.5%、2%、2.5%四個(gè)水平，并設(shè)置養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1、7、14、28d四個(gè)水平；再按照不同比例混摻黃原膠和玄武巖纖維，設(shè)置與單摻相同的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，設(shè)置正交試驗(yàn)組，通過單軸抗壓試驗(yàn)測(cè)定分析其抗壓強(qiáng)度最大時(shí)的最佳的摻量比例。

1.3 試樣制備及試驗(yàn)儀器

試樣成品為高度80mm，直徑39.1mm的圓柱狀土體，每個(gè)試驗(yàn)組制備3個(gè)試樣，每個(gè)條件下制作3個(gè)素土樣作為對(duì)照，結(jié)果采用平均值。試樣制好后立即用保鮮膜包裹并用貼紙封裝，移送養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行恒溫養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)所用儀器為YYW-2型應(yīng)變式無側(cè)限壓力測(cè)量控制儀，試驗(yàn)的應(yīng)變速率為2.4mm/min，測(cè)力環(huán)系數(shù)C=1.665。試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)中相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，記錄各個(gè)應(yīng)變點(diǎn)處的應(yīng)力數(shù)值，取峰值強(qiáng)度作為單軸抗壓強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

2.1 黃原膠對(duì)土體強(qiáng)度的影響

表3為不同黃原膠摻量土體和素土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度結(jié)果。圖1為不同黃原膠摻量土體和素土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。由圖1、表3可見：摻黃原膠土體的抗壓強(qiáng)度顯著高于素土抗壓強(qiáng)度。在相同養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)，黃原膠摻量為1.5%的土體抗壓強(qiáng)度大于摻量為1.0%、2.0%和2.5%的土體。摻加黃原膠的土體應(yīng)力應(yīng)變?cè)鏊倏煊谒赝?，并且?dāng)土體應(yīng)力到達(dá)峰值后，應(yīng)力應(yīng)變曲線的下降速率也較素土快，但仍有稍大于素土的殘余強(qiáng)度，表明黃原膠對(duì)土體強(qiáng)度的提升有顯著效果。

圖1 不同黃原膠摻量及養(yǎng)護(hù)齡期下土體應(yīng)力-應(yīng)變

表3 不同黃原膠摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間下的土樣抗壓強(qiáng)度

圖2為不同養(yǎng)護(hù)齡期下?lián)郊狱S原膠土體和素土的抗壓強(qiáng)度變化圖。由圖2可見，摻加黃原膠的土體抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，在1、7和14d時(shí)間段，改良黃土的強(qiáng)度提升較為顯著，在14d到28d的養(yǎng)護(hù)齡期中，土體的強(qiáng)度上升變緩，増幅較小，而素土在1、7、14及28d的養(yǎng)護(hù)齡期下，抗壓強(qiáng)度變化不大。摻加1.5%的黃原膠，在養(yǎng)護(hù)齡期為28d條件下，土體抗壓強(qiáng)度提升最大，為173.16kPa，為同期素土強(qiáng)度的1.84倍。

圖2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)黃原膠土體抗壓強(qiáng)度的影響

黃原膠吸水形成黏稠液，具膠結(jié)作用；同時(shí)黃原膠中羥基與土顆粒接觸后會(huì)形成氫鍵提供更強(qiáng)黏結(jié)力；黃原膠粉末較土顆粒小，能夠填充土顆粒間的空隙，使得土體更緊湊密實(shí)，從而提高土體強(qiáng)度。但若摻入過量黃原膠，與水形成的黏稠懸浮液會(huì)充填土顆粒間的空間，削弱土體自身黏結(jié)性，同時(shí)也增加土體中孔隙的總體積[13]。故較高黃原膠含量的土體強(qiáng)度較摻加1.5%黃原膠的土體強(qiáng)度降低，說明存在一個(gè)相對(duì)最優(yōu)摻量可使得土體的加固效果最有效。

2.2 玄武巖纖維對(duì)土樣強(qiáng)度的影響

表4為不同摻量的玄武巖纖維加筋土和素土在不同養(yǎng)護(hù)齡期下的抗壓強(qiáng)度。圖3為在養(yǎng)護(hù)齡期28d時(shí)，玄武巖纖維加筋土和素土的應(yīng)力-應(yīng)變圖。由圖3、表4可見：摻玄武巖纖維土體的抗壓強(qiáng)度均明顯高于素土。玄武巖纖維摻量為0.6%的土體強(qiáng)度優(yōu)于0.2%、0.4%和0.8%的加筋土體。在達(dá)到峰值強(qiáng)度之后，加筋土體應(yīng)力下降速度較素土慢，說明摻加玄武巖纖維不但能有效提高土體強(qiáng)度，同時(shí)也能提高土體的延性，有效抑制土體破壞后的變形，可見玄武巖纖維加入對(duì)提升土體抗壓強(qiáng)度有顯著作用。其中養(yǎng)護(hù)齡期28d下，0.6%摻加量提高土體強(qiáng)度的效果最為明顯，達(dá)到135.26kPa，為素土的1.44倍。

圖3 不同玄武巖纖維摻量改良土應(yīng)力-應(yīng)變

表4 不同纖維摻量和齡期下土樣抗壓強(qiáng)度

玄武巖纖維在土體中均勻分散，與土顆粒緊密接觸，單根纖維通過彎曲、嵌入、相互交織等作用限制土顆粒位移，多根纖維則可形成范圍內(nèi)的網(wǎng)狀支撐，壓力作用時(shí)多根纖維相互制約，極大程度的約束了土顆粒的移動(dòng)，提高抗壓強(qiáng)度；同時(shí)纖維與土體間有較強(qiáng)的摩擦力，可以延緩?fù)馏w內(nèi)部微小裂隙的突變，從而提高殘余強(qiáng)度。但過多的纖維會(huì)導(dǎo)致土顆粒過多分離，反而會(huì)導(dǎo)致土顆粒間原有的黏結(jié)力降低，使整體的土體強(qiáng)度降低，故較高纖維摻量的土體強(qiáng)度較摻加0.6%玄武巖纖維的降低，所以存在一個(gè)相對(duì)最優(yōu)摻量可使得土體的加固效果最為有效。

2.3 黃原膠和玄武巖纖維對(duì)土樣強(qiáng)度綜合影響

對(duì)于混摻兩種材料的改良土體強(qiáng)度測(cè)定，若采用排列組合方法則需要制備64組試樣，大大增加試驗(yàn)的工作量及周期。故本試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)方法，考慮黃原膠摻量、玄武巖纖維摻量和養(yǎng)護(hù)齡期三個(gè)因素，摻量和時(shí)間設(shè)置4個(gè)不同水平，根據(jù)L16(43)型正交表，通過SPSS軟件生成實(shí)驗(yàn)方案，共得到16組試驗(yàn)組，試驗(yàn)組的因素水平和試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

對(duì)正交試驗(yàn)的結(jié)果采用極差分析法，由表6極差分析結(jié)果可知，土體的抗壓強(qiáng)度影響指標(biāo)中，養(yǎng)護(hù)時(shí)間的極差最大，黃原膠摻量次之，玄武巖纖維摻量極差最小。說明，養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)改良黃土的影響最大，而玄武巖纖維的影響相對(duì)較小一些。對(duì)于黃原膠摻量、玄武巖纖維摻量和養(yǎng)齡期3個(gè)不同因素的4個(gè)不同水平下的均值分析發(fā)現(xiàn)：黃原膠摻量均值為K2A最大，表明黃原膠摻量為1.5%時(shí)改良黃土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值，改良效果最佳；玄武巖纖維摻量均值為K3B最大，表明小圍巖除了為0.6%時(shí)改良黃土的抗壓強(qiáng)度較其他摻量更佳；對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期而言，K4C的均值最大，說明養(yǎng)護(hù)齡期為28d時(shí)，改良土體的強(qiáng)度最大。綜上，對(duì)于混摻的改良黃土，黃原膠摻量為1.5%，玄武巖纖維摻量為0.6%，在養(yǎng)護(hù)齡期為28d的條件下強(qiáng)度最大，為同樣養(yǎng)護(hù)齡期下的素土的2.06倍。

表6 極差分析

2.4 固化土機(jī)理分析

本文研究黃原膠和玄武巖纖維對(duì)黃土強(qiáng)度特性的改良。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，黃原膠和玄武巖纖維單獨(dú)、混合摻入均能夠顯著的提高黃土的抗壓特性。當(dāng)二者混合摻入土體時(shí)，黃原膠吸水形成黏稠液后為土體提供更強(qiáng)的黏結(jié)力和摩擦力，將土顆粒包裹在黏稠液中，同時(shí)玄武巖纖維和黃原膠黏稠液相互結(jié)合成更加穩(wěn)定牢靠的“纖維-凝膠網(wǎng)”系統(tǒng)，更大面積的限制了土顆粒的相對(duì)位移，極大程度發(fā)揮了二者的工程特性，顯著提高黃土的工程強(qiáng)度，圖4為黃原膠和玄武巖纖維混摻改良土體的機(jī)理示意。

圖4 黃原膠和玄武巖纖維混摻改良機(jī)理

3 結(jié)論

1)隨著黃原膠摻量提高，改良土的抗壓強(qiáng)度先增大后減小，單摻黃原膠為1.5%摻量下改良土抗壓強(qiáng)度最高，且隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大，黃原膠改良土的強(qiáng)度為逐漸增大，28d時(shí)達(dá)到最大，為173.16kPa，是素土的1.84倍；隨著玄武巖纖維摻量增大，土體的抗壓強(qiáng)度先增后減，28d養(yǎng)護(hù)齡期，摻量為0.6%時(shí)土體抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到135.26kPa，為素土的1.44倍。

2)通過正交試驗(yàn)對(duì)混摻黃原膠和玄武巖纖維的土體抗壓強(qiáng)度進(jìn)行極差分析，得出敏感性排行為：養(yǎng)護(hù)齡期>黃原膠摻量>玄武巖纖維摻量，當(dāng)黃原膠摻量為1.5%，玄武巖纖維摻量為0.6%，養(yǎng)護(hù)齡期為28d的土體強(qiáng)度最大，為素土的2.06倍。

3)混合摻加玄武巖纖維和黃原膠，黃原膠黏稠液和纖維相互結(jié)合成更加穩(wěn)定牢靠的“纖維-凝膠網(wǎng)”系統(tǒng)，在養(yǎng)護(hù)過程中黃原膠與土顆粒反應(yīng)，可顯著增大土體抗壓強(qiáng)度。