多種因素對(duì)纖維水泥紅土加固效果的影響

牛雷，徐麗娜* ，鄭俊杰，田偉 ，蘭洋洋

(1.吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130118；2.華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，武漢 430074)

水泥土因其施工簡(jiǎn)便、適應(yīng)能力強(qiáng)、壓縮性低等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于路基加固、地基處理、邊坡防治和基坑支護(hù)等工程領(lǐng)域[1-3]；近年來(lái)，中外眾多學(xué)者將不同纖維摻入水泥土中用來(lái)進(jìn)一步提高水泥土的工作性能，取得了一定的研究成果。

從現(xiàn)有的文獻(xiàn)來(lái)看，無(wú)論是摻入聚丙烯纖維[4-6]、玻璃纖維[7-8]、還是玄武巖纖維[9-11]等，均能在一定條件下提高土體的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。其中，玄武巖纖維以其良好的工作性能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用。玄武巖纖維在改善水泥土強(qiáng)度特性的同時(shí)，亦能夠顯著地降低水泥土的滲透系數(shù)，增強(qiáng)抗?jié)B性能[12]；同時(shí)，玄武巖纖維的介入，能夠減緩水泥土在凍融循環(huán)作用下的強(qiáng)度損失，提高水泥土的抗凍性能[13-15]；也能夠提高膨脹土的強(qiáng)度參數(shù)，使膨脹土的收縮系數(shù)顯著下降[16]；另外，玄武巖纖維在微生物固化砂中也取得了較好的加固效果[17]。

長(zhǎng)春地處北方嚴(yán)寒地區(qū)，戶(hù)外施工期較短，目前對(duì)玄武巖纖維在自然低溫養(yǎng)護(hù)條件下強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律的研究相對(duì)較少；另外，采用玄武巖纖維對(duì)本地區(qū)紅土進(jìn)行加固是否適宜?諸多因素對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律如何？為了解決上述問(wèn)題，現(xiàn)開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究，以期為玄武巖纖維在本地工程中的廣泛應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)方案及測(cè)試方法

試驗(yàn)采用的土樣取自吉林省長(zhǎng)春市地區(qū)，將采集的土樣在自然條件下風(fēng)干碾碎過(guò)5 mm篩，然后采用帶塑料內(nèi)襯的編織袋妥善保存，防止其含水量發(fā)生變化。土的塑限ωP為10.4%，液限ωL為20.25%，塑性指數(shù)IP為9.85%，其粒徑分布曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 粒徑分布曲線(xiàn)

試驗(yàn)采用P·O 42.5級(jí)水泥，其摻入比為0.1%，水灰比為0.5；試模的尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；纖維長(zhǎng)度共5種，分別為3、6、12、20、35 mm，纖維質(zhì)量摻入比分別為0%、0.1%、0.3%、0.5%和0.7%。3 d拆模后進(jìn)行室溫條件下水養(yǎng)，養(yǎng)護(hù)齡期分別為7、14、28 d，如圖2所示。試樣分兩批制作，文中會(huì)在圖名下標(biāo)注“第1批”或“第2批”字樣以示區(qū)分。

圖2 試樣制備(第1批)

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 養(yǎng)護(hù)溫度

由于長(zhǎng)春市地處北方，一般11月份入冬后已無(wú)法施工，為了模擬實(shí)際施工環(huán)境，探究低溫養(yǎng)護(hù)對(duì)纖維水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律，試驗(yàn)分2批在不同時(shí)間進(jìn)行。第1批試樣于8月1日制作完成并室溫下水養(yǎng)至本月月底，該批試樣也起到對(duì)比參照功能；第2批試樣于9月22日前后制作完成，并跨越9月養(yǎng)護(hù)至10月，養(yǎng)護(hù)期氣溫基本情況如表1所示。

表1 養(yǎng)護(hù)期氣溫情況

試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，第1批峰值強(qiáng)度為4.61 MPa，未摻入纖維的基準(zhǔn)強(qiáng)度為4.21 MPa，峰值強(qiáng)度較基準(zhǔn)強(qiáng)度提高10%；第2批峰值強(qiáng)度為4.08 MPa，未摻入纖維的基準(zhǔn)強(qiáng)度為3.81 MPa，峰值強(qiáng)度較基準(zhǔn)強(qiáng)度提高7%；第1批基準(zhǔn)強(qiáng)度較第2批基準(zhǔn)強(qiáng)度提高11%，第1批峰值強(qiáng)度較第2批峰值強(qiáng)度提高13%。由此可見(jiàn)，第1批水養(yǎng)條件下的強(qiáng)度普遍高于第2批水養(yǎng)條件下的強(qiáng)度，說(shuō)明提高水養(yǎng)溫度能促進(jìn)纖維水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)，但同時(shí)也說(shuō)明，低溫養(yǎng)護(hù)條件下，玄武巖纖維能夠起到提高水泥土強(qiáng)度的作用。

圖3 養(yǎng)護(hù)溫度對(duì)纖維水泥土強(qiáng)度的影響(第1、第2批)

2.2 齡期

同一纖維摻入比條件下，纖維水泥土抗壓強(qiáng)度與齡期呈指數(shù)關(guān)系，如圖4(a)所示。7、14、28 d的平均強(qiáng)度分別為2.70、3.61、4.07 MPa，14 d的平均強(qiáng)度較7 d提升34%，28 d的平均強(qiáng)度較7 d提升51%。

圖4 纖維水泥土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系(第2批)

保持纖維長(zhǎng)度不變時(shí)，某一纖維含量下的水泥土強(qiáng)度仍然隨著齡期的增加而有所提高，如圖4(b)所示。7、14、28 d的平均強(qiáng)度分別為2.53、3.68、4.03 MPa，14 d的平均強(qiáng)度較7 d提升45%，28 d的平均強(qiáng)度較7 d提升59%。

2.3 纖維摻入比

水泥摻入比不變，纖維水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維摻入比的變化曲線(xiàn)如圖5所示。無(wú)纖維的對(duì)比試塊7 d的平均強(qiáng)度為2.54 MPa，纖維的摻入使得一部分水泥土的7 d強(qiáng)度降低，一部分水泥土的強(qiáng)度提高，此時(shí)最優(yōu)纖維摻入比為0.1%，最佳纖維長(zhǎng)度為3 mm；14 d的強(qiáng)度與7 d的強(qiáng)度類(lèi)似，不過(guò)最佳纖維長(zhǎng)度和最優(yōu)纖維摻入比發(fā)生變化；而28 d的纖維水泥土強(qiáng)度均高于無(wú)纖維的水泥土強(qiáng)度，此時(shí)玄武巖加筋最優(yōu)條件為6 mm纖維長(zhǎng)度和0.7%纖維摻量。

圖5 抗壓強(qiáng)度與纖維摻入比的關(guān)系(第2批)

2.4 纖維長(zhǎng)度

纖維長(zhǎng)度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系如圖6所示，在纖維摻入比不變的條件下，28 d的纖維水泥土抗壓強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度的增加大體呈現(xiàn)增加-減小-趨于穩(wěn)定的特點(diǎn)，如圖6(c)所示，此時(shí)峰值強(qiáng)度為4.34 MPa，未摻纖維的水泥土強(qiáng)度為3.81 MPa，峰值強(qiáng)度較基準(zhǔn)強(qiáng)度提高14%。

圖6 抗壓強(qiáng)度與纖維長(zhǎng)度的關(guān)系(第2批)

2.5 振搗時(shí)間

為探究振動(dòng)臺(tái)振搗時(shí)間對(duì)纖維水泥土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，進(jìn)行該組試驗(yàn)，此時(shí)，纖維長(zhǎng)度為6 mm，纖維摻入比為0.5%，振搗時(shí)間為1、2、3、5、7 min共5種，其對(duì)應(yīng)強(qiáng)度分別為4.46、4.52、4.58、4.75、5.01 MPa，振搗3 min的強(qiáng)度較振搗1 min的強(qiáng)度提高了3%，而振搗7 min的強(qiáng)度較振搗1 min的強(qiáng)度提高了12%，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 振搗時(shí)間對(duì)纖維水泥土抗壓強(qiáng)度的影響(第1批)

抗壓強(qiáng)度隨振搗時(shí)間的增加呈上升趨勢(shì)，振搗7 min的強(qiáng)度較1 min的強(qiáng)度提高了12%。本次試驗(yàn)用土偏砂性，在振動(dòng)臺(tái)振搗過(guò)程中，不時(shí)會(huì)有氣泡從土中冒出，說(shuō)明適當(dāng)延長(zhǎng)振搗時(shí)間可使得土體更加密實(shí)，減小其孔隙比，從而提高纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度。

2.6 含水量

取纖維長(zhǎng)度為20 mm，纖維摻入比為0.5%，增加一組無(wú)纖維的水泥土試驗(yàn)作為對(duì)比，振搗時(shí)間為3 min，含水量分為15%、18%、21%和24%共4種，28 d的抗壓強(qiáng)度如圖8所示，隨著含水量的增加，強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。無(wú)纖維的水泥土強(qiáng)度最終下降62%，有纖維的水泥土強(qiáng)度最終下降61%。其原因是在水泥水灰比不變的前提下，改變含水量相當(dāng)于改變了試樣的初始孔隙比，孔隙比越大，土體越松軟，從而降低了纖維水泥土的強(qiáng)度。

圖8 含水量對(duì)纖維水泥土抗壓強(qiáng)度的影響(第1批)

2.7 混摻纖維含量

將3、6、12、20、25 mm的纖維按照質(zhì)量5等份進(jìn)行混合，混合后的纖維摻入比依然為0.1%、0.3%、0.5%和0.7%共4種，振搗時(shí)間為3 min，在第1批養(yǎng)護(hù)溫度下，28 d的抗壓強(qiáng)度如圖9所示，強(qiáng)度隨纖維摻入比的增加呈先增加后減小的特點(diǎn)，未摻入纖維的基準(zhǔn)強(qiáng)度為4.21 MPa，混合纖維摻入比為0.5%時(shí)，達(dá)到峰值強(qiáng)度4.42 MPa，峰值強(qiáng)度較基準(zhǔn)強(qiáng)度提高5%,當(dāng)纖維摻入比為0.7%時(shí)，強(qiáng)度為4.15 MPa，較基準(zhǔn)強(qiáng)度有所降低。說(shuō)明混合纖維與單一纖維對(duì)強(qiáng)度的影響規(guī)律相似，過(guò)量纖維會(huì)使得纖維強(qiáng)度有所降低。

圖9 混合纖維對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響(第1批)

2.8 機(jī)理分析

在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度越高，水泥水化反應(yīng)速率越快，水化產(chǎn)物越多，一方面使得土體越來(lái)越密實(shí)，另一方面能改善纖維工作環(huán)境，使纖維更好的被土顆粒、水化產(chǎn)物等包裹，提高纖維的抗拔能力，從而提高了纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度。

對(duì)于纖維水泥土而言，水泥對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)要遠(yuǎn)大于纖維對(duì)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，而纖維主要是通過(guò)與水泥土之間的黏聚力的增加而逐步發(fā)揮其作用，無(wú)論是養(yǎng)護(hù)溫度的提升還是養(yǎng)護(hù)齡期的增加，均對(duì)水泥水化效果有幫助，增強(qiáng)水泥土強(qiáng)度的同時(shí)，也增強(qiáng)了纖維的作用。這樣就使得不論采取何種坐標(biāo)整理數(shù)據(jù)，纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度均隨養(yǎng)護(hù)溫度增加而增大，如圖3所示，同時(shí)，也隨養(yǎng)護(hù)齡期的提升而提高，如圖4所示。

從一般意義上講，纖維的增加會(huì)產(chǎn)生嵌鎖效應(yīng)、摩擦效應(yīng)和錨固效應(yīng)，其中，嵌鎖效應(yīng)主要體現(xiàn)在土體內(nèi)部凹凸不平，隨機(jī)分布的纖維會(huì)與其相嵌，從而阻止土體變形的發(fā)展；摩擦效應(yīng)是指纖維與土顆粒之間的摩擦力的發(fā)揮，與加筋土的作用機(jī)理相似，界面摩擦系數(shù)是摩擦效應(yīng)能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵；錨固效應(yīng)其本質(zhì)與隧道錨桿的作用相似，不過(guò)在纖維加固水泥土過(guò)程中，纖維的作用有其特別之處。廠家提供的纖維呈束，類(lèi)似于尼龍繩，在試樣制備過(guò)程中，即便延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，依然無(wú)法充分打開(kāi)成絲，在破壞后的試件中，此種現(xiàn)象普遍存在，如圖10所示。

圖10 纖維集束

纖維成束[18]，致使纖維與膠結(jié)材料的有效接觸面積減小，如圖11所示，外層纖維束的一側(cè)被水泥土包裹，而內(nèi)部纖維處于自由狀態(tài)，并未發(fā)揮應(yīng)有的作用，可能會(huì)成為試件的薄弱點(diǎn)，類(lèi)似于巖石的節(jié)理面。

圖11 水泥土中纖維束狀態(tài)示意

所以，成束纖維的存在，外側(cè)能夠發(fā)揮一定的作用，而內(nèi)側(cè)纖維被“束之高閣”，不僅降低了有效纖維摻入量，還使其自身成為薄弱點(diǎn)，最終試塊強(qiáng)度是成束處內(nèi)、外纖維以及有效纖維摻量等綜合作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)為玄武巖纖維加固長(zhǎng)春地區(qū)紅土提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，在本試驗(yàn)條件下，通過(guò)研究得到以下結(jié)論。

(1)低溫養(yǎng)護(hù)條件下，纖維水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增加而增大，無(wú)論是按纖維摻入比整理，還是按纖維長(zhǎng)度整理，28 d強(qiáng)度均存在峰值，最優(yōu)纖維摻入比為0.7%，最佳纖維長(zhǎng)度為6 mm，混合纖維具有類(lèi)似特點(diǎn)。

(2)增加振搗時(shí)間或者降低土的天然含水量能夠有效減小土體的孔隙比，使得土體更加密實(shí)，從而提高纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度。

(3)在制樣過(guò)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，對(duì)抗壓強(qiáng)度有一定的影響，可進(jìn)一步深入研究。