不同纖維處理水泥穩(wěn)定粉砂土的三軸試驗力學特性研究

王 靜，李東一，張云龍

吉林建筑大學 交通科學與工程學院,長春 130118

0 引言

粉砂土作為廣泛分布的路基材料,因其存在較少的粘性顆粒,導致結構松散、粘聚力較小,通常具有較差的力學性能(如抗剪和抗壓強度),其特性可能受到周圍環(huán)境的強烈影響[1-2].從實際工程角度看,需要對粉砂土路基進行改良,提高其粘聚力、抗剪強度等力學特性以滿足施工要求.

過去幾十年里,使用傳統(tǒng)化學添加劑如水泥、石灰、粉煤灰等作為改良路基土的工程性質已被眾多學者廣泛研究[3-5].其中,水泥作為改良效果最好的添加劑已有大量試驗證明.隨著水泥的摻入,土體的強度、剛度以及抗液化能力都能得到有效的提高,能夠滿足施工要求.但這種方式也存在一定的缺陷,如脆性大、pH值高、對周邊環(huán)境容易造成很大的影響[6-7],因此需要進一步改善.

近年來,由于纖維具有較大的強度、降解速度慢、成本低廉等優(yōu)點,故利用纖維對粉砂土進行改良受到研究人員的廣泛關注.特別是合成纖維,由于其抗拉強度高,比天然纖維具有更大的強度,因此在土壤改良的研究中受到越來越多的重視,將隨機分布的短纖維與水泥、石灰、粉煤灰、聚合物等化學添加劑相結合的土體加固方法具有廣闊的應用前景[8-9].Chen Zhang等[10]人研究結果表明,用適量的聚丙烯纖維對水泥土進行改良以減輕其脆性破壞是可行的；Ali Ates[11]的研究表明，在水泥摻量為15 %的情況下,玻璃纖維摻量為3 %時,砂土試件無側限抗壓強度達到最大,而玻璃纖維摻量的進一步增加會導致力學性能下降；Xiangfeng Lv等[12]人的研究表明當玄武巖含量為0.75 %時,粘聚力為406.1 kPa,殘余粘聚力為145.4 kPa.與膠結砂相比,分別提高了74.6 %和148.0 %.而碳纖維作為一種具有更高強度和長寬比的合成纖維,若是應用在改善水泥土中,可能會取得更好的效果,X.Bao等[13]人發(fā)現(xiàn)當碳纖維纖維含量為1 %,在圍壓為100 kPa和200 kPa時,摻入碳纖維砂土試樣的偏應力峰值分別比未摻試樣高出24.7 %和20.5 %；Hongzhi Cui[14]發(fā)現(xiàn)在粉砂土中添加2 %碳纖維時,粘聚力從0.57 kPa提高到39.69 kPa.通過查閱上述文獻，尚未發(fā)現(xiàn)利用碳纖維和水泥相互作用改善粉砂土力學特性的研究報道,因此有必要探究碳纖維增強水泥改良粉砂土力學特性的變化.同時，纖維穩(wěn)定水泥土相較以往的穩(wěn)定材料還擁有施工簡便、工程成本低廉以及能夠廣泛應用道路工程中等諸多優(yōu)勢.

綜上所述,以水泥化學粘合劑,結合聚丙烯、碳纖維兩種不同類型的纖維進行粉砂土加固,通過常規(guī)三軸壓縮試驗(UU)探究在2 %水泥摻量(在課題組之前的研究中得到在水泥摻量為2 %時,所用土體已獲得較大的強度提升,綜合經(jīng)濟角度考慮,2 %的水泥摻量較為合理)下，不同纖維類型、不同纖維摻量增強粉砂土的力學特性的變化.對比不同纖維類型、纖維摻量和圍壓對抗剪強度、抗剪強度參數(shù)以及剛度等性能的影響,并引入脆性指數(shù)作為判斷脆性失效的標準，最終得到最佳改良方案,為纖維增強水泥粉砂土在實際工程中的應用提供可靠的基礎數(shù)據(jù).

1 試驗材料及方法

1.1 材料

選用吉林省西部地區(qū)分布較為廣泛的粉砂土為研究對象,根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》JTG E40-2007,獲得粉砂土基本物理性質指標見表1.

表1 粉砂土的基本物理性質指標Table 1 Basic physical properties of silty sand

選取普通硅酸鹽水泥(P.II 42.5)作為主要膠凝材料.水泥檢驗報告符合《普通硅酸鹽水泥檢驗標準》(GB175-2020).

碳纖維均采用江蘇創(chuàng)宇碳纖維有限公司生產(chǎn)的聚丙烯晴(PAN)基碳6 mm 短切碳纖維,6 mm碳纖維更容易在土壤中均勻分布,可以像水泥、石灰或其他添加劑一樣簡單地添加并與土壤隨機混合,以提供各向同性增加土壤復合材料的強度.其外觀如圖1(a)所示,性能指標見表2.

表2 碳纖維主要技術指標Table 2 Main technical indexes of carbon fiber

聚丙烯纖維采用廊坊朗喆保溫材料有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維(PP),長度為12 mm,密度為0.92 g/cm3,拉伸屈服強度為579 MPa,斷裂伸長率為27.6 %,纖維外觀如圖1(b)所示.

1.2 三軸試件的制備及試驗方法

為了匹配合適的試驗條件,提高試驗結果的準確性,所有試樣均采用一致的混合方法.首先,在粉砂土中加入碳纖維攪拌120 s,使纖維充分分散在土體中,后加水至最佳含水率攪拌120 s,將拌勻后的土料密封悶料12 h，使水分與土體充分接觸,確保各部分土體含水均勻.在制件前加入水泥和納米二氧化硅攪拌120 s,使各項材料充分混合.

按照我國規(guī)范的沖擊成型方法制備圓柱形試件(直徑39.1 mm,高度80 mm),按高等級公路路基材料最低(96 %以上)壓實標準壓實.每個樣品均用保鮮膜緊密包裝,以防止水分散和蒸發(fā),并阻塞外部水源.然后根據(jù)《中國公路工程無機粘結劑穩(wěn)定材料試驗方法》(JTG E51-2020),將其置于溫度20℃±2℃、相對濕度大于95 %的養(yǎng)護箱中養(yǎng)護7 d.

1.3 試驗設計

靜三軸試驗采用南京智龍科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的TSZ-2S型全自動三軸儀,具有自動數(shù)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),圍壓范圍0 MPa～2 MPa,反壓范圍0 MPa～2 MPa,最大加載速率2.4 mm/min,最大軸向負荷30 kN,帶有不銹鋼旋轉壓力室,容器自動注水排水系統(tǒng),不可控溫設置.利用TSZ-2S自動三軸儀在圍壓分別為20 kPa，50 kPa和80 kPa的條件下進行了UU 三軸剪切試驗.試驗過程中豎向應變剪切速率為0.8 mm/min.

2 結果與討論

2.1 抗剪強度及其參數(shù)

2.1.1 粘聚力和內摩擦角

土顆粒間存在相互作用力,其中粘土顆粒-水-電系統(tǒng)間的相互作用方式最為普遍.顆粒間的作用力可能是吸引力也可能是排斥力.土的粘聚力是土顆粒間吸引力與排斥力綜合作用的結果.

摩擦強度是抗剪強度的重要組成之一.一般土的摩擦強度可分為兩個部分：滑動和咬合.滑動是指土固體顆粒間的滑動摩擦,是土摩擦強度的主要部分；咬合摩擦指的是土顆粒間交錯排列使得剪切面的顆粒發(fā)生提升錯動、轉動和拔出等引起的摩擦.摩擦強度在抗剪強度中通過內摩擦角來體現(xiàn).

從圖2中可以看出，隨著纖維摻量的增加,粘聚力逐漸增大,兩種纖維均在摻量為0.75 %時粘聚力提升幅度最大，其中聚丙烯纖維提升了約7 %,碳纖維提升了約11 %.在纖維摻量相同時,碳纖維對粘聚力的提升效果好于聚丙烯纖維,可能由于碳纖維具有更高的抗拉強度和較大的長徑比；從圖3中可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加,內摩擦角有所提升,但不顯著,在纖維摻量為0.75 %時，取得最大摩擦角31.57°,提升幅度僅為5 %左右；而在碳纖維摻量為0.5 %時，取得最大摩擦角32.56°,提升幅度為8 %左右.

圖2 粘聚力隨纖維摻量的變化Fig.2 Variation of cohesion with fiber content

圖3 內摩擦角隨纖維摻量的變化Fig.3 Variation of internal friction Angle with fiber content

2.1.2 抗剪強度

抗剪強度是評價土體力學性能的重要指標.在外部荷載作用下,當土體內部某點的剪應力達到其抗剪強度時,剪切面兩側的土體將會產(chǎn)生滑動破壞,繼而形成滑動面,最終導致路基失穩(wěn).土的破壞主要是剪切破壞,抗剪強度是土的重要力學性質之一.依據(jù)莫爾-庫倫強度理論來計算土的抗剪強度.即：

τf=c+σtanφ

式中,τf為土樣的抗剪強度,kPa；c為土樣的粘聚力,kPa；σ為土樣剪切滑動面上的法向應力,kPa；φ為土樣的內摩擦角,°.

從圖4(a)、圖4(b)中能夠發(fā)現(xiàn),在相同圍壓下,試件的抗剪強度隨兩種纖維摻量的增加逐漸增大.當兩種纖維摻量均為0.75 %時,抗剪強度達到最大值.與0 %試件相比,隨著圍壓的變化,聚丙烯纖維抗剪強度分別提高了14 %,11 %和14 %,碳纖維抗剪強度分別提高了19 %,15 %,18 %,碳纖維對膠結砂試件的抗剪強度的提升效果要強于聚丙烯纖維.

(a) 不同PP摻量下抗剪強度隨圍壓的變化 (b) 不同CF摻量下抗剪強度隨圍壓的變化圖4 不同纖維摻量條件下抗剪強度隨圍壓的變化Fig.4 Shear strength changes with confining pressure under different fiber content

2.2 能量吸收

能量吸收是指在纖維增強材料中引起變形所需的能量.可以通過計算應力應變曲線下的面積來確定.在本研究中,對所有試驗計算了軸向應變?yōu)?5 %時的能量吸收(ED15%).

從圖5(a)中可以看出,在膠結砂試件中添加聚丙烯纖維可以使試件的吸能能力得到有效增加,在添加0.75 %聚丙烯纖維時,吸能能力得到最大提升,與膠結砂相比在3種圍壓下分別提高了約24 %,34 %,34 %.吸能能力的增加可以解釋為纖維的加入導致殘余偏應力的提高.此外,纖維在偏應力下的伸長使其在相同軸向應變下具有更大的吸收能量的能力.

(a) 吸能能力隨不同PP摻量的變化 (b) 吸能能力隨不同CF摻量的變化圖5 吸能能力隨不同纖維含量的變化Fig.5 Energy absorption with different fiber content

從圖5(b)中可以發(fā)現(xiàn),在碳纖維摻量一定時,隨著圍壓的增大,試件的吸能能力逐漸增大；在圍壓一定時,隨著碳纖維摻量的增加,吸能能力逐漸增大；當碳纖維摻量為0.25 %時,在3種圍壓下試件的吸能能力均小于膠結砂試件；當碳纖維摻量為0.5 %且圍壓為20 kPa和80 kPa時,試件的吸能能力小于膠結砂試件；在50 kPa圍壓時,試件的吸能能力要大于膠結砂；當纖維摻量為0.75 %時,試件的吸能能力大于膠結砂試件,但遠小于添加0.75 %聚丙烯纖維的試件.

2.3 脆性指數(shù)

為了評價試件在破壞過程中的脆性特征,Consoli等[15]人提出了脆性指數(shù)作為評價標準,公式如下：

其中,IB為脆性指數(shù);qmax和qres分別為峰值偏應力和殘余偏應力,kPa.

不同圍壓、不同纖維種類和摻量下的脆性指數(shù)如圖6(a)、圖6(b)所示.

(a) 不同PP摻量下試件脆性指數(shù) (b) 不同CF摻量下試件脆性指數(shù)圖6 不同圍壓下脆性指數(shù)隨纖維摻量的變化Fig.6 Variation of brittleness index with fiber content under different confining pressures

由圖6(a)可知,當聚丙烯纖維摻量一定時,隨著圍壓的增加,試件的脆性指數(shù)降低,延性增加.圍壓為20 kPa時脆性指數(shù)最高,脆性破壞明顯.圍壓為80 kPa時脆性指數(shù)最低,脆性破壞減緩效果最好；在圍壓一定時,隨著聚丙烯纖維摻量的增加脆性指數(shù)逐漸降低,添加0.75 %聚丙烯纖維降低效果最為顯著；聚丙烯纖維降低膠結砂脆性指數(shù)的主要原因是纖維與土體顆粒之間界面存在相互作用力,當試樣受到外力作用時,纖維通過界面相互作用承擔一部分外力,從而改善膠結砂的脆性破壞.

從6(b)可知,當CF摻量一定時,隨著圍壓的增加試件脆性指數(shù)降低.在圍壓為20 kPa時,添加0.75 %碳纖維試件的脆性指數(shù)最高,脆性破壞明顯；在圍壓為50 kPa時,碳纖維摻量為0.5 %時脆性指數(shù)最大,0.25 %摻量次之,而0.75 %摻量的脆性指數(shù)基本與膠結砂試件的脆性指數(shù)相同；在圍壓為80 kPa時,3種摻量試件的脆性指數(shù)均有大幅度下降,但摻量為0.25 %時試件的脆性指數(shù)與膠結砂相比有小幅增長,而摻量為0.5 %和0.75%時試件的脆性指數(shù)稍小于膠結砂的脆性指數(shù),基本接近.這說明在膠結砂中加入碳纖維既不會改善脆性行為，而且在較低圍壓時還會使脆性指數(shù)變大.

3 結論

試驗研究了不同摻量的聚丙烯纖維和碳纖維對膠結砂的改善效果.通過對比分析試件的力學特性可以得出以下結論：

(1) 碳纖維的加入增加了膠結砂試件粘聚力、內摩擦角和抗剪強度且效果比添加聚丙烯纖維顯著,同時會使得膠結砂試件的脆性指數(shù)增大.

(2) 在相同摻量和圍壓下,添加碳纖維試件抗剪強度大于添加聚丙烯纖維的試件.

(3) 兩種纖維的最佳摻量均為0.75 %,添加聚丙烯纖維時粘聚力提升7 %左右,碳纖維提升約11 %,內摩擦角變化不大；聚丙烯纖維試件抗剪強度分別提高了14 %,11 %和14 %,碳纖維試件抗剪強度分別提高了19 %,15 %和18 %,碳纖維對膠結砂試件強度的提升效果好于聚丙烯纖維.

(4) 添加0.75 %聚丙烯纖維時,吸能能力與膠結砂相比在3種圍壓下分別提高了24 %,34 %和34 %左右,而添加碳纖維的效果不顯著，甚至出現(xiàn)降低的情況.