不同種類纖維加筋水泥改良風(fēng)積沙抗拉性能試驗研究

阮波，袁忠正，鄭世龍，張佳森

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075；2.湖南鐵院土木工程檢測有限公司，湖南 長沙 410004；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

我國是一個多沙漠國家，荒漠化面積已達(dá)128萬km2，約占14%的國土面積[1]。風(fēng)積沙是風(fēng)積成因的砂類土，顆粒細(xì)且均勻、含水率低、粉粒、黏粒含量低、無黏性和滲透系數(shù)大，分布廣泛、儲量豐富[2-4]。國內(nèi)學(xué)者對風(fēng)積沙壓實方法、壓實工藝及壓實機(jī)理進(jìn)行了相關(guān)研究[5-10]。新建的和若鐵路位于塔克拉瑪干沙漠南緣，是南疆通往內(nèi)地的一條重要鐵路，鐵路沿線廣泛分布著風(fēng)積沙。風(fēng)積沙表面光滑，無黏性，易受風(fēng)力吹揚，屬于間斷級配C3填料[11]，不能直接用于鐵路路基基床填料，應(yīng)對填料進(jìn)行改良，以滿足規(guī)范要求。纖維水泥改良土是向土體中摻入適量的纖維和低摻量的水泥以改善土體物理力學(xué)性質(zhì)，近年來國內(nèi)外學(xué)者針對纖維水泥改良土技術(shù)做了大量試驗研究[12-19]。然而，纖維種類繁多，不同種類的纖維對土體加筋效果具有明顯差異。新疆塔克拉瑪干沙漠風(fēng)積沙物理力學(xué)性質(zhì)較差[20]，可通過纖維水泥改良土技術(shù)以改善其力學(xué)性質(zhì)。但目前為止，國內(nèi)外學(xué)者對于不同種類纖維加筋風(fēng)積沙的作用效果尚未開展系統(tǒng)研究。因此，本文采用工程中常用的玄武巖纖維、聚丙烯纖維、聚酯纖維和玻璃纖維對水泥改良風(fēng)積沙進(jìn)行加筋，探討不同種類纖維對纖維水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度的影響，確定4種纖維的最優(yōu)纖維摻量和最佳纖維種類，研究成果對纖維加筋水泥改良風(fēng)積的工程應(yīng)用具有重要意義。

1 試驗材料

1.1 風(fēng)積沙

試驗所用風(fēng)積沙來自和若鐵路工地，見圖1。粒徑分布均勻，呈淡黃色，級配曲線見圖2，級配不良。風(fēng)積沙的密度為1.58 g/cm3，含水率為0.9%，土粒比重為2.70，內(nèi)摩擦角為27.4°，黏聚力為0，最大干密度為1.61 g/cm3，最優(yōu)含水率為12.5%。

圖1 風(fēng)積沙照片F(xiàn)ig.1 Photograph ofaeolian

圖2 級配曲線Fig.2 Grain size distribution curve

1.2 纖維

試驗中所用到的4種纖維分別是玄武巖纖維(BF)、聚丙烯纖維(PP)、玻璃纖維(GF)和聚酯纖維(PE)，生產(chǎn)廠家為武漢市中鼎經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司。纖維照片如圖3所示，其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 4種不同種類纖維的參數(shù)Table 1 Physicalandmechanicalpropertiesof four typesof fibers

圖3 4種纖維照片F(xiàn)ig.3 Photograph of four differentkindsof fibers

1.3 其他材料

水泥采用新疆和田地區(qū)生產(chǎn)的普通硅酸鹽P·O 42.5水泥。試驗用水為長沙市自來水。

2 試驗方案

根據(jù)文獻(xiàn)[12-19]的研究成果，確定纖維種類和纖維摻量，試驗選用工程上常用的玄武巖纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和聚酯纖維，纖維摻量af為0，2‰，4‰，6‰，8‰，10‰和12‰，以未摻入纖維的水泥改良風(fēng)積沙作為對照組。根據(jù)文獻(xiàn)[21]的研究結(jié)果，選取的水泥摻量ac為5%，試驗方案見表2。纖維摻量af和水泥摻量ac表達(dá)式分別見式(1)和式(2)。

表2 試驗方案Table 2 Testing program

式中：mf為干的纖維質(zhì)量，g；ms為烘干風(fēng)積沙質(zhì)量，g；mc為干的水泥質(zhì)量，g。

3 試樣制備及試驗

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[11]的最優(yōu)含水率和最大干密度，壓實系數(shù)0.95，按照試驗方案，稱取若干烘干風(fēng)積沙、纖維、水泥和水，充分?jǐn)嚢杈鶆?，制作成均勻的混合料。按照《鐵路土工試驗規(guī)程》[22]方法制作圓柱體試樣，試樣高度50mm，直徑50mm，見圖4，養(yǎng)護(hù)條件為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)((20±2)℃，相對濕度95%)。

圖4 4種纖維水泥改良風(fēng)積沙試件Fig.4 Photographsof cemented aeolian sand specimens

通過電子萬能試驗機(jī)進(jìn)行劈裂抗拉強度試驗，試驗夾具見圖5，控制加載速率為1mm/m in。劈裂抗拉強度計算式如下：

圖5 劈裂抗拉強度試驗夾具Fig.5 Photographsof fixture

式中：σt為劈裂抗拉強度，kPa；P為試件破壞時的最大荷載，N；d為圓柱形試件的直徑，mm；l為圓柱形試件的高度，mm。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 纖維水泥改良風(fēng)積沙應(yīng)力應(yīng)變曲線

應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖6所示。起始段近似線性增加，峰值應(yīng)變?yōu)?.6%～1.0%，達(dá)到峰值后，裂縫開始產(chǎn)生，曲線下降，隨著軸向應(yīng)變的增加，裂縫寬度增加，裂縫數(shù)量增多，直至試樣破壞。達(dá)到峰值之后，未摻纖維的水泥改良風(fēng)積沙曲線急劇下降，應(yīng)力為0。而纖維加筋的水泥改良風(fēng)積沙由于纖維的加筋作用，曲線緩慢下降，試樣裂而不斷，保持較高的殘余強度。纖維摻量越大，殘余強度越高。由于纖維的加筋作用，水泥改良土的抗裂性能增強。

圖6 纖維水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curvesof cemented aeolian sand reinforced by four kindsof fibers

4.2 纖維種類對應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

由圖7可以看出，當(dāng)纖維摻量為4‰時，玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙峰后應(yīng)力下降速率較快，應(yīng)變不到2%時，峰后應(yīng)力已經(jīng)降低為0，而聚丙烯纖維、玻璃纖維和聚酯纖維加筋水泥改良風(fēng)積沙的峰后應(yīng)力下降較慢，殘余劈裂應(yīng)力最大的是聚丙烯纖維水泥改良風(fēng)積沙，玻璃纖維水泥改良風(fēng)積沙其次，最后是聚酯纖維水泥改良風(fēng)積沙。當(dāng)纖維摻量為8‰時，玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙峰后應(yīng)力下降速率依然最快，但相較于纖維摻量為4‰的玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙，其峰后應(yīng)力曲線平緩，且當(dāng)應(yīng)變達(dá)到3%時，應(yīng)力仍未降為0。當(dāng)纖維摻量增大后，聚丙烯纖維水泥改良風(fēng)積沙峰后應(yīng)力大幅度增大，峰后應(yīng)力隨應(yīng)變降低幅度較小，其次是聚酯纖維水泥改良風(fēng)積沙和玻璃纖維水泥改良風(fēng)積沙，殘余劈裂應(yīng)力最小的是玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙。通過對比這4種纖維，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維水泥改良風(fēng)積沙峰值應(yīng)力最大，其峰后應(yīng)力也較大，曲線峰后應(yīng)力下降段也最為平緩。玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙峰后應(yīng)力下降速率較水泥改良風(fēng)積沙而言有一定的降低，但與其他3種纖維加筋水泥改良風(fēng)積沙相比，其峰后應(yīng)力下降速率最快，峰后應(yīng)力曲線最為陡峭。

圖7 纖維種類對纖維水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響Fig.7 Stress-strain curvesof cemented aeolian sand reinforced by fibers

4.3 纖維種類對劈裂抗拉強度的影響

纖維水泥改良風(fēng)積沙在不同種類纖維和不同纖維摻量下的劈裂抗拉強度曲線見圖8。隨著纖維摻量的增大，纖維水泥改良風(fēng)積沙的劈裂抗拉強度先增大后減小，存在最優(yōu)摻量。玄武巖纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維和聚酯纖維加筋水泥改良風(fēng)積沙的最優(yōu)纖維摻量分別為8‰，8‰，4‰和6‰。未摻纖維的水泥改良風(fēng)積沙的劈裂抗拉強度為53.0 kPa。最優(yōu)纖維摻量時，聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維和聚酯纖維加筋水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度分別為77.65，67.86，64.49和63.41 kPa，在纖維的加筋作用下，水泥改良風(fēng)積沙的劈裂抗拉強度明顯地提高了。當(dāng)荷載作用時，在土體中隨機(jī)分布的纖維將應(yīng)力傳遞到其他區(qū)域，且纖維對土體起到類似箍筋的作用[21]，使試樣從單向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為三向應(yīng)力狀態(tài)，劈裂抗拉強度大幅度地提高。纖維摻量較低時，隨機(jī)分布的纖維組成的三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)抑制了土體的變形，限制了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展，增強了試樣的整體性能，纖維的摻入增大了纖維水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度。纖維摻量過大時，分散不均勻的纖維會相互團(tuán)聚，在纖維水泥改良風(fēng)積沙內(nèi)部形成軟弱界面，反而對纖維水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度不利。

圖8 劈裂抗拉強度隨纖維摻量和纖維種類變化規(guī)律Fig.8 Splitting tensile strength versus fiber content

為了進(jìn)一步量化纖維對水泥改良風(fēng)積沙的劈裂抗拉強度的增強效果，引入劈裂抗拉強度的強度增強比R[23]：

式中：σt(fiber)為纖維加筋水泥改良風(fēng)積沙試件劈裂抗拉強度，kPa；σt(nofiber)為未摻纖維的水泥改良風(fēng)積沙試件劈裂抗拉強度，kPa。

根據(jù)圖8的結(jié)果，計算出劈裂抗拉強度的增強比，見圖9。玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙的強度增強比R為1.04～1.28，聚丙烯纖維水泥改良風(fēng)積沙的R為1.14～1.47，玻璃纖維水泥改良風(fēng)積沙的R為1.02～1.22，聚酯纖維纖維水泥改良風(fēng)積沙的R為1.03～1.20。聚丙烯纖維對水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度的影響最顯著，其次為玄武巖纖維。不同纖維加筋的纖維水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度不同主要是因為2個方面原因。一方面是4種纖維表面物理性質(zhì)差異較大，使得纖維與土體之間的接觸程度具有明顯差異。聚丙烯纖維直徑較大，因此單根聚丙烯纖維與土體顆粒間的接觸面積大，與土顆粒之間的凹凸咬合作用強，因此聚丙烯纖維水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度大；玄武巖纖維表面粗糙程度較高，且與水泥水化物之間的接觸面積較大，造成纖維與土體之間的咬合力和摩擦力均較大，因此玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度較大；但是玻璃纖維和聚酯纖維直徑較小，與土顆粒之間的接觸面積較小，纖維與土體之間的嵌合程度較差，因此玻璃纖維和聚酯纖維水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度比另外2種纖維小。另一方面是纖維分散程度，分散程度好的纖維與土體接觸面積大，且能在土體中形成大量交織點，交織成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[24]。經(jīng)過抗靜電處理的聚丙烯纖維是4種纖維中分散性能最優(yōu)的，纖維的交織、彎曲作用最為明顯，因此聚丙烯纖維對纖維水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度增強效果最好。而聚酯纖維和玻璃纖維在土體中分散程度最差，纖維與風(fēng)積沙在攪拌過程中容易因為靜電作用而纏繞成絮狀團(tuán)，不僅削弱了纖維的傳力作用，同時在土體中形成了軟弱界面，對纖維水泥改良風(fēng)積沙抗拉強度增強效果比聚丙烯纖維差。而玄武巖纖維密度較大，同質(zhì)量的4種纖維，玄武巖纖維數(shù)量最少，且玄武巖纖維呈扁平狀，很難在土體中交織成三維空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

圖9 纖維種類對劈裂抗拉強度增強比的影響Fig.9 Effectof fiber type on STSenhancement ratio

4.4 纖維種類對峰值應(yīng)變影響

峰值應(yīng)變常用來評價材料的脆性。不同種類纖維水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變?nèi)鐖D10所示。聚酯纖維水泥改良風(fēng)積沙和玻璃水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度試驗的峰值應(yīng)變隨著纖維摻量的增大而增大。而玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙和聚丙烯纖維水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變隨著纖維摻量的增大而先增大后減小，峰值應(yīng)變的最優(yōu)纖維摻量均為8‰，這與其劈裂抗拉強度隨纖維摻量變化規(guī)律一致。未摻纖維的水泥改良風(fēng)積沙的峰值應(yīng)變?yōu)?.63%，聚丙烯纖維水泥改良風(fēng)積沙、玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙、玻璃纖維水泥改良風(fēng)積沙和聚酯纖維水泥改良風(fēng)積沙在8‰，8‰，4‰和6‰的最優(yōu)纖維摻量時，對應(yīng)的峰值應(yīng)變分別為1.05%，0.94%，0.82%和0.75%。

圖10 峰值應(yīng)變隨纖維摻量和纖維種類變化規(guī)律Fig.10 Peak strain versus fiber content

為了進(jìn)一步量化不同種類纖維對水泥改良風(fēng)積沙峰值應(yīng)變的影響，引入延性指數(shù)D：

式中：ε(fiber)為纖維水泥改良風(fēng)積沙峰值應(yīng)變；ε(nofiber)為水泥改良風(fēng)積沙峰值應(yīng)變。

不同纖維對延性指數(shù)的影響見圖11。玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙的延性指數(shù)D為1.27～1.49，聚丙烯纖維水泥改良風(fēng)積沙的D為1.19～1.67，玻璃纖維水泥改良風(fēng)積沙的D為1.22～1.94，聚酯纖維纖維水泥改良風(fēng)積沙的延性指數(shù)D為1.08～1.49。聚丙烯纖維水泥改良風(fēng)積沙和玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙的延性指數(shù)隨著纖維摻量的增加先增大后減小，最優(yōu)摻量為8‰；玻璃纖維水泥改良風(fēng)積沙和聚酯纖維水泥改良風(fēng)積沙的延性指數(shù)隨著纖維摻量的增加而增大。聚丙烯纖維水泥改良風(fēng)積沙、玄武巖纖維水泥改良風(fēng)積沙、玻璃纖維水泥改良風(fēng)積沙和聚酯纖維水泥改良風(fēng)積沙在劈裂抗拉強度的最優(yōu)纖維摻量時，延性指數(shù)分別增大到1.67，1.49，1.30及1.19。摻入纖維能有效阻止內(nèi)部裂紋的萌生，隨著外荷載的持續(xù)增大，裂縫逐漸擴(kuò)大，橋接在裂縫兩端的纖維能有效抑制裂縫的擴(kuò)展或延長裂紋的擴(kuò)張路徑，并減小尖端的應(yīng)力集中，抑制和細(xì)化裂縫，因此纖維的摻入能顯著增強纖維水泥改良風(fēng)積沙的延性。

圖11 纖維種類對峰值應(yīng)變增強比的影響Fig.11 Effectof fiber type on peak strain enhancement ratio

5 結(jié)論

1)纖維水泥改良風(fēng)積沙的峰后應(yīng)力應(yīng)變曲線較平緩，摻入纖維能有效提高纖維水泥改良風(fēng)積沙的抗裂性能。聚丙烯纖維水泥改良風(fēng)積沙峰值應(yīng)力最高，峰后應(yīng)力曲線較為平緩。

2)聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維和聚酯纖維加筋水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度的最優(yōu)纖維摻量分別為8‰，8‰，4‰和6‰。

3)聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維和聚酯纖維加筋水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度增強比分別為1.47，1.28，1.22和1.20，纖維加筋能提高水泥改良風(fēng)積沙劈裂抗拉強度，聚丙烯纖維加筋水泥改良風(fēng)積沙的效果最好。

4)最優(yōu)纖維摻量時，聚丙烯纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維和聚酯纖維加筋水泥改良風(fēng)積沙的延性指數(shù)分別為1.67，1.49，1.30及1.19，纖維加筋明顯增強了水泥改良風(fēng)積沙的延性，延緩了纖維水泥改良風(fēng)積沙的破壞。