干濕循環(huán)下纖維改性濱海水泥土力學(xué)特性研究

李 娜，趙 衛(wèi) 琪，顧 嘉 慧，趙 士 文，王 偉，姜 屏

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000； 2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071； 3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029)

0 引 言

沿海地區(qū)分布有大量濱海軟土，但軟土工程力學(xué)性質(zhì)差、孔隙比大、滲透性低，且具有較大的觸變性和蠕變性[1-2]。工程上通常采用水泥來加固軟土，但有時(shí)候單純的素水泥土往往不能滿足需求。同時(shí)沿海地區(qū)雨季時(shí)，軟土加固工程暴露在自然條件下會經(jīng)歷干濕循環(huán)過程，因此對濱海軟土干濕循環(huán)下力學(xué)性能的研究是必要的[3-5]。

Cuisinier等[6]研究了不同干濕程度對水泥土強(qiáng)度的影響，研究表明當(dāng)干濕循環(huán)過程中試樣干燥程度越大時(shí)，對結(jié)構(gòu)的損傷越嚴(yán)重。Yang等[7]對干濕循環(huán)后土體裂縫發(fā)育情況進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)會使得裂縫往長度增長、寬度減小方向發(fā)展。陳議城等[8]研究了紅黏土干濕循環(huán)下無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與電阻率之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在0～5次干濕循環(huán)時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線先陡升后下降，而電阻率-應(yīng)變曲線先陡降后上升，兩者呈現(xiàn)相反變化。Wang等[9]研究了磷酸鎂水泥固化土在干濕循環(huán)下的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度一直降低。譚偉等[10]研究了水泥改良膨脹土的長期性能演變，未改良膨脹土在干濕循環(huán)5次后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定，強(qiáng)度衰減幅度達(dá)到50%，而水泥改良膨脹土抗干濕循環(huán)的能力顯著增加，強(qiáng)度衰減幅度在10%～20%范圍內(nèi)。李子農(nóng)[11]研究了不同溫度下干濕循環(huán)對紅黏土力學(xué)性能的影響，研究表明隨著干濕循環(huán)的增加，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)逐漸減少并趨于穩(wěn)定，同時(shí)當(dāng)循環(huán)溫度越高時(shí)，抗剪強(qiáng)度越低。

纖維作為一種新型的土體加筋材料，以其優(yōu)良的抗拉性能有效改善了土體的力學(xué)特性，提高了土體的抗變形能力，在軟土加固中逐漸得到了應(yīng)用和推廣[12-14]。 Wang等[15]研究了聚丙烯纖維水泥土三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，結(jié)果表明纖維能夠顯著增大試樣的峰值應(yīng)力、殘余強(qiáng)度與峰值應(yīng)變，減輕了試樣的脆性破壞。 Jiang等[16]研究了纖維水泥泥漿的力學(xué)性能，研究發(fā)現(xiàn)纖維能夠顯著改善水泥泥漿的力學(xué)性能。Yao等[17]研究了黃麻纖維和聚乙烯醇纖維在干濕循環(huán)下對水泥土柱彎曲性能和斷裂性能的影響，發(fā)現(xiàn)纖維能有效提高水泥土柱彎曲性能和斷裂性能，有效抑制了干濕循環(huán)下裂縫的生成。Duong等[18]研究了玉米皮纖維在干濕循環(huán)條件下對水泥土的改性作用，發(fā)現(xiàn)含纖維的試樣在干濕循環(huán)后只出現(xiàn)輕微的損傷，不含纖維的試樣則出現(xiàn)裂紋并擴(kuò)展。顯然，在干濕循環(huán)條件下，纖維能夠顯著改善水泥土裂紋的擴(kuò)展。

本文擬用聚丙烯纖維改性濱海水泥土(polypropylene fiber-cement clay，PFCC)，并在干濕循環(huán)條件下探究其物理性質(zhì)的變化規(guī)律，以期為工程設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)原材料

(1) 軟土。試驗(yàn)所用軟土取自紹興濱海新城濱江區(qū)域，其基本物理性質(zhì)如表1所列。

表1 軟土物理力學(xué)性質(zhì)Tab.1 Physical and mechanical properties of soft soil

(2) 水泥。試驗(yàn)采用蘭亭牌PC32.5R復(fù)合硅酸鹽水泥，其主要技術(shù)指標(biāo)如表2所列。

表2 水泥主要技術(shù)指標(biāo)Tab.2 Main technical indexes of cement

(3) 纖維。試驗(yàn)采用白色束狀的聚丙烯纖維，纖維長度為6 mm，其主要技術(shù)性能指標(biāo)如表3所列。

表3 聚丙烯纖維性能指標(biāo)Tab.3 Performance index of polypropylene fiber

1.2 試樣制備

(1) 原狀土處理。根據(jù)GB/T50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[19]，將原狀土泡水7 d后過2 mm標(biāo)準(zhǔn)篩，濾去雜質(zhì)，并適當(dāng)風(fēng)干。

(2) 模具準(zhǔn)備。準(zhǔn)備直徑為39.1 mm、高度為80 mm的圓柱形模具，并在模具內(nèi)側(cè)表面涂抹適量凡士林后，在模具兩端安裝對應(yīng)底座，完成試樣模具的組裝綁扎，如圖1(a)所示。

(3) 配料。將干土、水泥、纖維、水按照設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行稱量備料，并依次投入攪拌器中充分?jǐn)嚢?，形成流塑狀混合料。試樣的含水率控制?0%，攪拌時(shí)間為5 min，攪拌后的流塑狀混合料如圖1(b)所示。

(4) 振搗。將攪拌后的流塑狀混合料注入試樣模具內(nèi)并振搗密實(shí)。每個(gè)試樣分3次均勻加入，完成后如圖1(c)所示。

(5) 拆除與養(yǎng)護(hù)。靜停2 h后，拆除模具兩端的底座，將試樣上下兩面刮平后套上濾紙，放入水中養(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期，如圖1(d)所示。

1.3 試驗(yàn)方案

為了探究聚丙烯纖維對濱海水泥土力學(xué)特性的影響，在濱海軟土中摻入其質(zhì)量15%的水泥和0.6%的聚丙烯纖維，含水量設(shè)定為濱海軟土、水泥、聚丙烯纖維總質(zhì)量的80%。制作完成的試樣分7 d和28 d兩個(gè)齡期進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。當(dāng)試樣達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后，進(jìn)行0，1，3，5，7，9共6個(gè)干濕循環(huán)。單個(gè)干濕循環(huán)的控制參數(shù)為：保持溫度(20±2) ℃，試樣放入水中12 h，然后在空氣中12 h。為了減小試驗(yàn)誤差，每一組約束條件下制作5個(gè)試樣用以重復(fù)測試。試樣編號規(guī)則為：CPSx-DWy代表不同養(yǎng)護(hù)齡期、不同干濕循環(huán)次數(shù)下的聚丙烯纖維改性濱海水泥土試樣，其中CPS表示聚丙烯纖維改性濱海水泥土，DW表示干濕循環(huán)，x為養(yǎng)護(hù)齡期，y為干濕循環(huán)次數(shù)。如7 d養(yǎng)護(hù)齡期干濕循環(huán)3次的一組試樣編號為CPS7-DW3。

1.4 試驗(yàn)儀器

(1) 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用TKA-WCY-1F全自動多功能無側(cè)限抗壓儀，由南京泰克奧科技有限公司生產(chǎn)，測試時(shí)加載速率設(shè)定為1 mm/min。

(2) XRD測試采用荷蘭帕納科生產(chǎn)的EmpyreanX-射線衍射儀。

2 干濕循環(huán)對土樣物理性質(zhì)的影響

為研究干濕循環(huán)作用對PFCC試樣物理性質(zhì)的影響，稱量其干濕循環(huán)前后的質(zhì)量。對每組5個(gè)試樣分別測定其干濕循環(huán)前后的高度和直徑，取5組數(shù)據(jù)的平均值作為測量結(jié)果，計(jì)算得到PFCC試樣在各狀態(tài)下的體積、密度、密度變化率，如表4所列。試樣質(zhì)量、體積損失率隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線見圖2。

表4 不同養(yǎng)護(hù)齡期下試樣的質(zhì)量、體積、密度隨干濕循環(huán)次數(shù)變化Tab.4 Variation of sample mass，volume and density with dry and wet cycle times at different curing ages

表4和圖2顯示：7 d和28 d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣質(zhì)量和體積隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加均呈下降趨勢，而試樣的密度和密度變化率則逐漸增大，最后趨于不變。CPS7-DW9、CPS28-DW9試樣其質(zhì)量與CPS7、CPS28相比分別減少了4.39 g和5.12 g，體積分別減少了4.93 cm3和5.87 cm3。雖然CPS28-DW9其質(zhì)量和體積減少程度大于CP7-DW9，但是其整體密度變化率增加更大。在前5次干濕循環(huán)時(shí)，28 d齡期的PFCC試樣質(zhì)量損失率、體積損失率小于7 d齡期的，其主要原因是28 d齡期的試樣水泥水化反應(yīng)較完全，因此結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，纖維與土顆粒之間的黏結(jié)作用更加牢固，相對于7 d齡期的試樣干濕循環(huán)造成的質(zhì)量與體積損失較小。7 d齡期的試樣由于質(zhì)量、體積損失較大，干濕循環(huán)產(chǎn)生的裂縫使得更多的外部水進(jìn)入，增強(qiáng)了水泥水化反應(yīng)。所以，從干濕循環(huán)7次開始，質(zhì)量、體積損失率的增長趨勢發(fā)生變化，7 d齡期的PFCC試樣質(zhì)量損失率、體積損失率均小于28 d齡期的。

3 干濕循環(huán)對土樣力學(xué)特性的影響

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線與破壞模式

圖3～4為7 d和28 d養(yǎng)護(hù)齡期的PFCC試樣在經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)后的無側(cè)限抗壓應(yīng)力-應(yīng)變曲線。由圖3～4可知：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，各試樣峰值應(yīng)力前后的強(qiáng)度變化速率增大，表現(xiàn)出較為明顯的脆性破壞，試樣破壞形態(tài)如圖5所示。對比圖3與圖4還可以發(fā)現(xiàn)：28 d齡期下試樣干濕循環(huán)后強(qiáng)度差異沒有7 d齡期下顯著，這是由于7 d齡期下試樣水化反應(yīng)不完全，干濕循環(huán)過程中水泥的水化反應(yīng)發(fā)揮著重要作用。纖維作為加筋材料摻入水泥土中，在提高水泥土抗壓強(qiáng)度的同時(shí)可以有效改善水泥土的脆性破壞[20-22]。但經(jīng)歷干濕循環(huán)后，這一脆性改善會受到進(jìn)一步的劣化和減弱，值得注意。

3.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖6為PFCC試樣在7 d和28 d齡期下不同干濕循環(huán)次數(shù)作用后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。由圖6可知：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，PFCC試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。試樣CPS7-DW9、CPS28-DW9與CPS7、CPS28相比，抗壓強(qiáng)度分別提升了163%和60%。7 d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，在干濕循環(huán)前5次時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值的變化較小。而在干濕循環(huán)7次后，CPS7-DW7的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)較大增幅，較CPS7-DW5的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長了66%。28d養(yǎng)護(hù)齡期的試樣，在經(jīng)歷干濕循環(huán)9次后，CPS28-DW9的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值出現(xiàn)較大增幅，較CP28-DW7的強(qiáng)度增長了26%。

其強(qiáng)度急劇變化的主要原因是試樣在經(jīng)歷干濕循環(huán)后，試樣表面逐漸出現(xiàn)了明顯的白色結(jié)晶體，尤其是7 d、28 d齡期試樣分別干濕循環(huán)7次、9次時(shí)，這種現(xiàn)象尤為明顯。取該部分結(jié)晶體通過XRD測試其結(jié)晶體化合物成分，主要成分為CaCO3。這是由于土體內(nèi)部的水泥水化產(chǎn)物Ca(OH)2在干濕循環(huán)過程中，隨著自由水的遷徙，通過土體孔隙結(jié)構(gòu)析出[23]，在干循環(huán)過程中與空氣中CO2發(fā)生碳化反應(yīng)生成CaCO3，覆蓋住了試樣結(jié)構(gòu)表面，阻斷了試樣濕循環(huán)過程中外部大量自由水進(jìn)入土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部。因此隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣內(nèi)部的部分水分逐漸蒸發(fā)，外部的自由水難以進(jìn)入，導(dǎo)致試樣不斷干縮，此時(shí)土體顆粒間將會由范德華力起主導(dǎo)地位[24]，從而使得土體結(jié)構(gòu)越來越緊密，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸增大。

3.3 脆性指數(shù)

土體試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線反映了軸向力逐漸加載至試樣變形直至破壞的全過程。Bishop[25]首次提出脆性指數(shù)概念，為了表征試樣的脆性特征，采用峰值應(yīng)力與殘余應(yīng)力之差與峰值應(yīng)力的比值作為脆性指數(shù)，從而對土體試樣進(jìn)行評價(jià)，如公式(1)所示。

(1)

式中：Ib為脆性指數(shù)，qp為峰值應(yīng)力，qr為殘余應(yīng)力。其中定義峰值應(yīng)力為軸向應(yīng)力最大值，殘余應(yīng)力為軸向應(yīng)力最小值。

公式(1)僅考慮了峰值應(yīng)力和殘余應(yīng)力對脆性指數(shù)的影響，存在兩方面的不足：① 沒有考慮峰值應(yīng)力前應(yīng)力的增長速率；② 沒有考慮殘余應(yīng)力的跌落速率。

因此筆者基于整個(gè)應(yīng)力應(yīng)變的變化過程，考慮峰值前應(yīng)力增長速率和峰后強(qiáng)度跌落速率，定義PFCC試樣的脆性指數(shù)如下：

Ib=k50+kr

(2)

式中：k50為割線模量，代表峰值前應(yīng)力增長速率；kr為殘余模量，代表峰后強(qiáng)度跌落速率。其定義分別為

(3)

式中：εp為峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變；q50為50%的峰值應(yīng)力；ε50為50%的峰值應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變；εr為殘余應(yīng)變，本文取εr=εp+3%。

根據(jù)本次試驗(yàn)所設(shè)計(jì)的干濕循環(huán)條件，每循環(huán)一次恰好用時(shí)1 d。圖7所示為7 d齡期PFCC試樣干濕循環(huán)及同齡期未經(jīng)干濕循環(huán)試樣的脆性指數(shù)。由圖7可知：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，PFCC試樣的脆性指數(shù)逐漸增大。CPS7-DW1、CPS7-DW3的脆性指數(shù)分別小于CPS8、CPS10，而隨著干濕循環(huán)次數(shù)繼續(xù)增加，干濕循環(huán)后PFCC試樣的脆性指數(shù)一直大于同齡期未經(jīng)干濕循環(huán)試樣的脆性指數(shù)。說明在短齡期時(shí)，干濕循環(huán)次數(shù)較少時(shí)，能夠有效減弱PFCC試樣的脆性指數(shù)。同理，圖8所示為28 d齡期PFCC試樣干濕循環(huán)及同齡期未干濕循環(huán)的脆性指數(shù)。

隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣內(nèi)部自由水逐漸蒸發(fā)，而試樣外部的自由水難以進(jìn)入試樣內(nèi)部，導(dǎo)致試樣整體含水率不斷下降，所以隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其脆性指數(shù)不斷增大。而28 d齡期下的試樣，其水化反應(yīng)相較于7 d更完全，試樣內(nèi)部更多的自由水參與水化反應(yīng)，導(dǎo)致28 d齡期下試樣內(nèi)部自由水較少，其脆性指數(shù)大于7 d齡期相同干濕循環(huán)次數(shù)下的試樣。

為了更好表征PFCC試樣脆性指數(shù)與齡期、干濕循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系，以干濕循環(huán)次數(shù)為x坐標(biāo)，齡期為y坐標(biāo)，脆性指數(shù)為z坐標(biāo)進(jìn)行擬合，擬合后曲線如圖9所示，擬合方程如下：

z=-94.94+23.17x+87.4ln(y)R2=0.9633

(4)

4 結(jié) 論

將PFCC試樣作為研究整體，在養(yǎng)護(hù)7 d和28 d齡期后分別在經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，揭示干濕循環(huán)作用對PFCC試樣力學(xué)特性的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的質(zhì)量和體積均呈下降趨勢，而試樣的整體密實(shí)度逐漸增大并穩(wěn)定。

(2) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的抗壓強(qiáng)度逐漸增大，試樣的脆性指數(shù)也逐漸增大，逐漸向脆性破壞演變，漸漸減弱了纖維對水泥土破壞模式的改性效果。

(3) 建立了同時(shí)考慮峰值前應(yīng)力增長速率和峰值后強(qiáng)度跌落速率的PFCC試樣脆性指數(shù)新模型，該模型計(jì)算結(jié)果能夠?qū)FCC試樣的干濕循環(huán)特性進(jìn)行更為合理的解釋。