粉煤灰-劍麻纖維復合改良膨脹土強度及裂隙發(fā)育特性

郝建斌，張煥，李耕春，劉志云，黃佳欣，蔣臻蔚

(長安大學 地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054)

膨脹土是一種具有反復脹縮性的特殊土體。在降雨和蒸發(fā)的循環(huán)作用下，膨脹土表層會進行反復的膨脹和收縮，導致土體裂隙不斷發(fā)育擴展，嚴重破壞土體的完整性，降低土體的強度和穩(wěn)定性，對各類淺表層工程如公路、鐵路等的建設與維護有明顯的危害作用[1]。因此，如何有效改善膨脹土的脹縮性、控制膨脹土裂隙的發(fā)育與擴展是學術界和工程界多年來一直研究與探討的問題。一方面，大量學者從膨脹土脹縮開裂機理方面開展了系列研究，葉萬軍等[2]研究了干濕循環(huán)作用下膨脹土的開裂和收縮特性；譚波等[3]研究了膨脹土的抗拉強度指標與其裂隙發(fā)育程度的相關性；駱趙剛等[4]研究了膨脹土裂隙開裂和長度發(fā)育過程及裂隙拓寬的主要影響因素；李彥龍等[5]研究了壓實度對裂隙發(fā)育的影響。另一方面，研究人員不斷探尋膨脹土的改良方法，以期改善土的裂隙性。如化學改良法，在土中添加石灰[6]、水泥[7]和粉煤灰[8]等。物理改良法如摻入綠砂[9]、風化砂[10]、碎石[11]和纖維[12-15]等。以上研究表明，單獨加入粉煤灰或纖維均能有效改良膨脹土的物理力學性能，這為膨脹土改良工程及技術提供了一定的理論依據，同時也發(fā)現，單一方法對膨脹土的改良作用稍顯局限，因此，開展2種材料復合改良膨脹土的研究是很有必要的。本文選擇經濟環(huán)保的粉煤灰和表面粗糙、質地堅韌、富有彈性、耐腐蝕柔韌性好且纖維間抱合力較小的劍麻纖維，通過室內試驗研究改良膨脹土無側限抗壓強度隨粉煤灰和劍麻纖維摻量變化的規(guī)律及試樣的變形破壞特征，比較干濕循環(huán)條件下素土和改良土的裂隙發(fā)育與擴展情況。研究結果可為膨脹土路基工程和邊坡防護等工程中的設計和施工提供理論參考。

1 試驗材料與試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用膨脹土取自陜西省漢中市洋縣，顏色呈黃褐色，質硬，裂隙發(fā)育，土中零星分布有鈣質結核。將取回的膨脹土風干碾碎，過2 mm篩，測量土樣的基本物理指標，如表1所示。試驗用粉煤灰由河南某發(fā)電廠生產，呈灰褐色粉末狀，密 度2.42 g/cm3， 細 度11.5%～12%， 燒 失 量1.51%，其化學成分見表2。劍麻纖維產自廣西省，纖維平均直徑0.12 mm， 平均拉伸強度564.39 MPa，平均拉伸模量26.97 GPa，平均斷裂伸長率2.10%。

表1 膨脹土基本物理性質指標Table 1 Basic physical property index of expansive soil

表2 粉煤灰主要化學成分Table 2 Main chemical composition of fly ash

1.2 試樣的制備

土樣分3類：膨脹土、粉煤灰和膨脹土混合土(后稱粉煤灰改良土)，用來確定粉煤灰的最佳摻量，定義粉煤灰摻量為干粉煤灰與干素膨脹土的質量比；粉煤灰、膨脹土和劍麻纖維混合土(后稱復合改良土)，用來確定劍麻纖維的最佳摻量，定義劍麻纖維摻量為干劍麻纖維質量與干粉煤灰和干土質量和之比。參考已有研究[16]，試驗的設計配比如表3所示。試樣制備前，先將膨脹土風干碾碎后過2 mm 篩，在110℃的烘箱條件下烘干備用。然后按比例將所用材料充分混合，加蒸餾水后拌合均勻，密封24 h 后采用壓實法制備重塑試樣。試樣含水率為18.4%，干密度為1.68 g/cm3。

表3 試樣設計配比Table 3 Material ratio of soil samples

1.3 試驗方法

分別對3類試樣進行無側限抗壓強度試驗，試樣直徑61.8 mm，高125 mm，確定粉煤灰、膨脹土和劍麻纖維的最佳配合比。在此基礎上，分別對素土、粉煤灰改良土和復合改良土進行干濕循環(huán)試驗，試樣直徑61.8 mm，高20 mm。無側限抗壓強度試驗和直剪試驗根據JTG 3430—2020《公路土工試驗規(guī)程》進行。干濕循環(huán)試驗中，先對試樣進行泡水實驗，測得其最大飽和含水率為25%，最低飽和含水率為22.3%，結合取土場地環(huán)境和已有經驗[2]，采用抽真空飽和法增濕12 h，然后在恒溫箱(40 ℃)中對試樣進行脫濕24 h，即為一次干濕循環(huán)。增濕完成后，試樣含水率為24%±1%，脫濕后，含水率為7%±1%。試驗共進行5次干濕循環(huán)。

2 試驗結果

2.1 改良膨脹土的最優(yōu)配合比

2.1.1 粉煤灰的最佳摻量

圖1為粉煤灰改良土的無側限抗壓強度隨粉煤灰含量的變化曲線。從圖中可以看出：粉煤灰的摻入可有效提高膨脹土的抗壓強度，并且隨著粉煤灰摻量的增加，改良膨脹土的強度呈現先增大后減小的趨勢。當粉煤灰含量為9%時，改良膨脹土的無側限抗壓強度值達到最大，相較于素土的無側限抗壓強度提高了37.4%。

2.1.2 劍麻纖維的最佳摻量

當粉煤灰摻量取最佳摻量9%，劍麻纖維摻量不同時，粉煤灰-劍麻纖維復合改良膨脹土的無側限抗壓強度變化曲線如圖2所示。可以看出：纖維長度一定時，復合改良土的無側限抗壓強度隨著纖維含量的增加均呈現出先增大后減小的趨勢；纖維摻量一定時，隨著纖維長度的增加，土體的抗壓強度亦呈現出先增大后減小的變化趨勢。當劍麻纖維摻量為0.4%，長度為20 mm 時，復合改良土的無側限抗壓強度值達到最大(357.9 kPa)，相較于9%粉煤灰改良膨脹土的抗壓強度提高了113.7%，相較于素土的抗壓強度提高了193.6%。因此，確定復合改良土的最佳配合比為：粉煤灰含量9%，劍麻纖維含量0.4%(長度20 mm)。

2.2 改良膨脹土的變形及破壞特征

圖3(a)～3(c)分別為素土試樣、粉煤灰改良土試樣和復合改良土試樣在無側限抗壓強度試驗中的破壞形態(tài)?？梢钥闯觯核赝梁头勖夯腋牧纪恋钠茐奶卣飨嗨?，試樣均呈“脆性破壞”，試樣表面出現明顯的剪切破裂面，裂隙寬大且上下貫通。復合改良土試樣呈近似“塑性鼓脹型破壞”特征，土樣表面出現細短而分散的裂紋，中下部出現擠壓型破裂帶，但試樣保持“裂而不斷”，仍保持一定的完整性。

2.3 干濕循環(huán)過程中試樣的裂隙發(fā)育擴展特征

圖4～6 分別為素土、粉煤灰改良土和復合改良土在5次干濕循環(huán)過程中的裂隙發(fā)育情況?？梢钥闯?，3 種試樣在干濕循環(huán)過程中都出現不同程度的裂隙，并且隨著干濕循環(huán)次數的增加，裂隙逐漸產生分支并拓展延伸。素土試樣在第1 次、第2次干濕循環(huán)后，形成由中心向四周發(fā)散的長且均勻的系列裂隙；第3次干濕循環(huán)后，逐步形成一條明顯的主裂隙，該主裂隙在后期的干濕循環(huán)中無閉合。粉煤灰改良土試樣在第2次干濕循環(huán)后出現一條明顯裂隙，其余區(qū)域也分布有大量細小裂隙；第3 次干濕循環(huán)后，主、次裂隙均有拓寬；第4次、第5次干濕循環(huán)后，裂隙進一步增多并相互貫通；相較于素土，裂隙數量多，但分布比較均勻，無大裂隙形成。復合改良土試樣在第3次干濕循環(huán)后，才出現較為明顯的細小裂隙；第5次干濕循環(huán)后，在試樣內形成較為均勻、分布密集的裂隙，但均細短，無主裂隙形成，當含水率再次增大時，細短裂隙較易閉合，試樣整體較為完整。此外，素土發(fā)育的裂隙較順直，裂隙多為“T”型，改良土發(fā)育的裂隙間夾角小，多成“Y”型裂隙。

為了定量分析干濕循環(huán)過程中試樣的裂隙發(fā)育情況，用Photoshop軟件對圖4～圖6進行二值化處理，并在試樣中心選取一個最大正方形區(qū)域的圖像，然后對圖片降噪，去除一些非裂隙雜點，避免其對定量分析結果的影響，進而得到試樣表面的裂隙形態(tài)，處理結果見圖7～圖9。采用MATLAB 統(tǒng)計二值化圖像黑像素點的數量，即為試樣表面的裂隙總面積AL，圖像的黑白像素點之和，即為被統(tǒng)計區(qū)域總面積A。則裂隙率R為裂隙總面積AL與被統(tǒng)計區(qū)域總面積A的比值。

圖10 為3 種試樣的裂隙率R與干濕循環(huán)次數N的關系。由圖可知，3 種試樣的裂隙率隨著干濕循環(huán)次數的增大而增大，當N相同時，試樣的裂隙率大小關系為：復合改良土＜粉煤灰改良土＜素土。粉煤灰改良土與復合改良土的裂隙率增長速率先增大后減小，最終裂隙率趨于穩(wěn)定，而素土的裂隙率曲線持續(xù)陡峭上升。首次干濕循環(huán)后，3 種試樣的裂隙率都較低，此時試樣較完整，僅有局部小裂隙；第2次循環(huán)時，素土與粉煤灰改良土試樣的裂隙率迅速增大，復合改良土的裂隙率在第3次循環(huán)時才大幅提升，宏觀表現為裂隙的拓寬連通與微裂紋的產生；之后3種土的裂隙率增長逐漸變緩，在此階段主要表現為未充分發(fā)育的微裂隙繼續(xù)發(fā)育，部分裂隙寬度、表面積減小[17]；而第5 次循環(huán)后素土的裂隙率突增，這是由于此時素土試樣已經較破碎，除了裂隙的開展外，還有較大裂隙邊緣土顆粒的掉落。5 次循環(huán)后，粉煤灰改良土與復合改良土較素土的裂隙率分別減少13.5%和43.6%。

3 分析與討論

3.1 改良土無側限抗壓強度增強機理

通過以上試驗結果可知，膨脹土中加入粉煤灰后無側限抗壓強度明顯提高。這是因為加入適量粉煤灰后，粉煤灰與膨脹土發(fā)生離子交換反應、團聚作用以及膠凝作用，發(fā)生的主要化學反應如式(1)～(4)。以上作用增強了土顆粒之間的黏結作用和土體的結構性，因而土體在受到剪切破壞時能夠更好地克服土顆粒間的滑移錯位，進而增大土體的抗壓強度。

離子交換：

膠凝作用：

在粉煤灰改良土中加入劍麻纖維，土體中會形成筋—土界面，在外力作用下該接觸面處會產生與土體變形或土顆粒移動方向相反的摩擦阻力。當土體受到外力作用時，隨機分散在土體中的劍麻纖維將起到約束土顆粒間滑動以及阻礙土顆粒間咬合破壞的作用。此外，劍麻纖維在土體內部相互交錯，形成加筋土的空間構架，在“纖維網”的作用下，單根纖維會限制土顆粒發(fā)生錯位滑移，而相鄰纖維會阻止其他纖維產生位移。

3.2 改良土試樣破壞機理

膨脹土中加入粉煤灰，雖然在一定程度上增大了顆粒間的咬合作用和摩擦作用以及顆粒表面因化學作用而產生的吸引力，但由于土—土接觸界面、灰—土接觸界面仍相對軟弱，因此在壓力作用下仍發(fā)生“脆性破壞”(圖3(b))。當加入劍麻纖維時，當試樣沿剪切面發(fā)生剪切破壞時，進一步增強了土顆粒與纖維之間的摩擦咬合作用，以不同角度穿過剪切面的劍麻纖維承擔了一部分荷載，使得顆粒間的咬合作用、摩擦作用及吸引作用的破壞得到了延緩，當纖維達到極限拉伸強度或纖維在土體中發(fā)生滑移后，土體的抗壓強度才開始發(fā)揮作用，試樣破壞時出現具有一定寬度的剪切帶，整體呈現近似“塑性鼓脹型破壞”(圖3(c))。

3.3 劍麻纖維抑制開裂機理

干濕循環(huán)試驗結果表明，膨脹土的開裂是由水分蒸發(fā)引起的。水分蒸發(fā)過程中，距離土體表面越近蒸發(fā)速率越快，于是首先在試樣表面形成裂隙，隨著水分的進一步蒸發(fā)，裂隙向內擴展，逐漸形成外寬內窄的楔形裂隙。楔形裂隙尖端應力高度集中，使原有裂隙逐步擴展，進而形成一條或多條主裂隙，當含水率增大時難以閉合，隨著干濕循環(huán)次數增加，裂隙進一步擴展。在實際工程中，當土體中存在寬大裂隙時，雨水容易通過裂隙向深部入滲，不利于土體穩(wěn)定。

當加入劍麻纖維時，隨機分散在土體內的纖維相互交錯纏繞，形成三維的空間約束，當土體收縮時，纖維通過“橋接作用(圖11)”[18]降低了裂隙尖端的應力集中效應，限制了裂隙的進一步擴展，這些裂隙在含水量增大時較易閉合，但土體結構已有一定程度的破壞，因此每次干濕循環(huán)后，原有較長較寬裂隙再次裂開，但形狀及大小基本保持不變，僅在原有裂隙周圍派生出細小的新生裂隙。

4 結論

1) 粉煤灰、粉煤灰-劍麻纖維混合均可提高膨脹土的力學強度，但粉煤灰-劍麻纖維復合改良效果最好。在軸向壓力作用下，素土和粉煤灰改良土表現為“脆性破壞”，有明顯剪切破裂面，而復合改良土呈近似“塑性鼓脹破壞”，且裂而不斷。

2) 3 次干濕循環(huán)后，素土試樣出現長且寬的主裂隙，再次吸濕后主裂隙未閉合；而復合改良土在干濕循環(huán)后，雖裂隙發(fā)育較多，但大多細短，再次吸濕后較易閉合，3 種土樣裂隙率由小到大依次為：復合改良土、粉煤灰改良土和素土，說明在膨脹土中加入粉煤灰和劍麻纖維可有效抑制膨脹土的裂隙發(fā)育和擴展。

3) 膨脹土中隨機分散的劍麻纖維可以有效降低初始裂隙尖端的應力集中，限制裂隙的進一步擴展；每次干濕循環(huán)后，原有較長較寬裂隙再次裂開，但形狀及大小基本保持不變，僅在原有裂隙周圍派生出細小的新生裂隙。

4) 本文研究對象為漢中膨脹土，同時試驗條件設定了特定含水率和試件尺寸，所得最優(yōu)配比不具普適性，具體情況需通過試驗進行確定。