聚丙烯纖維改良膨脹土干濕裂隙演化特征研究

張瑞富

(廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

膨脹土富含強(qiáng)親水性礦物成分，是一種對環(huán)境濕熱變化極其敏感的裂隙性土。膨脹土在經(jīng)歷反復(fù)的降雨和蒸發(fā)后，使土體不均勻脹縮，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，從而誘發(fā)裂隙。裂隙的出現(xiàn)破壞了土體的完整性，為地表水入滲提供了通道，造成了渠道、土石壩和公路等邊坡極大的破壞。此外，雨水通過裂隙入滲使土體內(nèi)部軟化，抗剪強(qiáng)度下降，進(jìn)一步誘發(fā)膨脹土邊坡垮塌[1-2]。因此，如何控制膨脹土開裂是預(yù)防膨脹土失穩(wěn)的重要研究方向。

改良技術(shù)是預(yù)防膨脹土開裂主要方法。以往的方法是在土體內(nèi)摻入石灰[3]、粉煤灰[4]和水泥等材料，但這些材料成本較高且容易污染環(huán)境，長期效益差。纖維作為一種新型材料，能夠顯著增強(qiáng)膨脹土的粘聚力，防止土體裂隙的形成[5]。早期一些研究人員使用可降解生物纖維材料(如稻草、劍麻和椰子纖維)來改良膨脹土，可以增加膨脹土的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性[6]。還有一些研究人員通過木質(zhì)素纖維和甘蔗纖維來改良膨脹土，研究其對粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響[7]，但這類纖維容易被土壤腐蝕，并不能長久地改良土壤。

當(dāng)今，塑料污染已成為人類所面臨的最嚴(yán)峻環(huán)境挑戰(zhàn)之一。全球每年生產(chǎn)約3.59億t塑料，其中55%的塑料采用垃圾填埋方式進(jìn)行處理[8]。但廢棄塑料降解非常緩慢，被填埋處理后，塑料中的有害成分可能會污染地下水和土壤，廢棄塑料的循環(huán)利用已成為眾多研究人員關(guān)注的焦點問題[9]。相關(guān)研究表明，廢棄塑料中可提取到聚丙烯纖維材料[10-11]，這使得采用廉價的聚丙烯纖維材料改良膨脹土的裂隙性成為可能。

基于此，本文研究干濕循環(huán)條件下不同摻量的聚丙烯纖維對膨脹土裂隙演化規(guī)律的影響。通過圖像軟件獲取裂隙參數(shù)，研究時間、干濕循環(huán)次數(shù)、纖維摻量、土層厚度等因素對裂隙參數(shù)的影響，并對裂隙形態(tài)特征進(jìn)行分析，從微觀角度探究聚丙烯纖維抑制膨脹土開裂的機(jī)理。

1 材料和試驗方案

1.1 膨脹土

本研究的土樣采自廣西寧明均勻重塑膨脹土，表1給出了膨脹土的基本物理性質(zhì)。該類膨脹土塑性指數(shù)較大，說明其吸水能力較強(qiáng)，干濕循環(huán)下脹縮較大，更容易產(chǎn)生明顯的裂隙。

表1 膨脹土基本物理性質(zhì)表

1.2 聚丙烯纖維

為了使纖維均勻地與土體混合，采用長度為9 mm的聚丙烯纖維。仿人類纖維的直徑為36 mm，斷裂強(qiáng)度為498 MPa，斷裂伸長率為25%，初始模量為3.7 GPa。

1.3 膨脹土試樣制備

將纖維和土充分均勻混合制成纖維增強(qiáng)膨脹土試樣，將1 000 g纖維增強(qiáng)土放入邊長為160 mm、高為75 mm的正方體塑料模具中，纖維摻量分別控制為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%。塑料模具表面光滑、無劃痕，以提供均勻干燥的表面。土層厚度過薄，模具底部的吸附力對裂隙擴(kuò)展的影響較大，且很容易形成貫穿裂隙，這種情況不符合膨脹土在自然環(huán)境下的開裂規(guī)律。因此，本研究保持初始土層厚度為35 mm，用霧狀噴灌的方法模擬雨水入滲，最終使膨脹土試樣的含水率達(dá)到液限。膨脹土試樣加入水后，用塑料保鮮膜密封塑料模具，靜置24 h，使土壤纖維混合物與水充分混合。

1.4 裂隙試驗方案

1.4.1 試驗過程

將制備的試樣和模具放入烘箱當(dāng)中，為了加快干燥速度，設(shè)置溫度為65 ℃，并每隔24 h使用高清相機(jī)拍攝(24 h、48 h、72 h、96 h)。在補(bǔ)光條件下，距離土面相同高度，采用相機(jī)獲取裂隙圖像。烘干至土樣的質(zhì)量不再發(fā)生變化(約96 h)后，將土樣取出拍照。采用無豎向荷載的干濕循環(huán)方案。增濕過程：采用噴霧器灑水濕潤至液限含水率。干濕循環(huán)5次，液限含水率誤差約為±2%。然后加熱烘干至試樣質(zhì)量穩(wěn)定。

1.4.2 裂隙參數(shù)

采用PCAS孔隙與裂隙系統(tǒng)識別和定量分析軟件，該軟件可以自動識別圖像中裂隙的幾何參數(shù)和統(tǒng)計參數(shù)[12]：對原圖片進(jìn)行灰度化處理，利用PCAS軟件對圖像進(jìn)行二值化處理，將修正后的二值化圖片導(dǎo)入PCAS軟件，并對裂隙進(jìn)行識別，從中獲得裂隙率、裂隙長度等裂隙參數(shù)的量化值，如圖1所示。裂隙最大寬度是用刻度尺量取的，其為多個可能的最大裂隙寬度的平均值。

圖1 裂隙圖像處理及量化過程示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 裂隙演變規(guī)律

圖2列出了素土、纖維摻量為0.3%和0.5%的聚丙烯纖維改良膨脹土的裂隙演變圖像。表2為兩種不同摻量纖維增強(qiáng)膨脹土在5次干濕循環(huán)過程中的裂隙率、裂隙長度、最大裂隙寬度隨時間變化結(jié)果。由表2和圖2可以看出，在0～24 h時間段，裂隙率和裂隙寬度變化不大，而裂隙長度發(fā)生劇增，這段時間內(nèi)裂隙幾乎全部出現(xiàn)，此后很少出現(xiàn)新的裂隙；在24～48 h時間段，已有的裂隙快速發(fā)展并擴(kuò)大，導(dǎo)致裂隙寬度和裂隙率劇增，該過程中土體產(chǎn)生了明顯的橫向收縮差；在48～72 h時間段，裂隙開始緩慢發(fā)展，最大裂隙寬度緩慢增長，裂隙主要向土體深處擴(kuò)張，開始出現(xiàn)一些貫通土體的主裂隙，且這一階段土體外表面的水分基本完全蒸發(fā)，土體內(nèi)部的水分緩慢蒸發(fā)，內(nèi)部的土體緩慢收縮，導(dǎo)致裂隙向土體深部發(fā)展，直至貫通；在72～96 h時間段，裂隙已經(jīng)進(jìn)入完全穩(wěn)定階段，該階段土體內(nèi)殘留的水分不斷蒸發(fā)直至完全干燥，裂隙幾乎不會發(fā)生變化。

圖2 裂隙隨時間發(fā)展規(guī)律示例圖(5次循環(huán))

表2 裂隙參數(shù)隨時間變化規(guī)律計算結(jié)果表

2.2 干濕循環(huán)次數(shù)對裂隙的影響

圖3展示了不同干濕循環(huán)次數(shù)后素膨脹土和聚丙烯纖維改良膨脹土的裂隙圖像。從圖3中可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，裂隙會不斷發(fā)展。值得注意的是，在N次干濕循環(huán)中有的土樣會沿著第N+1次干濕循環(huán)的土樣裂隙繼續(xù)發(fā)展，而有的土樣會沿著N+2次干濕循環(huán)的土樣裂隙繼續(xù)發(fā)展。纖維對于改良膨脹土裂隙的作用較為顯著，PF0.5%聚丙烯纖維改良膨脹土在5個循環(huán)內(nèi)均未出現(xiàn)主裂隙。而PF0.3%聚丙烯纖維改良膨脹土在前兩個循環(huán)均未出現(xiàn)主裂隙，在第3個循環(huán)才出現(xiàn)。在增濕過程中，膨脹土體積膨脹導(dǎo)致原裂隙愈合。由于愈合部位纖維摻量較少，隨后干濕循環(huán)過程中的裂隙將按照N+1或N+2次裂隙規(guī)律發(fā)展。

圖3 不同干濕循環(huán)次數(shù)后膨脹土裂隙影像示例圖(96 h)

圖4為不同纖維摻量改良膨脹土的裂隙率、裂隙總長度、最大裂隙寬度隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加的變化規(guī)律。從圖4可以看出，在5次干濕循環(huán)中，素土和PF0.1%聚丙烯纖維改良膨脹土，在第2次循環(huán)時出現(xiàn)裂隙，裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度發(fā)生顯著增加；在第3～5次循環(huán)時，裂隙率、總裂隙長度、裂隙寬度無規(guī)律波動變化，PF0.3%聚丙烯纖維改良膨脹土均在第3次循環(huán)時才出現(xiàn)主裂隙，故在第3次循環(huán)時，裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度增加明顯；在第4～5次循環(huán)時，裂隙發(fā)展不規(guī)律，PF0.5%聚丙烯纖維改良膨脹土的裂隙率、裂隙總長度、最大裂隙寬度均在較低值之間波動，這些增強(qiáng)膨脹土均未出現(xiàn)主裂隙，僅出現(xiàn)了一些微小裂隙。

2.3 纖維摻量對裂隙的影響

圖5為不同摻量的聚丙烯纖維增強(qiáng)膨脹土的裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度的均值曲線。從圖5中可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，膨脹土均在摻量為0.5%時，裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度達(dá)到最小值。說明聚丙烯纖維改良膨脹土的最佳摻量為0.5%。

(a)裂隙率

(b)總裂隙長度

(c)最大裂隙寬度

(a)平均裂隙率

(c)平均最大寬度

2.4 主裂隙形態(tài)特征

圖6為第5次干濕循環(huán)時素土和摻量分別為0.1%、0.3%、0.7%的聚丙烯纖維改良膨脹土的主裂隙方向玫瑰圖。從圖6中可以看出，主裂隙的方向直線大多會呈現(xiàn)正交或者與正交方向偏差較小銳角的斜交，裂隙相交方式呈T型或者Y型的三岔口形式。

圖6 主裂隙方向玫瑰圖

2.5 土層厚度對裂隙的影響

為了評估土層厚度對試驗結(jié)果的影響，選用素土和PF0.5%聚丙烯纖維改良膨脹土樣本，分別控制其初始土層厚度為7 mm、14 mm、21 mm、28 mm，以研究不同土層厚度對纖維增強(qiáng)膨脹土裂隙發(fā)展的影響。圖7為素土和PF0.5%聚丙烯纖維改良膨脹土的裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度隨土層厚度的變化規(guī)律對比。從圖7可以看出，隨土層厚度的增大，裂隙率和總裂隙長度均呈現(xiàn)下降趨勢。而最大裂隙寬度均在土層厚度為14 mm時達(dá)到最大值，大于該土層厚度后，最大裂隙寬度呈現(xiàn)下降趨勢。

(a)裂隙率

(b)裂隙總長度

(c)裂隙最大寬度

3 纖維改善膨脹土裂隙的微觀分析

圖8為聚丙烯纖維改良膨脹土的圖像及微觀結(jié)果。從圖8中可以看出，纖維在裂隙的兩側(cè)密集橋接，阻止了細(xì)小裂隙發(fā)展為主裂隙。微觀水平上纖維與土壤之間的相互作用，完全是由于粘附作用。膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)為疊聚體之間面面接觸形成黏土基質(zhì)結(jié)構(gòu)，在土體與纖維相交處，土體疊聚體將纖維表面包裹，纖維的一端陷入土體當(dāng)中，膨脹土疊聚體粘附在纖維的橫截面上，提供了更好的界面強(qiáng)度。聚丙烯纖維表面較為粗糙且纖維本身形狀扭曲，可以更緊密地與土體結(jié)合在一起，從而更高效地增強(qiáng)膨脹土的抗裂性。

圖8 纖維膨脹土的橋接作用和粘附作用示例圖

4 結(jié)語

(1)聚丙烯纖維改善膨脹土的裂隙發(fā)育過程可分為裂隙顯現(xiàn)階段、快速發(fā)展階段、緩慢發(fā)展階段和穩(wěn)定階段。在干濕循環(huán)作用下，第N+1次或第N+2次裂隙會根據(jù)第N次裂隙的規(guī)律發(fā)展。隨著土層厚度的增加，裂隙越不容易發(fā)展。膨脹土主裂隙相交方式大多呈T型或者Y型的三岔口形式。

(2)聚丙烯纖維對于裂隙的裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度都有一定的改良作用。在干濕循環(huán)的過程中，纖維可以抑制主裂隙的出現(xiàn)，而一旦主裂隙出現(xiàn)后，在隨后的干濕循環(huán)過程中，纖維的作用將不再明顯。土層厚度越大，纖維對裂隙的改良效果越好?？傮w而言，聚丙烯纖維對膨脹土裂隙的改良效果最佳摻量建議為0.5%。

(3)聚丙烯纖維對于膨脹土抗裂性質(zhì)的改良，主要是由于膨脹土疊聚體粘附于纖維的表面形成粘附作用，從而增強(qiáng)了膨脹土的界面強(qiáng)度。