PVA纖維參數(shù)對(duì)改性水泥土粘接摩阻載荷及抗壓強(qiáng)度影響試驗(yàn)

趙 偉，李 峰

(1.西安交通工程學(xué)院土 木工程學(xué)院，陜西 西安 7103002.西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，陜西 西安 710300)

水泥土在邊坡建設(shè)、軟土地基優(yōu)化與制造水帷幕方面發(fā)揮了重要作用，可以顯著提高工程建設(shè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)收益，并達(dá)到理想的環(huán)境效益[1-3]。但進(jìn)行工程應(yīng)用期間，水泥土缺乏足夠的強(qiáng)度并且存在延性較差的問(wèn)題容易引起嚴(yán)重安全隱患。考慮到聚乙烯醇(PVA)可以實(shí)現(xiàn)高斷裂強(qiáng)度、易于分散、高模量的多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，因此可以通過(guò)在水泥土內(nèi)添加一定比例的聚乙烯醇纖維實(shí)現(xiàn)提升力學(xué)強(qiáng)度并改善變形能力的效果[4-6]。

有學(xué)者研究了PVA 纖維長(zhǎng)隊(duì)對(duì)混凝土的增強(qiáng)作用，通過(guò)設(shè)計(jì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試可知，加入PVA后混凝土獲得更高拉伸強(qiáng)度并提升了抗折性能，但引起抗壓能力下降的結(jié)果[7]；在水泥基體中加入PVA纖維作為增強(qiáng)體制備得到復(fù)合材料，之后對(duì)其進(jìn)行彎曲與拉伸測(cè)試表明上述處理方式促進(jìn)了水泥基復(fù)合材料抗壓能力的小幅提高，而抗彎和抗折能力都獲得了顯著增強(qiáng)，而材料在變形過(guò)程中表現(xiàn)出了明顯硬化的特點(diǎn)，獲得了17%的最高拉應(yīng)變[8]；還有主要研究了PVA纖維對(duì)抗裂能力的提升作用，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試可知，當(dāng)19 mm長(zhǎng)度的 PVA纖維加入量達(dá)到0.85 kg/m3時(shí)獲得了最優(yōu)增強(qiáng)效果，可以達(dá)到80%裂縫控制率，此外還發(fā)現(xiàn)不同長(zhǎng)度的纖維對(duì)裂縫的控制性能也存在較大差異，從總體上看長(zhǎng)纖維具備比短纖維更優(yōu)增強(qiáng)性能[9]。

研究選擇P·O42.5硅酸鹽水泥作為測(cè)試材料，按照與干圖重量比為15%的條件加入水泥。控制固定配合比條件下，摻入PVA纖維的質(zhì)量比按照每次與干土比例為0.25%的條件由0%提高至1%。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣制備

選用YZ-PVA-12種類的纖維，PVA纖維的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示；其性能如表1所示。

圖1 PVA纖維照片F(xiàn)ig.1 PVA fiber photo

表1 PVA纖維性能Tab.1 Properties of PVA fiber

采用自然干燥方式處理得到土樣，再將其置于顎式破碎機(jī)內(nèi)充分粉碎，利用規(guī)格為2 mm的篩篩選出特定尺寸的土顆粒作為備用。按照與總量為1.1倍的條件稱量每種組分，對(duì)纖維進(jìn)行分散；再把纖維和水泥、干土充分?jǐn)嚢柽x出均勻混合物，接著將其倒入QJ-20攪拌機(jī)內(nèi)并在加水后進(jìn)行2 min濕拌。攪拌結(jié)束之后，再將混合物轉(zhuǎn)移至表面涂覆了脫模劑的模具內(nèi)，根據(jù)GB/T 50123—2019《土工測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)》，利用振動(dòng)臺(tái)實(shí)現(xiàn)均勻振搗狀態(tài)[10]。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度測(cè)試模具采用尺寸70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方結(jié)構(gòu)鐵模具。通過(guò)振搗方式實(shí)現(xiàn)均勻狀態(tài)后，采用塑料薄膜進(jìn)行封處理24 h并拆模[11]，再利用溫度為20 ℃的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行保溫，同時(shí)在相對(duì)濕度95%條件下達(dá)到測(cè)試齡期為止[12]；制備的試樣的宏觀和微觀照片如圖2所示。

圖2 試樣宏觀和微觀照片F(xiàn)ig.2 Macroscopic and microscopic photos of the sample

1.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度指的是試塊各方向都不存在約束的情況下可以承受的最大軸向壓力，該指標(biāo)也成為了判斷水泥土力學(xué)特性的關(guān)鍵指標(biāo)。測(cè)試過(guò)程在YHS-229WJ-50KN萬(wàn)能測(cè)試機(jī)上進(jìn)行[13]，測(cè)試設(shè)備由上海益環(huán)儀器科技有限公司提供。

本實(shí)驗(yàn)以纖維長(zhǎng)度與摻量作為變量，控制纖維長(zhǎng)度依次等于3、6、9和12 mm，摻入纖維質(zhì)量比為0%、0.25%、0.5%、0.75%和1%。為有效控制測(cè)試誤差，保證測(cè)試結(jié)果可靠度，對(duì)試樣參數(shù)與均值之間進(jìn)行作差的結(jié)果大于均值15%時(shí)，則以其余2個(gè)試樣均值作為測(cè)試結(jié)果。測(cè)試期間設(shè)定位移速度為1 mm/min，持續(xù)加載直到軸向的變形幅度增大至10%為止。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖3中可以看出，在加入不同含量與不同長(zhǎng)度的纖維條件下制得的纖維水泥土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓測(cè)試形成的曲線，結(jié)果表明：

圖3 PVA纖維水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of PVA fiber soil-cement

(1)PVA纖維水泥土主要形成了幾個(gè)應(yīng)力-應(yīng)變階段。階段1：初期壓實(shí)階段。初期對(duì)纖維水泥土施加豎向荷載的過(guò)程中，形成了上凹變化趨勢(shì)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其中，應(yīng)變比應(yīng)力發(fā)生更快增大。采用振蕩成型加工方式無(wú)法獲得密實(shí)的纖維水泥土塊，從而產(chǎn)生孔隙與微裂紋缺陷，當(dāng)對(duì)試樣施加豎向荷載時(shí)則會(huì)引起 孔隙與微裂紋達(dá)到更密實(shí)的擠壓效果[12]。階段2：發(fā)生彈性變形。進(jìn)一步增大豎向荷載時(shí)，試樣變形過(guò)程主要來(lái)自土顆粒和水泥水化產(chǎn)物在載荷作用下出現(xiàn)的彈性變形，滿足胡克定律。階段3：塑性變形。隨著豎向荷載增大至約0.8倍的峰值強(qiáng)度后，水泥土開(kāi)始發(fā)生塑性變形。形成了非線性變化的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，此時(shí)應(yīng)變比應(yīng)力表現(xiàn)為更緩慢的增大趨勢(shì)[14]。階段4：結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。隨著纖維水泥土應(yīng)力提高至峰值時(shí)，裂縫進(jìn)入快速增長(zhǎng)的過(guò)程，引起內(nèi)部組織發(fā)生更嚴(yán)重的破壞，同時(shí)減少了荷載傳輸路線；

(2)測(cè)試3、6、9和12 mm這3種長(zhǎng)度纖維加入水泥土后峰值強(qiáng)度與摻入量的關(guān)系，結(jié)果顯示峰值強(qiáng)度發(fā)生了先上升再降低的變化規(guī)律，其中，纖維長(zhǎng)度為12 mm時(shí)，水泥土峰值強(qiáng)度相對(duì)纖維摻入量呈現(xiàn)線性變化規(guī)律；增大至峰值強(qiáng)度時(shí)，殘余強(qiáng)度則表現(xiàn)為與纖維加入量的正相關(guān)變化趨勢(shì)，應(yīng)力損失也發(fā)生了持續(xù)降低。當(dāng)摻入纖維的比例在0.5%以內(nèi)時(shí)，纖維水泥土發(fā)生了明顯的應(yīng)力損失，形成的殘余強(qiáng)度也較小，存在顯著應(yīng)變軟化現(xiàn)象，最后發(fā)生脆性破壞；尤其是在加入一些長(zhǎng)度較短纖維的情況下該現(xiàn)象特征明顯。隨著纖維的加入量達(dá)到0.5%以上時(shí)，對(duì)應(yīng)力損失起到了顯著改善效果，獲得了更高的殘余強(qiáng)度。3、6 mm長(zhǎng)度的纖維加入后形成了更緩慢的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。長(zhǎng)度為9、12 mm的PVA纖維加入質(zhì)量比為0.75%與1%時(shí)，還可觀察到應(yīng)變硬化的現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)變提高后，應(yīng)力并未下降還發(fā)生了一定程度的增大。PVA纖維水泥土從塑性破壞轉(zhuǎn)變至塑性破壞的特點(diǎn)，獲得了更優(yōu)的延性。

2.2 纖維長(zhǎng)度影響

圖4給出了不同長(zhǎng)度PVA纖維時(shí)對(duì)應(yīng)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

圖4 不同纖維長(zhǎng)度下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分布Fig.4 Distribution of unconfined compressive strength under different fiber lengths

從圖4可以看出，加入同樣比例的纖維時(shí)，纖維長(zhǎng)度將會(huì)對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生明顯影響。增加纖維長(zhǎng)度時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)生了先上升再降低的變化現(xiàn)象，測(cè)試顯示纖維長(zhǎng)度等于6 mm時(shí)達(dá)到了最大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；因此6 mm屬于纖維最佳長(zhǎng)度。

加入的纖維長(zhǎng)度較小的情況下，土體受到纖維的粘接作用也較小，只產(chǎn)生了很低的摩阻，容易造成纖維和土體間的相對(duì)滑動(dòng)，不能充分發(fā)揮纖維對(duì)水泥土約束作用，不能發(fā)揮良好的抗壓增強(qiáng)效果[15-16]。加入更長(zhǎng)纖維后，纖維將會(huì)和土體間形成了更大接觸面，由此提高了二者粘接和摩阻載荷，進(jìn)一步改善了纖維對(duì)水泥土增強(qiáng)作用。

2.3 纖維摻量影響

圖5給出了對(duì)PVA纖維水泥土進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓測(cè)試得到的不同PVA纖維加入量條件下的曲線。結(jié)果顯示，PVA纖維水泥土保持基本恒定的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。其中，PVA添加量在0.75%以內(nèi)時(shí)，3、6和9 mm這3種長(zhǎng)度的纖維水泥土都出現(xiàn)了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與纖維摻量正相關(guān)變化特征，加入量為0.75%時(shí)，獲得了峰值無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；而加入量進(jìn)一步提高至1%時(shí)，則發(fā)生了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的降低。當(dāng)纖維長(zhǎng)度等于12 mm時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度則呈現(xiàn)相反變化規(guī)律。根據(jù)以上結(jié)果可知，需加入一個(gè)合適范圍的纖維時(shí)才能獲得理想的增強(qiáng)效果，其中，纖維長(zhǎng)度在6 mm以內(nèi)時(shí)，0.75%是最優(yōu)摻入量；長(zhǎng)度12 mm時(shí)，摻如量最優(yōu)是1%。

圖5 不同纖維摻量下無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分布Fig.5 Unconfined compressive strength distribution under different fiber dosage

水泥土試樣受到豎向壓力作用時(shí)沿軸向與橫向分別發(fā)生壓縮與膨脹。對(duì)于素水泥土來(lái)說(shuō)，當(dāng)軸向上長(zhǎng)度縮短時(shí)，將會(huì)在橫向上出現(xiàn)擴(kuò)張而引起雙剪切破壞。測(cè)試?yán)w維水泥土?xí)r，則因?yàn)榛w內(nèi)含有PVA纖維，達(dá)到一定程度的橫向膨脹時(shí)，將會(huì)對(duì)試塊環(huán)向纖維造成拉伸作用，這些處于拉應(yīng)力狀態(tài)的纖維則對(duì)試樣產(chǎn)生反作用小郭，限制了其橫向上的變形過(guò)程，能夠有效提升水泥土抗壓能力。

2.4 纖維水泥土破壞機(jī)理分析

設(shè)置較低豎向荷載時(shí)，素水泥土與纖維水泥土都發(fā)生了彈性變形，隨著載荷增大時(shí)試樣發(fā)生了更大變形，纖維在此過(guò)程并未起到應(yīng)有的作用。進(jìn)一步提高豎向荷載時(shí)[17]，因?yàn)閴毫C(jī)墊板相對(duì)水泥土發(fā)生的橫向變形更小，此時(shí)墊板可以利用接觸面摩擦載荷對(duì)水泥土橫向變形起到限制作用，相當(dāng)于沿試塊上、下端設(shè)置套箍的效果，從而使水泥土破壞階段產(chǎn)生2個(gè)對(duì)頂分布的破壞面[18]。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，素水泥土試樣通常是沿剪切面出現(xiàn)剪切破壞。在破壞階段將會(huì)形成貫穿裂縫并快速擴(kuò)展。還有一些試樣發(fā)生了蹦碎掉塊，試樣在破壞階段表現(xiàn)出明顯的脆性特征[19-20]。在水泥土中加入一定含量的PVA纖維時(shí)，對(duì)破壞形式具有顯著改善效果，此時(shí)依然保持雙剪切破壞的形式，形成了對(duì)頂角錐裂縫，相對(duì)素水泥土形成了更小的裂縫，未發(fā)生整體掉塊的情況。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)PVA纖維水泥土主要形成了初期壓實(shí)階段，彈性變形，塑性變形，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞四個(gè)階段。PVA纖維水泥土從塑性破壞轉(zhuǎn)變至塑性破壞的特點(diǎn)，獲得了更優(yōu)的延性；

(2)增加纖維長(zhǎng)度時(shí)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先上升再降低變化，纖維長(zhǎng)度等于6 mm時(shí)達(dá)到了最大無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度；

(3)纖維水泥土出現(xiàn)了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與纖維摻量正相關(guān)變化特征，纖維長(zhǎng)度在6 mm以內(nèi)時(shí)，0.75%是最優(yōu)摻入量。