復摻水泥/纖維改性路基粉質黏土力學性質研究

作者簡介：

張元前（1976—），工程師，研究方向：公路工程。

摘要：文章通過室內對不同水泥和聚丙烯纖維（PF）摻量條件下的粉質黏土展開單軸抗壓力學試驗和微觀電鏡掃描試驗，研究復摻水泥/纖維改性路基粉質黏土的工程力學性質。研究發(fā)現(xiàn)：（1）粉質黏土的承載能力隨水泥摻量的提高而逐漸提高，不摻水泥的粉質黏土的抗壓強度為0.72 MPa，摻3%水泥-粉質黏土的抗壓強度較原粉質黏土提高76.39%；（2）隨著PF摻量的提高，3%水泥-粉質黏土的抗壓強度呈現(xiàn)出先提高后減小的變化趨勢，當水泥摻量為3%、PF摻量為0.5%時其抗壓強度最大，達到1.61 MPa；（3）微觀電鏡掃描結果顯示，0.25%纖維+3%水泥的粉質黏土內部結構完整性較好，土顆粒的分布較為均勻，PF起到了很好的連接作用，因此其抗壓強度較大。研究成果可為軟土路基的加固與改良工作提供借鑒。

關鍵詞：水泥；聚丙烯纖維；凍融循環(huán)；改性粉質黏土；微觀電鏡掃；試驗研究

中圖分類號：U416.212 A 22 073 2

0 引言

長久以來，由于軟土具有強度低、遇水易變形等特性，其改良工作非常具有挑戰(zhàn)性［1-3］。其中，粉質黏土的分布最為廣泛，是軟土路基加固研究中最常見的研究對象［4-6］。因此，如何有效改良粉質黏土的工程力學性質是道路工程建設中的重要研究課題。

目前，針對粉質黏土力學性質改良的研究已經較為廣泛。郭增等［7］通過基于室內水穩(wěn)定性試驗和二次回歸正交設計，深入分析了土凝巖改良粉質黏土水穩(wěn)系數，并指出影響改良粉質黏土水穩(wěn)定性的主要因素為壓實度、土凝巖摻量和養(yǎng)護齡期。董張博等［8］基于室內試驗研究了石灰/粉煤灰對粉質黏土力學性質的改良作用，并指出石灰/粉煤灰的摻加可以提高粉質黏土的力學參數及其在降雨影響下的穩(wěn)定性。胡俊等［9］指出，溫度是影響改良粉質黏土力學性質的重要因素，在常溫條件，隨水泥摻量的提高，粉質黏土的導溫系數線性提高；在不同溫度下，隨水泥摻量和齡期的提高，土體的導熱系數和容積熱容等參數逐漸減小。

綜上所述，現(xiàn)有關于粉質黏土力學性改良的研究仍具有一定的局限性［10-12］。本次研究對取自江蘇省某地區(qū)的粉質黏土及改性粉質黏土展開了單軸抗壓力學試驗和微觀電鏡掃描試驗（SEM），深入分析了改良方式對粉質黏土力學性質及其內部微觀結構的影響。研究成果可為路基粉質黏土的改良工作提供借鑒。

1 工程背景

我國北方地區(qū)某市陸域一期次干路、主干路工程二標段中，平漢四路工程樁號范圍為PHSK0+012.335～PHSK2+038.226，全長約2.026 km，不包括垂?jié)h一路路口、經二路路口、綠帶西路、經一路路口；平漢五路樁號范圍為PWK0+279.358～PWK2+147.811，全長約1.868 km，不包括垂?jié)h一路、經二路道路路口；垂?jié)h三路樁號范圍為CSK1+234.773～CSK2+452.357，全長約1.218 km，不包括平漢三路、平漢四路路口。經調查，該地區(qū)公路路基存在大范圍的軟土，主要組成為粉質黏土和淤泥質粉質黏土，給道路工程建設帶來了一定的困難和挑戰(zhàn)。

2 試驗設計

2.1 原材料

本次研究粉質黏土的土體試樣取自某地區(qū)，原狀土的取樣深度為1.50 m，土體呈灰褐色。本次試驗擬采用聚丙烯纖維和水泥材料對粉質黏土進行改良，其中，水泥選用普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5；聚丙烯纖維（山東順通工程材料有限公司）的主要參數為：直徑10～15.00 μm，纖維平均長度12.00 mm，彈性模量35.00 GPa。

2.2 試樣制備

本次試驗的研究對象為取自某地的粉質黏土，依照土體的相關試驗規(guī)范［13］，在室內將土體打散后均勻翻拌，使其均勻分布；往土體內摻入預設含量的纖維/水泥并充分攪拌混合；將攪拌均勻后的松散土體倒入直徑×高度=100 mm×200 mm的圓柱體模具中并壓實，恒溫條件下養(yǎng)護7 d，取出土體試樣并用保鮮膜包裹，開展力學試驗研究。

2.3 試驗方案

為研究聚丙烯纖維和水泥對粉質黏土工程性質的影響，本次研究共設置了多組不同纖維摻量下的水泥-纖維改良粉質黏土室內單軸抗壓力學試驗，不同土樣的具體配合比設計如下頁表1所示。同時對原粉質黏土和改性后的粉質黏土展開微觀電鏡掃描試驗，深入分析不同改良方法對粉質黏土微觀結構的影響，從微觀角度給予解釋。

3 試驗結果分析

3.1 擊實試驗

基于現(xiàn)場擊實試驗得到原狀粉質黏土試樣的擊實曲線如圖1所示。由圖1可以看出，原狀粉質黏土試樣的最佳含水率在20%左右，此時土的干密度取得最大值，約為1.49 g/cm3。擊實曲線在最佳含水率附近較平緩，含水率在19%～25%時，干密度變化幅度≤0.05 g/cm3，含水率＞25％后干密度的降幅較大。

3.2 水泥摻量的影響

基于室內單軸抗壓試驗結果，得到不同水泥纖維摻量條件下改性粉質黏土的抗壓強度如圖2所示。由圖2可知，隨著粉質黏土中水泥摻量的提高，粉質黏土土體試樣的抗壓強度也逐漸提高。不摻水泥或PF的粉質黏土的抗壓強度為0.72 MPa，而隨著水泥摻量的逐漸提高，PF改性粉質黏土的抗壓強度分別達到0.86 MPa、1.18 MPa和1.27 MPa。分析認為，混凝土能夠有效增強粉質黏土土顆粒之間的膠結能力，從而增強其內部結構的緊密性，土的抗壓強度也逐漸提高。進一步分析粉質黏土抗壓強度和水泥摻量之間的關系可知，二者之間為復合線性正相關函數關系，即隨著水泥摻量的提高，粉質黏土的抗壓強度呈線性提高趨勢，其線性相關系數為0.955 5，擬合效果良好。

圖2 不同水泥摻量改性粉質黏土的抗壓強度擬合圖

3.3 PF摻量的影響

表2為摻3%水泥改性粉質黏土的抗壓強度隨PF摻量變化試驗結果。由表2可知，當粉質黏土中水泥摻量固定在3%時，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，復摻水泥/纖維改性粉質黏土的抗壓強度隨纖維摻量的提高而先提高后減小。當纖維摻量為0.5%、水泥摻量為3%時，改性粉質黏土的抗壓強度取得最大值，最大抗壓強度達到1.61 MPa，是原狀粉質黏土的2.24倍，較不摻纖維粉質黏土提高28.80%。分析認為，當水泥改性粉質黏土中聚丙烯纖維摻量比較合適時，聚丙烯纖維能夠起到很好的連接作用，防止土體破壞；而當聚丙烯纖維摻量過大時，會導致水泥與土顆粒的膠結不充分，粉質黏土的強度也就隨之降低。

3.4 微觀電鏡掃描試驗

圖3為破壞后粉質黏土土體的微觀結構電鏡掃描試驗結果。由圖3可以看出，單摻水泥條件下（試樣FS-4），破壞后水泥改性粉質黏土顆粒以片狀為主，顆粒形狀無規(guī)律且排列松散，這表明水泥能夠增強土顆粒之間的膠結能力；在粉質黏土單摻聚丙烯纖維條件下（試樣FCS-1），改性粉質黏土土體內部結構無明顯變化，試樣破壞后纖維也未產生明顯變形，纖維在土體中起到“橋牽”作用；對于復摻水泥/纖維改性粉質黏土試樣，聚丙烯纖維與水泥土之間緊密連接，且纖維未發(fā)生斷裂，纖維與水泥膠結土之間起到了很好的相互作用。綜上所述，通過不同粉質黏土的微觀電鏡掃描結果，從微觀結構角度解釋了土體抗壓強度隨水泥或聚丙烯纖維摻量變化規(guī)律的內在機理。

4 結語

為研究聚丙烯纖維和水泥對粉質黏土工程性質的影響，本次研究共設置了多組不同纖維摻量下的水泥-纖維改良粉質黏土室內單軸抗壓力學試驗和微觀電鏡掃描試驗。主要結論如下：

（1）隨著粉質黏土中水泥摻量的提高，粉質黏土土體試樣的抗壓強度也呈線性提高。不摻水泥的粉質黏土的抗壓強度為0.72 MPa，隨著水泥摻量的逐漸提高，纖維改性粉質黏土的抗壓強度分別達到0.86 MPa、1.18 MPa和1.27 MPa。

（2）隨著PF摻量的逐漸提高，摻3%水泥-粉質黏土的抗壓強度呈現(xiàn)出先提高后減小的趨勢。當PF摻量為0.5%、水泥摻量為3%時，改性粉質黏土的抗壓強度最大，此時其抗壓強度達到1.61 MPa，是原狀粉質黏土的2.24倍，較不摻纖維粉質黏土提高28.80%。

（3）單摻水泥條件下，破壞后水泥內部顆粒形狀無規(guī)律且排列松散；單摻PF條件下，改性粉質黏土土體內部結構無明顯變化，試樣破壞后纖維也未產生明顯變形；復摻水泥/纖維改性粉質黏土，聚丙烯纖維與水泥土之間緊密連接，且纖維未發(fā)生斷裂，纖維與水泥膠結土之間起到了很好的相互作用。

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收稿日期：2022-10-12