聚丙烯纖維改性膨脹土脹縮特性循環(huán)測試研究

摘 要：為研究聚丙烯纖維改性膨脹土的脹縮特性，制備聚丙烯纖維摻量為0.2%、0.4%、0.6%的改性膨脹土材料，通過膨脹力試驗、膨脹率測試、以及干濕循環(huán)試驗，測試每種改性膨脹土試樣的脹縮特性。試驗結(jié)果表明，在吸水膨脹時，丙烯纖維摻量為0.2%的試樣膨脹力較大，易導(dǎo)致試樣變形；丙烯纖維摻量為0.4%的試樣膨脹力、自由膨脹率與無荷膨脹率均保持在較低水平，可以在吸水過程中保持良好的穩(wěn)定性；在干濕循環(huán)測試中，0.4%改性劑摻量的試樣在每一次循環(huán)時的徑向線縮率相對較低，不易發(fā)生收縮問題。因此，聚丙烯纖維添加量在0.4%時，可以有效強(qiáng)化膨脹土應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維；膨脹土；脹縮特性；干濕循環(huán)

中圖分類號：TU443；TQ432 + .62 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0042-03Study on cyclic testing of swelling and shrinkagecharacteristics of polypropylene fiber modified expansive soilZHAO Jinming（Henan Province No.5 Geological Brigade Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China）

Abstract：To study the swelling and shrinking characteristics of polypropylene fiber modified expansive soil，modi?fied expansive soil materials with polypropylene fiber content of 0.2%，0.4% and 0.6% were prepared，and the ex?pansion and contraction characteristics of each modified expansive soil sample were tested by swelling force test，ex?pansion rate test and dry-wet cycle test. The experimental results showed that during water absorption expansion，the sample with a 0.2% content of propylene fiber had a greater expansion force，which could easily cause deforma?tion of the sample. The expansion force，F(xiàn)ree expansion rate and no-load expansion rate of the sample with 0.4%propylene fiber content were kept at a low level，which can maintain good stability in the process of water absorp?tion. In the dry wet cycle test，the sample with a 0.4% modifier content had a relatively low radial shrinkage rate ateach cycle，making it less prone to shrinkage problems. Therefore，when the addition amount of polypropylene fiberwas 0.4%，it could effectively strengthen the application effect of expansive soil.

Key words：polypropylene fiber；expansive soil；expansion and contraction characteristics；dry and wet cycle

膨脹土又稱為膨潤土或膨脹性粘土，是一種具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的土壤。由于其包含特殊的粘土礦物質(zhì)，在水分作用下，該材料會發(fā)生膨脹和收縮 [1] 。膨脹土主要由膨潤土礦物組成，這些礦物質(zhì)中包含有水合離子，當(dāng)膨脹土與水接觸時，使其體積膨脹 [2] 。同時，當(dāng)膨脹土失去水分時，導(dǎo)致其體積收縮 [3] 。由于膨脹土其具有優(yōu)異的抗?jié)B能力，且目前廣泛應(yīng)用于防水工程，在土壤穩(wěn)定處理中，可以通過添加膨脹土來增強(qiáng)土體的穩(wěn)定性。但是，由于其膨脹與收縮特性，會導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到限制，過大的膨脹力會影響外界水體的吸收，為此，需要通過有效的改性材料，對膨脹土性能進(jìn)行優(yōu)化 [4] 。已有學(xué)者對膨脹土的改性進(jìn)行研究，如研究粉煤灰-劍麻纖維復(fù)合改良膨脹土強(qiáng)度及裂隙發(fā)育特性，該方法以素膨脹土為研究對象，并對其進(jìn)行了抗壓強(qiáng)度與膨脹性能測試 [5] 。研究黃原膠和瓜爾膠改良膨脹土力學(xué)特性試驗，該方法通過環(huán)保材料對膨脹土進(jìn)行改性 [6] 。

聚丙烯纖維是一種由聚丙烯物質(zhì)制成的合成纖維，這種材料屬于熱塑性樹脂，其具有輕質(zhì)、耐磨、耐腐蝕等特點。本文采用聚丙烯纖維對膨脹土進(jìn)行改性，進(jìn)而測得改性材料的脹縮特性，獲取最佳改性劑摻量的膨脹土。

1 改性膨脹土的脹縮特性研究

1. 1 試驗材料準(zhǔn)備

試驗用膨脹土取自一工程施工場地，取樣深度為2～4 m，膨脹土取出初期呈土黃色，在正常環(huán)境下處于硬塑狀態(tài) [7] 。

試驗采用土壤穩(wěn)定劑由美國MICAVA公司生產(chǎn)的濃縮型MB-148CA型土壤穩(wěn)定劑，該穩(wěn)定劑可以降低粘土顆粒的吸水能力，從而抑制土體內(nèi)的離子運(yùn)動，保證土體穩(wěn)定性。

采用聚丙烯纖維作為試驗用改性劑，本文采用束狀單絲纖維，制作聚丙烯纖維改性膨脹土材料時，需在低溫50 ℃環(huán)境下烘干聚丙烯纖維，之后通過鼓風(fēng)機(jī)吹散束狀纖維，均勻撒入膨脹土內(nèi)。在將聚丙烯纖維摻入膨脹土體時，分別制備聚丙烯纖維摻量為0.2%、0.4%、0.6%3種摻量的試驗原料，每種摻量均制備28個試樣，依次制成T-1組、T-2組、T-3組試樣，制備完成后，將全部試樣放入恒溫、恒濕的養(yǎng)護(hù)箱中，進(jìn)行7 d的養(yǎng)護(hù)，完成養(yǎng)護(hù)后取出，即可進(jìn)行試樣的性能測試。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 膨脹力試驗

膨脹力是指土樣在吸水膨脹時生成的最大內(nèi)應(yīng)力，對膨脹力進(jìn)行測試，可有效獲取試樣的脹縮特性 [8-9] 。本文采用平衡法，在杠桿固結(jié)儀上測試試樣膨脹力，測試在24 h完成。

1. 2. 2 膨脹率試驗

膨脹率分為自由膨脹率與無荷膨脹率 [10] 。通過量筒測試3組試樣的自由膨脹率，每間隔一段時間對量筒刻度進(jìn)行記錄，直至試樣體積停止變化。采用膨脹儀對3組試樣進(jìn)行無荷膨脹率測試，分析每種試樣在24 h時間內(nèi)的無荷膨脹率。

1. 2. 3 干濕循環(huán)試驗

將制備好的試樣放入高壓固結(jié)儀中，設(shè)置垂直壓力為20 kPa，通過先干燥后浸水方式，將試樣放置在25 ℃環(huán)境中干燥，之后在水槽內(nèi)放水浸泡試樣，記錄試樣浸水膨脹與干燥收縮時的性能變化情況 [11] ，當(dāng)試樣形態(tài)穩(wěn)固后，排出固結(jié)儀中的水分，以此完成單次干濕循環(huán)，之后按照這一循環(huán)方式，對試樣進(jìn)行5次干濕循環(huán)測試。測試試樣在干濕循環(huán)過程中的收縮變形規(guī)律，并通過徑向線縮率表示。

2 結(jié)果與討論

2. 1 膨脹力測試

測試3組試驗土樣在隨著測試時間變化的膨脹力情況，測試結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，隨著試驗時間的增長，每種試樣的膨脹力有所上升，這是由于試樣在不斷吸水過程中，自身干密度會出現(xiàn)下降，導(dǎo)致試樣體積變大，從而引發(fā)膨脹力增大；在3組試樣中，添加0.2%聚丙烯纖維的T-1組試樣在24h時膨脹力達(dá)到60kPa以上，在3組試樣中膨脹效果最大，而添加0.4%與0.6%聚丙烯纖維的試樣膨脹力上升幅度并不明顯，說明適當(dāng)加大聚丙烯纖維添加量，可以改善試樣吸水時的膨脹性。同時，0.4%添加量的試樣膨脹力要低于0.6%添加量，說明聚丙烯纖維添加量不宜過大，在0.4%時可以發(fā)揮最佳效果。

2. 2 膨脹率測試

測試不同試樣在24 h內(nèi)的自由膨脹率與無荷膨脹率變化情況，從而驗證試樣在吸水時的膨脹效果，測試結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在試樣測試過程中，每組試樣的膨脹率均呈現(xiàn)上升狀態(tài)，且每組試樣的自由膨脹率均要高于無荷膨脹率。其中，T-1組試樣的自由膨脹率最高達(dá)到40%以上，在其初始試驗階段自由膨脹率就迅速上升，當(dāng)試驗時間達(dá)到9 h時自由膨脹率已達(dá)到35以上，而該組試樣的無荷膨脹率在試驗時間為12 h時開始出現(xiàn)大幅度上升，在12 h之前上升幅度并不大；T-3組試樣的自由膨脹率與無荷膨脹率均高于T-2組，其在試驗15 h后無荷膨脹率才開始迅速增長；T-2組試樣的膨脹率均保持在最低水平，在試驗時間達(dá)到18 h后，該組試樣的無荷膨脹率出現(xiàn)一定幅度的上升，但最高也要保持在6.0%以下，說明該添加量下的改性膨脹土膨脹速度明顯變慢，且膨脹效果并不明顯。

2. 3 干濕循環(huán)測試

測試3組改性試樣在經(jīng)過5次干濕循環(huán)試驗后的徑向線縮率變化，從而分析試樣在試驗過程中的縮減水平，具體分析結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增多，試樣的徑向線縮率就會有所下降，在初次干濕循環(huán)過程中，T-1組試樣的徑向線縮率要明顯高于其他兩組，最多高達(dá)到13%以上，而T-2組最高僅保持在7%～8%，T-3組最高達(dá)到12%，可以看出在初次循環(huán)狀態(tài)下，T-2組試樣的收縮變化程度最低；當(dāng)循環(huán)次數(shù)達(dá)到第5次時，每組試樣的徑向線縮率都達(dá)到最小狀態(tài)，這是由于試樣表面在經(jīng)歷吸水后會殘留一些水分，當(dāng)處于收縮過程時，會先蒸發(fā)試樣表面的水分，之后逐漸蒸發(fā)試樣內(nèi)部的水分，因此在多次干縮循環(huán)測試下，試樣收縮量均有所下降，其中T-2組試樣依然保持最低的徑向線縮率，為此，該組改性膨脹土材料有效避免嚴(yán)重干縮問題。

3 結(jié)語

研究聚丙烯纖維改性膨脹土的脹縮特性，制備不同改性劑摻量的膨脹土試樣，測試每種試樣在脹縮特性試驗下的應(yīng)用性能，從而獲取最佳改性劑摻量的試樣，將其作為后續(xù)使用材料應(yīng)用至相關(guān)工作中。在未來研究過程中，可以繼續(xù)針對該材料進(jìn)行優(yōu)化，通過添加不同試劑，強(qiáng)化材料的拉伸、剪切等性能，使其能夠應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 袁超，周峙，張家銘，等. 環(huán)氧樹脂-玻璃纖維對水泥改性膨脹土的加固機(jī)理試驗研究[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2021，54（8）：709-716.

[2] 樊科偉，嚴(yán)俊，劉苓杰，等. 木質(zhì)素纖維改性季凍區(qū)膨脹土強(qiáng)度特性與微觀結(jié)構(gòu)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，53（1）：326-334.

[3] 黃英豪，陳永，朱洵，等.相變材料改良膨脹土凍融性能試驗研究及微觀機(jī)理分析[J].巖土工程學(xué)報，2021，43 （11）：1994-2002.

[4] 儲安健，李英明，黃順杰，等. 納米SiO 2 和聚丙烯纖維對煤矸石二灰混合料改性試驗研究[J]. 硅酸鹽通報，2022，41（5）：1669-1676.

[5] 郝建斌，張煥，李耕春，等. 粉煤灰-劍麻纖維復(fù)合改良膨脹土強(qiáng)度及裂隙發(fā)育特性[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報，2022，19（9）：2620-2628.

[6] 王天亮，王林，劉松松，等. 黃原膠和瓜爾膠改良膨脹土力學(xué)特性試驗研究[J].中國鐵道科學(xué)，2023，44（2）：1-10.

[7] 楊果林，李琪煥，段君義，等. 膨脹土高邊坡多級組合式支擋結(jié)構(gòu)力學(xué)特性現(xiàn)場試驗研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2022，53（1）：171-180.

[8] 羅秀云，張雁，朱紅星. 干濕循環(huán)下煤矸石改良膨脹土表面特性研究[J]. 非金屬礦，2022，45（1）：31-33.

[9] 紀(jì)懷旺，李增亮. 基于內(nèi)聚力模型的纖維復(fù)合材料細(xì)觀損傷模擬[J]. 計算機(jī)仿真，2023，40（2）：309-313.

[10] 梁家紅. 聚丙烯纖維長徑比對再生透水混凝土改性研究[J]. 粘接，2023，50（1）：125-129.

[11] 唐百曉. 聚丙烯纖維混凝土纖維增強(qiáng)作用機(jī)理研究[J].粘接，2023，50（2）：78-82.