玄武岩纤维加筋膨胀土强度的试验研究

2015-01-18庄心善余晓彦

湖北工业大学学报 2015年2期

庄心善，余晓彦，游鹏，周谈

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430068）

膨胀土的化学改良方法对施工工艺及施工机械的要求比较严格，且工程造价也会大幅度增加［1－2］。而物理改良对环境的影响较小，具有很好的发展前景。常被用于物理改良方法中的有聚丙烯纤维、玻璃纤维、聚乙烯纤维、剑麻、麻丝等材料［3－5］。由于这些材料的密度比土的密度小很多，在拌合过程中容易出现团聚现象，造成加筋不均匀，给实际工程的操作带来不便。玄武岩纤维是一种典型的纯天然的、无污染的绿色硅酸盐纤维，具有很好的相容性和优越的力学性能。玄武岩纤维在混凝土的加固中已经得到应用，可以显著的提高混凝土的抗折强度、劈裂抗拉强度和轴心抗压强度［6－7］，然而玄武岩纤维在土体改良方面的研究尚不够完善，本试验将玄武岩纤维掺入膨胀土中，进一步研究玄武岩纤维加筋膨胀土强度的变化。

1 试验材料

1.1 玄武岩纤维

本试验所使用的玄武岩纤维为短切无捻粗纱，薄片状，长度为6mm（图1），与膨胀土拌合时，成束的纤维会被撕开，均匀地掺入到膨胀土当中。从力学性能来看，玄武岩纤维介于碳纤维与玻璃纤维两者之间，且性能远远好于聚丙烯等化纤及其他木纤。玄武岩纤维的密度与土的密度相近，相对于质量较轻且弹性模量较低的纤维来说，可以避免出现纤维与土在拌合过程中出现的团聚现象，有效的提高纤维拌合土的均匀性。

图1 玄武岩短切无捻粗纱

1.2 膨胀土的物理性质

本试验采用的土样是南阳某地区的膨胀粘土，土样呈黄褐色，粘土矿物以伊－蒙混合物矿物为主，含有少许的伊利石，高岭石。现场采取土样时含水率较大，呈块状。试验前对膨胀土进行了物理性质测定（表1）。

表1 膨胀土的基本物理性质

2 试验方法

为研究玄武岩纤维加筋膨胀土强度的改良效果，制作了不同加筋率的重塑膨胀土试样，纤维加筋率为纤维质量与干土质量的比值。制作试样时按最优含水率23.54%进行配置，分别把0%，0.1%，0.3%，0.5%的纤维加筋到膨胀土中，将配置好的试样用塑料袋进行密封养护，龄期分别为0d、7d、14d、28d。严格按照《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）进行力学试验，包括直剪试验、无侧限抗压强度试验及收缩试验。

3 试验结果与分析

3.1 直剪试验

试验采用的是ZJ型应变控制式直剪仪，试样尺寸为直径61.8mm，高20mm，试样分别进行龄期0d、7d、14d、28d的养护，将养护好的试样对准放入剪切容器中，土样上下表面各放一层滤纸，防止水分蒸发和堵塞透水石，试验过程中分别施加50 kPa、100kPa、200kPa、400kPa的垂直荷载进行直剪试验。以0.8mm/min的剪切速度进行试验，当测力计的百分表读数不变或者后退时，继续剪切至剪切位移4mm时停止，记下破坏值；当剪切过程中测力计百分表无峰值时，剪切至剪切位移达到6 mm时停止。整理试验数据得出各级荷载下的抗剪强度，对抗剪强度与垂直压力进行线性拟合见图2～图5，抗剪强度指标粘聚力c与内摩擦角φ见图6～图7。

图2 0d不同纤维含量下垂直压力与抗剪强度曲线

图3 7d不同纤维含量下垂直压力与抗剪强度曲线

图4 14d不同纤维含量下垂直压力与抗剪强度曲线

图5 28d不同纤维含量下垂直压力与抗剪强度曲线

从图2～图5可知，纤维加筋膨胀土的抗剪强度均大于未加筋的膨胀土抗剪强度；抗剪强度随着养护龄期的增加而增大，当养护龄期为14d时，纤维加筋膨胀土的抗剪强度趋于最大值；当加筋率小于等于0.3%时，抗剪强度随着加筋率的增加而增大；当加筋率大于0.3%时，抗剪强度有所减小。

图6 不同纤维含量与粘聚力的关系曲线

图7 不同纤维含量与内摩擦角的关系曲线

从图6，图7可知，粘聚力随着纤维含量的增加而增大，变化较明显；内摩擦角变化幅度较小；粘聚力随着养护龄期的增加而增大；内摩擦角随着养护龄期的增加基本不变。综上所述，玄武岩纤维可改善膨胀土的抗剪性能，且当加筋率为0.3%时，膨胀土的抗剪强度处于最优状态，当加筋率＜0.3%时，膨胀土的强度反而会降低；从经济合理的角度来看，加筋膨胀土的最佳养护龄期为14d。

3.2 无侧限抗压强度试验

试验采用的是应变控制式无侧限抗压强度仪，试样的直径40mm，高100mm，试样按照《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）的规定，分三层击实，每层击25次的方法制取。在制备好的试样两端及侧面各涂一薄层凡士林，在试验过程中应变在3%以前，每0.5%应变记读百分表读数一次；应变达到3%后，每1%应变读百分表读数一次。当百分表读数达到峰值或读数稳定时，再继续剪3%～5%应变值时停止试验；如果读数没有出现稳定值，则轴向应变达到20%时即可停止试验。不同纤维含量下的无侧限抗压强度变化特性见图8。从图8可知，无侧限抗压强度随着纤维含量的增加而增大，当纤维含量达到0.3%时，无侧限抗压强度值达到了峰值，之后随着纤维含量的增加，无侧限抗压强度呈逐渐减小的趋势。这说明，玄武岩纤维可以有效地提高膨胀土的抗压强度，且纤维的最佳加筋率为0.3%。

图8 不同纤维含量下的无侧限抗压强度试验

从图9可知，随着加筋纤维含量的增加，试样在破坏时所对应的轴向应变增大，说明加入纤维可以有效提高膨胀土的延展性能。这是因为当试样破坏后，纤维和膨胀土颗粒之间的摩阻力可以承担一部分拉应力。

图9 不同纤维含量下的应力－应变关系曲线

3.3 无荷载膨胀率试验

根据《公路土工试验规程》（JTGE40-2007）的规定，进行膨胀土的无荷载膨胀率试验。试样直径61.8mm，高20mm。试验中，加筋率为0，0.1%，0.3%，0.5%的四种试样，每种各制作4个试样进行试验，当注水开始时，按照5min、10min、20min、30 min、1h、2h、3h、24h及以后每隔24h记录百分表的读数，直至试样不再膨胀为止。整理试验结果如图10所示。随着纤维含量的增加，试样无荷载膨胀率减小较明显。这是因为试样遇水发生膨胀，试样中的纤维对土体有约束作用，抵消了土体内部的膨胀力，有效地约束了膨胀土的膨胀。