粉煤灰—玄武岩纤维改良膨胀土试验研究

庄心善， 游　鹏， 余晓彦， 周　谈

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉　430068)



粉煤灰
—玄武岩纤维改良膨胀土试验研究

庄心善， 游鹏， 余晓彦， 周谈

(湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 湖北 武汉430068)

[摘要]作为20世纪的重大发明，加筋技术被广泛应用于实际工程，取得了巨大的经济和社会效益。随着经济的高速增长，我国的路网等级和密度不断提高，公路膨胀土问题越来越严重。粉煤灰改良膨胀土的应用十分广泛，但是利用粉煤灰改良中强膨胀土的效果并不理想。将4种不同百分比(0%、0.15%、0.3%和0.45%)的玄武岩纤维分别均匀掺入到最优掺灰率为20%的膨胀土中，配制试样，通过试验研究不同纤维含量，不同养护龄期，不同围压对加筋灰土的影响。试验结果表明：与粉煤灰改良膨胀土相比，玄武岩纤维加筋灰土的强度有很大提高，自由膨胀率明显减小；同时可以确定灰土的最佳加筋率为0.3%。

[关键词]玄武岩纤维； 膨胀土； 改良； 强度

0前言

膨胀土在我国分布广泛，作为一种特殊的粘性土，在工程中被称为“工程中的癌症”[1]。它遇水体积迅速膨胀，失水体积迅速收缩，对道路及其他建筑物的建设有着巨大的破坏作用，极易引发安全事故。粉煤灰作为一种工业废料，被广泛的应用在膨胀土的改良中，取得了良好的经济和社会效益。但在应用中我们也发现依靠粉煤灰改良中、强膨胀土的效果不是很明显[2]。纤维加筋技术的出现，为膨胀土的改良提供了一种全新的方法，许多学者已在这方面做了大量的研究并取得了良好的效果：施利国，张孟喜[3]等研究发现与普通灰土相比，聚丙烯纤维能有效的增大灰土的抗剪强度；徐洪钟，彭轶群[4]等在膨胀土中掺入玄武岩纤维的试验表明玄武岩纤维能够抑制膨胀土的胀缩性，同时膨胀土的无侧限抗压强度和抗剪强度也均有提高。玄武岩纤维作为一种新型的绿色无机高性能材料，以其良好的性能和低廉的成本[5，6]，被我国列为重点发展的四大纤维之一，被广泛的应用于各行业中。本文通过在膨胀土中加入粉煤灰和玄武岩纤维，进行室内试验：直剪试验、无侧限抗压强度试验以及三轴压缩试验来研究不同纤维含量，不同龄期，不同围压下膨胀土的强度特性，为玄武岩纤维-粉煤灰改良膨胀土在实际工程中的应用提供理论依据。

1试验材料

本试验所使用玄武岩纤维的平均长度为6 mm，将成束的纤维撕开后，与膨胀土均匀拌合。其性能指标见表1。

表1 玄武岩纤维的性能指标Table1 Performanceindexofbasaltfiber纤维类型单丝直径/μm密度/(kg·m-3)平均长度/mm抗拉强度/MPa弹性模量/GPa极限延伸率/%耐酸碱性熔点/℃束状单丝13265063500～380092～1103.199.51250

本试验使用的粉煤灰，通过试验测得其主要的化学成分及含量如表2所示，从粉煤灰的主要氧化物组成成分来看， CaO的含量低于10%，根据A STM粉煤灰分类方法可以确定本试验所用粉煤灰为F。

表2 粉煤灰的组成成分Table2 Composingcomponentoffly-ash%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OK2OTiO2烧失量45.3124.118.269.282.533.851.221.151.083.21

试验土样取自河南南阳某高速公路施工工地，按《公路土工试验规程》JTG E40-2007在工程现场取土时，试样的含水率较高，成块状。根据试验测得其为中膨胀土，其物理参数如表3所示。

表3 土的物理参数Table3 Physicalparametersofsoil比重粘土矿物主要成分含量/%伊蒙混层矿物伊利石高岭石塑限Wp/%液限WL/%塑性指标Ip/%天然密度ρ/(g·cm-3)含水率W/%2.781.35.27.120.755.235.61.9927.3

2试件制备

试验开始前，按照土工试验要求，将试验土放入烤箱中在105 ℃～110 ℃条件下烘烤24 h后碾碎过2 mm筛。通过前期试验，测得膨胀土的最大干密度和最优含水率分别为1.83 g/cm3、22.3%，粉煤灰改良膨胀土的最佳掺灰率(重量比)为20%，因此在本试验中掺入质量分数为20%的粉煤灰，并分别测定其最优含水率和最大干密度，如图1所示。

由图1可知： 测得的最优含水率、最大干密度分别为21.4%、1.74 g/cm3。掺入粉煤灰后膨胀土的最优含水率和最大干密度均出现了不同程度的降低，这是因为在击实过程中，粉煤灰与膨胀土中的离子发生交换作用，降低了膨胀土周围双层电子层的厚度，同时加速了絮凝作用的发生，因而导致了最优含水率降低；粉煤灰属于不良及配，密度较小，可以填充膨胀土的空隙；此外，由于发生胶结作用，降低了击实特性，导致干密度降低。

为了使试样的含水率均匀稳定，将试样调配至最优含水率后用保鲜膜密封放置在湿度95%以上的养护缸中养护24 h。在试样制备前分别加入含量为0%、0.15%、0.3%、0.45%的玄武岩纤维充分拌合。

图1　灰土的击实试验曲线Figure 1　The compaction curves

将掺入纤维的试样按照土工试验标准击实，采用φ39.1 mm×80 mm的模具来制作无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验的试样；胀缩性试验采用尺寸为φ61.8 mm×20 mm的环刀直接取样。将制备好的试样密封后放入养护缸中养护，按照试验方案，对不同纤维含量、不同养护龄期的试样进行强度与变形试验，据此研究不同因素对膨胀土力学性能的影响。

3试验结果与分析

3.1纤维对灰土胀缩性影响

根据土工试验标准[7],进行纤维灰土的胀缩性试验。由于纤维加筋灰土的胀缩性具有很多共性，故选取其中部分典型曲线进行分析。如图曲线为粉煤灰含量20%，龄期为1 d的无荷载膨胀率与时间关系曲线。

从图2中可以明显的看出： 随着纤维的增加，试样的无荷载膨胀率明显减小。这是因为在土体掺入的纤维，表面粗糙，增大了与土体的接触面积，使得试块内部的摩擦力增大，起到了约束作用，从而导致试件内部的膨胀力减小，阻止试样的膨胀变形。但当纤维含量超过0.3%时，试样无荷载膨胀率减小不明显，考虑到实际工程需要，纤维含量为0.3%时是最经济的。

图2　不同纤维含量下的无荷载膨胀率与时间关系曲线Figure 2　The no load expansion rate with times curves in different fiber content

3.2纤维对灰土无侧限抗压强度影响

试验采用的是YYW-Ⅱ型无侧限抗压仪，其配套重塑筒型号为φ39.1 mm×80 mm，按《公路土工试验规程》JTG E40-2007制备试样。进行无侧限抗压强度试验时，升降板的速率控制在0.06～0.12 mm/min,使得试样能在8～20 min内完成，并按照0.5%应变量记录轴向压力。当百分表达到峰值或者读数达到稳定时，继续进行3%～5%的应变值后停止试验。

由图3无侧限抗压强度变化曲线可知： 无侧限抗压强度随着纤维含量的增加而逐渐增加，当纤维的含量增加到0.3%时，无侧限抗压强度达到峰值，当纤维含量继续增加，无侧限抗压强度逐渐减小，这说明纤维可以增加灰土的抗压强度，而且当纤维含量为0.3%时，抗压强度达到最大值。在相同纤维条件下，随着养护龄期的延长，试样的无侧限抗压强度逐渐增大的，当龄期达到14 d时，抗压强度变化值最大，这说明养护时间的长短也可以增加灰土的抗压强度，建议加筋灰土的养护周期至少为14 d。

图3　不同纤维含量、不同龄期下无侧限抗压强度变化曲线Figure 3　The unconfined compressive strength curves in different fiber content and different ages

3.3应力-应变曲线

试验采用南京电力自动化总厂生产的SJ-1A.G型应变控制式三轴仪进行三轴CU试验，选用φ61.8 mm的压力室，试验数据提取采用TSW-3数据采集系统。试验中σ3采用100、200、300 kPa共3种围压。试验以(σ1-σ3)的峰值为破坏点。根据不同的纤维含量、不同的养护龄期共设计出16种试验工况(见表4)，为了降低试验的偶然性，每组试样都在围压为100、200、300 kPa的条件下分别进行3组平行试验，共计48组有效数据。

表4 试验工况Table4 Testconditions试样期龄/d粉煤灰含量20%时的玄武岩纤维参量(s)/%100.150.30.45700.150.30.451400.150.30.452800.150.30.45

由于加筋灰土的应力-应变曲线走势大致相似，本文选取养护周期为28 d，纤维含量为0.3%的试样来绘制应力-应变曲线，见图4。

图4　100、200、300 kPa围压下28 d养护条件下不同纤维含量改良土应力-应变曲线Figure 4　Deviator stress-axial strain curves in different fiber content under the 28 days curing condition and confining pressure 100,200,300 kPa

由应力-应变曲线可知：

① 玄武岩纤维加筋灰土的应力-应变曲线的走势大致与普通灰土大致相同。

② 玄武岩纤维加筋灰土随着轴向应变的增加，主应力差也是在不断增大的；当轴向应变增大到一定时，主应力不再增加，甚至有减小的趋势。这是因为加筋灰土发生应变硬化，表现出了良好的延性。

③ 掺入玄武岩纤维后，在同一围压条件下，纤维含量从0%增加到0.3%时，主应力差随着纤维含量的增加而增加。这是因为纤维表面的覆盖着大量的SiO2颗粒，增大了纤维与土体的接触面积，使得纤维与土体之间的摩擦力增大，这样就限制了纤维与土体之间的相对滑动，同时试样中的纤维可承担部分拉应力，整体分担部分外力作用。此外，试样中的纤维随机分布，相互交织，限制土体变形，有利于提高试样的力学性能，并且当其中一根纤维受拉时必然会带动其他纤维多的共同作用，形成一个系统的三维受力网络[8]，荷载更均匀的分布于整个试样，从而进一步提高试样的力学性能；当纤维含量从0.3%增加到0.45%时，主应力差随着纤维含量的增加而减小，这是因为当纤维含量超过最佳掺筋率时，试样内部的纤维相互交织在一起，呈团絮状，导致纤维与土体之间的相互作用力转变为纤维与纤维之间的作用力，而纤维带有同种电荷相互排斥不利于改良后土体稳定。通过本试验可以确定灰土的最佳掺筋率为0.3%。

④ 从图4可知: 试样的强度随着围压的增大而增大。当围压在100 kPa时，轴向应变的最大为0.04%；而当围压为300 kPa时，轴向应变的最大值达到0.12%。这说明在较小围压条件下，轴向应变较小，试样中的玄武岩纤维尚未发挥作用；但当围压较大时，轴向应变相应变大，试样中纤维开始伸展，发挥出灰土与玄武岩纤维之间的相互作用，试样展现出良好的延展性。

3.4极限偏应力

试样在极限偏应力条件下试样的纤维含量，龄期以及围压的相关曲线。由图5可知：

① 龄期对试样的强度影响很大，在同一玄武岩纤维含量条件下，随着龄期的增加，试样的强度也在不断的增大，当龄期达到14 d时，试样的强度差不多是期龄为1 d时的1.5倍，甚至更多。这是因为粉煤灰中含有大量的活性氧化硅和活性氧化铝，在一定条件下与碱金属发生化学反应，生成水硬性凝胶化合物，随着时间的增加，化合物在空气或者水中逐步硬化，从而增强试样的强度，粉煤灰中含有少量的MgO、Na2O、K2O等会逐渐与水结合生成玻璃体；同时在膨胀土中掺入粉煤灰，存在离子交换作用，粉

煤灰中存在大量的Ca2+,Al3+,Fe3+等高价离子可置换出膨胀土中相对低价的阳离子，经过一段时间后，发生硬凝反应，产生团聚或者絮凝作用，使得土体的结构发生变化，有效的提高土体的强度。

② 玄武岩纤维的含量对试样的强度也有较大的影响：在不同龄期条件下，试样的强度随着纤维含量的增加呈现出较大的增长。这是因为除玄武岩纤维与灰土之间存在摩擦力外，玄武岩纤维表面也存在大量的阳离子，同步参与到离子的交换过程中，使

图5　100、200、300 kPa围压下试样破坏时的主应力差Figure 5　Principal stress difference at failure in confining pressure 100，200，300 kPa

得离子的交换更加彻底，从而降低膨胀土中双电层的厚度，提高了土体的强度。

4结论

在最佳掺灰率条件下，通过对玄武岩纤维加筋灰土强度与变形特性的试验研究，有如下结论：

① 在灰土中掺入纤维可有效抑制改良后膨胀土的胀缩性。当土体发生膨胀时，土体中的纤维通过与灰土之间的拉力作用、离子交换作用有效抑制土体的膨胀，减小膨胀性，增加灰土的强度。

② 在一定范围内，随着纤维含量的增加，改良后膨胀土的抗压强度也在不断增加；当纤维含量达到0.3%后，其抗压强度开始降低，无侧限抗压强度的峰值在纤维含量达到0.3%时出现。同时随着纤维含量增加，试样破坏时轴向应变也在增加，说明掺入纤维使试样的塑性变形滞后。

③ 随着养护周期的延长，玄武岩纤维-粉煤灰膨胀土的抗压强度有明显提高，当养护周期超过14 d后，其增长趋势变缓。因此结合工程实际情况，可以确定利用玄武岩-粉煤灰改良膨胀土的最佳养护周期为14 d。

[参考文献]

[1]长沙理工大学. 工程中的“癌症”被攻克[N].中国交通报. 2007-12-28 (003).

[2]陈涛,顾强康,郭院成. 石灰、水泥、粉煤灰改良膨胀土对比试验[J].公路,2008(6):164-167.

[3]施利国,张孟喜,曹鹏.聚丙烯纤维加筋灰土的三轴强度特性[J].岩土力学，2011(9): 2721-2728.

[4]徐洪钟,彭轶群,赵志鹏,等.短切玄武岩纤维加筋膨胀土的试验研究[J].建筑科学,2012(9):44-47.

[5]刘嘉麒. 绿色高新材料——玄武岩纤维具有广阔前景[J].科技导报,2009(09).

[6]胡显奇. 我国连续玄武岩纤维的进展及发展建议[J].高科技纤维与应用,2008(06).

[7]交通部公路科学研究院.JTG E40-2007,公路土工试验规程[S].

[8]王德银,唐朝生,李建,等. 纤维加筋非饱和黏性土的剪切强度特性[J].岩土工程学报,2013(08)：1933-1940.

Experimental Study on the Strength of Reinforced Expansive Soils with Fly Ash-basalt Fiber

ZHUANG Xinshan, YOU Peng, YU Xiaoyan, ZHOU Tan

(School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology, Wuhan, Hubei 430068, China)

[Abstract]Reinforcement technology which has made tremendous economic and social benefits is widely used in practical engineering as an important invention in twentieth Century. The expansive soil problem is becoming more and more serious with the network level and the density of our country continues to be improved by the rapid economic growth. Expansive soil is modified by the fly ash widely used, but the effect of modified expansive soil is not ideal. In this paper, four kinds of different percentage (0%, 0.15%, 0.3% and 0.45%) of basalt fiber are evenly mixed into expansive soil of the optimal ratio of fly ash is 20% to prepare for samples, through the experimental study of different fiber content, different curing ages, the different effects of confining pressure on the reinforced soil. The test results show that the strength of modified expansive soil by mixed the basalt fiber is greatly improved compared with the strength of fly ash modified expansive soil, the free expansion rate of modified expansive soil by mixed the basalt fiber is decreased; at the same time the best modified the ratio of basalt fiber is 0.3% in this paper.

[Key words]basalt fiber； expansive soil； modified； strength

[收稿日期]2015-02-10

[基金项目]国家自然科学基金(51209084)

[作者简介]庄心善(1984-)，男，河南周口人，博士、教授，研究方向为环境岩土与边坡工程，E-mail:zhuangxinshan@163.com

[中图分类号]TU 472.3+4

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0001-04