玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度试验研究

姜恒超，李青林，杨志勇，胡宏雳，马超，阮波

玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度试验研究

姜恒超1，李青林1，杨志勇1，胡宏雳2，马超3，阮波3

(1. 湖南利联安邵高速公路开发有限公司，湖南 涟源 417100；2. 临武县公路管理局，湖南 临武 424300；3. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

为研究玻璃纤维的加筋效果，开展玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度试验。研究纤维掺量为0，1‰，2‰，3‰和4‰，纤维长度3，6，9和12 mm、水泥掺量1%，3%，5%，7%和9%和养护龄期3，7，14，28和60 d等4个影响因素对玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度的影响。研究结果表明，玻璃纤维水泥改良土的劈裂抗拉强度随着纤维掺量和纤维长度的增大而先增大后减小，最优纤维掺量为2‰，最优纤维长度为6 mm。玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度随着水泥掺量和养护龄期的增大而增大；玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度对应的应变随着纤维掺量的增大而增大，而随着水泥掺量和养护龄期的增大而减小。

玻璃纤维；水泥改良土；劈裂抗拉强度；峰值应变；纤维掺量；纤维长度；水泥掺量；养护龄期

铁路路基基床应优先选用A组填料，其次为B组填料。对于C组和D组填料，应采取填料改良。工程实践中，虽然常使用水泥改良土，但水泥改良土脆性大、抗弯和抗拉强度低。而玻璃纤维具有抗拉强度大、延伸率小、抗腐蚀性好、耐久性强等优点，在水泥改良土中掺入玻璃纤维可以提高其抗拉强度和抗裂性能。Kumar等[1]研究表明，加入纤维后，水泥土的无侧限抗压强度得到了提高。Mohammad等[2]通过试验研究了2种不同的纤维和4种来自路易斯安那州的土壤，通过劈裂抗拉试验发现纤维存在最优掺量，最优掺量与土壤种类有关。Festugato等[3]以巴西阿雷格里港地区的土为研究对象，研究结果表明，纤维水泥土的无侧限抗压强度随纤维长度的增大而增大。Fatahi等[4]以软土为试验对象，研究了聚丙烯纤维、地毯纤维和钢纤维对水泥土的抗压强度和抗拉强度的影响。试验结果表明，纤维水泥土劈裂抗拉强度随地毯纤维掺量和钢纤维掺量的增加而增大，当聚丙烯纤维掺量较小时，纤维对纤维水泥土劈裂抗拉强度影响较小。Yadav等[5]用NaOH处理过的椰子纤维、火电厂产生的池灰以及水泥来改良黏土，通过劈裂抗拉试验研究发现劈裂抗拉强度随纤维掺量的增加而先增加后减小，在纤维掺量为1%时强度达到最大值。高常辉等[6]研究了玄武岩纤维掺入量和掺砂量对水泥粉质黏土劈裂抗拉试验的影响。玄武岩纤维水泥粉质黏土的劈裂抗拉强度随着玄武岩纤维掺量的增大而增大，1.5%玄武岩纤维掺量达到最大值，随后，随着玄武岩纤维掺量的增大而减小。殷勇[7]为了改善水泥黏土的力学性能在水泥土中加入了玻璃纤维，试验结果表明，在水泥黏土中加入玻璃纤维能有效提高水泥黏土的劈裂抗拉强度和无侧限抗压强度，建立了二者之间的关系表达式。阮波 等[8]研究了玻璃纤维和石灰对红黏土无侧限抗压强度的影响规律。试验结果表明：在红黏土中掺入玻璃纤维能显著提高其无侧限抗压强度，使其具有较好的水稳定性；阮波等[9]以淤泥质土为研究对象，通过无侧限抗压强度试验研究玻璃纤维对水泥淤泥质土的加筋效果，试验结果表明，水泥稳定土中加入玻璃纤维后其残余强度较未加入之前有了很大的提高。在实际工程中，路基不均匀沉降会引起路面开裂、边坡滑动。但国内学者对纤维土的研究主要集中在无侧限抗压强度，而劈裂抗拉强度的研究相对较少。本文将研究纤维掺量、纤维长度、水泥掺量和养护龄期对玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度的影响。

1 试验材料

试验用土来自湖南长沙某工地，物理力学指标见表1，玻璃纤维的物理力学参数见表2，水泥的物理力学参数如表3所示。试验用水为长沙市自来水。根据《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)[10]进行击实试验，试验结果见表4。

表1 土的物理力学性质

表2 玻璃纤维的物理力学性质

表3 水泥的物理力学性质

表4 土的最大干密度和最优含水率

2 试验方案

劈裂抗拉强度的试验采用控制变量法研究纤维掺量、纤维长度、水泥掺量和养护龄期4个影响因素对玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度、峰值应变的影响。具体试验方案见表5。

表5 试验方案

3 试样制备及试验

根据《铁路工程土工试验规程》(TB10102—2010)[10]，将水泥、土、纤维和水按一定比例充分搅拌均匀后制成混合料，然后进行制样。玻璃纤维水泥改良黏土压实系数为0.95，成型后的试件直径为50 mm，高度为50 mm。

进行劈裂抗拉强度试验时，加载速率控制在1 mm/min，记录试件被破坏时的最大压力。劈裂抗拉强度计算公式如下：

式中：t为劈裂抗拉强度，kPa；为试样破坏荷载N；为试样直径，mm；为试样高度，mm。

4 试验结果及分析

4.1 纤维掺量影响分析

当纤维长度为6 mm，水泥掺入比为3%，不同纤维掺量的玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度试验应力应变曲线如图1所示。劈裂抗拉强度及对应峰值应变见图2。

由图1可知，不同纤维掺量的玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度试验应力应变曲线有着相似的变化规律，曲线起始段应力随着应变近似呈线性增加，达到峰值应力后，随着应变的增大，应力开始衰减，应力衰减的速率随着应变的增大而逐渐降低。纤维掺量为2‰的应力应变曲线上升段最为陡峭，峰值应力最大。

图1 纤维掺量对玻璃纤维水泥改良土应力应变曲线的影响

glass fiber cement improved soil

图2 劈裂抗拉强度和峰值应变与纤维掺量的关系曲线

由图2可知，在水泥改良土中加入纤维能提高其劈裂抗拉强度，劈裂抗拉强度随着纤维掺量的增大而增大，当纤维掺量为2‰时，劈裂抗拉强度达到最大值，劈裂抗拉强度随着纤维掺量的增大而减小，但降低后的劈裂抗拉强度仍大于未掺入纤维的水泥改良土，说明了玻璃纤维能显著改善水泥土的劈裂抗拉强度，且纤维掺量存在一个最优值。在玻璃纤维水泥改良土中，水泥水化物硬化收缩后会将玻璃纤维牢牢包裹住，在两者相接触的界面上会产生摩擦力，纤维在土体中随机分布，会与土体产生机械咬合力，因此当玻璃纤维水泥改良土受到拉力时，在土体薄弱处最先出现裂缝，此时土体中的纤维开始承受拉力，裂缝的继续发展受到约束，从而使得土体抗拉强度和韧性得到一定的提升。对于未掺入纤维的水泥土，裂缝会直接产生。

由图2可知，随着纤维掺量的增大，峰值应变也随之增大。玻璃纤维水泥改良土的峰值应变比未掺入纤维的水泥改良土增大了14.0%~26.7%。玻璃纤维水泥改良土受到拉力后，土体薄弱处出现微小的裂缝，土体中的纤维开始承受拉力，当破坏面上的纤维即将被拔出时，达到峰值应力。因此，纤维在土体中能承受拉力，限制了土体裂缝的继续发展，使得玻璃纤维水泥改良土的峰值应变增大，延性有所提高。

4.2 纤维长度影响分析

当玻璃纤维水泥改良土的纤维掺量为2‰，水泥掺量为3%，不同纤维长度的玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度试验应力应变曲线如图3所示(l=0为未掺入纤维)。劈裂抗拉强度及对应的峰值应变与纤维长度的关系曲线见图4。

图3 纤维长度对玻璃纤维水泥改良土应力应变曲线的影响

由图3可知，不同纤维长度的玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度试验应力应变曲线变化规律相似，曲线起始段应力随着应变近似呈线性增加，达到峰值强度后，随着应变增大，应力开始迅速减小。纤维长度为6 mm的玻璃纤维水泥改良土应力随应变增长的速率最快，其峰值应力、峰值应变最大。

图4 劈裂抗拉强度和峰值应变与纤维长度的关系曲线

由图4可知，随着纤维长度的持续增大，玻璃纤维水泥改良土的劈裂抗拉强度不断增大，当纤维长度为6 mm时，劈裂抗拉强度达到最大值，纤维长度继续增大时，劈裂抗拉强度开始衰减，纤维长度为12 mm的劈裂抗拉强度比纤维长度为6 mm的强度降低了36%，但仍比未掺入纤维的水泥土强度高6%。说明了纤维长度对水泥改良土的抗拉强度有一定的提升，当纤维长度为6 mm时，劈裂抗拉强度最大。当纤维长度小于6 mm时，纤维长度较短，纤维和土体颗粒搭接不紧密，难以发挥出纤维的加筋作用，如果纤维不弯曲，随着纤维长度的增加，由于增加了比表面积，从而在土壤和纤维之间提供了更大的界面相互作用[11]，应力因此得到了改善；当纤维长度大于6 mm后，纤维长度过大，纤维之间容易发生成团、缠绕现象，与土颗粒之间难以拌和均匀，影响了土体的击实效果，土壤和纤维的之间的相互作用减弱[12]，导致劈裂抗拉强度有所下降。玻璃纤维水泥改良土的劈裂抗拉强度对应的峰值应变随纤维长度增大而增大，当纤维长度为6 mm时，峰值应变达到最大值，当纤维长度继续增大时，峰值应变开始降低，水泥改良土的劈裂抗拉强度及对应的峰值应变存在最优纤维长度。

4.3 水泥掺量影响分析

当玻璃纤维水泥改良土的纤维掺量为2‰，纤维长度为6 mm，不同水泥掺量的玻璃纤维水泥改良土的应力应变曲线如图5所示。劈裂抗拉强度及对应的峰值应变与水泥掺量的关系曲线见图6。

图5 水泥掺量对玻璃纤维水泥改良土应力 应变曲线的影响

图6 劈裂抗拉强度和峰值应变与水泥掺量的关系曲线

由图5可知，不同水泥掺量的玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度试验应力应变曲线变化规律相似，曲线起始段应力随着应变近似呈线性增加，达到峰值后，随着应变增大，应力却逐渐减小。

由图6可知，玻璃纤维水泥改良土的劈裂抗拉强度随水泥掺量的增大而增大，其增长速率逐步减小。水泥掺量为9%的玻璃纤维水泥改良土的劈裂抗拉强度是未掺入水泥的2.36倍。玻璃纤维水泥改良土中的水泥水化物随着水泥掺量增大而增多，但水泥水化物含量不会一直增长，其增长速率会逐渐降低，因此土体的劈裂抗拉强度增长速率也会逐渐降低。玻璃纤维水泥改良土的峰值应变随水泥掺量的增大而减小，降低速率也逐步减缓。

4.4 养护龄期影响分析

当玻璃纤维水泥改良土的纤维长度为6 mm，水泥掺入比为3%，纤维掺量为2‰时，不同养护龄期的玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度试验应力应变曲线如图7所示。以养护龄期为横坐标、劈裂抗拉强度和峰值应变为纵坐标画出相应的关系曲线，见图8。

图7 养护龄期对玻璃纤维水泥改良土应力应变曲线的影响

图8 劈裂抗拉强度和峰值应变与养护龄期的关系曲线

由图7可知，不同养护龄期的玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度试验应力应变曲线变化规律相似，曲线起始段应力随着应变近似呈线性增加，当应力达到峰值后，随着应变增大，应力逐渐减小。

由图8可知，玻璃纤维水泥改良土的劈裂抗拉强度随着养护龄期的增大而增大，但劈裂抗拉强度增长速率随养护龄期的增大而减小。玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度对应的峰值应变随养护龄期的增大而减小，而且减小速率随着养护龄期增大而逐步减小。这是因为随着养护龄期增大，土体中水泥水化物逐步增多，玻璃纤维水泥改良土劈裂抗拉强度也随着增大，脆性也得到了提高。

5 结论

1) 玻璃纤维水泥改良土的劈裂抗拉强度随着纤维掺量的增大而持续增大，纤维掺量为2‰时，劈裂抗拉强度达到最大值，随后，劈裂抗拉强度随着纤维掺量的增大而减小。玻璃纤维水泥改良土的劈裂抗拉强度对应的峰值应变随纤维掺量的增大而增大，玻璃纤维能提高水泥改良土的塑性。

2) 随着纤维长度的增大，玻璃纤维水泥改良土的劈裂抗拉强度和峰值应变先增大后减小，当纤维长度为6 mm时，劈裂抗拉强度和峰值应变达到最大值。

3) 玻璃纤维水泥改良土的劈裂抗拉强度随水泥掺量的增大而增大，劈裂抗拉强度对应的峰值应变随水泥掺量的增大而减小，水泥掺量越大，土体的脆性越大。

4) 玻璃纤维水泥改良土的劈裂抗拉强度随养护龄期的增大而增大，而劈裂抗拉强度对应的峰值应变随着养护龄期的增大而减小。

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Experimental study on split tensile strength of glass fiber cement improved soil

JIANG Hengchao1, LI Qinglin1, YANG Zhiyong1, HU Hongli2, MA Chao3, RUAN Bo3

(1. Hunan Lilian Anshao Expressway Development Co., Ltd, Lianyuan 417100, China;2. Linwu County Highway Administration Bureau, Linwu 424300, China;3. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to study the reinforcement effect of glass fiber, the split tensile strength test of glass fiber cement improved soil was carried out. The effects of fiber content 0, 1‰, 2‰, 3‰ and 4‰, fiber length 3, 6, 9 and 12 mm, cement content 1%, 3%, 5% and 9%, curing age 3, 7, 14, 28 and 60 d on the tensile strength of glass fiber cement improved soil were studied. The results show that the tensile strength of glass fiber cement improved soil increases at first and then decreases with the increase of fiber content and fiber length. The optimum fiber content is 2‰ and the optimal fiber length is 6 mm. The tensile strength of glass fiber cement improved soil increases with the increase of cement content and curing age, and the strain corresponding to the split tensile strength of glass fiber cement improved soil increases with the increase of fiber content, but decreases with the increase of cement content and curing age.

glass fiber; cement improved soil; split tensile strength; peak strain; fiber content; fiber length; cement content; curing age

TU447

A

1672 − 7029(2019)11− 2742 − 06

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.11.013

2018−11−20

阮波(1972−)，男，河南新县人，副教授，博士，从事岩土工程教学与研究；E−mail：421084359@qq.com

(编辑 涂鹏)