纤维对纳米二氧化硅-石灰改良粉土力学性质的影响

李国勋，张艳美，马丁，毕舰心

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

山东黄河冲积粉土覆盖面积广，约占全省总面积的34%，在铁路路基填料紧缺的情况下，常用粉土作为路基填料。根据现行铁路路基设计规范，黄泛区粉土多属于C组铁路路堤填料，具有结构稳定性差、压缩性高、力学强度低等特点，必须经过改良后才可使用。

近几十年来，纳米材料迅速兴起。由于纳米材料尺寸的减小，使其具有一系列不同于宏观尺度的特性，是现如今材料科学、物理、化学等领域的研究热点[1-4]。纳米二氧化硅是一种无毒、无味、无污染的无机非金属白色粉末。由于纳米二氧化硅具有纳米效应，使其在与聚合物复合后对聚合物性能有显著改进。目前，纳米材料在改良土方面的研究主要以砂土、黏土为主。Gallagher等[5]发现纳米二氧化硅可以显著减少由于砂土液化而造成的沉降；Choobbasti等[6-7]通过室内试验，先后得出纳米二氧化硅可显著提高水泥砂的无侧限抗压强度的结论以及纳米二氧化硅提高水泥沙力学性能和微观结构性能的最佳掺量；Bahmani等[8]总结了加入纳米硅后，水泥砂化学性质和微观结构随时间变化的规律；纳米材料改良黏土方面，Ali Pashabavandpouri等[9]、Gelsefidi等[10]在黏土中加入二氧化硅和石灰，发现改良土的强度明显提高，同时，也会显著降低改良土的膨胀率；Ghasabkolaei等[11]通过在黏土中掺入纳米二氧化硅和水泥使得改良土体的弹性模量和强度有较大提升。Ali Zomorodian等[12]认为，相同情况下，纳米材料在提高黏土单轴强度方面更有效。近年来，在纤维与纳米材料共同改良土的力学性质方面的研究也被广泛关注，璩继立等[13]通过研究纤维和纳米二氧化硅对上海黏土强度的影响，发现改良土体的强度有明显改善；Changizi等[14]在低黏性土中添加纳米二氧化硅和聚酯纤维，通过直剪试验和无侧限抗压强度试验发现土体强度有明显提升，同时，聚酯纤维改善了纳米二氧化硅稳定土的力学性能。

以上纳米材料改良砂土以及黏土的力学特性研究表明，纳米材料能显著提高砂土以及黏土的强度，但同时，改良土体也呈现出脆性大的不良特性。目前，对纳米材料改良黄河冲积粉土方面的研究还不够深入，笔者采用纳米二氧化硅和石灰对黄河冲积粉土进行改良，并掺加聚丙烯纤维改善其脆性，通过室内无侧限抗压强度试验和直剪试验研究不同纤维掺量和不同纤维长度对纳米二氧化硅-石灰改良粉土力学性质的影响。

1 试验

1.1 试验材料

试验所采用土取自东营某施工现场。其物理力学性质见表1。根据《铁路路基设计规范》(TB 10001—2016)，试验用土为低液限粉土。

表1 试验土样的物理性质指标Table 1 Physical properties of test silt samples

纳米二氧化硅产自山东省寿光市微纳化工厂，为亲水型纳米二氧化硅，呈白色蓬松粉末状，平均粒径为15 nm，纯度为99.8%，无毒。纳米二氧化硅的规格指标见表2。

表2 纳米二氧化硅的规格指标Table 2 Specifications of nano silica

石灰产自河南万祥水处理材料有限公司，型号为CL 85-QP。

纤维为聚丙烯纤维，其主要物理力学性质见表3。

表3 试验用纤维的基本物理性质指标Table 3 Basic physical properties of test fibers

1.2 试验方法

将粉土烘干、碾碎、过2 mm筛除去杂质后备用，精确称取所用干土、水、石灰、纳米二氧化硅、纤维，混合搅拌均匀并焖料12 h。按照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102—2010)对试样分别进行击实试验、无侧限抗压强度试验和直接剪切试验。其中，击实试验试样直径102 mm、高度116 mm，击实锤质量为4.5 kg，落距为457 mm，击实过程分5层进行，每层击数25次。无侧限抗压强度试样直径为50 mm、高度100 mm；直接剪切试验直径79.8 mm、高度20 mm。制样完成后，用保鲜膜密封并在标准条件(温度20±2 ℃，湿度≥95%)下养护7 d。无侧限抗压强度试验轴向应变速度控制为每分钟应变2%。直剪试验采用固结快剪法，分别在100、200、300、400 kPa共4种不同的垂直压力下进行，剪切速率为0.8 mm/min。

1.3 试验方案

配制不同配合比的纳米二氧化硅-石灰改良粉土，进行击实试验，以确定不同配合比下改良粉土对应的最大干密度与最优含水率。

确定不同配合比下的纳米二氧化硅-石灰改良粉土所对应的最大干密度与最优含水率后，配制相对应的无侧限抗压试验试样，在标准条件下，分别养护1、7、28、64 d后测得其无侧限抗压强度。

根据试验结果，确定纳米二氧化硅和石灰最优配比。以该配比改良粉土为研究对象，首先，选取纤维掺量作为变量，纤维长度为3 cm，进行无侧限抗压强度试验，试验方案见表4，综合考虑土体的强度、脆性改良情况以及材料用量情况，确定纤维最优掺量；然后，在纤维最优掺量下，选取纤维长度作为变量进行对比试验，试验方案见表5，确定纤维的最优长度。确定最优掺量和最优长度后，依次在最优掺量下进行不同纤维长度试样的直接剪切试验和最优长度下进行不同纤维掺量的直接剪切试验，以验证所确定的最优纤维掺量和最优纤维长度对试样抗剪强度的改良效果最好。试验方案见表6、表7。

表4 纤维最优掺量试验方案Table 4 Optimum fiber dosage test scheme

表5 纤维最优长度试验方案Table 5 Optimum fiber length test scheme

表6 不同纤维长度下试样直剪试验方案Table 6 Direct shear test scheme for specimens with different fiber length

表7 不同纤维掺量下试样直剪试验方案Table 7 Direct shear test scheme for specimens with different fiber content

2 试验结果与分析

2.1 击实试验结果

不同配合比下，试样的干密度与含水率的变化曲线如图1所示。

图1 试样干密度与含水率的变化曲线Fig.1 Change curve of dry density and water content of sample

土样的干密度与含水率是影响其密实程度的重要因素。在无石灰的情况下，土体间孔隙被纳米二氧化硅填充，使得改良粉土的最大干密度增大，同时，纳米二氧化硅属于亲水型，在土体内会吸附一部分水，最优含水率也会有所增加。因此，无石灰时，随着纳米二氧化硅掺量的增多，土样的最大干密度与最优含水率均呈现出增大的趋势；加入石灰后，石灰的水化作用会将细颗粒黏结成较大颗粒，使土颗粒间的孔隙增大，改良粉土的最大干密度减小，同时，水化作用会消耗水，使得改良粉土的最优含水率降低。因此，土样的最大干密度与最优含水率随着纳米二氧化硅掺量的增多而减小。这说明土样的密实程度是受石灰与纳米二氧化硅双重影响的。

2.2 无侧限抗压试验结果

无侧限抗压试验结果如图2所示。

图2 配合比和养护龄期对纳米二氧化硅-石 灰改良粉土无侧限抗压强度的影响Fig.2 Effect of mix ratio and curing age on unconfined compressive strength of silt improved by nano-silica-lime

由图2可知，纳米二氧化硅与石灰的配合比为1.5∶2时，试样的无侧限抗压强度明显提升，且试样的强度在养护7 d后趋于稳定，不再随养护龄期而变化。

选择纳米二氧化硅与石灰的配比为1.5∶2，最优含水率为18.6%，进行纤维对纳米二氧化硅-石灰改良粉土力学性质的影响。

2.3 纤维掺量和纤维长度对改良粉土强度的影响

2.3.1 纤维掺量对无侧限抗压强度的影响 不同掺量的聚丙烯纤维改良纳米二氧化硅-石灰改良粉土的无侧限抗压试验结果如图3和表8所示。

图3 不同纤维掺量下试样的轴向应力-轴向应变关系曲线Fig.3 Axial stress-strain curves of specimens with different fiber contents

表8 不同纤维掺量的改良粉土无侧限抗压强度
Table 8 Unconfined compressive strength of modified silt with different fiber contents

试样分组纤维含量/%无侧限抗压强度/kPa100.906.1420.2516.9930.3810.6940.4855.7150.5661.20

图3给出了纤维长度为3 cm时，不同纤维掺量纳米二氧化硅-石灰改良粉土试样养护7 d的轴向应力-应变关系曲线。由图3可以看出，一方面，掺入纤维后，改良试样的无侧限抗压强度略微减小，由于试样直径为5 cm，3 cm纤维在土体内不能完全伸展开，不能较好发挥作用，甚至可能在土体内成为薄弱点，使土体发生破坏。故该结论具有一定的局限性，仅限于室内小尺寸的试样试验。其中，以纤维掺量为0.4%的试样峰值强度最高。另一方面，掺入纤维后，改良试样的脆性得到了明显的改善，引入脆性指数Ib[15]作为试样脆性的参考指标。

Ib=(Iq-Ir)/Iq

(1)

式中：Ib为脆性指数；Iq为峰值强度；Ir为残余强度。

该指数表示归一化后的峰值强度和残余强度之间的差异，也可以表示试样的收缩性。不同纤维掺量的改良粉土的脆性指数见表9。

表9 不同纤维掺量的改良粉土脆性指数Table 9 Brittleness index of modified silt with different fiber contents

从表9可以看出，相比较于未掺纤维的试样，掺入纤维试样的脆性指数大幅度减小，说明纤维可以较大程度地改善试样脆性大的不良特性。同时，在同一纤维长度下，随着纤维掺量的增加，脆性指数逐渐减小，表示随着纤维掺量的增加，改良试样的脆性改善越明显。

聚丙烯纤维掺量为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的纳米二氧化硅-石灰改良粉土的无侧限抗压强度比无纤维改良粉土的强度下降约42.9%、10.5%、5.5%和27.3%。当纤维掺量为0.5%时，脆性的改善效果最优，其次为0.4%。但纤维掺量为0.5%时，试样强度下降幅度较大。综合改良粉土的强度和脆性指数两方面，纤维掺量为0.4%时，效果最好，为最佳掺量。

不掺入纤维掺量的试样，如图4(a)所示，裂纹从上到下贯穿整个试样，裂纹发展较长较宽，破坏面与水平方向成60°夹角，破坏时的变形明显比掺入纤维的试样变形小，试样呈现出明显的脆性破坏。

而掺入纤维的试样，如图4(b)所示，无明显贯穿整个试件的裂纹且裂纹相对较短较细，破坏时的变形比未掺纤维的变形大，破坏后试样的整体性保持的较好，也说明试样的脆性破坏明显得到改善。

图4 未掺纤维和掺入纤维试样破坏形式对比图Fig.4 Comparisons of failure modes of fibre-doped sample and non-fibre-doped sample

与未掺入纤维的试样相比，掺入纤维的试样在试验出现裂纹破坏时，由于纤维的抵抗剪切变形能力，使裂纹的进一步发展得到了延缓，从而试样在破坏时表现出一定的韧性。纤维在单位体积内以较大的数量均匀的分布在土中，微裂缝在发展的过程中必然遇到纤维的阻挡，消耗了能量，难以进一步发展，从而阻断裂缝。

2.3.2 纤维长度对无侧限抗压强度的影响 取纤维掺量为0.4%，掺入不同长度的聚丙烯纤维时，纳米二氧化硅-石灰改良粉土无侧限抗压试验结果如图5所示。

图5 不同纤维长度下试样的轴向应力-轴向应变关系曲线Fig.5 Axial stress-strain curves of specimens with different fiber length

由图5可以得到不同纤维长度的改良粉土无侧限抗压强度，见表10，脆性指数见表11。

图5结果表明，随着纤维长度的减小，试样的无侧限抗压强度逐渐提高，其中，1、2 cm的纳米二氧化硅-石灰改良粉土的无侧限抗压强度比无纤维改良粉土的抗压强度提高约4.1%、18%，与纤维长度为3 cm的试样相比，说明改良粉土的无侧限抗压强度与纤维长度与试样直径的比值有关。由表11可知，在同一纤维掺量下，随着纤维长度的减小，脆性指数逐渐减小，说明改良效果最佳的纤维长度为3 cm，其次为2 cm和1 cm。由于纤维长度为2 cm和3 cm时，试样的脆性指数相差不大，纤维长度为2 cm时，试样的强度较高，所以2 cm为最佳纤维长度。

表10 不同纤维长度改良粉土的无侧限抗压强度Table 10 Unconfined compressive strength of modified silt with different fiberlength

表11 不同纤维长度改良粉土脆性指数Table 11 Brittleness index of modified silt with different fiberlength

2.4 纤维长度和纤维掺量对改良粉土抗剪强度的影响

2.4.1 纤维长度对抗剪强度的影响 选取纤维最佳掺量0.4%，纤维长度分别为0、1、2、3 cm进行直剪试验，结果如图6所示。得到改良粉土的黏聚力和内摩擦角，见表12，试样黏聚力与内摩擦角的变化曲线如图7所示。

图6 不同纤维长度下试样抗剪强度与垂直压力关系Fig.6 Relationship between the shear strength and vertical pressure of samples with different fiber length

由图6可知，纤维掺量一定时，在相同的垂直压力下，改良粉土的抗剪强度随着纤维长度的减小而增强，同时，纤维长度过长，试样的抗剪强度反而不如未掺纤维的抗剪强度高。纤维长度对土体抗剪强度指标黏聚力和内摩擦角也有不同程度的影响。与纤维长度为1、2 cm的试样相比较，未掺纤维土体的黏聚力分别提高了112.42、8.47 kPa，而纤维长度为3 cm的试样的黏聚力反而有所降低；内摩擦角方面，纤维长度对土样的内摩擦角的影响较小，上下变动幅度不大。

表12 不同纤维长度下试样的黏聚力和内摩擦角Table 12 Cohesion and inter friction angle of samples with different fiber length

图7 试样的黏聚力和内摩擦角随纤维长度的变化曲线Fig.7 Variation curves of cohesion and internal friction angle with different fiber length

综上所述，纤维长度为1 cm时，虽然黏聚力有大幅度提升，但内摩擦角有所降低；纤维长度为2 cm时，土体黏聚力和内摩擦角均有提升。当垂直压力达到350 kPa时，纤维长度为2 cm试样的抗剪强度超过纤维长度为1 cm的试样。

由上述结果可知，当纤维掺量为0.4%、纤维长度为2 cm时，改良粉土的抗剪强度的改良效果最优。

2.4.2 纤维掺量对抗剪强度的影响 取纤维长度为2 cm，纤维掺量分别为0.2%、0.3%、0.4%、0.5%进行直接剪切试验，试验结果如图8所示，改良粉土的黏聚力和内摩擦角以及其随掺量的变化曲线分别见表13、图9。

图8 不同纤维掺量下试样抗剪强度与垂直压力关系Fig.8 Relationship between the shear strength and vertical pressure of samples with different fiber content

表13 不同纤维掺量下试样的黏聚力和内摩擦角
Table 13 Cohesion and inter friction angle of samples with different fiber content

纤维含量/%纤维长度/cm黏聚力/kPa内摩擦角/(°)0.22042.543.740.32061.4345.680.42105.4344.130.5294.541.68

图9 试样黏聚力和内摩擦角随纤维掺量的变化曲线Fig.9 Variation curves of cohesion and internal friction angle with different fiber content

由图8可知，在掺入相同长度纤维后，改良粉土的抗剪强度在纤维掺量为0.4%时达到最大，随后开始下降。在纤维长度一定的情况下，表13给出纤维掺量对土体抗剪强度指标的影响。在纤维掺量由0.3%增加至0.4%时，黏聚力有大幅度提升，随后呈现下降趋势，而纤维掺量的改变对内摩擦角影响不大，这也与准黏聚力原理相符。

实验结果表明，纤维掺量为0.4%、纤维长度为2 cm时，改良粉土的抗剪强度的改良效果最优。

2.5 微观机理分析

改良粉土中掺入纤维增强的扫描电镜图像如图10所示。

图10 改良粉土中掺入纤维增强的扫描电镜图像Fig.10 SEM images of embedded fiber reinforcement in improved silt

由图10(a)、(b)可以看出，纤维如网状有效地与土壤黏结在一起。纤维增强改良粉土力学性质的机理为：一方面，在无侧限抗压试验和直剪试验中，试样在被压缩或者剪切的过程中，纤维在土体中被拉伸，如图10(c)所示，因此，土壤-纤维基质内出现界面摩擦阻力，这种界面阻力与土壤-纤维接触面积有关[14]。纤维与土壤颗粒之间的接触水平越高，纤维所提供的阻力就越大。因此，这种改善机制取决于纤维的长度和掺量。对于给定的纤维掺量或长度，增加纤维长度或掺量，纤维总表面积也会随之增加，从而导致纤维与土壤颗粒之间接触面积增大，产生更大的抗变形能力。但是，当纤维长度过长，会在土体内聚集成团，如图10(d)所示，在土体内形成薄弱点，造成土体强度减弱，因此，纤维长度不宜过长。另一方面，随机分布的纤维作为一个空间三维网络，将土颗粒编织或连锁成一个统一的相干矩阵，从而限制变形过程中土颗粒的位移。

3 结论

纤维掺量和纤维长度对土体抗压强度和抗剪强度均有影响，通过开展聚丙烯纤维改良纳米二氧化硅-石灰改良粉土的无侧限抗压强度试验和直接剪切试验，得到如下结论：

1)纳米二氧化硅与石灰的配合比为1.5∶2时，改良粉土7 d无侧限抗压强度有明显的提升，且试样的强度在养护7 d后趋于稳定，不再随养护龄期而变化。

2)在改良粉土的抗压强度和脆性改良方面，纤维长度一定时，纤维掺量为0.4%时，改良效果最明显；纤维掺量为最优掺量0.4%、纤维长度为2 cm时，改良效果最明显。因此，纤维最优掺量为0.4%，纤维最优长度为2 cm。

3)当纤维掺量为0.4%时，以纤维长度作为变量分别进行直接剪切试验，试验结果表明，纤维长度为2 cm时，试样的抗剪强度和抗剪强度指标的改良效果最明显；当纤维长度为2 cm时，纤维掺量作为变量，可以得出纤维掺量为0.4%时，试样的抗剪强度和抗剪强度指标的改良效果最明显。因此，可以验证纤维最优掺量为0.4%，纤维最优长度为2 cm。

4)纤维的掺入可以提升土体的力学性质。这与纤维长度、掺量均有关系，纤维长度与掺量均要适宜，纤维过长反而会导致土体强度下降。

5)通过扫描电镜图像来看，改良粉土中掺入纤维增强的机理分为两部分，一是土体与纤维的界面摩擦阻力提供的抗变形能力；二是随机分布的纤维将土颗粒编织或连锁成一个统一的相干矩阵，从而限制变形过程中土颗粒的位移。