棉花秸秆纤维水泥土抗折强度试验研究

2020-09-07杨娇殷勇盐城工学院江苏盐城224001

安徽建筑 2020年9期

杨娇，殷勇（盐城工学院，江苏盐城 224001）

1 概述

水泥土因为其坚硬性、水稳性、低压缩性等优点，防渗效果较好，故常采用水泥土搅拌桩作为止水帷幕来挡水，因此在岩土工程界应用广泛[1]。但是水泥土有着抗折强度低的缺点，阻碍了水泥土的发展。因此为了改善水泥土这种缺点，许多学者对水泥土采用了纤维加筋措施，来研究纤维水泥土的力学性能[2-3]。关于纤维水泥土的力学性能研究，目前的成果大多集中在抗压强度、抗拉强度和抗剪强度这3个方面。Tang研究发现，纤维水泥土的抗压强度比纤维土和水泥土的抗压强度要高，而且还大于两者抗压强度之和，强度也随着纤维掺量的增加而增加[4]。袁玉卿将聚丙烯纤维加入水泥土中，进行无侧限抗压强度试验，探究纤维的掺量及长度对抗压强度的影响。结果表明，强度随着纤维掺量及纤维长度变化且纤维掺量的影响程度大于纤维长度[5]。Estabragh采用尼龙纤维来改善水泥土的强度时，最终得出尼龙纤维掺量为0.3%时，纤维水泥土的强度最大[6]。Gaspard等研究聚丙烯纤维水泥土的抗拉性能，发现聚丙烯纤维的加入能够明显地增加土体的劈裂抗拉强度[7]。汪金龙和娄宗科研究发现聚酯纤维能够提高黄土的抗拉强度[8]。陈峰在进行玄武岩纤维加固水泥土的试验中发现，水泥土的抗拉强度随着纤维的加入而提高，而且存在最优掺入量[9]。殷勇在水泥土中掺入玻璃纤维，通过三轴试验，发现纤维能够明显提高水泥土的抗剪强度参数[10]。曹雅娴在进行聚丙烯纤维加固水泥土时，探讨了围压、纤维掺入比等因素对土体强度的影响，也得到了相似的结论[11]。张艳军等对石棉纤维粉煤灰水泥土进行直剪试验，得出最佳掺量范围为3%～6%，此范围内的黏聚力与内摩擦角都有增加[12]。

由此可知，在纤维水泥土的力学试验研究中，关于抗折强度的研究较少。本文采用棉花秸秆纤维加筋水泥土，通过正交试验，研究水泥掺量、纤维掺量和纤维长度对抗折强度的影响，得出最佳配合比和影响因素的主次顺序。

2 试验

2.1 试验材料及方案

试验用土取自盐城某工程的施工基坑，风干土体，碾压后过筛2mm后进行试验。土样的物理力学性质见表1。水泥采用等级为42.5的普通硅酸盐水泥，纤维采用盐城郊区的棉花秸秆纤维，对其进行处理后变成纤维状后使用。试验材料准备好后，按照60%的目标含水率配制纤维水泥土。试验运用正交原理，对纤维水泥土进行正交试验，3个影响因素分别为水泥掺量、纤维掺量和纤维长度，在选择因素水平时参考了唐朝生的0～0.3%的纤维掺量，6mm～19mm的纤维长度[13]以及杨继位的5mm、10mm、15mm的麦秸秆加筋长度和0.20%、0.25%、0.30%的加筋率[14]。因此本试验的水泥掺量选用6%、8%、10%、12%这4个水平，纤维掺量分别为0.01%、0.02%、0.03%、0.04%，纤维长度为3mm、6mm、9mm、12mm四个水平，水灰比固定为0.5，养护龄期为7d。

试验采用的3因素4水平的正交试验表，因素及水平见表2。根据因素和水平的关系设计正交试验表，选取L16（45），留有2列空白列作为误差列。试验组数总共为16组，每组设置3个平行样。

土的物理力学性质表1

试验影响因素及水平表2

2.2 试样制备及养护

试验尺寸为40mm×40mm×160mm，采用的是长方体试模，在试验前事先根据配合比称好各种材料的质量，然后先将土和水泥干拌，再加入棉花秸秆纤维干拌，最后加入水充分地搅拌均匀。在长方体试模内侧涂抹一层润滑机油，然后将搅拌好的混合浆体缓慢地倒入模具中，分层装样，每次装料的高度要统一，在装料的过程中保持振捣。装料完成后在表面包上一层上塑料保鲜膜，静置24h待试块成型。试块脱模后放置在温度20±2℃、湿度≥95%的恒温恒湿养护箱内进行标准养护。

2.3 试验数据处理

试验采用的仪器是ZQ-990L系列电脑式万能试验机，将养护好的试块表面擦拭干净后放置在试验机支座上，调整好试块位置后打开万能试验机加载，选择加载速度为2mm/min，均匀、连续地加载，直至抗折试块出现裂痕时，记录下试验机显示的极限破坏荷载。抗折强度按如下公式计算：

式中，Ff为加筋水泥土抗折强度，F为试件极限破坏荷载，L为支座间距离，b是试样的截面宽度，h是试样的截面高度。

3 试验结果与分析

3.1 抗折强度及极差分析

7d抗折强度极差分析表见表3，其中K1、K2、K3、K4分别表示的是某种影响因素对应的4个水平下全部抗压强度的总和，X1、X2、X3、X4为各因素对应水平的平均值，X1=K1/3、X2=K2/3、X3=K3/3、X4=K4/3，R为极差。

由表3可知，在养护龄期为7d时，抗折强度总和是5.513MPa，最佳的配合比为A4B4C2。3种影响因素水泥掺量的极差R为0.178，纤维掺量的极差R为0.045，纤维长度的极差R为0.038，极差RA＞RB＞RC，由极差分析可知，养护7d的纤维水泥土抗折强度，3个因素的影响程度大小顺序依次为水泥掺量、纤维掺量、纤维长度。水泥掺量的极差值最大，对纤维水泥土的抗折强度影响也就最明显，其次是纤维掺量和纤维长度，纤维的掺量和长度的极差值基本相同，对抗压强度的影响水平也是差不多的。

7d抗折强度极差分析表表3

7d抗折强度极差分析表续表3

3.2 抗折强度的方差分析

为了更加精确地分析各因素各水平对抗折强度的影响，结合试验误差的影响，对试验数据进行方差分析，也能给出各个因素的影响程度的显著水平。本试验中，各因素自由度为3，空白两列为误差列，则误差的自由度为6。选取0.01、0.05和0.1这3种显著水平，查F分布表得：F0.01（3，6）=9.78，F0.05（3，6）=4.76，F0.1（3，6）=3.29。7d的抗折强度方差分析表见表4。

由表4可知，养护龄期为7d时，水泥掺量对试验结果具有显著影响，纤维掺量对抗折强度的影响显著，但是显著程度远小于水泥掺量，纤维长度的影响不是很显著。由方差分析表可知，各影响因素的主次顺序依次为水泥掺量、纤维掺量、纤维长度，这一结果与极差分析得出的结果是一致的。