多尺度纤维加筋水泥土抗压性能试验研究

胡 成，翁兴中，张 俊，高 瑞，卢昌鑫

(1.空军工程大学 航空工程学院，陕西 西安 710038；2.西部战区空军军检站，陕西 西安 710082；3.中国人民解放军 空军房地产管理局兰州房地产管理处，甘肃 兰州 730020)

0 引言

水泥土作为一种施工简便、强度较高、对土质适应性强的材料，适合于简易机场跑道的快速修建，但应用研究中发现水泥土存在易开裂、水稳性不良、荷载作用下产生脆性破坏等问题，对此国内外很多学者进行了研究。国内方面，杨博瀚等[1]研究发现水泥加固黄土呈现明显脆性破坏特征，但改性聚丙烯纤维的加入使其破坏特征由脆性破坏向延性、塑性破坏过渡，显著增强了湿陷性黄土力学性能；刘羽健等[2]研究发现聚丙烯纤维可以有效提高固化黄土的劈裂抗拉强度，当纤维长度为12 mm时效果最好，且发现混杂纤维不能显著提高固化黄土无侧限劈裂抗拉强度；沈飞凡等[3]发现聚丙烯纤维可以有效抑制膨胀土体变形，且存在最优纤维掺率，同时认为纤维主要增强的是土体的黏聚力；姜宇波等[4]研究发现聚丙烯纤维可以有效提高盐渍土抗压强度及抗变形能力，且纤维加筋率对抗压强度的影响大于纤维长度；王天等[5]对比了聚丙烯纤维改良石灰土、水泥土和素土的效果，发现聚丙烯纤维的加入能够成倍提高石灰土和水泥土的强度，且在水泥土中加入纤维效果最好；施利国等[6]研究发现，与普通灰土相比，聚丙烯纤维加筋灰土可以使灰土峰值偏应力和抗剪强度均有不同幅度提高；刘寒冰[7]等研究发现聚丙烯纤维的加入能够极大地提高粉煤灰土的无侧限抗压强度；王伟等[8]研究发现分散性好的束状单丝聚丙烯纤维非常适合加固黏性土，且最佳掺量为土质量的0.2%；周世宗[9]研究发现，聚丙烯纤维可以有效提高固化淤泥的无侧限抗压强度，且纤维长度对无侧限抗压强度的影响小于纤维掺量和水泥掺量的影响；郑俊杰等[10]研究发现，玄武岩纤维可以有效提高微生物固化砂的无侧限抗压强度，纤维长度对无侧限抗压强度的影响与纤维掺量有关，且当纤维掺量为0.3%和纤维长度为20 mm时效果最优；张丹等[11]研究发现掺入一定量的玄武岩纤维，可以在一定程度上提高膨胀土的强度参数，使膨胀土的收缩系数显著下降。国外方面，Maher和Ho[12]研究发现随机分布的纤维显著增强了高岭土的峰值抗压强度、延性、劈裂抗拉强度和弯曲韧性；Kumar等[13-14]研究发现黏土的UCS随纤维掺量的增加而增加，且当掺入适量砂后其强度进一步增加；Zaimoglu等[15-16]对聚丙烯纤维加筋细粒土经受冻融循环后的强度和耐久性进行了研究，发现加筋土强度损失较未加筋土降低50%左右，冻融循环后试样无侧限抗压强度随纤维含量的增加而增加；Ghazavi和Roustaie[17]研究发现，冻融循环增加使试样无侧限抗压强度降低了20%～25%，3%掺量的聚丙烯纤维可导致冻融循环前后土样相比素土试样无侧限抗压强度增加60%～160% ；Pradhan等[18]研究发现聚丙烯纤维增加了土壤的峰值和残余剪切强度、无侧限抗压强度和CBR值，纤维最佳掺量为干土重的0.4%～0.8%；Hamidi和Hooresfand[19]研究发现，纤维的掺入增加了加固土的峰值和残余剪切强度，使其脆性破坏模式变为延性破坏模式。

从上述文献可以看出，聚丙烯纤维和玄武岩纤维都能较好地提高加固土的力学性能，改善其脆性破坏模式，但上述研究大多针对的是单一土质，且材料上对纤维加筋土的研究仍不充分，尤其是对粗聚丙烯纤维以及粗细混掺聚丙烯纤维加筋水泥土的研究少。因此以纤维种类、加筋长度、质量加筋率和土的种类在浸水条件下对纤维加筋水泥土抗压性能的影响为研究目的，进行了无侧限抗压强度试验，其结果可为工程上提高水泥土抗压性能提供具体依据。

1 试验

试验土样分别取自西安、三亚和库尔勒地区，测得液限、塑限、塑性指数如表1所示。水泥为冀东P·O 42.5普通硅酸盐水泥(3.10 g/cm3)，水泥掺量以干土质量百分比计，分别为6%，8%和10%。选用3个品种，不同长度规格的纤维，分别是玄武岩纤维(长度为6，12，20 mm，直径为15 μm)，细聚丙烯纤维(长度为6，12，19，24 mm，直径为30 μm)和粗聚丙烯纤维(长度为28，38，8 mm，直径为0.8 mm)。纤维掺量以素干土质量百分比计，玄武岩和细聚丙烯纤维为0.1%，0.2%，0.3%，0.6%，0.8%和1.0%，粗聚丙烯纤维为0.1%，0.2%，0.3%，0.6%，0.8%，1.0%和1.2%。通过击实试验得到土样的最佳含水率和最大干密度如表2所示，按照最佳含水率和最大干密度制备圆柱体试件(D50 mm×H50 mm)，并使用路面材料强度试验仪进行素土、水泥稳定土和纤维加筋水泥稳定土的无侧限抗压强度(unconfined compressive strength，简写为UCS)试验。由于粗聚丙烯纤维长度较长，为防止纤维露出，其试样尺寸定为D100 mm×H100 mm，同时制作尺寸为D100 mm×H100 mm的水泥土，将纤维加筋水泥土强度与水泥土强度之比作为粗聚丙烯纤维与其他种类纤维加筋水泥土强度对比指标，以消除尺寸对强度的影响。

表1 液限、塑限和塑性指数测定结果

表2 土样的击实试验结果

2 试验结果与分析

2.1 不同水泥掺量水泥土UCS变化规律

对3种土样不同水泥掺量的水泥土和素土进行了养护龄期为7 d，未浸水和浸水条件下UCS试验，试验结果见表3。从结果中可以看出同等条件下，水泥土抗压性能西安土最好，三亚土次之，库尔勒土最差，主要是由于库尔勒土为砂质土所致；同时经过饱水养护的试样UCS小于未浸水处理试样，且经过水泥固化后，可以明显提高试样抗压性能，能满足机场对基层的强度要求，试样UCS随着水泥掺量的增加而增大。当水泥掺量为8%时，水泥土强度已满足简易机场对基层强度的要求，且水泥掺量越高相应的工程造价也越高，因此在后面加筋水泥土研究当中以8%掺量的水泥土基体为准。同时考虑到水泥土水稳性不足会降低其抗压性能，而这也是水泥土简易机场实际工程中比较突出的问题，因此后面研究对象都是7 d龄期饱水养护后的试样。

表3 不同水泥掺量水泥土UCS

2.2 玄武岩纤维加筋水泥土UCS变化规律

对于玄武岩纤维加筋8%水泥土试样，进行了7 d 龄期饱水养护，试验结果如图1所示。从图中可以看出，3种玄武岩纤维加筋水泥土UCS随着纤维掺量增加均呈现先增加后减小的趋势，表明玄武岩纤维存在一个最佳掺量，西安土、三亚土和库尔勒土的玄武岩纤维最佳掺量分别为0.3%, 0.6%和0.3%；当纤维掺量过多时，在加筋加固土制样时就会产生明显的裂缝形态, 如图7(a)所示。从图7(b)中可以明显看出由于过量纤维聚集，在试样内形成薄弱面，制样时纤维难以压缩，造成脱模后纤维发生回弹，带动土体张拉，导致试样表面产生裂缝。

图1 玄武岩纤维加筋水泥土UCS曲线Fig.1 UCS curves of basalt fiber reinforced cement soil

因此，在工程实际应用中，应针对工程拟建设地点的土质和相应的固化剂找到纤维的最优掺量，以最大限度地利用纤维对加固土强度的提高作用。从图中也可看出，不同长度的玄武岩纤维试样强度的增长幅度有差别，西安土和三亚土试样强度的增长幅度变化较大，但库尔勒土的则较小。其原因是玄武岩纤维分散性不好，在成型试样表面可以明显看到成束状集聚状态的纤维，纤维长度过长，同等拌和条件下，其拌和均匀性越差；而库尔勒土对纤维长度敏感性较低的原因可能是库尔勒土偏砂性，砂砾含量较高，而砂砾在纤维、土进行拌和过程中有利于纤维打散，提高纤维在土体中的均匀性。

2.3 细聚丙烯纤维加筋水泥土UCS变化规律

图2 细聚丙烯纤维加筋水泥土UCS曲线Fig.2 UCS curves of fine polypropylene fiber reinforced cement soil

对于细聚丙烯纤维加筋8%水泥土试样，进行了7 d龄期饱水养护，试验结果见图2。从试验结果可以看出，西安土和三亚土试样UCS均随着细聚丙烯纤维掺量提高而增大，且当纤维掺量较高时(大于0.6%)此强度增长幅度更大，在所研究的掺量范围内(最大1%)，纤维加筋土试样没有出现高掺量纤维强度反而降低的情况。原因是细聚丙烯纤维在水泥土中分散性较好，能较为均匀地分散于土体中，纤维与水泥土间的黏聚力和摩擦力将土体更好地连接在一起，并分散试样所受到的压力，起到很好的加筋作用，其良好的分散性使得纤维在土体中形成薄弱面的几率大大减少。图3为光学显微镜拍摄的细聚丙烯纤维形态图片，可见自然状态下细聚丙烯纤维呈比较松散的束状，加入土体后能较好地均匀分散于土体，呈交叉网络型分布，起到“桥梁”作用，纤维与土体间的黏聚力和摩擦力及纤维与纤维间摩擦力在将土体不同部分紧密连接的同时将力分散，减少应力集中，提高试样承载力。细聚丙烯纤维加筋西安和三亚水泥土试样，随着纤维长度的增加，UCS变化规律不明显，在纤维掺量不太高时(0.8%以下)，12 mm长度细聚丙烯纤维加筋水泥土强度已经处于较高水平，对于西安土试样4种长度纤维加筋水泥土试样强度差异不大，而对于三亚土试样长度高于12 mm的纤维加筋水泥土强度接近(19 mm纤维)或者小于(24 mm纤维)12 mm纤维加筋水泥土试样。因此考虑经济和增强效果，细聚丙烯纤维的理想长度和掺量分别为12 mm和0.8%。

图3 细聚丙烯纤维形态Fig.3 Morphology of fine polypropylene fiber

2.4 粗聚丙烯纤维加筋水泥土UCS变化规律

对于粗聚丙烯纤维加筋8%水泥土试样，进行了7 d龄期饱水养护，试验结果见图4。从图4中可看出，除了38 mm和48 mm长粗聚丙烯纤维加筋西安水泥土和48 mm长粗聚丙烯纤维加筋三亚水泥土。随着纤维掺量提高，粗聚丙烯纤维加筋水泥土试样强度均逐渐提高。以0.8%纤维掺量为例，28，38 mm 和48 mm长粗聚丙烯纤维加筋水泥土UCS相比水泥土UCS，西安土分别提高了19.1%，22.3%和20.5%，三亚土分别提高了38.7%，60.6%和38.7%，而库尔勒土分别提高了26.4%，41.9%和41.5%，表明粗聚丙烯纤维对水泥土强度的增强效果较好。这是由于粗聚丙烯纤维直径较大，自然状态下不会聚集在一起，加入土体后更易分散，不易形成软弱面，图5为光学显微镜拍摄的粗聚丙烯纤维形态图片。不同长度的粗聚丙烯纤维对3种土样的水泥土试样强度影响规律不同，特别是对西安土和三亚土，但整体来看，38 mm长粗聚丙烯纤维加筋效果最好。当纤维长度为38 mm时，随着纤维掺量提高，粗聚丙烯纤维加筋库尔勒水泥土试样强度逐渐提高。考虑经济性，实际应用中，对于库尔勒土其纤维掺量宜控制在0.8%～1.0%之间，而对于西安土和三亚土，当纤维长度为38 mm时最佳掺量分别为1.0%和0.8%。因此综合考虑后，粗聚丙烯纤维的理想长度为38 mm，理想掺量为0.8%。

图4 粗聚丙烯纤维加筋水泥加固土UCS曲线Fig.4 UCS curves of coarse polypropylene fiber reinforced cement soil

图5 粗聚丙烯纤维形态Fig.5 Morphology of coarse polypropylene fiber

2.5 粗细混掺聚丙烯纤维加筋水泥土UCS变化规律

本研究提出粗细混掺聚丙烯纤维加筋水泥土出于以下考虑，从材料上来说，玄武岩纤维分散性不好，在成型试样表面可以明显看到成束状集聚状态的纤维，而粗细聚丙烯纤维的分散性都较好，在拌和结束后可以较为均匀地分散于土体中；从强度上来说，本研究比较了掺量为0.8%的38 mm长粗聚丙烯纤维加筋水泥土和掺量为0.6%的12 mm长细聚丙烯纤维和玄武岩纤维加筋水泥土分别相比水泥土的强度提高百分比，见表4。从表中可以看出，粗、细聚丙烯纤维加筋水泥土强度提高百分比处于较高的水平，且粗、细聚丙烯纤维加筋水泥土强度值本身也较高，对3种土质都超过3 MPa，除细聚丙烯纤维加筋三亚水泥土强度(3.11 MPa)，其余试样都超过或者接近4 MPa。在将粗细纤维混掺时两者是一种“替代”关系，不是将两者掺量直接相加，因此，本试验选择粗聚丙烯纤维掺量(dosage of thin fiber，记为DTF)为0.3%和0.6%，长度为38 mm；细聚丙烯纤维掺量(dosage of corase fiber，记为DCF)为0.2%和0.3%，细聚丙烯纤维长度(length of thin fiber，记为LTF)为6，12,19 mm和24 mm。对粗细混掺聚丙烯纤维加筋8%水泥土试样，进行了7 d龄期饱水养护，试验结果见表5。整体来看当粗聚丙烯纤维掺量为0.6%的混掺纤维加筋水泥土强度要高于对应的粗聚丙烯纤维掺量为0.3%的强度，但当混掺纤维中粗聚丙烯纤维掺量为0.3%时混掺纤维加筋水泥土的强度基本都超过或十分接近4 MPa，已经满足简易机场所需强度标准，而0.3%粗聚丙烯纤维+0.3%细聚丙烯纤维的组合强度要高于0.3%粗聚丙烯纤维+0.2%细聚丙烯纤维组合，且基本是细聚丙烯纤维长度为12 mm时试样的强度最高; 0.3%粗聚丙烯纤维(38 mm)+丙烯纤维(12 mm)组合的总体纤维掺量水平不算太高，适用于简易机场；而0.6%粗聚丙烯纤维+0.3%细聚丙烯纤维(24 mm)的组合在其他需更高强度水平的应用场景中具有很大应用潜力。

表4 选定条件下3种纤维加筋水泥土强度对比

表5 粗细混掺聚丙烯纤维加筋水泥土UCS

2.6 应力-应变特性和试样破坏形态分析

图6 水泥固化西安土或纤维加筋水泥固化西安土应力应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of Xi’an cement reinforced soil or Xi’an fiber reinforced cement soil

图7 不同状态下试样的形态Fig.7 Shapes of specimens in different states

图6为水泥固化西安土和纤维加筋固化西安土应力-应变曲线图，其中纤维加筋固化西安土水泥掺量均为8%，玄武岩纤维和细聚丙烯纤维长12 mm，粗聚丙烯纤维长38 mm，粗细聚丙烯纤维混掺时细聚丙烯纤维掺量均为0.3%。从水泥固化西安土应力应变曲线我们可以看出，素土试样受力破坏过程中应力应变曲线较为平缓，最大应力值较小，而水泥加固土试样破坏应力应变曲线应力值增长较快且最大应力值较大，但在达到最大值后很快下降，表现出明显的脆性破坏特征，见图7(c)。试样破坏时表面裂缝条数较少且缝宽较宽，破坏面的环形剪切面较为明显，试样呈倒锥形；从玄武岩纤维、粗、细聚丙烯纤维单独加筋水泥土的应力应变曲线可以看出，各加筋土试件初始应力-应变曲线重合性较好，曲线较为陡直，应力增加速率远大于应变速率，说明掺入纤维使试件在初始受荷阶段的结构强度得到了提高，体现出较强的抗裂补强效果[1]；当纤维掺量较低时，试样的应力应变曲线发展趋势与水泥土试样相似，应力在达到最大值后下降迅速，试样的破坏依然表现出较为明显的脆性破坏特征，如玄武岩纤维掺量小于0.8%，细聚丙烯纤维掺量小于0.6%和粗聚丙烯纤维掺量小于0.2%时；随着纤维掺量的提高，纤维加筋水泥土试样的峰后应力应变曲线趋于平缓，残余强度越来越大，说明纤维的加入有效改善了试样的脆性破坏模式，表现在试样破坏时，表面裂缝条数增加且宽度减小，同时细密的非贯通裂缝和斜裂缝大量出现，见图7(d)。而当粗纤维掺量为0.3%和0.6%时，不同长度情况下的粗细聚丙烯纤维混掺试样的峰后应力应变曲线总体均趋于平缓，表明其脆性破坏模式得到了有效的改善。从改善水泥土脆性破坏模式所需纤维掺量来看，粗聚丙烯纤维效果较好，细聚丙烯纤维次之，玄武岩纤维最差，同时粗细混掺聚丙烯纤维在不同长度组合下均能达到较好的改善效果。

2.7 纤维加筋水泥土增强机理分析

纤维主要是通过与水泥土的黏聚、摩擦、嵌锁作用以及纤维之间形成的网状结构来增强其抗压性能。其中，黏聚作用主要是通过纤维同水泥与土颗粒形成的胶凝颗粒之间的黏聚力而产生，且对于纤维加筋水泥土，水泥对强度的贡献要大于纤维；而当土体受力时纤维与土体之间产生滑动时，纤维与土体之间的摩阻力会产生摩擦作用，以阻碍土体变形，从而起到增强作用；嵌锁作用主要是针对纤维表面凹凸不平以及纤维存在较多弯曲的情况，此时纤维会与土体相嵌，当土体受力时，阻碍其变形；纤维形成的网状结构主要是通过纤维与纤维之间的拉结作用，来增强土体抗压性能，见图3(b)。从试验结果可以看出，在纤维掺量适宜的情况下，随着纤维掺量的增加，其UCS逐渐增大(如细聚丙烯纤维加筋三亚水泥土)，这是因为纤维与土体的黏聚作用与摩擦作用均与纤维、土体的接触面积呈正相关。分散良好条件下，接触面积越大其黏聚作用与摩擦作用越大，且此时的纤维空间网络结构也较好，因此纤维增强效果越好。但当纤维掺量过量时，纤维不能得到有效的分散，会在纤维聚集的地方形成薄弱面(图7(d))，因此会降低其增强效果，甚至起反作用。长度也可以通过影响纤维与土体的接触面积来影响其增强效果，但是相比纤维掺量，其影响效果较小。同时不同长度下压缩破坏形式不一，当长度较短时主要是纤维与土体间产生滑动，从而使纤维加筋作用失效；而当纤维长度较大时，外力会使纤维断裂从而使纤维加筋作用失效。因此当纤维长度适宜(玄武岩纤维和细聚丙烯纤维为12 mm,粗聚丙烯纤维为38 mm)，能使纤维抗拉强度与其所承受的拉应力相当时，纤维的加筋作用就能够充分得到发挥，相应纤维加筋水泥土的抗压性能最好。同时，在本研究中，粗聚丙烯纤维由于其特殊的表面构造(图4)使其与土体之间还存在较大的嵌锁力，对土体抗压性能的增强效果较好。对于粗细聚丙烯纤维混掺加筋水泥土，其对土体性能增强在于充分发挥了粗细聚丙烯纤维各自的优点，且两者相组合所形成的空间网络结构对土体性能增强效果更强，更强体现在强度与改善脆性破坏模式上，以上分析表明，相比于单种纤维加筋，粗细混掺聚丙烯纤维加筋水泥土的强度与脆性破坏模式的改善效果均更好。

3 结论

(1)相较于素土，水泥固化西安、三亚和库尔勒土7 d无侧限抗压强度有较大的提高，随着水泥掺量提高，强度逐渐提高，当水泥掺量为8%时UCS已满足简易机场的强度要求，且3种土中水泥固化西安土的效果最好；同时水泥的固化作用较大地提高了3种土的水稳定性，饱水养护下水泥固化西安土、三亚土、库尔勒土的水稳定性系数分别在0.44～0.78，0.53～0.73和0.72～0.98之间；水泥加固土试样应力应变曲线峰后下降很快，表现出脆性破坏特征。

(2)纤维的加入可以继续提高水泥土的UCS，选取的3种纤维中，玄武岩纤维分散性不良，在土体中以集束状态为主，细聚丙烯纤维和粗聚丙烯纤维分散性较好，在土体中以单丝状态为主，适合用于纤维加筋水泥土；纤维加筋水泥土试样应力应变曲线峰后下降缓慢，纤维有效改善了水泥土脆性破坏模式。

(3)细聚丙烯纤维、粗聚丙烯纤维以及粗细混掺聚丙烯纤维增强效果较好，细聚丙烯纤维理想的长度和掺量为12 mm和0.8%；粗聚丙烯纤维理想的长度和掺量为38 mm和0.8%;粗细混掺聚丙烯纤维理想的组合为38 mm长粗聚丙烯纤维(掺量为0.3%)+12 mm长细聚丙烯纤维(掺量为0.3%)。

(4)相较于单种纤维加筋，粗细聚丙烯纤维混掺加筋对水泥土抗压强度的增强与脆性破坏模式的改善效果更好。