聚丙烯纤维改良土抗冻性能研究

李军发

(山西省交通科技研发有限公司 太原 030032)

0 引 言

我国季冻区的道路工程质量受季节变化作用明显.季冻区路基填料在外界环境作用下物理力学性质发生改变，破坏路基结构、影响道路使用年限[1-4]，其路基最常见的病害形式为冻胀融沉.路基填料性质是确保路基强度与稳定性的主要因素之一，因此，采用科学合理的改良方法对季冻区土壤进行改良以保证路基强度与稳定耐久性已成为重要的研究内容.

目前，国内外学者对季冻区路基填料物理力学性质展开了研究.张向东等[5-6]研究了配合比及冻融次数对改良土路基填料抗冻性的影响，随冻融次数增加黏聚力显著降低，内摩擦角变化不明显.李长雨[7]通过室内冻胀试验论证了橡胶颗粒改良粉煤灰土抗冻性能良好.王天亮等[8]研究表明，与素土相比，石灰改良土可明显改善其动力特性，临界动应力约提高60%.张淑玲等[9]研究了冻融条件下水泥土与粉煤灰土单轴抗压强度变化规律，发现同一冻融次数下干冻改良土抗压强度高于湿冻改良土强度.锁文韬[10]研究了冻融条件不同石灰剂量改良膨胀土抗剪强度变化规律，发现低6次冻融作用后改良土抗剪强度趋向稳定.

对于季冻区路基填料多采用化学改良材料，且研究较为充分，而关于纤维改良土抗冻特性研究较少[11].纤维改良土作为一种新的路基填料，逐步应用于公路、铁路、水利等基础中，研究其冻融条件下力学强度变化规律对指导施工具有重要意义[12].鉴于此，文中以季冻区软土为研究对象，采用聚丙烯纤维改良的方法，对冻融条件下聚丙烯纤维改良土进行三轴压缩试验和无侧限抗压强度试验，研究纤维掺量、长度及围压对纤维改良土抗剪强度及其参数的影响规律，论证聚丙烯纤维改良土在季冻区路基中应用效果.

1 原材料与试验设计

1.1 原材料

1) 土样 取自松辽平原东部，取土深度为3.5 m.参照《公路土工试验规程》确定土样物理性质，见表1.室内击实试验选用轻型击实试验方法.

表1 软土物理性质

2) 纤维 选用聚丙烯纤维，技术性质见表2.

表2 聚丙烯纤维技术性质

1.2 试验设计

1) 试验方案 研究冻融次数对对聚丙烯纤维改良土力学强度影响规律，评价聚丙烯纤维改良土抗冻性能.拟冻融次数为0，5，10，15，20次.试验中选用冻融循环试验箱对纤维改良土试件进行冻融循环.将制备完成的纤维改良土试件放入试验箱，试件先后在-15 ℃下养护12 h,20 ℃下融化12 h，此为一次冻融循环周期.

研究纤维掺量及长度对冻融作用下聚丙烯纤维改良土力学强度影响规律，确定聚丙烯纤维掺量及长度.试验中拟纤维长度为6，9，12 mm，纤维掺量为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%.纤维掺量为纤维质量占干土质量的百分比.

2) 试件制备 根据击实试验结果，控制最佳含水率，采用击实法按压实度98%的要求制备三轴压缩试件和无侧限抗压试件，尺寸为直径×高=39.1 mm×80 mm.每组试验采用6个平行试件.

3)试验方法 当试件达到规定冻融循环次数后，分别采用GDS三轴仪进行不固结不排水(UU)试验，采用WAW-100液压伺服万能试验机进行无侧限抗压强度试验.三轴压缩试验中，选用应变控制模式，围压为50，100，200 kPa，加载速率为0.5 mm/min，设置试样最大应变为15%；无侧限抗压强度试验中加载速率为1 mm/min.

2 试验结果与分析

2.1 冻融次数影响

冻融次数对纤维改良土力学强度影响见图1、图2.

图1 冻融次数-聚丙烯纤维改良土抗剪强度关系

图2 冻融次数-聚丙烯纤维改良土无侧限抗压强度关系

由图1可知，纤维长度及掺量一定时，随冻融次数增加，改良土抗剪强度逐渐降低，且冻融作用10次后前期抗剪强度降低速率明显高于后期.纤维长度6 mm时，改良土冻融10次、15次、20次的抗剪强度分别平均降低了7.9%，10.6%，12.0%；纤维长度9 mm时，改良土冻融10次、15次、20次的抗剪强度分别平均降低了7.1%，9.4%，10.3%；纤维长度12 mm时，改良土冻融10次、15次、20次的抗剪强度分别平均降低了7.6%，12.1%，14.0%.这说明冻融作用进行到15次后，冻融作用对纤维改良土抗剪强度影响较小.

由图2可知，同一纤维掺量和长度下，纤维改良土抗压强度随冻融次数增加逐渐减小，且纤维掺量越小，改良土抗压强度降速越快，各级纤维掺量改良土平均降速为14.0%，11.4%，10.0%，10.0%和9.7%.另外，纤维改良土抗压强度降速随冻融次数增加先增大后减小，在冻融15次后，抗压强度基本不再变化.与冻融0次改良土抗压强度相比，改良土冻融15次、20次抗压强度分别平均降低了34.5%，38.0%.对此，建议可以采用纤维改良土冻融作用15次抗压强度作为路基填料强度设计指标.

2.2 纤维掺量及长度影响

聚丙烯纤维掺量及长度对冻融作用下的改良土抗剪强度影响见图3、图4.

图3 纤维掺量-聚丙烯纤维改良土抗剪强度关系

图4 纤维掺量-聚丙烯纤维改良土无侧限抗压强度关系

由图3可知：

1) 冻融次数与围压相同时，一定长度的聚丙烯纤维改良土抗剪强度随纤维掺量增加先增加后减小，且0.3%纤维掺量改良土抗剪强度取得峰值.纤维掺量从0.1%增加至0.3%，长度为6，9，12 mm的纤维改良土在围压50 kPa下抗剪强度分别平均提高9.8%，10.6%，23.7%，围压100 kPa下分别平均提高6.4%，9.4%，19.9%，围压200 kPa下的分别平均提高3.2%，4.0%，12.7%；与纤维改良土冻融0次抗剪强度相比，聚丙烯纤维长度6和9 mm时，改良土抗剪强度冻融5次增速最快，分别约为9.8%，11.6%；纤维长度12 mm时，冻融10次的改良土抗剪强度增速最快，为24.5%.

2) 冻融试验条件一致时，聚丙烯纤维长度对不同纤维掺量的改良土抗剪强度影响不同.纤维掺量<0.3%时，纤维改良土抗剪强度先增大后减小，纤维长度9 mm处抗剪强度最大，当纤维长度从6 mm增加至9 mm，围压50，100，200 kPa改良土抗剪强度分别平均提高了14.0%，12.0%，8.9%；纤维掺量≥0.3%时，纤维改良土抗剪强度随纤维长度增加逐渐提高；纤维掺量为0.3%，0.4%时，围压50和100 kPa下改良土抗剪强度增速显著快于围压200 kPa下抗剪强度，其抗剪强度分别平均提高12.6%，14.0%，4.7%.另外，相同冻融次数下，纤维长度对0.3%，0.4%纤维掺量改良土影响显著，各级纤维掺量下改良土纤维长度从6增长至12 mm时，抗剪强度分别平均提高了4.6%，8.5%，25.8%，18.4%和13.7%.

由图4可知：

1) 冻融次数与围压相同时，冻融作用下纤维改良土无侧限抗压强度随纤维掺量增加呈抛物线趋势变化，其抗压强度先增大后减小，且0.3%纤维掺量改良土抗压强度取得峰值，与0.1%纤维掺量改良土抗压强度相比，纤维长度6，9，12 mm改良土抗压强度分别平均提高了136%，82%，79%.另外，纤维长度6 mm时，0.3%纤维掺量改良土冻融作用10次、15次、20次的抗压强度与0.4%纤维掺量改良土冻融作用0次、5次、10次抗压强度相当；纤维长度9 mm和12 mm时，0.3%纤维掺量改良土冻融作用10次、15次、20次的抗压强度均大于0.4%纤维掺量改良土冻融作用5次、10次、15次抗压强度.同时，同一冻融次数和纤维长度下，0.3%纤维掺量改良土抗压强度比0.4%纤维掺量改良土抗压强度平均高9.8%.说明一定掺量的纤维可弥补改良土冻融作用下抗压强度降低量.对此，建议纤维改良土最佳聚丙烯纤维掺量为0.3%.

2) 相同纤维掺量下，冻融作用下纤维改良土抗压强度随纤维长度增加逐渐提高，且纤维长度从6 mm增加至9 mm时，各级纤维掺量改良土抗压强度分别平均提高了34%，8.1%，5.7%，13%，10%；纤维长度从9 mm增加至12 mm时，纤维长度对改良土冻融作用下的抗压强度影响较小，各级纤维掺量改良土抗压强度分别平均提高了7.6%，2.9%，4.3%，4.3%，5.4%.对此，建议纤维改良土聚丙烯纤维长度为9 mm.

3 结 论

1) 同一纤维掺量和长度下，纤维改良土力学强度随冻融次数增加逐渐降低，且冻融作用前期力学强度降低速率明显高于后期，冻融作用进行到15次后力学强度基本不再变化.与冻融0次改良土力学强度相比，纤维改良土冻融15次、20次抗剪强度分别平均降低了10.7%，12.1%，抗压强度分别平均降低了34.5%，38.0%.建议采用纤维改良土冻融作用15次抗压强度作为路基填料强度设计指标.

2) 纤维长度一定时，冻融作用下纤维改良土力学强度随纤维掺量增加先增加后减小，且0.3%纤维掺量改良土力学强度取得峰值，与0.1%纤维掺量改良土力学强度相比，各纤维长度改良土抗剪强度分别至少挺高了3.2%，4.0%，12.7%，抗压强度分别平均提高了136%，82%，79%.建议纤维改良土最佳聚丙烯纤维掺量为0.3%.

3) 纤维掺量一定时，冻融作用下纤维改良土抗压强度随纤维长度增加逐渐提高，且纤维长度从9 mm增加至12 mm时，纤维长度对改良土冻融作用下的抗压强度影响较小.纤维掺量<0.3%，改良土抗剪强度先增大后减小，在纤维长度9 mm处取得峰值；纤维掺量≥0.3%，改良土抗剪强度随纤维长度增加逐渐提高.建议纤维改良土聚丙烯纤维长度为9 mm.