玻璃纤维对湿陷性黄土力学性能的影响研究

王开拓，张立新，2，王银涛，常周梅

(1.青海民族大学土木与交通工程学院，青海 西宁 810007；2.北方民族大学土木工程学院，宁夏 银川 750021)

近年来，青海省抢抓新一轮西部大开发、一带一路建设的重大机遇，积极推进基础设施建设。但青海东部地区属于黄土高原西部，自重湿陷性黄土分布范围较为广泛，浸水后黄土明显的湿陷特征导致土体结构发生破坏并伴随地基的不均匀沉降[1-3]，严重制约当地基础设施建设。因此，采用黄土中掺入不同材料以增强土体性质，减小对工程影响的研究引起诸多学者的关注，并取得了诸多成果[4-8]。玻璃纤维是一种性能优良的无机非金属材料，能够改善土壤的力学性能，莫永京等[9]研究发现玻璃纤维水泥土具有更高的抗拉强度与韧性；殷勇等[10]研究玻璃纤维水泥土的强度增长机理发现，玻璃纤维在提高水泥土强度性能的同时，也能较显著地改善其变形特性；姜红喜等[11]研究表明，玻璃纤维掺量对玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度影响最大，其次是水泥掺量，玻璃纤维长度影响最小；李丽华等[12]研究表明，玻璃纤维能有效提高素粘土和水泥土的无侧限抗压强度和韧性。但是，有关玻璃纤维对于湿陷性黄土力学性能的影响研究较少。

本文通过对湿陷性黄土抗压强度、劈裂抗拉强度和静力弹性模量等力学性能试验研究，综合考虑玻璃纤维、土样含水率、水泥和养护龄期等对其性能的影响，应用灰色关联理论分析各因素对其力学性能的影响程度，探究玻璃纤维掺量、水泥掺量、土壤含水率和养护期龄等因素对湿陷性黄土力学性能的影响。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验选用水泥为普通硅酸盐水泥(P·O 42.5)，其物理力学指标见表1。选用玻璃纤维为长度约15 mm的束状单丝，其物理力学指标见表2。试验所用土壤为青海东部地区的马兰黄土，其具体物理力学性质见表3。试验用水为居民自来水。

表1 水泥物理力学指标

表2 玻璃纤维物理力学指标

表3 黄土物理力学参数

1.2 试验设计与方法

试验采用控制变量法研究玻璃纤维掺量、土壤含水率、养护龄期和水泥掺量对湿陷性黄土材料性能的影响，根据JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》中相关要求配制土料、水泥、玻璃纤维和水的掺量。设置水泥掺量为1%、3%、5%、7%、9%，玻璃纤维掺量设置为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，土壤含水率(质量含水率)为35%、40%、45%，养护期龄为7 d、28 d。

试验主要测试玻璃纤维对湿陷性黄土抗压强度、劈裂抗拉强度、静态弹性模量等性能的影响。依照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行抗压强度、劈裂抗拉强度和静态弹性模量测定。试验样件制备具体步骤：

(1)将黄土风干后，并过粒径为2mm的筛网，按照试验设计将筛选好的黄土和水泥混合均匀，然后加入玻璃纤维搅拌均匀后，加水搅拌均匀配制出所需要的试样。

(2)将配制好的试样分2次装入模具(100 mm×100 mm×100 mm)中[13]，每次填装后放在振动台上振动2 min；24 h后拆模并取出试件并用薄膜覆盖，然后养护至设计龄期。

(3)待试件养护完成后，进行力学性能试验，单个试件抗折压强度值与平均值的误差不能超过15%，超出即舍去，重复3次，结果取平均值。

2 试验结果与分析

2.1 玻璃纤维对黄土抗压强度的影响

图1为玻璃纤维掺量对湿陷性黄土抗压强度的影响。图1中，K1-7代表水泥掺量为1%、养护期龄为7 d；K3-7为3%、7 d；K5-7为5%、7 d；K7-7为7%、7 d；K9-7为9%、7 d；K1-28为1%、28 d；K3-28为3%、28 d；K5-28为5%、28 d；K7-28为7%、28 d；K9-28为9%、28 d。从图1可以看出，不同玻璃纤维掺量下，湿陷性黄土的抗压强度变化规律相似，黄土中添加玻璃纤维能够提高黄土抗压强度，养护天数和水泥掺量对黄土抗压强度也有一定影响作用。

图1 玻璃纤维掺量对黄土抗压强度的影响

相同含水率条件下，黄土抗压强度随玻璃纤维掺量的增加呈先增大后较小趋势，玻璃纤维掺量在0～2%范围内时，抗压强度随玻璃纤维掺量的增加而增大；当玻璃纤维掺量大于2%时，黄土抗压强度随玻璃纤维掺量的增大而减小，但抗压强度仍比未加玻璃纤维的高，添加玻璃纤维后黄土强度较未添加增强23.6%～58.4%；当玻璃纤维掺量为2%时，黄土抗压强度达到最大值。说明玻璃纤维能够显著改善湿陷性黄土抗压强度，且当玻璃纤维掺量为2%时黄土抗压强度最佳。同时，水泥掺量越高时，黄土抗压强度越高。养护天数对黄土抗压强度也有影响，养护期龄为28 d黄土的抗压强度为7 d期龄的1倍左右。玻璃纤维掺量一定时，黄土抗压强度还受土壤含水率的影响，随土壤含水率的增大先增大后减小，土壤含水率为40%时，黄土抗压强度达到最大。黄土中添加水泥和玻璃纤维后，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，黄土的抗压强度随水泥掺量的增加而增强[14]。

2.2玻璃纤维对黄土劈裂抗拉强度的影响

图2为湿陷性黄土劈裂抗拉强度随玻璃纤维掺量的变化。从图2可以看出，玻璃纤维对黄土劈裂抗拉强度的影响和抗压强度的变化规律相同，黄土抗拉强度随玻璃纤维掺量的增加呈先增加后减小的变化趋势，当黄土劈裂抗拉强度达到最大值，玻璃纤维掺量为2%。

图2 玻璃纤维掺量对黄土劈裂抗拉强度的影响

相同土壤含水率条件下，玻璃纤维掺量由1.5%增加到2.0%时，7 d养护期龄各水泥掺量K1、K3、K5、K7、K9的黄土劈裂抗拉强度分别增加了10.6%、11.5%、12.2%、13.1%、17.2%，水泥掺量较大时对黄土劈裂抗拉强度增强幅度更大。当玻璃纤维掺量大于2.0%时，玻璃纤维与水泥基体间会产生负协同作用，导致黄土劈裂抗拉强度有所降低[13，15-16]。同时，水泥掺量越高，黄土劈裂抗拉强度随越大[17]。在各级掺量条件下，当土壤含水率为40%、养护期龄为28 d时，黄土劈裂抗拉强度最大。

随着玻璃纤维掺量的增加，黄土局部抵御拉伸应力的能力得到增强，但力学性能并不是简单的各个影响因素的叠加。在土壤含水率较大的水泥土基体中，玻璃纤维在振动成型时容易下沉，而当土壤含水率过小时，玻璃纤维在水泥土基体中不易分散，颗粒间易发生团聚现象，会使部分玻璃纤维相互之间接触而不与水化产物粘结，造成整个体系均匀性的降低，影响玻璃纤维对黄土劈裂抗拉强度的增强作用[10]。受到外力拉伸时，试件内部产生应力集中区域，导致试件未达到预期而断裂。因此，当土壤含水率为40%时最优，黄土劈裂抗拉强度相对较大。

2.3玻璃纤维对黄土静力弹性模量的影响

图3为玻璃纤维对湿陷性黄土静力弹性模量的影响。从图3可知，黄土静力弹性模量随玻璃纤维掺量的增加呈先增大后减小变化趋势，随水泥掺量的增加而增加。玻璃纤维掺量为0～2%时，黄土静力弹性模量和玻璃纤维掺量呈正相关关系，随玻璃纤维掺量的增加而增加；玻璃纤维掺量为2%时，静力弹性模量达到最大值。养护期龄越大，弹性模量越大。水泥土的静力弹性模量主要取决于湿陷性黄土的弹性模量，而湿陷性黄土的弹性模量与其密度密切相关，湿陷性黄土密度主要受土壤含水率的影响，同时还受水泥的影响，黄土中水泥掺量越高，湿陷性黄土的密度也越大。此外，水泥土强度越高，湿陷性黄土静力弹性模量受水泥掺量的影响较大。对试验中所有的湿陷性黄土试样，静力弹性模量均较未添加玻璃纤维出现不同程度的升高。玻璃纤维掺量为2%，土壤含水率为40%时，湿陷性黄土静力弹性模量到达最大值。同时，水泥掺量越高，弹性模量越大。

图3 玻璃纤维掺量对黄土静力弹性模量的影响

2.4各影响因素之间相关性分析

玻璃纤维、水泥、土壤含水率和养护龄期等都对湿陷性黄土力学性能有一定的影响作用，但各因素对黄土力学性能的影响程度较难确定。为此，本文应用灰色关联理论，分析湿陷性黄土力学性能与玻璃纤维、水泥掺量、土壤含水率及养护龄期之间的相关性，探究各因素对湿陷性黄土力学性能的影响程度。

表4为各因素之间的灰色关联分析结果。从表4可知，母序列与子序列的关联极性为正值，证明母序列对子序列的影响有增强作用。随着玻璃纤维掺量、水泥掺量、土壤含水率的增大及养护期龄的延长，黄土的抗压强度、劈裂抗拉强度和静力弹性模量均有所增强，其中对黄土的抗压强度影响效果最明显。玻璃纤维掺量与抗压强度和劈裂抗拉强度关系最为密切，水泥掺量与静力弹性模量关系最大。主要是因为玻璃纤维可以减少黄土结构中的孔隙度，提高湿陷性黄土的密实度，进而在一定程度上增强湿陷性黄土的抗压强度和劈裂抗拉强度。添加水泥后，在其微集料效应和形态效应的共同作用下，使黄土微观结构有增强作用，从而增强了静力弹性模量。

通过分析发现，玻璃纤维掺量对黄土力学性能的影响最大，其次分别为水泥掺量和养护龄期，土壤含水率对其性能的影响最小。玻璃纤维一般在低掺量条件下对水泥土力学性能的影响效果较为显著，当玻璃纤维掺量为2%时效果最为明显。在保证有效改善水泥土力学性能的前提下，综合考虑玻璃纤维掺量、水泥掺量和养护天数对湿陷性黄土抗压强度、劈裂抗拉强度和静力弹性模量之的影响关系，建议玻璃纤维掺量为2%，水泥掺量和土壤含水率分别为7%和40%时，对湿陷性黄土力学性能的影响最佳，同时养护期龄越长力学性能越好。

3 结 语

本文综合考虑玻璃纤维掺量、水泥掺量、土壤含水率和养护龄期等因素，对青海东部地区湿陷性黄土的力学性能进行试验研究，并应用灰色关联理论分析各因素对其力学性能的影响程度，结论如下：

(1)相同含水率条件下，湿陷性黄土抗压强度、劈裂抗拉强度和静力弹性模量都随玻璃纤维掺量的增加先增大后减小，当玻璃纤维掺量超过2%，各养护龄期的黄土力学性能开始下降；土壤含水率对黄土力学性能的影响也表现出相似的变化规律，含水率为40%时，黄土力学性能最佳，水泥掺量越高其性能越好。证明在合适的土壤含水率条件下，掺入适量玻璃纤维对湿陷性黄土力学性能有改善作用。

(2)通过灰色关联度分析发现，影响黄土力学性能的主要因素为玻璃纤维掺量>水泥掺量>养护期龄>土壤含水率。推荐湿陷性黄土中玻璃纤维掺量、水泥掺量分别为2%、7%，湿陷性黄土含水率为40%，养护期龄为28 d时，湿陷性黄土力学性能最佳。