聚丙烯纤维改性石灰土的力学特性及微观机理

周 琳 姜 屏 张伟清 杨建冬

(绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000)

近年来，随着社会经济建设的飞速发展，公路基础设施面临着高质量、高标准、高要求的形势.一些地区原有公路路基填料难以满足路基强度设计的要求，需对其进行改性处理.由于生石灰在处治路基土方面有较高的应用价值，很多学者对其做了大量的研究工作，并取得了丰富的研究成果.

Lemaire、Tran、Khoury研究证明石灰可以提高土体的UCS和抗剪强度，但对土体的STS改善不明显[1-3].周葆春研究了石灰改良土的变形特性和破坏机制，在单轴压缩状态下，石灰土的破坏无论是湿饱和还是非饱和状态，都是典型的脆性破坏[4].以上研究表明，采用石灰改性土作为路基填料具有一定的实用性，但石灰土的STS、水稳性、脆性破坏模式仍需进一步得到改善，以提高路基的耐久性.在土中添加纤维材料能够有效提高土的延性以改善其工程性能[5-8].王德银等通过直剪试验发现在土中掺入纤维能够减小强度损失及改善土体的破坏模式[9].李其轩等研究发现纤维既能提高水泥土的强度，还能改良水泥土的破坏模式[10].曾军等研究发现纤维不仅能显著提高土体的UCS，还能增强土体的韧性[11].阮波等研究了玻璃纤维和石灰对红黏土UCS的影响，在红黏土中掺入玻璃纤维可显著提高红黏土的UCS，使其具有较好的水稳定性[12].彭梁等的研究表明，纤维掺量高的土体承受的损伤越小，UCS就越大[13].李岩等研究发现纤维掺入土体中可以加快应力在路基深度方向的扩散速度，对控制路基的沉降有帮助[14].因此，纤维对土体强度的提高有着积极的作用，在路基改良中具有实用价值.

上述研究侧重于纤维对土体抗压和抗剪强度的影响，但在纤维对石灰土STS和水稳性方面的研究甚少.因此，本文通过UCS试验和STS试验，研究聚丙烯纤维对石灰土UCS、STS、水稳性、脆性的影响，并建立UCS与STS的关系，为工程应用提供有益的参考.

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

本试验用土取自浙江绍兴地区某高速公路段挖方路基土，土体呈灰褐色，主要物理力学指标见表1.试验所用石灰是江西新余亮亮贸易有限公司生产的生石灰粉，如图1所示，其主要化学成分见表2.试验所用纤维均为短丝状的聚丙烯纤维，如图2所示，其主要物理力学技术指标见表3.

图1 生石灰粉 图2 聚丙烯纤维

表1 绍兴地区路基土力学性能基本指标

表2 石灰的化学成分及质量分数

表3 聚丙烯纤维主要物理力学技术指标

1.2 试验方案

试验以聚丙烯纤维对石灰土UCS、STS、水稳性、脆性的影响为研究目的，其配合比见表4.表中各材料掺入比均为与干土的质量之比.最大干密度和最优含水率通过击实试验得到.养护条件分别为7 d和6 d标准养护加1 d浸水养护，达到养护龄期后对各配合比试样进行UCS和STS试验.

表4 试验方案

1.3 试样制备与测试

选取具有代表性的土样进行烘干、粉碎，过2 mm的筛，试样压实度为98%.依据试验方案，称取相应的干土、生石灰粉、聚丙烯纤维和水的质量后搅拌均匀，并使聚丙烯纤维不聚团.通过静力压实法将所拌和后的混合料制成直径50 mm、高50 mm的圆柱体试样.UCS通过全自动压力试验机测试获得，利用计算机采集数据可得到应力-应变曲线，图3为UCS试验加载过程，加载速率为1 mm/min.STS采用劈裂夹具配合压力试验机测得，图4显示了STS试验加载过程，加载速率为1 mm/min.

图3 UCS试验加载过程 图4 STS试验加载过程

2 试验结果与分析

2.1 UCS试验

图5是不同养护条件下各纤维掺量石灰土的应力-应变曲线.本文以应力-应变曲线的峰值应力作为无侧限抗压强度(UCS).土的残余强度是衡量土的力学性质的一个重要指标，准确描述土的残余强度具有重要意义.根据《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)，UCS试验达到峰值应力后再继续剪3%～5%应变值即可停止试验[15]，因此本文残余强度定义为：峰值应变加上5%所对应的应力即为残余强度.

图5 应力-应变曲线

为了对残余强度做定性判断，Consoli[16]通过对纤维改性水泥土进行三轴压缩试验，并定义了脆性指数：

(1)

式中：qu为UCS；qr为残余强度.脆性指数越大说明石灰土的脆性越强，延性越弱.

通过以上定义及公式，可以得到不同纤维掺量石灰土UCS、残余强度、脆性指数和水稳定性系数(浸水养护UCS与标准养护UCS之比)，计算结果见表5.

表5 纤维石灰土UCS试验结果

图6显示了UCS随纤维掺量的变化规律.由图6可知，在标准养护条件下，纤维掺量越多石灰土UCS越大.当纤维掺量由0.25%增加到1%时，石灰土UCS分别达到了2.938、4.102、4.357和4.916 MPa，较纯石灰土分别提高了19.5%、66.8%、77.1%和99.8%.在浸水养护条件下，当纤维掺量不断增多时，石灰土UCS呈现出先增大后减小的变化趋势.当纤维掺量为0.5%时，UCS达到最大值，是纯石灰土的2.08倍.说明纤维可以显著提高石灰土UCS，在标准养护条件下纤维最佳掺量为1%，在浸水养护条件下纤维最佳掺量为0.5%.

图6 纤维掺量对UCS的影响

图7显示了纤维掺量对残余强度的影响规律，石灰土残余强度随纤维掺量的变化规律与UCS一致.在标准养护条件下，石灰土中掺入纤维越多残余强度就越大，且纤维掺量为1%时效果提高最为显著，相比于纯石灰土提高了2.090 MPa.在浸水养护条件下，随纤维掺入量不断增多，石灰土残余强度呈现出先增大后减小的变化趋势，纤维掺量为0.5%时残余强度最大，是纯石灰土的5.84倍.说明纤维可以显著提高石灰土残余强度，且纤维最优掺量和UCS的最优掺量相同.

图7 纤维掺量对残余强度的影响

不同纤维掺量石灰土在不同养护条件下的脆性指数如图8所示.从图中可以清晰地看出，在标准养护条件下，脆性指数随着纤维的掺量增加而减小.在浸水养护条件下，脆性指数随着纤维掺量增加先减小后增大，且掺量为0.5%时达到最小值.说明纤维的掺加可以减小石灰土的脆性指数，使得石灰土的脆性减弱，延性增强.在标准养护条件下，纤维掺量为1%时改善效果最优，在浸水养护条件下，纤维掺量为0.5%时改善效果最佳.

图8 纤维掺量对脆性指数的影响

图9反映了石灰土水稳性系数随纤维掺量的变化规律.从图中可知，在石灰土中掺入纤维为0.25%、0.75%和1%时会使得石灰土水稳性系数减小，而纤维掺量为0.5%时可提高石灰土的水稳性系数.说明在石灰土中掺入0.5%纤维可以提高石灰土的水稳性，从而改善石灰土的工程性能.

图9 纤维掺量对水稳性系数的影响

2.2 STS试验

通过压力试验机和劈裂夹具测得试样破坏时最大压力p，STS值通过式(2)计算得到，试验结果见表6，纤维掺量对STS的影响如图10所示.

图10 纤维掺量对STS的影响

表6 纤维石灰土STS试验结果

(2)

式中：F为劈裂抗拉强度(MPa)；p为试件破坏时的最大压力(N)；H为试样的高度(mm).

从表6和图10可知，在标准养护条件下，石灰土中掺入纤维越多STS越高，当纤维掺量由0.25%增加到1%时，纤维石灰土STS分别达到了0.260、0.367、0.441和0.538 MPa，较纯石灰土分别提高了43.6%、102.7%、143.6%和197.2%.在浸水养护条件下，纤维石灰土STS随着纤维掺量增加先增大后减小，纤维掺量为0.5%时达到最大值，是纯石灰土的2.1倍.说明纤维可以明显提高石灰土的STS，在标准养护条件下纤维最佳掺量为1%，在浸水养护条件下最佳掺量为0.5%.

2.3 STS与UCS的关系

根据UCS结果和STS结果计算得到不同纤维掺量的UCS增量及STS增量，见表7.

表7 不同纤维掺量的UCS及STS增量 (单位：%)

由表7可知，不管在标准养护条件还是在浸水养护条件下，纤维石灰土UCS增量和STS增量随纤维掺量变化的规律一致，且STS的增量都大于UCS增量.说明纤维对石灰土STS的贡献要大于对石灰土UCS的贡献.

通过对UCS和STS进行拟合，建立了UCS与STS的关系，关系式见公式(3)和(4)，拟合结果如图11所示.

图11 UCS与STS的关系

在标准养护条件下：

F=0.106 8qu，R2=0.97

(3)

在浸水养护条件下：

F=0.096 5qu，R2=0.96

(4)

从式(3)和式(4)可得，纤维石灰土UCS与STS存在线性关系，可通过UCS预测STS.

3 微观作用机理分析

为了解释聚丙烯纤维改性石灰土的作用机理，通过SEM试验进行了分析.图12是石灰土的SEM图，图13是纤维石灰土的SEM图，图14是纤维在不同状态下的SEM图.

图12 石灰土SEM图

图13 纤维石灰土SEM图

图14 纤维在不同状态下的SEM图

从图12和图13可以清晰地看出：

1)SEM图放大倍数为500时，石灰土的微结构面有较多的孔隙和裂缝，如图12(a)所示.当纤维石灰土SEM图放大120倍数时，可以清晰地看出聚丙烯纤维与石灰土能够很好地胶结在一起，且周围没有孔隙为密实结构，如图13(a)所示.

2)SEM图放大倍数为2 000时，石灰土的微结构面上有少量片状的大颗粒骨料聚集和C-S-H胶凝物质，但仍然有很多微小孔隙，如图12(b)所示.随着聚丙烯纤维的掺加，石灰土微结构面上聚集了更多的片状结构骨料和C-H-S胶凝物质，且孔隙也较少，如图13(b)所示.

综上微观结构分析，聚丙烯纤维改性石灰土的作用主要表现为与土颗粒间胶结的作用.聚丙烯纤维的微观结构本身表面光滑，如图14(b)所示，如果没有石灰土反应生成的水化产物C-S-H凝胶附着在聚丙烯纤维表面，那么聚丙烯纤维与土颗粒间的胶结作用将被减弱.由图14(a)可以看出聚丙烯纤维表面附着了大量的乳白色胶凝物质C-S-H.聚丙烯纤维在石灰土体的内部结构中承担骨架的作用，石灰土水化反应生成的C-S-H胶凝物质填充了聚丙烯纤维和石灰土之间的孔隙，使石灰土结构更加密实，增强了土颗粒和聚丙烯纤维表面之间的胶结力.

结合宏观力学试验结果分析可知，在标准养护条件下，随着聚丙烯纤维掺量的增加，聚丙烯纤维在石灰土中的骨架作用更为明显，且C-S-H胶凝物质填充了聚丙烯纤维和石灰土之间的孔隙，从而在宏观力学上表现为石灰土UCS、残余强度、STS都随之增大.在浸水养护条件下，由于聚丙烯纤维具有毛细吸水作用，导致石灰土与聚丙烯纤维界面自由水分增多，润滑作用加强，界面摩擦作用降低[17]；另外，水分会溶解石灰土与聚丙烯纤维界面中的C-S-H胶凝物质，使其结构更为松散，密实度降低，在宏观力学上表现为：随着聚丙烯纤维掺量的增加，石灰土UCS和STS先增加后减小，掺量为0.5%时达到最佳值.

4 结 论

通过对不同聚丙烯纤维掺量石灰土在标准养护和浸水养护条件下的UCS、STS和SEM试验，可得到如下结论：

1)在标准养护和浸水养护条件下，聚丙烯纤维都可显著提高石灰土UCS和STS.在标准养护条件下，聚丙烯纤维最佳掺量为1%，在浸水养护条件下，聚丙烯纤维最佳掺量为0.5%，且聚丙烯纤维对STS的贡献要大于UCS.

2)聚丙烯纤维能改善石灰土的脆性，增强延性.在标准养护条件下，聚丙烯纤维掺量为1%时效果最好，在浸水养护条件下，纤维掺量为0.5%时效果最好，且聚丙烯纤维掺量为0.5%时可提高石灰土的水稳定性.

3)聚丙烯纤维石灰土UCS和STS的线性关系为：在标准养护条件下F=0.106 8qu；在浸水养护条件下F=0.096 5qu.

4)从SEM图可知，聚丙烯纤维表面附着了大量的乳白色胶凝物质C-S-H，从而提高了聚丙烯纤维与石灰土颗粒间的胶结力和密实度，宏观表现为石灰土的强度得到明显提升.