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黄麻与聚乙烯醇纤维增强水泥土的弯曲及早期抗裂性能

2021-10-19徐亚星董晓强

硅酸盐通报 2021年9期
关键词:黄麻韧性泥土

姚 鑫,徐亚星,董晓强

(太原理工大学土木工程学院,太原 030024)

0 引 言

黄土是一种主要含有高量粉土颗粒,并含有细沙、极细砂和黏粒的沉积物,其广泛分布于中国的黄河和淮河地区,具有湿陷性特征[1]。因此,黄土地区基坑开挖过程中,需要稳定和支护措施。深层水泥土搅拌桩作为一种常见的支护结构,包括支撑式与重力式两种支护形式。传统的水泥土搅拌桩围护墙壁厚较大,在密集建筑区域附近的施工过程中空间有限,因此需要降低墙体厚度,并且水泥土搅拌桩具较低的拉伸强度和悬臂弯曲能力,以及脆性破坏等特点。而且,温度应力产生的干缩现象可能会导致水泥土搅拌桩裂缝产生并引起渗漏和塌陷。因此,本文通过在水泥土中添加随机分布的短纤维来改善其弯曲和抗干缩开裂性能,保证工程稳定性和耐久性。

短纤维已被广泛用于改善水泥基材料的力学性能和裂后性能[2-4]。研究表明,添加纤维对水泥土力学性能有一定改善效果,国内外对纤维增强水泥土的研究主要集中于纤维增强水泥土的极限抗压强度[5-8]。与抗压强度相比,纤维对水泥土拉伸和弯曲性能的影响对于其在基坑支护中的应用更为重要。纤维增强水泥基材料的拉伸性能主要通过直接和间接拉伸试验测试得到[9-12]。然而,有关纤维增强水泥土弯曲性能的研究较少,并且多集中于水泥稳定土(水泥质量分数低于10%)[13-14]。研究表明,添加纤维可改善水泥增强软黏土的弯曲性能,包括韧性、弯曲强度比和残余强度。Sukontasukkul等[15]在水泥土搅拌桩中添加钢纤维和聚丙烯纤维改善了其弯曲性能,并增加了韧性及初次开裂后的残余弯曲强度。

目前,纤维增强水泥土的研究主要集中在纤维增强水泥稳定土(水泥质量分数低于10%),主要应用于路基工程中,水泥稳定土的含水率一般控制在最优含水率附近,因此水泥稳定土多为非饱和状态,对于高含水率的水泥土搅拌桩中应用短纤维研究较少。因此,本文研究了黄麻纤维和聚乙烯醇(PVA)纤维增强水泥土搅拌桩的弯曲和早期抗裂性能,对短纤维应用于深层水泥土搅拌桩围护墙提供一定参考。

1 实 验

1.1 原材料和配合比

土样为取自太原市龙城大街某工地的粉土。图1为土的颗粒分布,土的平均粒径D50、不均匀系数Cu和曲率系数Cc如图所示,其液限和塑限分别为27.0%和17.2%,塑性指数为9.8。土壤的干密度为1.3 g/cm3。试验采用两种纤维分别掺入水泥土,天然纤维采用江西思创麻业有限公司生产的黄麻纤维,合成纤维采用日本可乐丽公司生产的Kurary II型PVA纤维,两种纤维的物理性能见表1。纤维开始处于聚集状态,聚集状态下的纤维会影响纤维和水泥土基质的黏结,并且分散不均匀的纤维只作用于聚集的部分。首先将未处理的纤维放入塑料袋中,采用气枪将纤维冲散,黄麻纤维和PVA纤维如图2所示,冲散后的纤维呈蓬松状态,分散性较好。试验配合比如表2所示。

图1 土的颗粒分布Fig.1 Particle distribution of soil

图2 黄麻纤维和PVA纤维Fig.2 Jute and PVA fibers

表1 纤维的物理性能Table 1 Physical properties of fibers

表2 试验配合比Table 2 Mixture proportions of tests

1.2 试验方法

1.2.1 三点弯曲试验

纤维增强水泥土梁的制备过程:将取得的粉土自然风干,经过颚式破碎机粉碎后过2 mm筛,取分散称好的纤维与干土、水泥人工拌和均匀,再放入QJ-20型搅拌机中缓慢加水湿拌2 min。搅拌完成后,把拌和均匀的混合物装入预先涂抹脱模剂的模具中振捣均匀。试验中考虑养护条件对强度的影响,所有试样均用塑料薄膜封装放入养护箱,温度控制在(20±3) ℃,相对湿度为(95±2)%,养护7 d后取出。

图3所示为三点弯曲试验示意图,在中心点荷载作用下对梁进行三点弯曲测试,水泥土梁长度为400 mm,宽和高均为100 mm。压力机采用位移控制,加载速度为0.1 mm/min。

图3 三点弯曲试验示意图(单位:mm)Fig.3 Schematic diagram of three point bending test (unit: mm)

1.2.2 早期干缩裂缝

通过数字图像相关技术(DIC)对新鲜水泥土混合物进行干燥并观察添加纤维对减少早期水泥土混合物塑性收缩裂缝的影响。干缩裂缝试验装置示意图如图4所示,将含量分别为0%、0.25%、0.50%和1.00%(质量分数,下同)的两种纤维添加到新鲜水泥土砂浆中,将新鲜的砂浆加入直径为92 mm的硼硅酸盐玻璃容器中,控制试样的厚度在5 mm,以产生明显的裂缝。试样自然干燥30 min后喷涂散斑图案。然后将样品放置在加热灯下干燥并保持在50 ℃,通过红外温度计测量样品的表面温度,然后将样品继续干燥300 min,通过GOM Correlate 2019软件观察对比不同试样不同时段的裂缝发展模式和应变场分布。

图4 干缩裂缝试验装置示意图Fig.4 Schematic diagram of drying shrinkage crack test setup

2 结果与讨论

2.1 荷载-位移曲线

图5为三点弯曲试验获得的荷载-位移曲线,荷载-位移曲线可分为两种类型:挠曲硬化和挠曲软化。在弹性变形阶段,荷载随着位移线性增加直至拐点出现,此为第一裂缝点,第一裂缝点对应的荷载和位移分别为P1和δ1。在弹性变形阶段之后,开始产生裂缝。对于挠曲软化曲线,荷载在第一裂缝点之后减小;对于挠曲硬化曲线,荷载在第一裂缝点之后继续增加,这表明样品具有更大的延展性和韧性。对于挠曲硬化曲线,荷载在第一裂缝点之后继续增加至峰值点,该峰值点定义为峰值荷载点,峰值荷载点对应的荷载和位移分别为Pp和δp。达到峰值荷载点后,残余弯曲强度开始下降并保持稳定,直至极限破坏。

图5 荷载-位移曲线类型Fig.5 Typical load-deflection curves

2.2 第一裂缝强度和峰值强度

三点弯曲试验中弯曲强度通过式(1)计算:

(1)

式中:f为弯曲强度;P为对应位移下的荷载;L为两个支撑的间距;b和d为试样的宽度和高度。

第一裂缝弯曲强度f1表示在第一裂缝点的弯曲处的弯曲强度,峰值弯曲强度fp表示在峰值强度点的弯曲强度。图6为不同试样的荷载-位移曲线,图7所示为试样的第一裂缝弯曲强度和峰值弯曲强度。图7(a)显示,与素水泥土相比,添加0.25%、0.50%和1.00%黄麻纤维试样的第一裂缝弯曲强度从0.294 MPa分别增加至0.383 MPa、0.487 MPa和0.537 MPa,纤维含量为0.50%和1.00%的PVA纤维试样的弯曲强度增加幅度略低于黄麻纤维试样。图7(b)显示,掺入不同含量的黄麻纤维和PVA纤维,峰值弯曲强度随黄麻纤维和PVA纤维含量的增加而增加。试样H0.25和P0.25的弯曲强度比素水泥土分别增加了30%和35%,试样H0.5、P0.5、H1和P1的弯曲强度分别增加了92%、65%、140%和131%,较高的纤维含量对水泥土弯曲强度的增加更加明显,表明添加纤维提高第一裂缝弯曲强度的同时显著增强了峰值弯曲强度。

图6 纤维增强水泥土试样的荷载-位移曲线Fig.6 Load-deflection curves of fiber reinforced cemented soil specimens

图7 试样第一裂缝弯曲强度和峰值弯曲强度Fig.7 First crack flexural strength and peak flexural strength of specimens

2.3 残余弯曲强度比

残余弯曲强度比定义为一定挠度下残余弯曲强度与第一裂缝弯曲强度f1的比值,可用来表示裂后纤维承载残余荷载的能力,本文选取挠度(δ)在2 mm和4 mm时对应的残余弯曲强度。图8为不同试样的残余弯曲强度比,对于素水泥土,裂缝产生后即发生脆性断裂破坏,黄麻纤维和PVA纤维的加入提高了试样的裂后变形能力,添加不同含量黄麻纤维和PVA纤维试样的残余弯曲强度比在0.88~1.23。在2 mm的挠度下:试样H0.25和P0.25的残余弯曲强度比分别为0.906和0.883,添加0.25%纤维试样可承载约90%的弯曲强度;试样H0.5和H1的残余弯曲强度比分别为1.135和1.230,黄麻纤维试样的残余弯曲强度比略高于PVA纤维试样,纤维的加入可保证水泥土开裂后仍保持较高的弯曲强度。

图8 试样的残余弯曲强度比Fig.8 Residual flexural strength ratio of specimens

2.4 延性指数与韧性

复合材料的延性指数(ductility index, DI)定义为峰值弯曲强度点与第一裂缝点之间的挠度比(δp/δ1),其中,δp是峰值弯曲强度点对应的挠度,而δ1为第一裂缝点对应的挠度。因此,DI代表试样从开裂到屈服的变形能力。图9(a)为试样的延性指数,对于添加0.25%黄麻纤维和PVA纤维的试样,DI值等于1,这表明纤维含量较低的试样表现出应变软化特征。当纤维含量继续增加(≥0.50%)时,延性指数继续增加,与素水泥土相比,H0.5、H1、P0.5、P1的延性指数分别增加了46.45%、50.86%、42.97%、54.77%。韧性表示试样在变形和断裂过程中的能量吸收能力,韧性越高,表示材料发生脆性断裂的可能性越小。能量吸收能力由两部分组成,第一部分是初始弹性变形阶段的能量吸收,第二部分是试样裂后残余变形的能量吸收。本文中韧性计算至挠度为4 mm时荷载-位移曲线的积分面积,图9(b)为试样的韧性,素水泥土开裂即破坏,韧性值最小,为0.40 J,试样H0.25和P0.25的韧性值分别为4.16 J、4.21 J,即使纤维添加量较少,纤维的存在也可大幅提高水泥土的韧性,并且随着纤维含量的增加,水泥土的韧性继续增加,这是由于纤维与水泥土基质的裂缝-桥接效应,裂缝产生后,基质的抗拉能力由水泥土基质转移到纤维上,纤维的桥接应力主要由纤维的脱黏应力和拔出过程中与基质的摩擦应力组成,纤维拔出或断裂后,纤维的裂缝-桥接效应失效,因此纤维含量的增加可同时提高试样的延性指数和韧性。

图9 试样的延性指数与韧性Fig.9 DI and toughness of specimens

2.5 干缩裂缝

图10为70 min时不同含量黄麻纤维和PVA纤维增强水泥土在x方向和y方向的应变场分布图。当干燥收缩引起的拉应力超过水泥土的最大承载力时,裂缝出现,干燥条件下产生的塑性收缩裂缝分为三级[16]:一级裂缝从边界开始向中心发展,次级裂缝作为一级裂缝的分支产生于一级裂缝并沿一级裂缝的垂直方向扩展,三级裂缝作为次级裂缝的分支继续扩展。40 min时素水泥土出现高应变区域,第一条裂缝产生,此时,添加不同含量黄麻纤维与PVA纤维的水泥土均未出现高应变区域。70 min时,素水泥土边缘起始的一级裂缝发展至试样中部,裂缝宽度扩展,裂缝宽度最大可达2 mm左右,一级裂缝末端开始分支出二级裂缝。由图10(a)、(b)可以看出:试样右下方一级裂缝和二级裂缝交叉结合部分周边的应变明显低于试样其余部分,应力集中较为明显;对于添加0.25%黄麻纤维试样,出现三条宏观裂缝,其中左上角两条裂缝为贯穿缝,与黄麻纤维试样相似,添加0.25%PVA纤维试样出现三条宏观裂缝,裂缝长度较黄麻纤维试样较短;对于添加0.50%纤维的试样,70 min时均出现数量不等的宏观裂缝,与素水泥土不同,试样H0.5和P0.5均未出现垂直交叉的裂缝扩展模式,且裂缝长度和宽度均小于素水泥土和添加0.25%纤维的试样,宏观裂缝出现的同时,一级裂缝未产生分支,试样分布着许多不连续、分散相对均匀的微裂缝场,纤维增强水泥土试样裂缝发展模式呈现非正交性,纤维的存在改变了裂缝的传播方向和应力分布;对于添加1.00%纤维的试样,70 min时,除边缘部分,试样中部仍未发现宏观裂缝。

图11(a)、(b)分别为不同试样在300 min时测量的裂缝总面积和总长度。添加0.25%和0.50%黄麻纤维的试样裂缝面积相比素水泥土分别下降了24.89%和57.78%,添加0.25%和0.50%PVA纤维的试样裂缝面积相比素水泥土分别下降了21.33%和54.22%,添加1.00%黄麻纤维和PVA纤维的试样未观察到宏观裂缝。纤维的加入能明显降低水泥土早期的干缩裂缝面积和长度。

图11 纤维对水泥土干缩裂缝面积和长度的影响Fig.11 Effects of fibers on desiccation crack area and length

水泥土试样在干燥条件下水分不断蒸发,由于侧面和底部的限制,上层毛细吸力增加,这种吸力导致水泥土颗粒不断收缩,同时产生拉伸应力。一旦拉伸应力超过水泥土基质的抗拉强度,干燥表面出现裂缝。纤维在水泥土中通过与基质的桥接应力增加了水泥土的拉伸强度,当基质干燥产生变形,纤维的存在限制了基质的收缩。黄麻纤维加入到水泥土中后,由于其化学成分的特性而延迟了初始水化反应。并且纤维的掺入改变了水泥土干燥条件下裂缝附近的应力集中现象,加入纤维的水泥土中产生微裂缝后,应力通过基质转移到纤维上,基质中离散分布的纤维构建起一个网架结构,通过整个纤维结构将水泥土基质连接起来形成一个整体,进而提升整体的抗裂能力以及降低局部裂缝的应力集中,素水泥土试样开裂后裂缝不断扩展,初级裂缝贯穿整个试样并与次级裂缝将整个试样分割为独立部分,对于纤维增强水泥土试样,即使干燥结束时裂缝贯穿整个试样深度,试样仍保持整体性,纤维含量越高,整体性越好。

3 结 论

(1)在水泥土中加入黄麻纤维和PVA纤维可明显提高第一裂缝的弯曲强度和峰值弯曲强度。纤维含量为0.50%和1.00%的水泥土的裂后曲线符合应变硬化特征。添加0.25%黄麻纤维和PVA纤维的水泥土的弯曲强度相比素水泥土分别增加了30%和35%,纤维添加量为0.05%、1.00%时的弯曲强度分别增加了92%和65%、140%和131%。较高的纤维含量对水泥土弯曲强度增加更加明显,表明添加纤维提高第一裂缝弯曲强度的同时显著提高了峰值弯曲强度,提高了一定宽度下深层水泥土搅拌桩围护墙的抗变形能力。

(2)黄麻纤维和PVA纤维通过裂缝-桥接效应改善了水泥土的裂后性能,其残余弯曲强度比、延性指数和韧性随着纤维含量的增加而增加,纤维的加入可保证水泥土搅拌桩挡墙开裂后的稳定性。较高纤维含量(≥0.5%)时试样显示出弯曲硬化的特征,纤维类型对残余弯曲强度比和延性指数影响较小,对于0.50%和1.00%的纤维含量,黄麻纤维试样的韧性略高于PVA纤维试样。

(3)纤维的加入能明显降低水泥土早期的干缩裂缝面积和长度,纤维含量超过0.50%时水泥土的宏观裂缝明显减少,这表明水泥土中添加纤维可有效抑制干燥条件下收缩裂缝的形成和扩展,并且纤维明显减少了素水泥土裂缝附近的应力集中现象,保证水泥土搅拌桩养护初期的抗裂能力。

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