纤维水泥土力学性能研究
2021-12-06
(中铁十八局集团有限公司，天津 300202)
水泥土抗压强度较高、抗渗性好、施工简便、经济和环保效益良好，广泛应用于基坑防护、路基填筑、地基加固等工程中[1-3]，有利地解决了部分地区砂石材料不足的问题。但水泥土抗拉和抗裂性能差，外部荷载作用下易发生脆性破坏[4-5]，工程应用中存在一定安全隐患。鉴于纤维抗拉强度高、韧性高且抗侵蚀性强，国内外学者逐步开展了纤维水泥土力学性能研究。Correia等[6]采用直接拉伸试验、劈裂抗拉试验和小梁弯曲试验评价了聚丙烯纤维水泥改良软土抗拉性能。Consoli等[7]研究了水泥剂量和纤维掺量对水泥土抗剪强度的影响，发现水泥剂量不大于5%时，纤维掺量与抗剪强度正相关。Estabragh等[8]研究了掺尼龙纤维后水泥土强度变化情况。王伟等[9]对聚丙烯纤维水泥土进行了三轴压缩试验，试验成果有利于水泥土初期抗裂补强。唐朝生等[10]针对聚丙烯纤维水泥土强度特性，推荐纤维最佳长度。何培玲[11]研究了水泥土中掺钢纤维后力学特性变化。李其轩等[12]对水泥土力学性能和破坏模式进行了研究。张鹏远等[13]对比研究了聚丙烯纤维和剑麻纤维对水泥土抗压强度的影响。
上述研究无疑丰富了纤维水泥土理论，但相对同一土质来说，纤维种类的不同导致其改良水泥土物理力学特性有所区别。对此，本文以云南昆明寻甸易白公路路基红黏土为研究对象，通过室内无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉试验，对比研究玻璃纤维和玄武岩纤维对水泥土力学强度改善效果，为纤维水泥土在实际工程应用提供指导。
1 原材料与试验方案
1.1 原材料
1.1.1 土样
取自距地表深度1m处黏土，将土样风干碾碎，分别过2mm和5mm圆孔筛，测定其风干含水率。根据《公路土工试验规程》(JTG E40—2007)，确定试验土样物理力学性质(见表1)。
表1 黏土物理力学性质
1.1.2 纤维
试验掺加纤维选用玻璃纤维和玄武岩纤维(纤维外观见图1、技术性质见表2)。
图1 纤维
表2 纤维技术性质
1.1.3 水泥
试验水泥选用普通硅酸盐水泥P·O42.5，物理力学性质见表3。
表3 水泥物理力学性质
1.2 试验方案
采用室内无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度试验，研究纤维类型、纤维掺量、水泥掺量及养生龄期对水泥土力学强度影响规律。
1.2.1 水泥土力学性能
研究养生龄期、水泥剂量对水泥土力学强度影响规律，建立水泥土强度增长方程。设计水泥剂量为3%、4%、5%、6%、7%、8%，养生龄期为3d、7d、14d、28d、60d、90d、180d。
1.2.2 纤维水泥土力学性能
研究纤维类型及掺量对水泥土力学强度增强效果，分析纤维水泥土强度增长规律。设计纤维掺量为0、1%、2%、3%、4%，水泥剂量为6%，养生龄期为3d、7d、14d、28d、60d、90d、180d。
1.3 试样制备及养护
采用《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)室内重型击实试验确定水泥土及纤维水泥土最佳含水率和最大干密度。在最佳含水率下，按压实度96%的要求，称取所需的纤维、水泥和水，通过静压法成型尺寸为φ50×50mm试样。每组试验采用6个平行试件。试样制作完成后，用保鲜膜进行密封处理，放入标准养护室中养生至规定龄期。温度设定为(20±2)℃，相对湿度设定为95%。
1.4 强度测试方法
采用WDW-100微机控制电子万能试验机测定试样无侧限抗压强度和劈裂强度。养生龄期最后一天，将试样浸泡于(20±2)℃水中。浸水一天后，用柔软湿布擦去试样表面多余水分，尽快进行试验。养生期间试样质量变化超过1g，试样作废。试验加载中保持加载速率为1mm/min。每组平行试验采用3倍均方差方法剔除异常值。采用RcT(0.95)表征试样无侧限抗压强度，指在保证率95%下试样无侧限抗压强度代表值。劈裂强度RiT(0.95)计算同RcT(0.95)，按下式计算RcT(0.95)。
(1)
σ——样本标准差。
2 试验结果及分析
2.1 水泥改良土力学性能
2.1.1 力学强度影响因素
a.养生龄期影响。对水泥土力学强度试验结果进行统计(见表4～表5)，对养生龄期对水泥土力学强度影响进行分析(见图2)。
表4 水泥改良黄土无侧限抗压强度
表5 水泥土劈裂强度
由图2可知，不同水泥掺量的改良土力学强度随养生龄期延长逐渐增长至稳定值，且养生前期水泥土强度增长速率显著大于后期强度增长速率，当养生龄期不小于28d时，水泥土强度增长曲线平缓，即强度增长大致趋于稳定。水泥掺量一致条件下，养生龄期由7d延长至28d时，水泥土无侧限抗压强度和劈裂分别提高95.5%、131%以上；养生龄期由28d延长至60d时，水泥土抗压强度和劈裂强度分别提高11.8%、12.8%以上；养生龄期由60d延长至180d时，水泥土抗压强度和劈裂分别提高13.5%、14.3%以上。这是因为水泥土强度增长与水泥的物理化学作用相关，养生初期水泥水化反应速率较快，生成较多具有胶结能力的水化硅酸钙等凝胶物质，包覆连接土粒，降低土体塑性，提高土体密实度和稳定性，因此强度增长迅速；但随养生龄期不断延长，水泥水化、凝结及硬化反应不断消耗水泥熟料，致使水化产物减少，水泥土强度增长速率逐渐放缓，直至水泥熟料完全被消耗，从而抗压强度趋于定值。另外，随养生龄期延长，水泥土力学强度呈幂函数关系增长，且相关性良好。
图2 养生龄期—水泥土力学强度关系
b.水泥掺量影响。水泥掺量对水泥土力学强度的影响见图3。
图3 水泥掺量—水泥土力学强度关系
由图3可知，水泥土养生至一定龄期后，其力学强度随水泥剂量增加呈线性增长，且增长速率基本一致，即不同养生龄期的水泥掺量对改良土强度影响规律相近。水泥掺量增加1%，水泥土抗压强度和劈裂强度分别平均增长25.4%、36.7%，说明水泥掺量增加可显著提高水泥土承载能力。另外，水泥掺量8%、养生龄期28d的水泥土抗压强度与水泥掺量6%、养生龄期90d的抗压强度相当；水泥掺量4%、养生龄期60d的水泥土抗压强度与水泥掺量3%、养生龄期180d的水泥土抗压强度相当。
2.1.2 力学强度增长方程
结合水泥掺量和养生龄期对水泥土力学强度影响规律，建立水泥力学强度增长模型公式:
Rc=A+B×βTC
(2)
式中Rc——水泥改良黄土力学抗压强度，MPa；
A、B、C——回归参数；
β——水泥剂量，%；
T——养生龄期，d。
利用origin拟合表5和表6数据，得到水泥土抗压强度与水泥剂量、龄期关系式:
Rc=0.38+0.085βT0.27(R2=0.96)
(3)
Rc=0.027+0.023βT0.26(R2=0.96)
(4)
由式(3)～式(4)可知，水泥土成型初期抗压强度和劈裂强度分别为0.38MPa、0.027MPa，可见水泥土初期劈裂强度接近于0，抗拉性能差。以水泥土7d抗压强度为例，验证强度增长模型的可行性，由图4可知，水泥土7d、90d抗压强度实测曲线与方程推导曲线基本吻合，说明水泥土强度增长模型能较好地预测其强度增长趋势。
图4 水泥抗压强度实测值与推导值对比
2.2 纤维水泥土力学性能
2.2.1 纤维类型及掺量影响
绘制纤维类型及掺量对水泥土力学强度影响图(见图5)。水泥掺量为6%，养生龄期为28d。
图5 纤维类型及掺量—纤维水泥土力学强度关系
由图5可知，随纤维掺量增加，不同纤维水泥土力学强度增长规律一致，且玄武岩纤维强度增长速率较玻璃纤维水泥土略显著。水泥土掺入纤维后，强度提高明显，掺1%玻璃纤维的水泥土抗压强度和劈裂强度分别提高23.0%、27.5%；当纤维掺量不小于1%时，纤维水泥土力学强度随纤维掺量增加呈线性趋势增长，纤维掺量增加1%，玻璃纤维水泥土抗压强度和劈裂强度平均提高4.4%、8.5%，玄武岩纤维水泥土抗压强度和劈裂强度平均提高3.9%、9.7%。另外，随纤维掺量增加，纤维水泥土强度提高幅度逐渐降低，说明增加纤维掺量对纤维水泥土力学强度影响较小。
2.2.2 养生龄期影响
绘制养生龄期对纤维水泥土力学强度影响图(见图6)。纤维掺量为2%，水泥剂量为6%。
由图6可知，随养生龄期增加，纤维水泥土力学强度增长趋势与水泥土一致，其前28d强度增长显著，当龄期不小于28d时，纤维水泥土力学强度增长缓慢。玻璃纤维水泥土和玄武岩纤维水泥土28d抗压强度分别是其180d抗压强度的78.9%、79.6%，28d劈裂强度分别是其180d劈裂强度的79.2%、77.8%。另外，不同纤维水泥土强度增长规律相近，由图7～图8可知，玻璃纤维水泥土与玄武岩纤维水泥土RcT/Rc90、RiT/Ri90曲线基本重合，说明水泥土掺入纤维后强度提高，而强度增长规律基本不变。
图6 养生龄期—纤维水泥土力学强度关系
图7 养生龄期—纤维水泥土RcT/Rc90关系
3 结 论
通过室内无侧限抗压强度试验和劈裂试验研究了水泥土、玻璃纤维水泥土、玄武岩纤维水泥土力学性能，得到以下结论：
a.随养生龄期增加，水泥土力学强度呈幂函数关系增长，养生前期力学强度增长速率显著，且水泥土力学强度随水泥剂量增加呈线性增长，建立的强度增长模型能较好地预测水泥土强度增长趋势。龄期由7d延长至28d时，水泥土无侧限抗压强度和劈裂强度分别提高95.5%、131%以上；水泥掺量增加1%，水泥土抗压强度和劈裂强度分别平均增长25.4%、36.7%。
图8 养生龄期—纤维水泥土RiT/Ri90关系
b.水泥剂量及养生龄期一致条件下，玄武岩纤维水泥土力学强度略高于玻璃纤维水泥土强度，且纤维水泥土强度增长趋势与水泥土一致，强度增长规律基本不变。纤维掺量增加1%，玻璃纤维水泥土抗压强度和劈裂强度分别平均提高4.4%、3.9%，玄武岩纤维水泥土抗压强度和劈裂强度分别平均提高8.5%、9.7%；纤维水泥土28d抗压强度至少是180d抗压强度的78.9%；28d劈裂强度至少是180d劈裂强度的77.8%。
