黄原胶和玄武岩纤维改良黄土抗压强度试验研究

左晨希，孙树林*，黄曼捷，高诗钦，张 岩

(1.河海大学地球科学与工程学院，南京 211100；2.南京信息工程大学水文与水资源工程学院，南京 210044；3.河海大学土木与交通学院，南京 210098)

黄土的整体结构松散，有大量孔隙，这是其区别于其他土类的主要特征之一[1]。因具多孔隙、胶结弱、富含可溶盐和透水性强等不良工程特性，其力学承载能力较差[2]。为满足工程路基的使用要求，黄土一般要经过物理、化学以及生物改良后方能投入使用[3]。现阶段，由于生物改良的工程耐久性缺乏，科学人员把目光多锁定在化学类固化剂以及物理作用对黄土性能改良的相关研究[4]。过去大面积使用无机胶凝材料导致环境污染，后期处理成本高昂。为此，环境友好型固化剂成为研究热点。刘钊钊[5]等人研究不同掺量木质素改良黄土的持水性和水稳性。唐朝生等[6]研究了聚丙烯纤维对软土力学特性的提升。张豫川[7]等人对黄土开展室内试验，研究土料类型、掺合材料、掺合量、养护龄期等因素对改良黄土抗剪强度和渗透性的影响。裴向军等[8-9]自主研发高分子材料加固沙土、碎石土以及黄土，对其抗压、抗剪强度等性质进行了研究。

本试验对重塑黄土掺加黄原胶以及玄武岩纤维，采用无侧限抗压试验对加固黄土的力学强度特性进行探讨，并确定黄原胶和玄武岩纤维改良黄土抗压强度的最佳配比，为黄土路基固化等工程提供有参考意义的数值。

1 改良黄土的试验设计

1.1 试验材料与器材

本次试验时间为2021年5月初至6月底，为期约两个月时间，试验地点为河海大学地球科学与工程学院土工实验室。试验所用黄土采自太原杏花岭区内的东山森林公园基坑，取土点为黄土台塬，为马兰黄土，原状土呈灰黄色。取素土样试样碾碎烘干，通过室内试验，得到黄土的部分基本物理性能参数见表1。

表1 原状黄土的基本物理参数

本次试验选用某品牌工业级黄原胶。黄原胶[10]具有良好的分散性、黏结性和耐酸碱等特点，用于化学胶结。玄武岩纤维是由天然玄武岩合成的环保高分子聚合物，具有高刚度、高抗拉强度、耐酸耐碱性和耐磨性能[11]，试验所用玄武岩纤维为18mm规格，对土体起增韧、增强、阻裂等作用[12]。使用前将纤维分散为细丝状，使其能增大与土体的接触面积，纤维的主要技术参数见表2。

表2 玄武岩纤维主要技术参数

1.2 试验方案

试验首先单独掺加玄武岩纤维和黄原胶至土体，通过单轴抗压试验确定二者的最佳掺量。经过先期的预实验，本次试验玄武岩纤维掺量设置0.2%、0.4%、0.6%、0.8%四个水平，黄原胶掺量设置1%、1.5%、2%、2.5%四个水平，并设置养护时间为1、7、14、28d四个水平；再按照不同比例混掺黄原胶和玄武岩纤维，设置与单掺相同的养护时间，设置正交试验组，通过单轴抗压试验测定分析其抗压强度最大时的最佳的掺量比例。

1.3 试样制备及试验仪器

试样成品为高度80mm，直径39.1mm的圆柱状土体，每个试验组制备3个试样，每个条件下制作3个素土样作为对照，结果采用平均值。试样制好后立即用保鲜膜包裹并用贴纸封装，移送养护室进行恒温养护。试验所用仪器为YYW-2型应变式无侧限压力测量控制仪，试验的应变速率为2.4mm/min，测力环系数C=1.665。试验按照《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)中相应标准进行，记录各个应变点处的应力数值，取峰值强度作为单轴抗压强度。

2 试验结果分析与讨论

2.1 黄原胶对土体强度的影响

表3为不同黄原胶掺量土体和素土在不同养护龄期下的抗压强度结果。图1为不同黄原胶掺量土体和素土在不同养护龄期下的应力-应变曲线图。由图1、表3可见：掺黄原胶土体的抗压强度显著高于素土抗压强度。在相同养护龄期内，黄原胶掺量为1.5%的土体抗压强度大于掺量为1.0%、2.0%和2.5%的土体。掺加黄原胶的土体应力应变增速快于素土，并且当土体应力到达峰值后，应力应变曲线的下降速率也较素土快，但仍有稍大于素土的残余强度，表明黄原胶对土体强度的提升有显著效果。

图1 不同黄原胶掺量及养护龄期下土体应力-应变

表3 不同黄原胶掺量和养护时间下的土样抗压强度

图2为不同养护龄期下掺加黄原胶土体和素土的抗压强度变化图。由图2可见，掺加黄原胶的土体抗压强度均随养护龄期的增加而增大，在1、7和14d时间段，改良黄土的强度提升较为显著，在14d到28d的养护龄期中，土体的强度上升变缓，増幅较小，而素土在1、7、14及28d的养护龄期下，抗压强度变化不大。掺加1.5%的黄原胶，在养护龄期为28d条件下，土体抗压强度提升最大，为173.16kPa，为同期素土强度的1.84倍。

图2 养护龄期对黄原胶土体抗压强度的影响

黄原胶吸水形成黏稠液，具胶结作用；同时黄原胶中羟基与土颗粒接触后会形成氢键提供更强黏结力；黄原胶粉末较土颗粒小，能够填充土颗粒间的空隙，使得土体更紧凑密实，从而提高土体强度。但若掺入过量黄原胶，与水形成的黏稠悬浮液会充填土颗粒间的空间，削弱土体自身黏结性，同时也增加土体中孔隙的总体积[13]。故较高黄原胶含量的土体强度较掺加1.5%黄原胶的土体强度降低，说明存在一个相对最优掺量可使得土体的加固效果最有效。

2.2 玄武岩纤维对土样强度的影响

表4为不同掺量的玄武岩纤维加筋土和素土在不同养护龄期下的抗压强度。图3为在养护龄期28d时，玄武岩纤维加筋土和素土的应力-应变图。由图3、表4可见：掺玄武岩纤维土体的抗压强度均明显高于素土。玄武岩纤维掺量为0.6%的土体强度优于0.2%、0.4%和0.8%的加筋土体。在达到峰值强度之后，加筋土体应力下降速度较素土慢，说明掺加玄武岩纤维不但能有效提高土体强度，同时也能提高土体的延性，有效抑制土体破坏后的变形，可见玄武岩纤维加入对提升土体抗压强度有显著作用。其中养护龄期28d下，0.6%掺加量提高土体强度的效果最为明显，达到135.26kPa，为素土的1.44倍。

图3 不同玄武岩纤维掺量改良土应力-应变

表4 不同纤维掺量和龄期下土样抗压强度

玄武岩纤维在土体中均匀分散，与土颗粒紧密接触，单根纤维通过弯曲、嵌入、相互交织等作用限制土颗粒位移，多根纤维则可形成范围内的网状支撑，压力作用时多根纤维相互制约，极大程度的约束了土颗粒的移动，提高抗压强度；同时纤维与土体间有较强的摩擦力，可以延缓土体内部微小裂隙的突变，从而提高残余强度。但过多的纤维会导致土颗粒过多分离，反而会导致土颗粒间原有的黏结力降低，使整体的土体强度降低，故较高纤维掺量的土体强度较掺加0.6%玄武岩纤维的降低，所以存在一个相对最优掺量可使得土体的加固效果最为有效。

2.3 黄原胶和玄武岩纤维对土样强度综合影响

对于混掺两种材料的改良土体强度测定，若采用排列组合方法则需要制备64组试样，大大增加试验的工作量及周期。故本试验采用正交试验方法，考虑黄原胶掺量、玄武岩纤维掺量和养护龄期三个因素，掺量和时间设置4个不同水平，根据L16(43)型正交表，通过SPSS软件生成实验方案，共得到16组试验组，试验组的因素水平和试验结果如表5所示。

表5 正交试验方案及结果

对正交试验的结果采用极差分析法，由表6极差分析结果可知，土体的抗压强度影响指标中，养护时间的极差最大，黄原胶掺量次之，玄武岩纤维掺量极差最小。说明，养护时间对改良黄土的影响最大，而玄武岩纤维的影响相对较小一些。对于黄原胶掺量、玄武岩纤维掺量和养龄期3个不同因素的4个不同水平下的均值分析发现：黄原胶掺量均值为K2A最大，表明黄原胶掺量为1.5%时改良黄土的抗压强度达到最大值，改良效果最佳；玄武岩纤维掺量均值为K3B最大，表明小围岩除了为0.6%时改良黄土的抗压强度较其他掺量更佳；对于养护龄期而言，K4C的均值最大，说明养护龄期为28d时，改良土体的强度最大。综上，对于混掺的改良黄土，黄原胶掺量为1.5%，玄武岩纤维掺量为0.6%，在养护龄期为28d的条件下强度最大，为同样养护龄期下的素土的2.06倍。

表6 极差分析

2.4 固化土机理分析

本文研究黄原胶和玄武岩纤维对黄土强度特性的改良。根据试验结果可知，黄原胶和玄武岩纤维单独、混合掺入均能够显著的提高黄土的抗压特性。当二者混合掺入土体时，黄原胶吸水形成黏稠液后为土体提供更强的黏结力和摩擦力，将土颗粒包裹在黏稠液中，同时玄武岩纤维和黄原胶黏稠液相互结合成更加稳定牢靠的“纤维-凝胶网”系统，更大面积的限制了土颗粒的相对位移，极大程度发挥了二者的工程特性，显著提高黄土的工程强度，图4为黄原胶和玄武岩纤维混掺改良土体的机理示意。

图4 黄原胶和玄武岩纤维混掺改良机理

3 结论

1)随着黄原胶掺量提高，改良土的抗压强度先增大后减小，单掺黄原胶为1.5%掺量下改良土抗压强度最高，且随着养护龄期的增大，黄原胶改良土的强度为逐渐增大，28d时达到最大，为173.16kPa，是素土的1.84倍；随着玄武岩纤维掺量增大，土体的抗压强度先增后减，28d养护龄期，掺量为0.6%时土体抗压强度最大，达到135.26kPa，为素土的1.44倍。

2)通过正交试验对混掺黄原胶和玄武岩纤维的土体抗压强度进行极差分析，得出敏感性排行为：养护龄期>黄原胶掺量>玄武岩纤维掺量，当黄原胶掺量为1.5%，玄武岩纤维掺量为0.6%，养护龄期为28d的土体强度最大，为素土的2.06倍。

3)混合掺加玄武岩纤维和黄原胶，黄原胶黏稠液和纤维相互结合成更加稳定牢靠的“纤维-凝胶网”系统，在养护过程中黄原胶与土颗粒反应，可显著增大土体抗压强度。