不同种类纤维加筋水泥改良风积沙抗拉性能试验研究

2022-09-23阮波袁忠正郑世龙张佳森

铁道科学与工程学报 2022年8期

阮波，袁忠正，郑世龙，张佳森

(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075；2.湖南铁院土木工程检测有限公司，湖南长沙 410004；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

我国是一个多沙漠国家，荒漠化面积已达128万km2，约占14%的国土面积[1]。风积沙是风积成因的砂类土，颗粒细且均匀、含水率低、粉粒、黏粒含量低、无黏性和渗透系数大，分布广泛、储量丰富[2-4]。国内学者对风积沙压实方法、压实工艺及压实机理进行了相关研究[5-10]。新建的和若铁路位于塔克拉玛干沙漠南缘，是南疆通往内地的一条重要铁路，铁路沿线广泛分布着风积沙。风积沙表面光滑，无黏性，易受风力吹扬，属于间断级配C3填料[11]，不能直接用于铁路路基基床填料，应对填料进行改良，以满足规范要求。纤维水泥改良土是向土体中掺入适量的纤维和低掺量的水泥以改善土体物理力学性质，近年来国内外学者针对纤维水泥改良土技术做了大量试验研究[12-19]。然而，纤维种类繁多，不同种类的纤维对土体加筋效果具有明显差异。新疆塔克拉玛干沙漠风积沙物理力学性质较差[20]，可通过纤维水泥改良土技术以改善其力学性质。但目前为止，国内外学者对于不同种类纤维加筋风积沙的作用效果尚未开展系统研究。因此，本文采用工程中常用的玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维和玻璃纤维对水泥改良风积沙进行加筋，探讨不同种类纤维对纤维水泥改良风积沙劈裂抗拉强度的影响，确定4种纤维的最优纤维掺量和最佳纤维种类，研究成果对纤维加筋水泥改良风积的工程应用具有重要意义。

1 试验材料

1.1 风积沙

试验所用风积沙来自和若铁路工地，见图1。粒径分布均匀，呈淡黄色，级配曲线见图2，级配不良。风积沙的密度为1.58 g/cm3，含水率为0.9%，土粒比重为2.70，内摩擦角为27.4°，黏聚力为0，最大干密度为1.61 g/cm3，最优含水率为12.5%。

图1 风积沙照片Fig.1 Photograph ofaeolian

图2 级配曲线Fig.2 Grain size distribution curve

1.2 纤维

试验中所用到的4种纤维分别是玄武岩纤维(BF)、聚丙烯纤维(PP)、玻璃纤维(GF)和聚酯纤维(PE)，生产厂家为武汉市中鼎经济发展有限责任公司。纤维照片如图3所示，其物理力学指标如表1所示。

表1 4种不同种类纤维的参数Table 1 Physicalandmechanicalpropertiesof four typesof fibers

图3 4种纤维照片Fig.3 Photograph of four differentkindsof fibers

1.3 其他材料

水泥采用新疆和田地区生产的普通硅酸盐P·O 42.5水泥。试验用水为长沙市自来水。

2 试验方案

根据文献[12-19]的研究成果，确定纤维种类和纤维掺量，试验选用工程上常用的玄武岩纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和聚酯纤维，纤维掺量af为0，2‰，4‰，6‰，8‰，10‰和12‰，以未掺入纤维的水泥改良风积沙作为对照组。根据文献[21]的研究结果，选取的水泥掺量ac为5%，试验方案见表2。纤维掺量af和水泥掺量ac表达式分别见式(1)和式(2)。

表2 试验方案Table 2 Testing program

式中：mf为干的纤维质量，g；ms为烘干风积沙质量，g；mc为干的水泥质量，g。

3 试样制备及试验

根据相关文献[11]的最优含水率和最大干密度，压实系数0.95，按照试验方案，称取若干烘干风积沙、纤维、水泥和水，充分搅拌均匀，制作成均匀的混合料。按照《铁路土工试验规程》[22]方法制作圆柱体试样，试样高度50mm，直径50mm，见图4，养护条件为标准养护((20±2)℃，相对湿度95%)。

图4 4种纤维水泥改良风积沙试件Fig.4 Photographsof cemented aeolian sand specimens

通过电子万能试验机进行劈裂抗拉强度试验，试验夹具见图5，控制加载速率为1mm/m in。劈裂抗拉强度计算式如下：

图5 劈裂抗拉强度试验夹具Fig.5 Photographsof fixture

式中：σt为劈裂抗拉强度，kPa；P为试件破坏时的最大荷载，N；d为圆柱形试件的直径，mm；l为圆柱形试件的高度，mm。

4 试验结果及分析

4.1 纤维水泥改良风积沙应力应变曲线

应力应变曲线如图6所示。起始段近似线性增加，峰值应变为0.6%～1.0%，达到峰值后，裂缝开始产生，曲线下降，随着轴向应变的增加，裂缝宽度增加，裂缝数量增多，直至试样破坏。达到峰值之后，未掺纤维的水泥改良风积沙曲线急剧下降，应力为0。而纤维加筋的水泥改良风积沙由于纤维的加筋作用，曲线缓慢下降，试样裂而不断，保持较高的残余强度。纤维掺量越大，残余强度越高。由于纤维的加筋作用，水泥改良土的抗裂性能增强。

图6 纤维水泥改良风积沙劈裂抗拉应力应变曲线Fig.6 Stress-strain curvesof cemented aeolian sand reinforced by four kindsof fibers

4.2 纤维种类对应力应变曲线的影响

由图7可以看出，当纤维掺量为4‰时，玄武岩纤维水泥改良风积沙峰后应力下降速率较快，应变不到2%时，峰后应力已经降低为0，而聚丙烯纤维、玻璃纤维和聚酯纤维加筋水泥改良风积沙的峰后应力下降较慢，残余劈裂应力最大的是聚丙烯纤维水泥改良风积沙，玻璃纤维水泥改良风积沙其次，最后是聚酯纤维水泥改良风积沙。当纤维掺量为8‰时，玄武岩纤维水泥改良风积沙峰后应力下降速率依然最快，但相较于纤维掺量为4‰的玄武岩纤维水泥改良风积沙，其峰后应力曲线平缓，且当应变达到3%时，应力仍未降为0。当纤维掺量增大后，聚丙烯纤维水泥改良风积沙峰后应力大幅度增大，峰后应力随应变降低幅度较小，其次是聚酯纤维水泥改良风积沙和玻璃纤维水泥改良风积沙，残余劈裂应力最小的是玄武岩纤维水泥改良风积沙。通过对比这4种纤维，发现聚丙烯纤维水泥改良风积沙峰值应力最大，其峰后应力也较大，曲线峰后应力下降段也最为平缓。玄武岩纤维水泥改良风积沙峰后应力下降速率较水泥改良风积沙而言有一定的降低，但与其他3种纤维加筋水泥改良风积沙相比，其峰后应力下降速率最快，峰后应力曲线最为陡峭。

图7 纤维种类对纤维水泥改良风积沙劈裂抗拉应力应变曲线的影响Fig.7 Stress-strain curvesof cemented aeolian sand reinforced by fibers

4.3 纤维种类对劈裂抗拉强度的影响

纤维水泥改良风积沙在不同种类纤维和不同纤维掺量下的劈裂抗拉强度曲线见图8。随着纤维掺量的增大，纤维水泥改良风积沙的劈裂抗拉强度先增大后减小，存在最优掺量。玄武岩纤维、聚丙烯纤维、玻璃纤维和聚酯纤维加筋水泥改良风积沙的最优纤维掺量分别为8‰，8‰，4‰和6‰。未掺纤维的水泥改良风积沙的劈裂抗拉强度为53.0 kPa。最优纤维掺量时，聚丙烯纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维和聚酯纤维加筋水泥改良风积沙劈裂抗拉强度分别为77.65，67.86，64.49和63.41 kPa，在纤维的加筋作用下，水泥改良风积沙的劈裂抗拉强度明显地提高了。当荷载作用时，在土体中随机分布的纤维将应力传递到其他区域，且纤维对土体起到类似箍筋的作用[21]，使试样从单向应力状态转换为三向应力状态，劈裂抗拉强度大幅度地提高。纤维掺量较低时，随机分布的纤维组成的三维空间网状结构抑制了土体的变形，限制了裂缝的进一步扩展，增强了试样的整体性能，纤维的掺入增大了纤维水泥改良风积沙劈裂抗拉强度。纤维掺量过大时，分散不均匀的纤维会相互团聚，在纤维水泥改良风积沙内部形成软弱界面，反而对纤维水泥改良风积沙劈裂抗拉强度不利。

图8 劈裂抗拉强度随纤维掺量和纤维种类变化规律Fig.8 Splitting tensile strength versus fiber content

为了进一步量化纤维对水泥改良风积沙的劈裂抗拉强度的增强效果，引入劈裂抗拉强度的强度增强比R[23]：

式中：σt(fiber)为纤维加筋水泥改良风积沙试件劈裂抗拉强度，kPa；σt(nofiber)为未掺纤维的水泥改良风积沙试件劈裂抗拉强度，kPa。

根据图8的结果，计算出劈裂抗拉强度的增强比，见图9。玄武岩纤维水泥改良风积沙的强度增强比R为1.04～1.28，聚丙烯纤维水泥改良风积沙的R为1.14～1.47，玻璃纤维水泥改良风积沙的R为1.02～1.22，聚酯纤维纤维水泥改良风积沙的R为1.03～1.20。聚丙烯纤维对水泥改良风积沙劈裂抗拉强度的影响最显著，其次为玄武岩纤维。不同纤维加筋的纤维水泥改良风积沙劈裂抗拉强度不同主要是因为2个方面原因。一方面是4种纤维表面物理性质差异较大，使得纤维与土体之间的接触程度具有明显差异。聚丙烯纤维直径较大，因此单根聚丙烯纤维与土体颗粒间的接触面积大，与土颗粒之间的凹凸咬合作用强，因此聚丙烯纤维水泥改良风积沙劈裂抗拉强度大；玄武岩纤维表面粗糙程度较高，且与水泥水化物之间的接触面积较大，造成纤维与土体之间的咬合力和摩擦力均较大，因此玄武岩纤维水泥改良风积沙劈裂抗拉强度较大；但是玻璃纤维和聚酯纤维直径较小，与土颗粒之间的接触面积较小，纤维与土体之间的嵌合程度较差，因此玻璃纤维和聚酯纤维水泥改良风积沙劈裂抗拉强度比另外2种纤维小。另一方面是纤维分散程度，分散程度好的纤维与土体接触面积大，且能在土体中形成大量交织点，交织成三维空间网状结构[24]。经过抗静电处理的聚丙烯纤维是4种纤维中分散性能最优的，纤维的交织、弯曲作用最为明显，因此聚丙烯纤维对纤维水泥改良风积沙劈裂抗拉强度增强效果最好。而聚酯纤维和玻璃纤维在土体中分散程度最差，纤维与风积沙在搅拌过程中容易因为静电作用而缠绕成絮状团，不仅削弱了纤维的传力作用，同时在土体中形成了软弱界面，对纤维水泥改良风积沙抗拉强度增强效果比聚丙烯纤维差。而玄武岩纤维密度较大，同质量的4种纤维，玄武岩纤维数量最少，且玄武岩纤维呈扁平状，很难在土体中交织成三维空间网状结构。

图9 纤维种类对劈裂抗拉强度增强比的影响Fig.9 Effectof fiber type on STSenhancement ratio

4.4 纤维种类对峰值应变影响

峰值应变常用来评价材料的脆性。不同种类纤维水泥改良风积沙的峰值应变如图10所示。聚酯纤维水泥改良风积沙和玻璃水泥改良风积沙劈裂抗拉强度试验的峰值应变随着纤维掺量的增大而增大。而玄武岩纤维水泥改良风积沙和聚丙烯纤维水泥改良风积沙的峰值应变随着纤维掺量的增大而先增大后减小，峰值应变的最优纤维掺量均为8‰，这与其劈裂抗拉强度随纤维掺量变化规律一致。未掺纤维的水泥改良风积沙的峰值应变为0.63%，聚丙烯纤维水泥改良风积沙、玄武岩纤维水泥改良风积沙、玻璃纤维水泥改良风积沙和聚酯纤维水泥改良风积沙在8‰，8‰，4‰和6‰的最优纤维掺量时，对应的峰值应变分别为1.05%，0.94%，0.82%和0.75%。

图10 峰值应变随纤维掺量和纤维种类变化规律Fig.10 Peak strain versus fiber content

为了进一步量化不同种类纤维对水泥改良风积沙峰值应变的影响，引入延性指数D：

式中：ε(fiber)为纤维水泥改良风积沙峰值应变；ε(nofiber)为水泥改良风积沙峰值应变。

不同纤维对延性指数的影响见图11。玄武岩纤维水泥改良风积沙的延性指数D为1.27～1.49，聚丙烯纤维水泥改良风积沙的D为1.19～1.67，玻璃纤维水泥改良风积沙的D为1.22～1.94，聚酯纤维纤维水泥改良风积沙的延性指数D为1.08～1.49。聚丙烯纤维水泥改良风积沙和玄武岩纤维水泥改良风积沙的延性指数随着纤维掺量的增加先增大后减小，最优掺量为8‰；玻璃纤维水泥改良风积沙和聚酯纤维水泥改良风积沙的延性指数随着纤维掺量的增加而增大。聚丙烯纤维水泥改良风积沙、玄武岩纤维水泥改良风积沙、玻璃纤维水泥改良风积沙和聚酯纤维水泥改良风积沙在劈裂抗拉强度的最优纤维掺量时，延性指数分别增大到1.67，1.49，1.30及1.19。掺入纤维能有效阻止内部裂纹的萌生，随着外荷载的持续增大，裂缝逐渐扩大，桥接在裂缝两端的纤维能有效抑制裂缝的扩展或延长裂纹的扩张路径，并减小尖端的应力集中，抑制和细化裂缝，因此纤维的掺入能显著增强纤维水泥改良风积沙的延性。