干湿循环下纤维改性滨海水泥土力学特性研究

李 娜，赵 卫 琪，顾 嘉 慧，赵 士 文，王 伟，姜 屏

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴 312000； 2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

0 引 言

沿海地区分布有大量滨海软土，但软土工程力学性质差、孔隙比大、渗透性低，且具有较大的触变性和蠕变性[1-2]。工程上通常采用水泥来加固软土，但有时候单纯的素水泥土往往不能满足需求。同时沿海地区雨季时，软土加固工程暴露在自然条件下会经历干湿循环过程，因此对滨海软土干湿循环下力学性能的研究是必要的[3-5]。

Cuisinier等[6]研究了不同干湿程度对水泥土强度的影响，研究表明当干湿循环过程中试样干燥程度越大时，对结构的损伤越严重。Yang等[7]对干湿循环后土体裂缝发育情况进行了研究，发现干湿循环会使得裂缝往长度增长、宽度减小方向发展。陈议城等[8]研究了红黏土干湿循环下无侧限抗压强度与电阻率之间的关系，发现在0～5次干湿循环时，应力-应变曲线先陡升后下降，而电阻率-应变曲线先陡降后上升，两者呈现相反变化。Wang等[9]研究了磷酸镁水泥固化土在干湿循环下的力学特性，发现随着干湿循环次数的增加，固化土的无侧限抗压强度一直降低。谭伟等[10]研究了水泥改良膨胀土的长期性能演变，未改良膨胀土在干湿循环5次后无侧限抗压强度趋于稳定，强度衰减幅度达到50%，而水泥改良膨胀土抗干湿循环的能力显著增加，强度衰减幅度在10%～20%范围内。李子农[11]研究了不同温度下干湿循环对红黏土力学性能的影响，研究表明随着干湿循环的增加，抗剪强度指标逐渐减少并趋于稳定，同时当循环温度越高时，抗剪强度越低。

纤维作为一种新型的土体加筋材料，以其优良的抗拉性能有效改善了土体的力学特性，提高了土体的抗变形能力，在软土加固中逐渐得到了应用和推广[12-14]。 Wang等[15]研究了聚丙烯纤维水泥土三轴不固结不排水试验，结果表明纤维能够显著增大试样的峰值应力、残余强度与峰值应变，减轻了试样的脆性破坏。 Jiang等[16]研究了纤维水泥泥浆的力学性能，研究发现纤维能够显著改善水泥泥浆的力学性能。Yao等[17]研究了黄麻纤维和聚乙烯醇纤维在干湿循环下对水泥土柱弯曲性能和断裂性能的影响，发现纤维能有效提高水泥土柱弯曲性能和断裂性能，有效抑制了干湿循环下裂缝的生成。Duong等[18]研究了玉米皮纤维在干湿循环条件下对水泥土的改性作用，发现含纤维的试样在干湿循环后只出现轻微的损伤，不含纤维的试样则出现裂纹并扩展。显然，在干湿循环条件下，纤维能够显著改善水泥土裂纹的扩展。

本文拟用聚丙烯纤维改性滨海水泥土(polypropylene fiber-cement clay，PFCC)，并在干湿循环条件下探究其物理性质的变化规律，以期为工程设计提供技术参考。

1 试验准备

1.1 试验原材料

(1) 软土。试验所用软土取自绍兴滨海新城滨江区域，其基本物理性质如表1所列。

表1 软土物理力学性质Tab.1 Physical and mechanical properties of soft soil

(2) 水泥。试验采用兰亭牌PC32.5R复合硅酸盐水泥，其主要技术指标如表2所列。

表2 水泥主要技术指标Tab.2 Main technical indexes of cement

(3) 纤维。试验采用白色束状的聚丙烯纤维，纤维长度为6 mm，其主要技术性能指标如表3所列。

表3 聚丙烯纤维性能指标Tab.3 Performance index of polypropylene fiber

1.2 试样制备

(1) 原状土处理。根据GB/T50123-2019《土工试验方法标准》[19]，将原状土泡水7 d后过2 mm标准筛，滤去杂质，并适当风干。

(2) 模具准备。准备直径为39.1 mm、高度为80 mm的圆柱形模具，并在模具内侧表面涂抹适量凡士林后，在模具两端安装对应底座，完成试样模具的组装绑扎，如图1(a)所示。

(3) 配料。将干土、水泥、纤维、水按照设计的方案进行称量备料，并依次投入搅拌器中充分搅拌，形成流塑状混合料。试样的含水率控制在80%，搅拌时间为5 min，搅拌后的流塑状混合料如图1(b)所示。

(4) 振捣。将搅拌后的流塑状混合料注入试样模具内并振捣密实。每个试样分3次均匀加入，完成后如图1(c)所示。

(5) 拆除与养护。静停2 h后，拆除模具两端的底座，将试样上下两面刮平后套上滤纸，放入水中养护至规定龄期，如图1(d)所示。

1.3 试验方案

为了探究聚丙烯纤维对滨海水泥土力学特性的影响，在滨海软土中掺入其质量15%的水泥和0.6%的聚丙烯纤维，含水量设定为滨海软土、水泥、聚丙烯纤维总质量的80%。制作完成的试样分7 d和28 d两个龄期进行养护。当试样达到养护龄期后，进行0，1，3，5，7，9共6个干湿循环。单个干湿循环的控制参数为：保持温度(20±2) ℃，试样放入水中12 h，然后在空气中12 h。为了减小试验误差，每一组约束条件下制作5个试样用以重复测试。试样编号规则为：CPSx-DWy代表不同养护龄期、不同干湿循环次数下的聚丙烯纤维改性滨海水泥土试样，其中CPS表示聚丙烯纤维改性滨海水泥土，DW表示干湿循环，x为养护龄期，y为干湿循环次数。如7 d养护龄期干湿循环3次的一组试样编号为CPS7-DW3。

1.4 试验仪器

(1) 无侧限抗压强度试验采用TKA-WCY-1F全自动多功能无侧限抗压仪，由南京泰克奥科技有限公司生产，测试时加载速率设定为1 mm/min。

(2) XRD测试采用荷兰帕纳科生产的EmpyreanX-射线衍射仪。

2 干湿循环对土样物理性质的影响

为研究干湿循环作用对PFCC试样物理性质的影响，称量其干湿循环前后的质量。对每组5个试样分别测定其干湿循环前后的高度和直径，取5组数据的平均值作为测量结果，计算得到PFCC试样在各状态下的体积、密度、密度变化率，如表4所列。试样质量、体积损失率随干湿循环次数变化曲线见图2。

表4 不同养护龄期下试样的质量、体积、密度随干湿循环次数变化Tab.4 Variation of sample mass，volume and density with dry and wet cycle times at different curing ages

表4和图2显示：7 d和28 d养护龄期的试样质量和体积随着干湿循环次数的增加均呈下降趋势，而试样的密度和密度变化率则逐渐增大，最后趋于不变。CPS7-DW9、CPS28-DW9试样其质量与CPS7、CPS28相比分别减少了4.39 g和5.12 g，体积分别减少了4.93 cm3和5.87 cm3。虽然CPS28-DW9其质量和体积减少程度大于CP7-DW9，但是其整体密度变化率增加更大。在前5次干湿循环时，28 d龄期的PFCC试样质量损失率、体积损失率小于7 d龄期的，其主要原因是28 d龄期的试样水泥水化反应较完全，因此结构更加密实，纤维与土颗粒之间的黏结作用更加牢固，相对于7 d龄期的试样干湿循环造成的质量与体积损失较小。7 d龄期的试样由于质量、体积损失较大，干湿循环产生的裂缝使得更多的外部水进入，增强了水泥水化反应。所以，从干湿循环7次开始，质量、体积损失率的增长趋势发生变化，7 d龄期的PFCC试样质量损失率、体积损失率均小于28 d龄期的。

3 干湿循环对土样力学特性的影响

3.1 应力-应变曲线与破坏模式

图3～4为7 d和28 d养护龄期的PFCC试样在经历不同干湿循环次数后的无侧限抗压应力-应变曲线。由图3～4可知：随着干湿循环次数的增加，各试样峰值应力前后的强度变化速率增大，表现出较为明显的脆性破坏，试样破坏形态如图5所示。对比图3与图4还可以发现：28 d龄期下试样干湿循环后强度差异没有7 d龄期下显著，这是由于7 d龄期下试样水化反应不完全，干湿循环过程中水泥的水化反应发挥着重要作用。纤维作为加筋材料掺入水泥土中，在提高水泥土抗压强度的同时可以有效改善水泥土的脆性破坏[20-22]。但经历干湿循环后，这一脆性改善会受到进一步的劣化和减弱，值得注意。

3.2 无侧限抗压强度

图6为PFCC试样在7 d和28 d龄期下不同干湿循环次数作用后的无侧限抗压强度值。由图6可知：随着干湿循环次数的增加，PFCC试样的抗压强度逐渐增大。试样CPS7-DW9、CPS28-DW9与CPS7、CPS28相比，抗压强度分别提升了163%和60%。7 d养护龄期的试样，在干湿循环前5次时，其无侧限抗压强度值的变化较小。而在干湿循环7次后，CPS7-DW7的抗压强度出现较大增幅，较CPS7-DW5的无侧限抗压强度增长了66%。28d养护龄期的试样，在经历干湿循环9次后，CPS28-DW9的无侧限抗压强度值出现较大增幅，较CP28-DW7的强度增长了26%。

其强度急剧变化的主要原因是试样在经历干湿循环后，试样表面逐渐出现了明显的白色结晶体，尤其是7 d、28 d龄期试样分别干湿循环7次、9次时，这种现象尤为明显。取该部分结晶体通过XRD测试其结晶体化合物成分，主要成分为CaCO3。这是由于土体内部的水泥水化产物Ca(OH)2在干湿循环过程中，随着自由水的迁徙，通过土体孔隙结构析出[23]，在干循环过程中与空气中CO2发生碳化反应生成CaCO3，覆盖住了试样结构表面，阻断了试样湿循环过程中外部大量自由水进入土体结构内部。因此随着干湿循环次数的增加，试样内部的部分水分逐渐蒸发，外部的自由水难以进入，导致试样不断干缩，此时土体颗粒间将会由范德华力起主导地位[24]，从而使得土体结构越来越紧密，无侧限抗压强度逐渐增大。

3.3 脆性指数

土体试样的应力-应变曲线反映了轴向力逐渐加载至试样变形直至破坏的全过程。Bishop[25]首次提出脆性指数概念，为了表征试样的脆性特征，采用峰值应力与残余应力之差与峰值应力的比值作为脆性指数，从而对土体试样进行评价，如公式(1)所示。

(1)

式中：Ib为脆性指数，qp为峰值应力，qr为残余应力。其中定义峰值应力为轴向应力最大值，残余应力为轴向应力最小值。

公式(1)仅考虑了峰值应力和残余应力对脆性指数的影响，存在两方面的不足：① 没有考虑峰值应力前应力的增长速率；② 没有考虑残余应力的跌落速率。

因此笔者基于整个应力应变的变化过程，考虑峰值前应力增长速率和峰后强度跌落速率，定义PFCC试样的脆性指数如下：

Ib=k50+kr

(2)

式中：k50为割线模量，代表峰值前应力增长速率；kr为残余模量，代表峰后强度跌落速率。其定义分别为

(3)

式中：εp为峰值应力对应的应变；q50为50%的峰值应力；ε50为50%的峰值应力对应的应变；εr为残余应变，本文取εr=εp+3%。

根据本次试验所设计的干湿循环条件，每循环一次恰好用时1 d。图7所示为7 d龄期PFCC试样干湿循环及同龄期未经干湿循环试样的脆性指数。由图7可知：随着干湿循环次数的增加，PFCC试样的脆性指数逐渐增大。CPS7-DW1、CPS7-DW3的脆性指数分别小于CPS8、CPS10，而随着干湿循环次数继续增加，干湿循环后PFCC试样的脆性指数一直大于同龄期未经干湿循环试样的脆性指数。说明在短龄期时，干湿循环次数较少时，能够有效减弱PFCC试样的脆性指数。同理，图8所示为28 d龄期PFCC试样干湿循环及同龄期未干湿循环的脆性指数。

随着干湿循环次数的增加，试样内部自由水逐渐蒸发，而试样外部的自由水难以进入试样内部，导致试样整体含水率不断下降，所以随着干湿循环次数的增加，其脆性指数不断增大。而28 d龄期下的试样，其水化反应相较于7 d更完全，试样内部更多的自由水参与水化反应，导致28 d龄期下试样内部自由水较少，其脆性指数大于7 d龄期相同干湿循环次数下的试样。

为了更好表征PFCC试样脆性指数与龄期、干湿循环次数之间的关系，以干湿循环次数为x坐标，龄期为y坐标，脆性指数为z坐标进行拟合，拟合后曲线如图9所示，拟合方程如下：

z=-94.94+23.17x+87.4ln(y)R2=0.9633

(4)

4 结 论

将PFCC试样作为研究整体，在养护7 d和28 d龄期后分别在经历不同次数干湿循环后进行无侧限抗压强度试验，揭示干湿循环作用对PFCC试样力学特性的影响，得出以下结论：

(1) 随着干湿循环次数的增加，试样的质量和体积均呈下降趋势，而试样的整体密实度逐渐增大并稳定。

(2) 随着干湿循环次数的增加，试样的抗压强度逐渐增大，试样的脆性指数也逐渐增大，逐渐向脆性破坏演变，渐渐减弱了纤维对水泥土破坏模式的改性效果。

(3) 建立了同时考虑峰值前应力增长速率和峰值后强度跌落速率的PFCC试样脆性指数新模型，该模型计算结果能够对PFCC试样的干湿循环特性进行更为合理的解释。