粉煤灰-剑麻纤维复合改良膨胀土强度及裂隙发育特性

2022-10-22郝建斌张焕李耕春刘志云黄佳欣蒋臻蔚

铁道科学与工程学报 2022年9期

郝建斌，张焕，李耕春，刘志云，黄佳欣，蒋臻蔚

(长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054)

膨胀土是一种具有反复胀缩性的特殊土体。在降雨和蒸发的循环作用下，膨胀土表层会进行反复的膨胀和收缩，导致土体裂隙不断发育扩展，严重破坏土体的完整性，降低土体的强度和稳定性，对各类浅表层工程如公路、铁路等的建设与维护有明显的危害作用[1]。因此，如何有效改善膨胀土的胀缩性、控制膨胀土裂隙的发育与扩展是学术界和工程界多年来一直研究与探讨的问题。一方面，大量学者从膨胀土胀缩开裂机理方面开展了系列研究，叶万军等[2]研究了干湿循环作用下膨胀土的开裂和收缩特性；谭波等[3]研究了膨胀土的抗拉强度指标与其裂隙发育程度的相关性；骆赵刚等[4]研究了膨胀土裂隙开裂和长度发育过程及裂隙拓宽的主要影响因素；李彦龙等[5]研究了压实度对裂隙发育的影响。另一方面，研究人员不断探寻膨胀土的改良方法，以期改善土的裂隙性。如化学改良法，在土中添加石灰[6]、水泥[7]和粉煤灰[8]等。物理改良法如掺入绿砂[9]、风化砂[10]、碎石[11]和纤维[12-15]等。以上研究表明，单独加入粉煤灰或纤维均能有效改良膨胀土的物理力学性能，这为膨胀土改良工程及技术提供了一定的理论依据，同时也发现，单一方法对膨胀土的改良作用稍显局限，因此，开展2种材料复合改良膨胀土的研究是很有必要的。本文选择经济环保的粉煤灰和表面粗糙、质地坚韧、富有弹性、耐腐蚀柔韧性好且纤维间抱合力较小的剑麻纤维，通过室内试验研究改良膨胀土无侧限抗压强度随粉煤灰和剑麻纤维掺量变化的规律及试样的变形破坏特征，比较干湿循环条件下素土和改良土的裂隙发育与扩展情况。研究结果可为膨胀土路基工程和边坡防护等工程中的设计和施工提供理论参考。

1 试验材料与试验方案

1.1 试验材料

试验所用膨胀土取自陕西省汉中市洋县，颜色呈黄褐色，质硬，裂隙发育，土中零星分布有钙质结核。将取回的膨胀土风干碾碎，过2 mm筛，测量土样的基本物理指标，如表1所示。试验用粉煤灰由河南某发电厂生产，呈灰褐色粉末状，密度2.42 g/cm3，细度11.5%～12%，烧失量1.51%，其化学成分见表2。剑麻纤维产自广西省，纤维平均直径0.12 mm，平均拉伸强度564.39 MPa，平均拉伸模量26.97 GPa，平均断裂伸长率2.10%。

表1 膨胀土基本物理性质指标Table 1 Basic physical property index of expansive soil

表2 粉煤灰主要化学成分Table 2 Main chemical composition of fly ash

1.2 试样的制备

土样分3类：膨胀土、粉煤灰和膨胀土混合土(后称粉煤灰改良土)，用来确定粉煤灰的最佳掺量，定义粉煤灰掺量为干粉煤灰与干素膨胀土的质量比；粉煤灰、膨胀土和剑麻纤维混合土(后称复合改良土)，用来确定剑麻纤维的最佳掺量，定义剑麻纤维掺量为干剑麻纤维质量与干粉煤灰和干土质量和之比。参考已有研究[16]，试验的设计配比如表3所示。试样制备前，先将膨胀土风干碾碎后过2 mm 筛，在110℃的烘箱条件下烘干备用。然后按比例将所用材料充分混合，加蒸馏水后拌合均匀，密封24 h 后采用压实法制备重塑试样。试样含水率为18.4%，干密度为1.68 g/cm3。

表3 试样设计配比Table 3 Material ratio of soil samples

1.3 试验方法

分别对3类试样进行无侧限抗压强度试验，试样直径61.8 mm，高125 mm，确定粉煤灰、膨胀土和剑麻纤维的最佳配合比。在此基础上，分别对素土、粉煤灰改良土和复合改良土进行干湿循环试验，试样直径61.8 mm，高20 mm。无侧限抗压强度试验和直剪试验根据JTG 3430—2020《公路土工试验规程》进行。干湿循环试验中，先对试样进行泡水实验，测得其最大饱和含水率为25%，最低饱和含水率为22.3%，结合取土场地环境和已有经验[2]，采用抽真空饱和法增湿12 h，然后在恒温箱(40 ℃)中对试样进行脱湿24 h，即为一次干湿循环。增湿完成后，试样含水率为24%±1%，脱湿后，含水率为7%±1%。试验共进行5次干湿循环。

2 试验结果

2.1 改良膨胀土的最优配合比

2.1.1 粉煤灰的最佳掺量

图1为粉煤灰改良土的无侧限抗压强度随粉煤灰含量的变化曲线。从图中可以看出：粉煤灰的掺入可有效提高膨胀土的抗压强度，并且随着粉煤灰掺量的增加，改良膨胀土的强度呈现先增大后减小的趋势。当粉煤灰含量为9%时，改良膨胀土的无侧限抗压强度值达到最大，相较于素土的无侧限抗压强度提高了37.4%。

2.1.2 剑麻纤维的最佳掺量

当粉煤灰掺量取最佳掺量9%，剑麻纤维掺量不同时，粉煤灰-剑麻纤维复合改良膨胀土的无侧限抗压强度变化曲线如图2所示。可以看出：纤维长度一定时，复合改良土的无侧限抗压强度随着纤维含量的增加均呈现出先增大后减小的趋势；纤维掺量一定时，随着纤维长度的增加，土体的抗压强度亦呈现出先增大后减小的变化趋势。当剑麻纤维掺量为0.4%，长度为20 mm 时，复合改良土的无侧限抗压强度值达到最大(357.9 kPa)，相较于9%粉煤灰改良膨胀土的抗压强度提高了113.7%，相较于素土的抗压强度提高了193.6%。因此，确定复合改良土的最佳配合比为：粉煤灰含量9%，剑麻纤维含量0.4%(长度20 mm)。

2.2 改良膨胀土的变形及破坏特征

图3(a)～3(c)分别为素土试样、粉煤灰改良土试样和复合改良土试样在无侧限抗压强度试验中的破坏形态。可以看出：素土和粉煤灰改良土的破坏特征相似，试样均呈“脆性破坏”，试样表面出现明显的剪切破裂面，裂隙宽大且上下贯通。复合改良土试样呈近似“塑性鼓胀型破坏”特征，土样表面出现细短而分散的裂纹，中下部出现挤压型破裂带，但试样保持“裂而不断”，仍保持一定的完整性。

2.3 干湿循环过程中试样的裂隙发育扩展特征

图4～6 分别为素土、粉煤灰改良土和复合改良土在5次干湿循环过程中的裂隙发育情况。可以看出，3 种试样在干湿循环过程中都出现不同程度的裂隙，并且随着干湿循环次数的增加，裂隙逐渐产生分支并拓展延伸。素土试样在第1 次、第2次干湿循环后，形成由中心向四周发散的长且均匀的系列裂隙；第3次干湿循环后，逐步形成一条明显的主裂隙，该主裂隙在后期的干湿循环中无闭合。粉煤灰改良土试样在第2次干湿循环后出现一条明显裂隙，其余区域也分布有大量细小裂隙；第3 次干湿循环后，主、次裂隙均有拓宽；第4次、第5次干湿循环后，裂隙进一步增多并相互贯通；相较于素土，裂隙数量多，但分布比较均匀，无大裂隙形成。复合改良土试样在第3次干湿循环后，才出现较为明显的细小裂隙；第5次干湿循环后，在试样内形成较为均匀、分布密集的裂隙，但均细短，无主裂隙形成，当含水率再次增大时，细短裂隙较易闭合，试样整体较为完整。此外，素土发育的裂隙较顺直，裂隙多为“T”型，改良土发育的裂隙间夹角小，多成“Y”型裂隙。

为了定量分析干湿循环过程中试样的裂隙发育情况，用Photoshop软件对图4～图6进行二值化处理，并在试样中心选取一个最大正方形区域的图像，然后对图片降噪，去除一些非裂隙杂点，避免其对定量分析结果的影响，进而得到试样表面的裂隙形态，处理结果见图7～图9。采用MATLAB 统计二值化图像黑像素点的数量，即为试样表面的裂隙总面积AL，图像的黑白像素点之和，即为被统计区域总面积A。则裂隙率R为裂隙总面积AL与被统计区域总面积A的比值。

图10 为3 种试样的裂隙率R与干湿循环次数N的关系。由图可知，3 种试样的裂隙率随着干湿循环次数的增大而增大，当N相同时，试样的裂隙率大小关系为：复合改良土＜粉煤灰改良土＜素土。粉煤灰改良土与复合改良土的裂隙率增长速率先增大后减小，最终裂隙率趋于稳定，而素土的裂隙率曲线持续陡峭上升。首次干湿循环后，3 种试样的裂隙率都较低，此时试样较完整，仅有局部小裂隙；第2次循环时，素土与粉煤灰改良土试样的裂隙率迅速增大，复合改良土的裂隙率在第3次循环时才大幅提升，宏观表现为裂隙的拓宽连通与微裂纹的产生；之后3种土的裂隙率增长逐渐变缓，在此阶段主要表现为未充分发育的微裂隙继续发育，部分裂隙宽度、表面积减小[17]；而第5 次循环后素土的裂隙率突增，这是由于此时素土试样已经较破碎，除了裂隙的开展外，还有较大裂隙边缘土颗粒的掉落。5 次循环后，粉煤灰改良土与复合改良土较素土的裂隙率分别减少13.5%和43.6%。

3 分析与讨论

3.1 改良土无侧限抗压强度增强机理

通过以上试验结果可知，膨胀土中加入粉煤灰后无侧限抗压强度明显提高。这是因为加入适量粉煤灰后，粉煤灰与膨胀土发生离子交换反应、团聚作用以及胶凝作用，发生的主要化学反应如式(1)～(4)。以上作用增强了土颗粒之间的黏结作用和土体的结构性，因而土体在受到剪切破坏时能够更好地克服土颗粒间的滑移错位，进而增大土体的抗压强度。

离子交换：

胶凝作用：

在粉煤灰改良土中加入剑麻纤维，土体中会形成筋—土界面，在外力作用下该接触面处会产生与土体变形或土颗粒移动方向相反的摩擦阻力。当土体受到外力作用时，随机分散在土体中的剑麻纤维将起到约束土颗粒间滑动以及阻碍土颗粒间咬合破坏的作用。此外，剑麻纤维在土体内部相互交错，形成加筋土的空间构架，在“纤维网”的作用下，单根纤维会限制土颗粒发生错位滑移，而相邻纤维会阻止其他纤维产生位移。

3.2 改良土试样破坏机理

膨胀土中加入粉煤灰，虽然在一定程度上增大了颗粒间的咬合作用和摩擦作用以及颗粒表面因化学作用而产生的吸引力，但由于土—土接触界面、灰—土接触界面仍相对软弱，因此在压力作用下仍发生“脆性破坏”(图3(b))。当加入剑麻纤维时，当试样沿剪切面发生剪切破坏时，进一步增强了土颗粒与纤维之间的摩擦咬合作用，以不同角度穿过剪切面的剑麻纤维承担了一部分荷载，使得颗粒间的咬合作用、摩擦作用及吸引作用的破坏得到了延缓，当纤维达到极限拉伸强度或纤维在土体中发生滑移后，土体的抗压强度才开始发挥作用，试样破坏时出现具有一定宽度的剪切带，整体呈现近似“塑性鼓胀型破坏”(图3(c))。

3.3 剑麻纤维抑制开裂机理

干湿循环试验结果表明，膨胀土的开裂是由水分蒸发引起的。水分蒸发过程中，距离土体表面越近蒸发速率越快，于是首先在试样表面形成裂隙，随着水分的进一步蒸发，裂隙向内扩展，逐渐形成外宽内窄的楔形裂隙。楔形裂隙尖端应力高度集中，使原有裂隙逐步扩展，进而形成一条或多条主裂隙，当含水率增大时难以闭合，随着干湿循环次数增加，裂隙进一步扩展。在实际工程中，当土体中存在宽大裂隙时，雨水容易通过裂隙向深部入渗，不利于土体稳定。

当加入剑麻纤维时，随机分散在土体内的纤维相互交错缠绕，形成三维的空间约束，当土体收缩时，纤维通过“桥接作用(图11)”[18]降低了裂隙尖端的应力集中效应，限制了裂隙的进一步扩展，这些裂隙在含水量增大时较易闭合，但土体结构已有一定程度的破坏，因此每次干湿循环后，原有较长较宽裂隙再次裂开，但形状及大小基本保持不变，仅在原有裂隙周围派生出细小的新生裂隙。