基于纤维聚合物改良的粉土力学特性与微观结构演化

2022-11-01尚高鹏秦小军刘路路

科学技术与工程 2022年26期

尚高鹏，秦小军，刘路路

(1. 甘肃省交通科学研究院集团有限公司，兰州 730030； 2. 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州 221116)

粉土路基广泛分布于中国东南沿海和内陆大部分地区，作为处于黏性土跟砂性土间的一类土，在干燥情形下较易扬尘，遇水时易变成液体状，毛细水具有较大的上升高度，难以压实且作为路基填土性能极差，竣工完经受行车荷载的压力，易造成路面变形、开裂与失稳等问题[1-2]。在实际工程中，一般会放弃不符合路用性能要求的粉土。然而，通常这类地区缺少优质路基填料，换填处理会耗费大量人力、时间以及土地资源[3]。因此，开展粉土加固技术，不仅可以提高粉土资源高效利用，还能满足我国岩土工程建设绿色发展的迫切需要。

张艳美等[4]指出粉土抗管涌能力差，饱和状态时受振动荷载作用易发生液化。粉土工程特性可通过掺入水泥、石灰、粉煤灰等无机材料得到显著改善，但其抗裂性并无显著效果，通常表现为脆性破坏，在路面呈现出纵向、横向裂纹。崔伟等[5]采用石灰、水泥、水玻璃、黏土等材料提高了低液限粉土短期强度，但未研究其长期耐久性与开裂特性。赵昊宇等[6]指出水泥土形成的碱性环境，降低了土体的持水能力和营养含量，影响钢结构、混凝土等地下构筑物的服役寿命，不符合国家的“双碳”战略需求。朱志铎等[7]指出水泥土、石灰土具有显著的脆性特征，在交通循环荷载作用下，基础结构稳定性易发生破坏，缺乏抑制土体开裂的加筋材料。因此，研发新型、高效、环境友好的粉土加固材料符合国家“十四五”规划的绿色与可持续发展战略大计。

目前，纤维加筋技术在膨胀土、软土、水泥土、盐渍土等的强度、承载力、韧性等方面已表现良好的优点[6-8]。再生聚酯纤维具有强度高、韧度强、抗老化、耐磨、成本低等良好性能，主要来源于废旧聚酯瓶[9]。长期堆放的废旧聚酯瓶会造成严重的“白色污染”，不符合国家可持续与绿色发展战略。在当前的环保要求下，发展再生聚酯纤维具有较好的经济价值和社会价值，符合岩土工程可持续发展的要求。

因此，现采用可再生聚酯纤维与无机固化剂对路基粉土进行改良，分析其承载特性、抗压特性、回弹特性以及微观机理演化特性，研究结果可提高我国粉土加固的技术水平，实现废旧聚酯瓶多途径资源化利用，减轻因处治不当所造成的环境污染。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

(1)粉土。试验用土取自某公路施工现场，其颗粒分布曲线如图1所示。表1为土体基本物理性质指标。土样液限含水率wL<50%，塑性指数IP小于10，属于低液限粉土[土工试验规程(SL 237—1999)]。

表1 粉土物理指标Table 1 Physical indexes of silt

图1 粉土颗粒级配曲线Fig.1 Particle size curve of silt

(2)再生聚酯纤维。再生聚酯纤维(renewable polyester fiber)，来自于某纺织厂，密度1.31～1.37 g/cm3，抗拉强度(束状单丝)为200～400 MPa，断裂伸长率为140.6%～154.7%。

(3)石灰、粉煤灰、石膏。表2为生石灰基本物理指标。对石灰的含量以及化学成分用X射线荧光光谱仪进行了测试，其结果如表3所示，此生石灰属于钙质III级生石灰，可提供碱性环境。

表2 生石灰基本物理指标Table 2 Basic physical indexes of quicklime

表3 生石灰化学成分分析Table 3 Chemical composition analysis of quicklime

相比水泥，粉煤灰价格便宜，并且粉煤灰加固土的冻融循环能力要强于水泥[10]。表4为粉煤灰主要指标。采用再生建筑石膏粉，主要成分为半水硫酸钙(CaSO4·1/2H2O)。

表4 粉煤灰主要指标Table 4 Main index of fly ash

1.2 试验方案

当生石灰:煤灰=1∶2时，粉煤灰在加固软土方面能达到最好效果[10]。本文参考林彤[8]的土体加固方案，掺入3%(质量比=石膏质量)建筑石膏粉(CaSO4·1/2H2O)作为外掺剂，提高土样的早期强度。生石灰与粉煤灰的质量比(质量比=外加剂质量/试样总质量)分别为4%与8%。

参考文献[11-12]的方法，本文选用纤维掺量(质量比=纤维质量/试样总质量)为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.7%，纤维长度为6、9、12、15、17 mm。表5为改良土力学特性的试验方案，试验的土样含水率均为改良土的最优含水率。

表5 物理力学特性试验方案Table 5 Physical and mechanical property test scheme

1.3 试验方法

(1)CBR试验。按照《公路土工试验规程JTG 3430—2020》[13]有关规定开展，南京土壤仪器厂CBR-2型试筒高度与直径分别为170 mm与152 mm。

(2)无侧限抗压强度试验。参照《公路土工试验规程JTG 3430—2020》开展，YSH-2型无侧限抗压强度设备轴向应变速度为1%[14]。试样高度与直径分别为100 mm与50 mm。

(3)回弹模量试验。参照《公路土工试验规程JTG 3430—2020》开展。仪器采用HM-1型回弹模量仪，基于千分表弹性形变对回弹模量进行计算。

(4)SEM测试。根据静压的方法来制作改良粉土和粉土试样品，具体规格为直径50 mm、高度100 mm，密封后在标准的养护室放置28 d，满足养护时所需的条件进行观察，从中取出新鲜的断面(约1 cm2)，将所制备的样品在低温下冷冻，放置在SEM下进行扫描。

2 试验结果与分析

2.1 力学特性研究

2.1.1 CBR

CBR作为一个重要的评价路基填料路用性能的指标，反映路基材料的抗局部剪切能力[15]。图2为不同压实度下再生聚酯纤维下改良土CBR变化。1 d养护龄期下，纤维改良土的CBR跟素改良土的CBR基本相当；7 d养护龄期后，改良土CBR随纤维掺量的增加而有不同程度的增加，在0.2%纤维掺量时，试样CBR最高，当超过该纤维掺量值时，CBR将下降。养护龄期影响着纤维改良土CBR，在7 d养护龄期内，土体的CBR会有小幅度的增长，但CBR小于28%；在28 d养护龄期后，土体的CBR会有大幅度的增长，在98%压实度下，0.2%纤维掺量改良土的CBR为45%，符合公路路基填料的规定。

图2 再生聚酯纤维改良土CBR变化Fig.2 Change of CBR value of reclaimed polyester fiber improved soil

2.1.2 无侧限抗压强度

图3为94%、96%与98%压实度下再生聚酯纤维改良土无侧限抗压强度变化。可以看出：纤维改良土无侧限抗压强度随纤维掺量增加而增加，0.2%纤维改良土无侧限抗压强度表现为最高，当纤维掺量超过0.2%时，改良土无侧限抗压强度呈降低趋势。图4为无侧限抗压试验改良土试样破坏形态，可以明显看出，随着纤维掺量增加，改良土破坏形态由“脆性破坏”向“塑性破坏”发展，且破坏面逐渐上移。养护龄期会影响纤维改良土强度。1 d养护龄期时[图4 (a)]，不同纤维掺量改良土无侧限抗压强度相差不大，且与素改良土无侧限抗压强度(170 kPa)相当。然而，刘松玉等[16]得出1 d龄期木质素改良路基粉土无侧限抗压强度约为100 kPa；28 d养护龄期时[图4 (e)]，土体无侧限抗压强度有较大幅度增长，96%压实度下，0.2%纤维掺量改良土无侧限抗压强度增幅约362%。此外，随着压实度增加，纤维改良土无侧限抗压强度差ΔUCS28-1与ΔUCS7-1逐渐增加，最大差值分别达到913 kPa与661 kPa。文献[17-19]采用不同的纤维改良黏土发现，当纤维掺量超过3%～4%会造成土体无侧限抗压强度降低。对于路基粉土而言，其无侧限抗压强度的最优纤维掺量约为0.2%。

图3 改良土无侧限抗压强度变化Fig.3 Change of unconfined compressive strength of improved soil

图4 28 d养护龄期无侧限抗压试验改良土试样破坏形态Fig.4 Failure mode of improved soil sample in unconfined compression test at 28 days curing age

2.1.3 回弹模量

土体回弹模量是表征路基填料力学特性的一个重要指标[20-21]。图5为不同压实度下纤维改良土回弹模量变化。一般路基粉土在94%或96%压实度下的回弹模量值皆小于20 MPa，不能满足《公路沥青路面设计规范》[22]的规定。回弹模量在纤维改良路基粉土中得到有效的增长，0～7 d养护龄期时，关于94%压实度改良土，其回弹模量只有在0.2%与0.3%纤维掺量的改良土可以满足交通公路土基路基填料规定，不过，在28 d养护龄期后，回弹模量在各纤维掺量改良土下皆符合规范的规定。与前述UCS和CBR变化相同，改良土回弹模量随纤维掺量的增加而增加，回弹模量在掺量高于0.2%时有所下降，进一步说明0.2%纤维掺量的路基粉土的改良效果更好。

图5 不同压实度下纤维改良土回弹模量变化Fig.5 Change of resilience modulus of fiber improved soil under different compaction degree

2.2 微观结构演化

粉土微颗粒表面近似光滑，在粉土内部微观结构中存在较多的大孔隙，颗粒具有明显的边界、边缘不规则、棱角分明，部分粉土颗粒直径大于孔隙直径，本文选取的粉土微观结构与冲积粉土结构类似，但冲积粉土存在较多20～50μm粉粒级别的石英颗粒[23]。当掺加剂添(粉煤灰、石灰与石膏)加至粉土中，试样养护龄期达到7 d，改良土中仍存在较多的大小孔隙，粉土颗粒表面以及颗粒之间开始出现某种胶状物质，包裹或连接土颗粒(图6)，纤维与颗粒间接触存在一定的孔隙，不密实。14 d养护龄期改良土的微观结构明显比纯粉土密实，纤维与颗粒间接触存在一定的孔隙(图7)，大量胶结物质连接粉土颗粒，填充颗粒间孔隙。28 d养护龄期改良土内部胶结物质的包裹与填充作用更加显著，土颗粒间接触更加紧密，形成更加稳定、致密结构(图8)。

图6 改良土试样SEM照片(7 d养护龄期)Fig.6 SEM photo of improved soil sample (7-day curing age)

图7 改良土试样SEM照片(14 d养护龄期)Fig.7 SEM photo of improved soil sample (14 days curing age)

图8 改良土试样SEM照片(28 d养护龄期)Fig.8 SEM photo of improved soil sample (28 days curing age)

由于胶结物质的包裹粉土颗粒，以及钙矾石连接粉土颗粒作用[24]，其团聚体数量与颗粒直径明显增加，土颗粒比表面积减小，颗粒之间孔隙由胶结物质填充，改良土的密实度得到增加。因此，改良土粒径与最大干密度增加，力学与路用性能指标提高，而塑性指数降低。此外，改良土在纤维掺量过大的情况下出现力学特性降低的现象可能是由于土体内局部存在纤维抱团、纤维过于集中，过多纤维与土颗粒接触面出现滑动，缺少土颗粒的骨架作用，造成其强度和CBR等指标降低，但要定量评估改良土的物质改变、微观结构，仍需要开展其他分析试验。