纤维与纳米粘土改性石灰土劈裂强度特性研究

2023-08-09张伟清

广东土木与建筑 2023年7期

张伟清

（广东省建筑设计研究院有限公司广州 510010）

0 引言

随着经济发展与城市化进程的推进，道路基础建设的需求与质量要求逐年攀升。将石灰固化建筑废弃土并应用于道路基层是减少建筑废料的一项有效措施，国内外许多学者已在石灰土的应用上做了大量的研究，并取得丰硕的成果。

石灰土应用于道路基层可显著改善原有道路填料的力学性能［1-3］。LEMAIRE 等人［4］对改性石灰土的力学性能及微观机理进行研究，发现石灰可使土形成“蜂窝状”结构，可改善土的力学性能；但石灰的掺入会增加土的脆性破坏，影响道路基层稳定［5-6］。因此，在进一步研究中掺入纳米粘土和聚丙烯纤维，可提高改性石灰土的力学性能，增强土的延性。纳米粘土由于其物理化学性质，可与石灰土发生火山灰反应生成C-S-H 和C-A-H 等胶凝材料，明显改善土体强度，有效提高石灰土的劈裂抗拉性能，改善石灰土的压缩特性，已经成为建筑领域一种新型材料［7-8］。在改性石灰土中掺入纤维可改善石灰土的脆性破坏模式，提高其残余强度。周琳等人［9］利用聚丙烯纤维对石灰土进行改性，发现聚丙烯纤维可显著提高石灰土的劈裂抗拉强度和水稳定性，纤维可增加石灰土颗粒间的胶结力和密实度；刘永翔等人［10］用聚丙烯纤维对水泥土进行改性，并用能量耗散的角度解释水泥土破坏以及裂缝发展演化规律。因此，可通过能量的角度分析改性石灰土抵抗破坏的能力，进而阐述强度变化机理。

本文采用聚丙烯纤维和纳米粘土对石灰土进行改性，通过劈裂抗拉试验对纤维改性石灰土（FLS）、纳米粘土改性石灰土（NLS）和纤维纳米粘土复合改性石灰土（NFLS）的力学性能进行分析，并从能量的角度进一步阐述改性石灰土强度变化作用机理。

1 材料和方法

1.1 试验材料

实验所用材料为土、生石灰粉、纳米粘土和聚丙烯纤维。所用土为广东地区某施工项目基坑土，土体呈灰褐色，主要物理力学性能如下：天然含水率为33%，相对密度为2.53，不均匀系数Cu=12.2，曲率系数Cc=1.24，液限为37.8%，塑限为17.2%，塑性指数为20.6。所用生石灰粉CaO 含量为89%，纯度为97%。所用纳米粘土为湖北某公司生产，99.9%可过200 目筛网，蒙脱石含量为96%～98%，呈米色粉末状，聚丙烯纤维为6 mm束状单丝。

1.2 制样方法

劈裂抗拉强度试验所用试样为直径50 mm、高50 mm的圆柱体。试验根据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程：JTG E51—2009》［11］将原状土晒干粉碎后过2 mm 筛，筛取过筛后的土放入105℃的烘箱进行烘干。根据试验方案，称取相应质量的试验材料，根据最优含水率加水进行搅拌，各掺料分散均匀后放入密封袋中闷料24 h，并通过静力压实法进行试验。脱模后养护28 d，前27 d 在标准养护箱进行养护，最后1 d将试样从养护箱取出，浸泡于20±2 ℃的水中进行养护，水面需在试样顶部2.5 cm处。

养护完成后，将试样放至在压力机升降台的劈裂夹具下进行测试，如图1所示。劈裂夹具由上下两块压条组成，压条宽度为6.35 mm。试验时将试样放置上下压条间并保持对中状态，试验加载速率为1 mm/min。通过压力试验机数据采集系统得到力-位移曲线，取试样劈开时的最大压力P。劈裂抗拉强度计算公式如下：

式中：R为劈裂抗拉强度（kPa）；P为破坏时的压力（N）；H为泡水后试样的高度（mm）。

1.3 试验方案

试验以单掺纳米粘土，单掺聚丙烯纤维以及复掺纳米粘土和聚丙烯纤维的方式改性石灰土，通过劈裂抗拉试验水改性石灰土的劈裂抗拉性能进行研究。其中石灰土掺量为6%，在此基础上掺入0%、2%、4%、6%、8% 的纳米粘土和0%、0.25%、0.5%、0.75%、1%的聚丙烯纤维进行复合改性，探究28 d 龄期下LS、NLS、FLS、NFLS 的劈裂抗拉强度性能，试验配合比如表1所示。

表1 试验配合比设计Tab.1 Design of Test Mix Proportion

2 结果与讨论

2.1 纳米黏土对劈裂强度的影响

NLS 的劈裂抗拉强度随纳米粘土掺量变化曲线如图2所示。NLS的28 d劈裂抗拉强度随纳米粘土掺量的增加而逐渐增大，L6-N2、L6-N4、L6-N6、L6-N8的劈裂抗拉强度分别为139、187、216、309kPa，较LS提升3%、39%、60%和129%。不同纳米粘土掺量NLS的劈裂抗拉强度较LS都有一定程度的提升，且增长率随着纳米粘土掺量的增加而增大，说明纳米粘土掺量的增加对石灰土的劈裂抗拉能力的提升有显著效果。

图2 NLS劈裂抗拉强度Fig.2 NLS Splitting Tensile Strength

2.2 纤维对劈裂强度的影响

图3 为FLS 的28d 劈裂抗拉强度随聚丙烯纤维掺量变化的曲线。L6-F0.25、L6-F0.5、L6-F0.75、L6-F1的劈裂抗拉强度分别为226、256、316、363kPa，较LS分别提升67%、90%、134%、169%。掺入聚丙烯纤维后，FLS中纤维与土颗粒间存在一定的界面作用，促使FLS 的劈裂抗拉强度随聚丙烯纤维掺量的增加而增大，石灰土的破坏压力和残余压力都不断增大，峰值强度对应的变形位移亦有相同趋势。

图3 FLS劈裂抗拉强度Fig.3 FLS Splitting Tensile Strength

2.3 复合改性对劈裂强度的影响

纳米粘土和聚丙烯纤维复合改性石灰土的劈裂抗拉强度曲线如图4所示。纳米粘土和聚丙烯纤维能一定程度提高石灰土28 d 劈裂抗拉强度。NFLS 劈裂抗拉强度最小提高率为21%，最大提高率为137%。说明纳米粘土和聚丙烯纤维复掺对石灰土的抗拉性能有较好的提升效果。这是由于添加聚丙烯纤维和纳米粘土后，纳米粘土使石灰土中生成了更多的钙矾石晶体和C-S-H 和C-A-H 胶凝物质，填充了石灰土中的孔隙，使得土体与聚丙烯纤维的咬合力更好，形成了更加密实的网状结构，增强了土体整体的密实度。当纳米粘土掺量为2%、4%时，掺聚丙烯纤维均能较大地提高石灰土的28 d 劈裂抗拉强度。当纳米粘土含量为6%时，聚丙烯纤维对石灰土28 d 劈裂抗拉强度的提升效果有限，说明当纳米粘土掺量较大时，掺入聚丙烯纤维对石灰土的抗拉性能提高有限。

图4 NFLS劈裂抗拉强度Fig.4 NFLS Splitting Tensile Strength

为了更好分析纳米粘土和聚丙烯纤维对石灰土劈裂抗拉性能的影响，选取LS（L6）、NLS（L6-N6）、FLS（L6-F0.75）和NFLS（L6-N4-F0.75）的劈裂抗拉强度随纳米粘土和聚丙烯掺量变化的曲线如图4⒟所示。劈裂试验刚开始时压条与试样刚接触，随着位移的增加试验力增长的比较缓慢。当上下压条与试样充分接触时把试样压实，随着位移的增加试验力增长速率比较快，试样进入了弹性变形阶段，压力随着位移呈直线上升趋势，在第一阶段中试样开始出现微小裂纹且不断增多。由图4⒟可知，FLS在弹性阶段的斜率最大，其次是NLS 和NFLS，LS 在弹性阶段的斜率最小。NFLS 比未掺时提前进入弹性变形阶段，这使得弹性变形阶段发展比未掺时快。在弹性变形阶段结束后试样直接进入了塑性变形阶段，此刻压力在短暂上升后迅速下降，随着位移的不断增大，压力快速下降。试样在达到峰值压力后，裂缝快速扩展并形成轴向贯穿裂缝，曲线达到最高点时，试样轴向裂缝瞬间扩大，试样被劈裂两半。L6、L6-N6 曲线达到最高点时曲线快速下降，试样彻底失去了承载能力，L6-F0.75、L6-N4-F0.75曲线达到最高点时曲线缓慢下降，试样破环后还有一定的承载力，说明聚丙烯纤维的掺加可以使石灰土破坏后还有足够的承载力。

2.4 基于能量耗散的劈裂性能分析

纤维和纳米粘土改性石灰土的劈裂变形的过程，可由热力学的角度分析NFLS 的劈裂抗拉强度和能力耗散的关系。由热力学第一定律可知，NFLS 的破坏变形过程伴随着能力的吸收、耗散和释放。设NFLS破坏时没有与外界进行能力交换，则产生的总能量W被NFLS 所吸收。因此，在荷载的作用下，NFLS 做功可分为试样内部累积的弹性应变能We和内部裂缝出现损伤破坏的耗散能Wd，满足如下公式：

NFLS 在荷载作用下吸收的总能量W和弹性应变能We的计算公式如下：

式中：σ1为主应力值；ε1为主应变值；E为弹性模量。

根据耗散能计算公式对纤维和纳米粘土改性石灰土在劈裂抗拉试验中受荷载时的总能量、弹性应变能和耗散能进行计算，如表2所示。

表2 劈裂抗拉NFLS的能量参数Tab.2 Energy Parameters of Splitting Tensile NFLS

NFLS 的耗散能与劈裂抗拉强度随纳米粘土和纤维掺量变化对比如图5 所示。NFLS 的耗散能随纳米粘土和纤维掺量的增加而增大，与劈裂抗拉强度变化趋势一致。当纳米粘土掺量为2%和4%时，NFLS 的耗散能随着纤维掺量的增加呈明显的上升趋势。而当纳米粘土掺量为6%，NFLS 的耗散能则与劈裂抗拉强度一致，随着纤维掺量的增加缓慢上升。纤维掺量为0.5 和0.75%时，耗散能相对于低纳米粘土掺量却有所下降。说明纳米粘土掺量过大对NFLS 的耗散能影响较大，更易造成试样内部出现裂缝损伤。