改性聚丙烯纤维和水泥加固黄土的力学性能

改性聚丙烯纤维和水泥加固黄土的力学性能
杨博瀚;翁兴中;刘军忠;寇雅楠;付婕;姜乐;李洪磊
【摘要】为研究改性聚丙烯纤维和水泥加固黄土的力学性能,通过无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验,对不同纤维掺量、水泥掺量、养护龄期和纤维长度的试件在浸水和未浸水条件下的力学性能进行研究.结果表明:改性聚丙烯纤维和水泥的共同加固作用对提高黄土的早期无侧限抗压强度贡献最大,3d龄期的无侧限抗压强度达3.65～5.99 MPa;随着水泥掺量的增大,试件呈现明显的脆性破坏特征,纤维的掺入可改善试件的脆性破坏模式;随着纤维掺量的增大,试件破坏特征呈现由脆性破坏向延性、塑性破坏过渡的趋势;改性聚丙烯纤维加筋水泥稳定土的最佳纤维掺量为0.30％～0.45％(质量分数),最佳纤维长度为12nm.由破坏性状分析可知,水泥稳定土试件受压易产生脆裂破坏,改性聚丙烯纤维在水泥稳定土中的“桥梁”连接作用使得加固试件受压破坏时的整体性较好.
【期刊名称】《建筑材料学报》
【年(卷),期】2016(019)004
【总页数】8页(P694-701)
【关键词】纤维加筋土;水泥稳定土;黄土;力学性能;破坏性状
【作者】杨博瀚;翁兴中;刘军忠;寇雅楠;付婕;姜乐;李洪磊
【作者单位】空军工程大学机场建筑工程系,陕西西安710038;空军工程设计研究局,北京100068;空军工程大学机场建筑工程系,陕西西安710038;空军工程大学机场建筑工程系,陕西西安710038;空军工程大学机场建筑工程系,陕西西安
710038;空军勤务学院航空军需系,江苏徐州221000;空军工程大学机场建筑工程系,陕西西安710038;空军工程大学机场建筑工程系,陕西西安710038
【正文语种】中文
【中图分类】TU502+.6
目前在岩土工程中土工织物和土工格栅等传统加筋材料已得到普遍应用，它们可有效提高土体强度和稳定性[1，2].但传统加筋材料一般外形尺寸较大，需要按照一定方向和间距布设，而且加筋材料与土体间不能均匀混合，造成加筋土的力学性能呈现显著的各向异性.纤维材料是一种新型加筋材料，其不仅自身强度高而且分散性好，易于拌和，可在土体中形成各向同性的匀质材料，从而避免了传统加筋材料因加筋方向和间距等问题在土体中形成的潜在薄弱面.近些年纤维更多地被应用在岩土工程中，尤其是采用水泥、石灰等作为土体稳定材料时，工程技术人员和学者对纤维加筋技术开展了大量研究[3-7].
工程中最常用的纤维材料是聚丙烯纤维(PP纤维)，它是通过特殊工艺聚合而成的高分子化合物，具有高强度、耐热、耐酸碱及不吸水等特性.Ahmad等[8-9]采用聚丙烯纤维作为加筋材料，明显改善了土体的力学性能；Li等[10]试验发现聚丙烯纤维可显著提高土体的弯拉性能；Maheshwari等[11-12]研究表明聚丙烯纤维的加筋作用能有效提高土体的极限承载力，并同时减小土体的沉降量；Tang等[13]研究了聚丙烯纤维加筋水泥土剪切强度特性，结果表明纤维的加筋效果在水泥土中能更好发挥；蔡奕等[14]研究了聚丙烯纤维加筋石灰土的抗压强度，分析了纤维掺量、石灰掺量及养护时间的影响.
上述研究从不同角度展示了聚丙烯纤维加筋土的工程性质，但已有研究基本上是在土体处于非浸水条件下进行的，且大部分工作以砂土为研究对象，对湿陷性黄土的研究相对较少.事实上，土质差异和纤维种类也是影响加筋效果的重要因素，且目
前应急土体加固工程中用到的多是湿陷性黄土，不仅需要在短时间内提高土体强度且需消除雨水浸泡等不利条件的影响.
本文以中国北部地区具有代表性的湿陷性黄土为研究土体，采用改性聚丙烯纤维(MPP纤维)为加筋材料，通过控制水泥掺量(质量分数，文中涉及的掺量、含水率
等均为质量分数)、纤维掺量、养护龄期和纤维长度，在浸水和未浸水条件下开展
了一系列力学性能试验，重点分析了水泥掺量和纤维掺量对纤维加筋水泥稳定黄土力学性能的影响，并且从试件的破坏性状角度，对其机理进行了诠释.
土样取自西安市南郊地铁2号线施工工地，为湿陷性黄土，根据JTG E40—2007《公路土工试验规程》知此，西安土为黏质土，土样的基本物理性能如表1所示；水泥为秦岭牌普通硅酸盐水泥P·O 42.5R，表观密度为3.10g/cm3，水泥掺量分
别为6%，8%及10%(以干土质量计)；改性聚丙烯纤维为单丝纤维，其性能参数
如表2所示，纤维掺量分别为0.15%，0.30%，0.45%，0.60%，0.80%及1.00%，纤维长度分别为9，12，19mm(若无特别说明，试件中纤维长度均为12mm).参
照JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》的相关规定，采用
路面材料强度试验仪，开展水泥稳定土和纤维加筋稳定土试件的无侧限抗压强度(UCS，以下简称为强度)试验和劈裂抗拉强度(STS)试验.根据击实试验得到各试件
的最佳含水率和最大干密度，如表3所示.按照最佳含水率和最大干密度制备
φ50×50mm圆柱形试件.
2.1 无侧限抗压强度试验
无侧限抗压强度是衡量纤维加筋稳定土加筋作用和稳定加固效果的主要指标.对纤
维加筋水泥稳定土试件(8#～19#试件) 进行了养护龄期分别为3，7，14d，未浸
水和浸水条件下的无侧限抗压强度试验和水稳定性试验，并采集了相应的轴向应力-应变曲线.试验结果如表4所示.为考察水泥与纤维对黄土早期强度的贡献程度，
试验中同时对素土试件(S)，纤维加筋土试件(SP1，SP2，SP3)和水泥稳定土试件
(C6，C8，C10)进行强度和水稳定性试验，以增强试验结果的可比性，它们的试
验结果也列于表4.
2.1.1 水泥掺量的影响
由表4可知，纤维加筋水泥稳定土的无侧限抗压强度基本随水泥掺量的增加而增大.相对纤维加筋水泥稳定土试件，纤维加筋土试件(SP1，SP2，SP3)的强度一直
保持在较低水平，为0.91～1.46MPa，且水稳定性能差，浸水后即发生崩解直至
坍塌，可见仅掺入纤维不能提高土样的水稳定性能；纤维加筋土中掺入水泥后，其强度有较大幅度提高，远大于素土试件和纤维加筋土试件，水稳定性能也有较大改善，水稳定系数基本保持在40%～80%，这说明在纤维加筋土中掺入水泥可改变
土体性质，水泥的水化反应让土颗粒胶结在一起，使得土体强度大幅提高，水稳定性也大幅提高.分散的纤维在土体内被水泥凝结的大量土颗粒所包裹，纤维受到更
大的界面摩擦力和黏结力，因此加筋效果更为显著.在水泥水化反应所起的化学加
固和纤维锚固拉筋作用所起的物理加固双重作用下，试件的无侧限抗压强度和水稳定性能有较大提高和改善.已有研究表明，当土体中掺入水泥和石灰等稳定材料时，纤维加筋的效果更为突出[13-15].需要注意的是，水泥掺量为8%～10%在水泥类
稳定材料中不是一个小掺量，因此纤维加筋水泥稳定土的收缩性和抗裂性还有待进一步试验评定.
2.1.2 纤维掺量的影响
由表4可知：当纤维掺量小于0.45%时，随着纤维掺量的增加，试件无侧限抗压
强度呈不断递增趋势；当纤维掺量大于0.45%时，试件无侧限抗压强度递减；对
于水泥掺量为10%的试件(C10，C10P1，C10P2，C10P3)，当纤维掺量由0增
加到0.45%时，7d 未浸水抗压强度由3.32MPa增加到7.40MPa，提升了2.23倍，7d浸水抗压强度从2.49MPa增加到3.80MPa，提升了1.53倍；试件浸水
后强度大幅下降.这主要是因为纤维拌入混合料之后，随机分散的纤维在混合料中
乱向排列，并呈三维网状分布，纤维掺量越大，形成的空间网状分布特征越显著，从而分散和传递荷载的能力越强[16]；但由于浸水后土体与纤维的界面摩擦力和黏结力急剧下降，致使强度显著降低.由此可见，在达到一定无侧限抗压强度值的条件下，往水泥稳定土中掺入纤维，可起到减小水泥掺量的效果，即以增加小掺量纤维来达到减少较大掺量水泥的目的.
为进一步研究纤维掺量对试件无侧限抗压强度的影响，在水泥掺量为8%的水泥稳定土中掺入0%，0.15%，0.30%，0.45%，0.60%，0.80%及1.00%的纤维.由表4可知：这些试件的7d浸水与未浸水无侧限抗压强度均随着纤维掺量的增加先增后减；当纤维掺量达0.45%时，试件C8P3的7d浸水和未浸水无侧限抗压强度均达到最大值.这表明纤维掺量存在一个最佳值，当超过最佳值后，试件强度随纤维掺量的增加而下降.多名学者在研究纤维掺量与土体力学性能时也得到类似结果[17-19]：当纤维掺量超过最佳值后，纤维在土体中的乱向分布程度随纤维掺量的增加而减小，定向分布程度增加且纤维容易集聚成团，分散纤维与土体之间的界面摩擦力和胶结力大幅减小.由试验结果可以确定改性聚丙烯纤维的最佳掺量为
0.45%.
2.1.3 纤维与水泥交互作用分析
为考察纤维加筋水泥稳定土早期无侧限抗压强度的来源，研究纤维与水泥以及纤维交互作用对黄土早期无侧限抗压强度的贡献程度，将试件SP3，C10和C10P3的3，7，14d 未浸水强度与试件S的强度进行对比，结果如表5所示.其中R1，R2和R3分别为试件SP3，C10和C10P3各龄期强度相对试件S强度的增幅，以R3与R1+R2之差来表示纤维与水泥交互作用后试件强度的提高幅度.
由表4，5可以发现：试件SP3的3d未浸水强度为1.38MPa，较素土试件S的强度提高112.31%；相同条件下试件C10的强度为2.86MPa，较素土试件S的强度提高340.00%.由此可知，水泥对试件的早期强度贡献较大.纤维和水泥共同加
固黄土后产生交互作用，使得纤维加筋水泥稳定土早期强度的提高效果大于各单因素加固黄土的效果之和.如试件C10P3的3d未浸水强度为5.99MPa，较素土试件S的强度提高821.54%，比之前单因素加固黄土的强度提高幅度总和还要高出369.23%.由表5还可知，其他龄期的对比结果与3d时基本相似.在纤维加筋水泥
稳定土早期强度的形成过程中，纤维与水泥交互产生的共同加固作用对黄土的早期强度贡献最大，但需要注意的是，纤维加筋水泥稳定土获得的强度主要来源于水泥，虽然纤维与水泥的交互加固作用显著，但在没有水泥的情况下，再高的纤维掺量也获得不了浸水强度.
2.1.4 养护龄期的影响
由表4可知：试件的无侧限抗压强度随着养护龄期的延长而增大，且不同水泥掺
量的纤维加筋稳定土早期强度增长较快，后期增长放缓，但仍远大于同龄期素土的强度.如试件C10P3的3d未浸水抗压强度为5.99MPa，7d时即达到7.40MPa，增幅为23.5%，14d强度为8.28MPa，较7d强度增长11.9%，但14d的素土试件强度仅为0.84MPa.研究发现，纤维加筋石灰土的无侧限抗压强度在养护前期增长较慢而在后期增长较快[13，15]，而纤维加筋水泥稳定土的无侧限抗压强度在
养护前期增长较快[13]；随着养护龄期的延长，纤维加筋稳定土的强度均会有所提高，但由于稳定材料的不同，其强度增长的速率在养护初期和后期并不相同.由于
本文采用P·O 42.5R普通硅酸盐水泥作为稳定材料，使得纤维加筋水泥稳定土的
早期强度提高很快，当水泥掺量达到8%时，3d时的浸水强度已基本大于3MPa，这对于一些应急土体加固工程十分有利.
2.1.5 纤维长度的影响
为研究纤维长度对试件无侧限抗压强度的影响，固定水泥掺量为8%，纤维掺量为0.30%，采用纤维长度为9，12，19mm的改性聚丙烯纤维分别制作纤维加筋水
泥稳定土试件，养护7d后进行无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验，结果如
图1所示.由图1可知：纤维长度对试件的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度均有显著影响；在相同水泥和纤维掺量下，试件的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度均随纤维长度的增长先增后减；纤维加筋水泥稳定土试件无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度的最大值均出现在纤维长度为12mm时，表明此长度的纤维物理加筋效果最佳；纤维长度为12mm的试件7d未浸水和浸水无侧限抗压强度值分别为9mm长度纤维试件的1.05倍和1.39倍，为19mm长度纤维试件的1.20倍和1.47倍；纤维长度为12mm的试件7d未浸水和浸水劈裂抗拉强度值分别为9mm长度纤维试件的1.19倍和1.31倍，为19mm长度纤维试件的1.26倍和1.17倍.
掺入9mm长度纤维的试件进行无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验时，纤维基本以在土体中发生滑动，被拔出土体作为主要加筋失效形式.对于掺入19mm长度纤维的试件，其强度值均低于掺入 9mm 长度纤维的试件，原因一方面是由于在同等掺量下，长度大的纤维个数少，与混合料形成的空间网状结构较弱，所能承受的拉应力下降；另一方面是纤维的长径比较大，在较大荷载作用下，以纤维被拉断作为主要失效形式.掺入12mm长度纤维的试件在土体中所受到的胶结力和摩擦力之和与纤维的抗拉强度较为相近，随着荷载的增大，纤维处于滑动、拔出和被拉断的临界状态.因此，仅当纤维的长径比较为合适时，纤维抗拉强度与其在土体中承受的拉应力较为相近，其物理加筋作用才能得到最好体现[24].试验结果和以往研究成果[20-23]可以确定改性聚丙烯纤维的最佳长度为12mm.
2.1.6 应力-应变特性分析
不同水泥掺量下，养护7d龄期，纤维掺量为0.30%的纤维加筋水泥稳定土应力-应变曲线如图2所示.
由图2可知：在纤维加筋土中掺入水泥后，试件无侧限抗压强度得到较大幅度提高，且随着水泥掺量的增加而不断提高；水泥掺量为6%，8%，10%的纤维加筋水泥稳定土的无侧限抗压强度分别为未掺水泥试件SP2的4.24，4.55，5.50倍；
水泥的掺入使得试件的应力-应变曲线在峰后迅速下降，并呈现出脆性破坏特征.
7d龄期下，纤维掺量分别为0.15%，0.30%，0.45%的纤维加筋土和水泥掺量为8%，纤维掺量不同的纤维加筋水泥稳定土的应力-应变曲线分别如图3，4所示.
由图3可知：与素土试件相比，掺入纤维的试件无侧限抗压强度均有较大提高，
且其峰值应力大致随着纤维掺量的增加而增大；各纤维加筋土试件的初始应力-应
变曲线重合性较好，曲线较为陡直，应力增加速率远大于应变的增加速率，这表明纤维掺入使试件在初始受荷阶段的结构强度得到提高，体现出较强的抗裂补强加筋效果.
由图4可见，随着纤维掺量的增大，纤维加筋水泥稳定土试件的轴向应力峰后曲
线下降更为缓慢，残余强度越来越大[13].这表明纤维的掺入改善了水泥稳定土试
件的脆性破坏模式，试件破坏特征呈现由脆性破坏向延性、塑性破坏过渡的趋势. 2.2 劈裂抗拉强度试验
相对于土体的无侧限抗压强度，其劈裂抗拉强度往往较小，在试验中难于精确测量.虽然土体的劈裂抗拉强度相对较小，在岩土工程的实际应用中却是十分重要的力学指标.许多学者对土体的劈裂抗拉强度进行了试验研究，其试验方法大致分为直接
试验法和间接试验法.本文采用劈裂抗拉强度间接试验法，开展水泥稳定土和纤维
加筋水泥稳定土试件养护7d的未浸水和浸水的劈裂抗拉强度试验.其劈裂抗拉强度σt可表示为：
水泥稳定土试件以及纤维加筋水泥稳定土试件的7d劈裂抗拉强度试验结果如图5，6所示.
由图5，6可见：水泥和纤维的掺入对试件劈裂抗拉强度有显著增强作用，且随着水泥和纤维掺量的增加而不断增强；试件劈裂抗拉强度随水泥掺量的增大近似呈线性增长；在浸水条件下水泥掺量对试件劈裂抗拉强度影响较大，浸水试件劈裂抗拉强度随水泥掺量变化的曲线低于未浸水试件；掺入纤维之后，养护7d的未浸水试
件劈裂抗拉强度约为0.5～1.0MPa，而浸水试件劈裂抗拉强度在0.3～0.6MPa；劈裂抗拉强度并非纤维掺量越多就越强，而是存在一个最佳掺量，当纤维掺量不超过最佳掺量时，纤维掺量的增加可较大幅度增强试件的劈裂抗拉强度；当纤维掺量为0.45%时，纤维对增强试件劈裂抗拉强度的加筋效果最好，这与前面所述的纤维掺量对试件无侧限抗压强度的影响一致.
纤维加筋水泥稳定土在荷载作用下的破坏性状是其内部土颗粒发生滑移、偏转，纤维受力拉伸以及微裂缝产生、发展的宏观体现.纤维加筋土、水泥稳定土及纤维加筋水泥稳定土试件的受荷破坏形态如图7所示.
由图7(a)，(b)可见：受到轴向荷载后，水泥稳定土试件上的纵向裂缝在没有明显征兆的情况下迅速发展、延伸最终贯穿试件两端，裂缝呈现长、宽而稀疏的特征，且往往伴随着碎屑脱离和土块掉落现象；由于试样上、下端面有承压块的作用，将试件表面破裂松动区剥去后，环形剪切面十分明显，试件呈倒锥型脆性破坏，此破坏模式类似于水泥混凝土受压时产生的脆性破坏，因此水泥的加入使得土体材料向脆性材料过渡.由图7(c)可见，随着荷载的增大，纤维加筋土试件的表面薄弱处首先出现微裂缝，进而不断发展成纵向和斜向裂缝，没有明显的破裂面形成，而试件中部渐渐突出呈鼓状塑性破坏特征，表明纤维改善了试件的脆性破坏特征，这说明纤维的掺入可有效阻止裂缝的进一步发展[13-16].由图7(d)可见，纤维加筋水泥稳定土试件裂缝发展呈现短、细而密的特征，试件裂而不断，呈现出明显的延性破坏特征，纤维的“桥梁”连接作用显著，并且被破坏的试件能够保持较好整体性. (1)纤维和水泥的共同加固可显著提高黄土早期无侧限抗压强度.水泥稳定土和纤维加筋土试件的无侧限抗压强度和水稳定性系数基本随水泥掺量和纤维掺量的增加而增加，随养护龄期的延长而提高，且早期无侧限抗压强度较高(3d时达3.65～5.99MPa).
(2)水泥的掺入使纤维加筋土试件的应力-应变曲线在峰后迅速下降，并呈现脆性破
坏特征，但纤维的掺入使试件残余强度变大，并改善了其脆性破坏模式，破坏特征呈现由脆性破坏向延性、塑性破坏过渡的趋势.
(3)纤维的掺入可显著增强湿陷性黄土的力学性能，改性聚丙烯纤维加筋水泥稳定黄土的最佳纤维掺量为0.30%～0.45%，最佳纤维长度为12mm.。