聚丙烯纖維加固軟土的無側限抗壓強度試驗研究

聚丙烯纖維加固軟土的無側限抗壓強度試驗研究

1纖維基復合材料在水泥工業(yè)中的應用在道路工程、海岸工程和各種基本建設項目中，人們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)土壤的軟土。由于其低強度和高壓縮性，通常無法滿足建設項目的要求。因此，有必要采取適當?shù)母脑旌图庸檀胧?，如將水泥、磨損、碎屑和灰燼作為加固材料，以提高土壤工程的性能。對于一些比較軟弱的地基,采用上述這些加固材料固然能改善軟土的工程性能,但它們的抗裂性和抗拉強度提高不明顯,常呈脆性破壞,有時不能滿足工程的實際要求,需要采取進一步的改性措施。目前,纖維作為一種工程材料主要被應用在水泥和混凝土中,并取得了一些重要研究成果。如:甘蔗渣纖維(bagassefibre)能夠改善水泥混合的力學性能。Puertas測試了纖維的加量對水泥的抗彎和抗壓等力學參數(shù)的影響;Xu通過研究發(fā)現(xiàn)不同纖維與水泥制品的耐久性存在一定關系。除此之外,也有一些學者將纖維加入土體中,對纖維土的強度、穩(wěn)定性及變形等方面進行了研究;清華大學的李廣信等、介新玉在黏性土中加入聚丙烯纖維,通過試驗,指出聚丙烯纖維不僅能夠提高土體的抗拉強度,而且還增強了土體的臨界斷裂韌度。本文針對軟土加固中傳統(tǒng)加固材料的一些不足和纖維材料自身的特性,在水泥土和生石灰土中摻入適量的聚丙烯纖維,配制了20組試樣,通過室內試驗,分析和研究了不同纖維摻量以及齡期對纖維石灰土和纖維水泥土強度的影響,并對加固機制和加固效果做了詳細地分析和討論。2樣品的選擇和制備2.1不同纖維原料的理化性質本次試驗所采用的土樣取自南京市某基坑,取樣深度在地下6m左右,所取土樣為的淤泥質黏土,其物理力學性質見表1;試驗中采用的纖維為聚丙烯纖維絲,其物理力學參數(shù)見表2。生石灰為一般道路工程和城市建設用灰,其氧化鈣含量為70.27%,氧化鎂含量為3.64%;水泥為市場上銷售的32.5級普通硅酸鹽水泥。2.2土、纖維石灰土和纖維水土工的制備試樣的制備過程如下:將從基坑中取出的土樣自然風干,然后粉碎。本次試驗中的纖維摻量分別為0.05%,0.15%和0.25%,生石灰和水泥的摻量參考文獻,分別選取5%和8%。按上述配比分別配制了素土、純纖維土、石灰土、水泥土、纖維石灰土和纖維水泥土共20組試樣,樣品制備均采用壓樣法,分3層壓實,樣品高為80mm,直徑為39.1mm。其中純纖維土樣的制備過程為:先將定量的纖維與干土攪拌均勻,再加水配制至最佳含水率,在保濕器中靜置24h;石灰土樣及纖維石灰土的制備過程為:先將生石灰或者生石灰與纖維分別與干土攪拌均勻,再加水配制至最佳含水率;水泥土和纖維水泥土在配制過程中,考慮到水泥的水化反應比較快,先將素土或者纖維土按一定的含水率配制好,在壓制土樣的前2h內才將水泥加入到土樣中攪拌均勻,并及時壓樣。試驗中考慮齡期對強度的影響,其中所有含石灰或水泥的試樣均用塑料薄膜密封裝好置于養(yǎng)護箱(溫度為(20±1)℃,相對濕度為(96±2)%)內分別養(yǎng)護7,14,28d。3試驗結果與討論3.1抗壓強度試驗試驗的主要目的是為了研究纖維對石灰和水泥改性土強度的影響,對所制備的20組試樣進行了無側限抗壓強度試驗。為了考慮齡期對強度的影響,對摻有生石灰和水泥的試樣分別測試了7,14,28d齡期的無側限抗壓強度,并根據(jù)規(guī)范的要求,在測試前將試樣完全浸水24h。試驗所用的儀器為南京土壤儀器廠生產的YYW-2型應變控制無側限抗壓儀,控制加載速率為2.4mm/min。3.2纖維摻量對土體力學性質的影響素土及不同纖維、石灰和水泥摻量以及在不同齡期下試樣的無側限抗壓強度如表3所示。圖1為素土與不同摻量纖維土的無側限抗壓強度曲線,從圖可知,纖維土的無側限強度均比素土高,是素土強度的1.08~1.21倍,且強度隨纖維含量的增加呈遞增趨勢。同時,試樣在破壞后,纖維土的強度曲線較素土下降平緩,并以纖維含量最高的F-3表現(xiàn)出最佳的破壞韌性。圖2為素土、纖維土、石灰土和水泥土無側限抗壓強度曲線,由圖可知,養(yǎng)護7d后的水泥土C-2和石灰土L-2的無側限抗壓強度比素土和纖維摻量為0.25%的F-3均有大幅度增加,且強度值均是素土的2倍以上,而且同樣都是8%摻量的水泥土強度要比石灰土強度高29%。C-2和L-2試樣在軸向應力達到峰值之后驟然喪失,試樣呈現(xiàn)脆性破壞,而加入一定量的纖維之后,其破壞形式和強度值齡期為28d如圖3和圖4所示。纖維石灰土和纖維水泥土在破壞之后仍然存在一定的殘余強度,其大小與纖維摻量成正比,而且在加入纖維后,石灰土和水泥土的強度值上升十分明顯,分別比加纖維前平均提高2.2倍和2.8倍,這在圖5和圖6中顯示更為明顯,從中可以看出:當纖維摻量從0%增加到0.05%,無論是石灰土還是水泥土,無側限抗壓強度都急劇上升,摻入纖維0.05%后,隨著纖維摻量的繼續(xù)遞增,石灰土和水泥土的無側限抗壓強度也呈遞增趨勢。此外,圖5和圖6還顯示,石灰和水泥土樣的無側限抗壓強度隨齡期增長而越高,且與石灰和水泥摻量成正比。結合表3,在只加入了0.05%的纖維而石灰摻量為5%的LF-1中,28d的強度分別為未摻纖維而生石灰和水泥摻量均為8%的L-2和C-2的28d強度的1.80倍和1.40倍。在同樣的條件下,養(yǎng)護了28d的CF-1的無側限抗壓強度則分別為養(yǎng)護了28d的L-2和C-2的2.08和1.62倍,由此可以看出,在石灰土和水泥土中摻入纖維,為達到某一無側限強度值可以大大地減少石灰和水泥的用量。圖7直觀地說明了纖維在改善土樣脆性破壞所起的作用,其中圖7(a)和圖7(b)分別為L-1和C-1純石灰和水泥摻量為5%的土樣;圖7(c)和圖7(d)分別為LF-2和CF-2石灰和水泥摻量為5%,纖維摻量為0.25%的土樣;圖7(e)為F-3純纖維摻量為0.25%的土樣;圖7(f)為素土。從圖上可以看出,未加纖維處理的圖7(a)和圖7(b),試樣呈明顯的脆性破壞,破壞裂縫發(fā)展較寬較長,而且還出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象,而在相同石灰和水泥摻量下,在土樣中摻入一定量的纖維之后,脆性破壞得到明顯的改善,如圖7(c)和圖7(d)所示,試樣的破壞裂縫相對較短、較細,裂而不斷。此外,對于圖7(e)和圖7(f),試樣在纖維的作用下,圖7(f)的破壞由應變軟化的塑性破壞向圖7(e)的應變硬化塑性破壞轉變。3.3纖維土體的用量和強度在素土中加入純纖維,能提高土的無側限抗壓強度,這主要是因為試樣在軸向壓力的作用下,由于纖維的存在,承擔了試樣發(fā)生剪切變形時的部分拉應力,對試樣的變形起限制作用,且纖維越多,能夠承擔的拉應力越大,從而導致纖維土比素土的無側限抗壓強度值高,并且隨纖維摻量的增加,試樣的無側限抗壓強度呈遞增趨勢。在土樣出現(xiàn)裂縫破壞時,由于纖維的存在,延緩了裂縫的進一步發(fā)展,土體所能承受的軸向壓力并不會出現(xiàn)驟減的現(xiàn)象,從而使纖維土呈現(xiàn)破壞韌性,如圖1所示。這里,纖維所承擔的拉應力主要取決于纖維與土顆粒之間的摩擦力以及土體對纖維的凝聚力。由于試驗所選用的纖維較細、較短,而且纖維表面光滑,所以纖維所承擔的拉應力主要貢獻自土體對纖維的凝聚力。試驗中纖維土的無側限抗壓強度比素土只有小幅度增加,主要是因為試驗選取的土樣中沒有摻入其他改性劑,缺少凝聚力高的膠結物。目前對生石灰和水泥改性土已有不少研究[9,11,12,13,14,15,16],主要機制是生石灰和水泥的消化和水化作用在土體中形成膠結物,使土顆粒之間的聯(lián)結方式發(fā)生變化,增加了土顆粒之間的聯(lián)結力,同時膠結物的增加使土中處于分散狀態(tài)的膠粒聚集成團,孔隙比大大降低,提高了土體的結構強度,如表3所示。此外,生石灰和水泥的加入還改善了土體的水穩(wěn)性,對于L-1的一組試樣在第7d泡水時發(fā)生崩解,主要是因為生石灰摻量過低和養(yǎng)護時間較短所造成的,因為養(yǎng)護時間越長、生石灰摻量越多,通過發(fā)生化學反應生成的膠結物也越多。因此,石灰土和水泥土試樣隨著齡期的增長無側限抗壓強度越高。此外,由于生石灰和水泥成分的差異,它們各自的水化產物也不同,水泥水化產物的強度比生石灰高。從表3和圖2都可以看出:水泥相對于生石灰來說,對軟土有更好的加固效果。但由于生石灰和水泥水化產物的強膠結性,使土樣具有較好的板體性和剛性,因此,試樣呈現(xiàn)脆性的破壞,強度瞬間喪失(見圖2)。在石灰土和水泥土中摻入纖維后,由于生石灰和水泥水化產生的強膠結性,纖維在土體中形成一種空間網(wǎng)狀結構,對土顆粒變形和位移產生約束,增加了土體的結構強度,從而使土樣的水穩(wěn)性得到改善,同時也極大地提高了纖維在土體中的抗拉能力,能夠承擔起土樣在復雜應力狀態(tài)下的很大一部分拉應力,延緩裂縫的發(fā)展和防止整個結構的瞬間破壞,從而改善了石灰土和水泥土的脆性破壞模式,并表現(xiàn)出較高的殘余強度。此外,由于水泥水化產生的膠結物強度比石灰高,對纖維的凝聚力就越強,因此,在水泥土中加入纖維比在石灰土中加入纖維能起到更好的加固效果(如表3所示)。4聚丙烯纖維改性在試驗的基礎上分析了纖維、石灰和水泥對軟土的加固機制和效果,重點討論了纖維及其不同摻量對素土、石灰土和水泥土無側限抗壓強度的影響,并對試驗結果進行了詳細的分析,得到以下幾點結論:(1)聚丙烯纖維在土體的摩擦力和凝聚力作用下,在土體當中形成空間網(wǎng)狀結構,約束了土顆粒的位移和變形,能夠改善軟土的水穩(wěn)性;由于纖維承擔了土體發(fā)生變形時的