聚丙烯纖維加固軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

聚丙烯纖維加固軟土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

1纖維基復(fù)合材料在水泥工業(yè)中的應(yīng)用在道路工程、海岸工程和各種基本建設(shè)項(xiàng)目中，人們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)土壤的軟土。由于其低強(qiáng)度和高壓縮性，通常無法滿足建設(shè)項(xiàng)目的要求。因此，有必要采取適當(dāng)?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(duì)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(qiáng)度提高不明顯,常呈脆性破壞,有時(shí)不能滿足工程的實(shí)際要求,需要采取進(jìn)一步的改性措施。目前,纖維作為一種工程材料主要被應(yīng)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(xué)性能。Puertas測(cè)試了纖維的加量對(duì)水泥的抗彎和抗壓等力學(xué)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(guān)系。除此之外,也有一些學(xué)者將纖維加入土體中,對(duì)纖維土的強(qiáng)度、穩(wěn)定性及變形等方面進(jìn)行了研究;清華大學(xué)的李廣信等、介新玉在黏性土中加入聚丙烯纖維,通過試驗(yàn),指出聚丙烯纖維不僅能夠提高土體的抗拉強(qiáng)度,而且還增強(qiáng)了土體的臨界斷裂韌度。本文針對(duì)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(nèi)試驗(yàn),分析和研究了不同纖維摻量以及齡期對(duì)纖維石灰土和纖維水泥土強(qiáng)度的影響,并對(duì)加固機(jī)制和加固效果做了詳細(xì)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(zhì)本次試驗(yàn)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(zhì)黏土,其物理力學(xué)性質(zhì)見表1;試驗(yàn)中采用的纖維為聚丙烯纖維絲,其物理力學(xué)參數(shù)見表2。生石灰為一般道路工程和城市建設(shè)用灰,其氧化鈣含量為70.27%,氧化鎂含量為3.64%;水泥為市場(chǎng)上銷售的32.5級(jí)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(fēng)干,然后粉碎。本次試驗(yàn)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(xiàn),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(shí),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(yīng)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(nèi)才將水泥加入到土樣中攪拌均勻,并及時(shí)壓樣。試驗(yàn)中考慮齡期對(duì)強(qiáng)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(hù)箱(溫度為(20±1)℃,相對(duì)濕度為(96±2)%)內(nèi)分別養(yǎng)護(hù)7,14,28d。3試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試驗(yàn)的主要目的是為了研究纖維對(duì)石灰和水泥改性土強(qiáng)度的影響,對(duì)所制備的20組試樣進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。為了考慮齡期對(duì)強(qiáng)度的影響,對(duì)摻有生石灰和水泥的試樣分別測(cè)試了7,14,28d齡期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,并根據(jù)規(guī)范的要求,在測(cè)試前將試樣完全浸水24h。試驗(yàn)所用的儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的YYW-2型應(yīng)變控制無側(cè)限抗壓儀,控制加載速率為2.4mm/min。3.2纖維摻量對(duì)土體力學(xué)性質(zhì)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(cè)限抗壓強(qiáng)度如表3所示。圖1為素土與不同摻量纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線,從圖可知,纖維土的無側(cè)限強(qiáng)度均比素土高,是素土強(qiáng)度的1.08~1.21倍,且強(qiáng)度隨纖維含量的增加呈遞增趨勢(shì)。同時(shí),試樣在破壞后,纖維土的強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)度曲線,由圖可知,養(yǎng)護(hù)7d后的水泥土C-2和石灰土L-2的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比素土和纖維摻量為0.25%的F-3均有大幅度增加,且強(qiáng)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(qiáng)度要比石灰土強(qiáng)度高29%。C-2和L-2試樣在軸向應(yīng)力達(dá)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(dāng)纖維摻量從0%增加到0.05%,無論是石灰土還是水泥土,無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(cè)限抗壓強(qiáng)度也呈遞增趨勢(shì)。此外,圖5和圖6還顯示,石灰和水泥土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期增長(zhǎng)而越高,且與石灰和水泥摻量成正比。結(jié)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(qiáng)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(qiáng)度的1.80倍和1.40倍。在同樣的條件下,養(yǎng)護(hù)了28d的CF-1的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度則分別為養(yǎng)護(hù)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(dá)到某一無側(cè)限強(qiáng)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(zhǎng)-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L(zhǎng)F-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(zhǎng),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(duì)較短、較細(xì),裂而不斷。此外,對(duì)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(yīng)變軟化的塑性破壞向圖7(e)的應(yīng)變硬化塑性破壞轉(zhuǎn)變。3.3纖維土體的用量和強(qiáng)度在素土中加入純纖維,能提高土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,這主要是因?yàn)樵嚇釉谳S向壓力的作用下,由于纖維的存在,承擔(dān)了試樣發(fā)生剪切變形時(shí)的部分拉應(yīng)力,對(duì)試樣的變形起限制作用,且纖維越多,能夠承擔(dān)的拉應(yīng)力越大,從而導(dǎo)致纖維土比素土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度值高,并且隨纖維摻量的增加,試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈遞增趨勢(shì)。在土樣出現(xiàn)裂縫破壞時(shí),由于纖維的存在,延緩了裂縫的進(jìn)一步發(fā)展,土體所能承受的軸向壓力并不會(huì)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(dān)的拉應(yīng)力主要取決于纖維與土顆粒之間的摩擦力以及土體對(duì)纖維的凝聚力。由于試驗(yàn)所選用的纖維較細(xì)、較短,而且纖維表面光滑,所以纖維所承擔(dān)的拉應(yīng)力主要貢獻(xiàn)自土體對(duì)纖維的凝聚力。試驗(yàn)中纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比素土只有小幅度增加,主要是因?yàn)樵囼?yàn)選取的土樣中沒有摻入其他改性劑,缺少凝聚力高的膠結(jié)物。目前對(duì)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(jī)制是生石灰和水泥的消化和水化作用在土體中形成膠結(jié)物,使土顆粒之間的聯(lián)結(jié)方式發(fā)生變化,增加了土顆粒之間的聯(lián)結(jié)力,同時(shí)膠結(jié)物的增加使土中處于分散狀態(tài)的膠粒聚集成團(tuán),孔隙比大大降低,提高了土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(duì)于L-1的一組試樣在第7d泡水時(shí)發(fā)生崩解,主要是因?yàn)樯覔搅窟^低和養(yǎng)護(hù)時(shí)間較短所造成的,因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)、生石灰摻量越多,通過發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的膠結(jié)物也越多。因此,石灰土和水泥土試樣隨著齡期的增長(zhǎng)無側(cè)限抗壓強(qiáng)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(chǎn)物也不同,水泥水化產(chǎn)物的強(qiáng)度比生石灰高。從表3和圖2都可以看出:水泥相對(duì)于生石灰來說,對(duì)軟土有更好的加固效果。但由于生石灰和水泥水化產(chǎn)物的強(qiáng)膠結(jié)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(qiáng)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(chǎn)生的強(qiáng)膠結(jié)性,纖維在土體中形成一種空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),對(duì)土顆粒變形和位移產(chǎn)生約束,增加了土體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,從而使土樣的水穩(wěn)性得到改善,同時(shí)也極大地提高了纖維在土體中的抗拉能力,能夠承擔(dān)起土樣在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的很大一部分拉應(yīng)力,延緩裂縫的發(fā)展和防止整個(gè)結(jié)構(gòu)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(qiáng)度。此外,由于水泥水化產(chǎn)生的膠結(jié)物強(qiáng)度比石灰高,對(duì)纖維的凝聚力就越強(qiáng),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(yàn)的基礎(chǔ)上分析了纖維、石灰和水泥對(duì)軟土的加固機(jī)制和效果,重點(diǎn)討論了纖維及其不同摻量對(duì)素土、石灰土和水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析,得到以下幾點(diǎn)結(jié)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(dāng)中形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),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(dān)了土體發(fā)生變形時(shí)的