曹明緯 朱文旺 吳月勇 曹如意

（1.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京210098；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京210098）

聚丙烯纖維是改善水泥基復(fù)合材料抗裂性和韌性的有效組成材料之一。 水泥土是將土、硅酸鹽水泥和水按一定比例拌合、搗實(shí)、養(yǎng)護(hù)而成的一種具有一定工程特性的材料，但水泥土的抗拉強(qiáng)度，抗裂性能差，采用在水泥土中摻入聚丙烯纖維的方法可以獲得比水泥土強(qiáng)度更高的纖維水泥土，通過(guò)聚丙烯吸收能量，大幅提高混凝土抗裂能力。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

水泥：采用P.C32.5 復(fù)合硅酸鹽水泥

土料：取南京鼓樓河海大學(xué)旁隧道用土，在室內(nèi)攤開(kāi)風(fēng)干，粉碎結(jié)塊后用篩子篩去雜質(zhì)。 土壤為輕土壤。

聚丙烯纖維：某國(guó)產(chǎn)聚丙烯材料，具體指標(biāo)如下

纖維形狀：束狀單絲 截面形狀：Y 型

纖維直徑：31μm 密 度：0.91kg/m3： 長(zhǎng) 度：6mm、12mm

抗拉強(qiáng)度：≥400MPa 斷裂伸長(zhǎng)度：>1596 楊氏模量：≥3.5

導(dǎo)電性： 低 熔 點(diǎn)：165-175℃ 燃 點(diǎn)：590℃

1.2 試驗(yàn)方法

水泥土抗拉和抗壓實(shí)驗(yàn)采用7.07cm×7.07cm×7.07cm 立方體試模，水泥土水灰比為0.5，水泥摻量為12%，纖維摻量（體積比）分別為0、1%、1.5%。 進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，壓力機(jī)以1.5-2.0kN/s 的速度連續(xù)而均勻的加荷直至試件破壞;進(jìn)行抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，壓力機(jī)以0.2-0.3kN/s 的速度加荷直至試件破壞。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 聚丙烯纖維對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

圖1 聚丙烯纖維長(zhǎng)度l 和含量w對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 聚丙烯纖維長(zhǎng)度l 和含量w對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度的影響

從圖1 可以看出當(dāng)w 在0-1%時(shí)， 抗壓強(qiáng)度σ 隨w 增加而增加，但增加速度減慢，當(dāng)w 在1%到2%時(shí)，σ 隨w 增大而減小。 由此看出纖維含量在1%左右時(shí)σ 達(dá)到最大值，為1.75MPa（6mm 纖維），此后σ減少。 L 分別為6、12mm 時(shí)，σ 分別為1.75、1.83MPa，比素水泥土抗壓強(qiáng)度（1.42MPa）分別增加23.2%、28.9%。 所以適當(dāng)摻入聚丙烯纖維可以增加水泥土抗壓強(qiáng)度，但纖維存在一個(gè)最佳摻量，為1%左右，超過(guò)這個(gè)最佳摻量反而會(huì)使σ 降低。 另外也可適當(dāng)增加纖維長(zhǎng)度來(lái)增加水泥土抗壓強(qiáng)度。

2.2 聚丙烯纖維對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度的影響

從圖2 可以看出抗拉強(qiáng)度σ 隨w 的變化趨勢(shì)與抗壓強(qiáng)度隨w 的變化趨勢(shì)相近，同樣是隨著w 的增加先增加再減小，存在一個(gè)現(xiàn)為最佳摻量，為1%左右。 當(dāng)纖維摻量為1%時(shí)，6mm、12mm 的纖維水泥土抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到最大為0.4、0.44MPa， 分別比素水泥土抗拉強(qiáng)度（0.3MPa）增加33.3%、46.7%。

3 機(jī)理分析

往水泥土中參入適量的聚丙烯纖維能顯著提高水泥土的抗壓和抗拉強(qiáng)度，原因是聚丙烯纖維細(xì)長(zhǎng)，隨機(jī)分布在土體中，使其內(nèi)部形成一種支撐體系。 在受力時(shí)聚丙烯纖維承擔(dān)了試樣剪切變形的部分應(yīng)力，限制了試樣的變形從而增加了水泥土的抗壓和抗拉強(qiáng)度。 當(dāng)纖維含量在1%時(shí)，纖維分布比較均勻，內(nèi)部凝聚力較大，現(xiàn)為承擔(dān)應(yīng)力左右最為明顯，為最佳摻量。當(dāng)試件破壞時(shí)，如果水泥土與纖維間的作用力大于破壞力，則由纖維承擔(dān)所有荷載作用力，使水泥土在受到不斷增加的荷載作用時(shí)出現(xiàn)更多裂縫直至聚丙烯纖維被拉斷或拔出。因此適量摻入聚丙烯纖維可以增強(qiáng)水泥土的抗壓和抗拉強(qiáng)度。 同時(shí)，適當(dāng)增加纖維長(zhǎng)度，增加纖維在水泥土受力時(shí)承擔(dān)部分應(yīng)力的能力，也增加了水泥土的強(qiáng)度，提高水泥土性能。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究可以得出，在水泥土中加入少量聚丙烯纖維可以顯著增加水泥土的抗壓和抗拉強(qiáng)度。但隨著纖維的增加，水泥土抗壓、抗拉強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值，隨后會(huì)隨之減小，因此應(yīng)適量摻入聚丙烯纖維來(lái)提高水泥土抗壓和抗拉強(qiáng)度。 同時(shí)，聚丙烯纖維長(zhǎng)度適當(dāng)增加也會(huì)增加水泥土的抗壓和抗拉強(qiáng)度。

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［2］張雷.聚丙烯纖維對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2005,1:1129.

［3］李俊才,趙澤三.水泥土的微觀結(jié)構(gòu)特征及分析[J].成都理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,27:388-393.