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        玄武巖纖維加筋膨脹土強(qiáng)度的試驗(yàn)研究

        2015-01-18 07:12:02莊心善余曉彥
        關(guān)鍵詞:百分表側(cè)限玄武巖

        莊心善,余曉彥,游 鵬,周 談

        (湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院,湖北 武漢430068)

        膨脹土的化學(xué)改良方法對(duì)施工工藝及施工機(jī)械的要求比較嚴(yán)格,且工程造價(jià)也會(huì)大幅度增加[1-2]。而物理改良對(duì)環(huán)境的影響較小,具有很好的發(fā)展前景。常被用于物理改良方法中的有聚丙烯纖維、玻璃纖維、聚乙烯纖維、劍麻、麻絲等材料[3-5]。由于這些材料的密度比土的密度小很多,在拌合過(guò)程中容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,造成加筋不均勻,給實(shí)際工程的操作帶來(lái)不便。玄武巖纖維是一種典型的純天然的、無(wú)污染的綠色硅酸鹽纖維,具有很好的相容性和優(yōu)越的力學(xué)性能。玄武巖纖維在混凝土的加固中已經(jīng)得到應(yīng)用,可以顯著的提高混凝土的抗折強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度[6-7],然而玄武巖纖維在土體改良方面的研究尚不夠完善,本試驗(yàn)將玄武巖纖維摻入膨脹土中,進(jìn)一步研究玄武巖纖維加筋膨脹土強(qiáng)度的變化。

        1 試驗(yàn)材料

        1.1 玄武巖纖維

        本試驗(yàn)所使用的玄武巖纖維為短切無(wú)捻粗紗,薄片狀,長(zhǎng)度為6mm(圖1),與膨脹土拌合時(shí),成束的纖維會(huì)被撕開(kāi),均勻地?fù)饺氲脚蛎浲廉?dāng)中。從力學(xué)性能來(lái)看,玄武巖纖維介于碳纖維與玻璃纖維兩者之間,且性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于聚丙烯等化纖及其他木纖。玄武巖纖維的密度與土的密度相近,相對(duì)于質(zhì)量較輕且彈性模量較低的纖維來(lái)說(shuō),可以避免出現(xiàn)纖維與土在拌合過(guò)程中出現(xiàn)的團(tuán)聚現(xiàn)象,有效的提高纖維拌合土的均勻性。

        圖1 玄武巖短切無(wú)捻粗紗

        1.2 膨脹土的物理性質(zhì)

        本試驗(yàn)采用的土樣是南陽(yáng)某地區(qū)的膨脹粘土,土樣呈黃褐色,粘土礦物以伊-蒙混合物礦物為主,含有少許的伊利石,高嶺石?,F(xiàn)場(chǎng)采取土樣時(shí)含水率較大,呈塊狀。試驗(yàn)前對(duì)膨脹土進(jìn)行了物理性質(zhì)測(cè)定(表1)。

        表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)

        2 試驗(yàn)方法

        為研究玄武巖纖維加筋膨脹土強(qiáng)度的改良效果,制作了不同加筋率的重塑膨脹土試樣,纖維加筋率為纖維質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值。制作試樣時(shí)按最優(yōu)含水率23.54%進(jìn)行配置,分別把0%,0.1%,0.3%,0.5%的纖維加筋到膨脹土中,將配置好的試樣用塑料袋進(jìn)行密封養(yǎng)護(hù),齡期分別為0d、7d、14d、28d。嚴(yán)格按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn),包括直剪試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及收縮試驗(yàn)。

        3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.1 直剪試驗(yàn)

        試驗(yàn)采用的是ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀,試樣尺寸為直徑61.8mm,高20mm,試樣分別進(jìn)行齡期0d、7d、14d、28d的養(yǎng)護(hù),將養(yǎng)護(hù)好的試樣對(duì)準(zhǔn)放入剪切容器中,土樣上下表面各放一層濾紙,防止水分蒸發(fā)和堵塞透水石,試驗(yàn)過(guò)程中分別施加50 kPa、100kPa、200kPa、400kPa的垂直荷載進(jìn)行直剪試驗(yàn)。以0.8mm/min的剪切速度進(jìn)行試驗(yàn),當(dāng)測(cè)力計(jì)的百分表讀數(shù)不變或者后退時(shí),繼續(xù)剪切至剪切位移4mm時(shí)停止,記下破壞值;當(dāng)剪切過(guò)程中測(cè)力計(jì)百分表無(wú)峰值時(shí),剪切至剪切位移達(dá)到6 mm時(shí)停止。整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出各級(jí)荷載下的抗剪強(qiáng)度,對(duì)抗剪強(qiáng)度與垂直壓力進(jìn)行線性擬合見(jiàn)圖2~圖5,抗剪強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力c與內(nèi)摩擦角φ見(jiàn)圖6~圖7。

        圖2 0d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強(qiáng)度曲線

        圖3 7d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強(qiáng)度曲線

        圖4 14d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強(qiáng)度曲線

        圖5 28d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強(qiáng)度曲線

        從圖2~圖5可知,纖維加筋膨脹土的抗剪強(qiáng)度均大于未加筋的膨脹土抗剪強(qiáng)度;抗剪強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為14d時(shí),纖維加筋膨脹土的抗剪強(qiáng)度趨于最大值;當(dāng)加筋率小于等于0.3%時(shí),抗剪強(qiáng)度隨著加筋率的增加而增大;當(dāng)加筋率大于0.3%時(shí),抗剪強(qiáng)度有所減小。

        圖6 不同纖維含量與粘聚力的關(guān)系曲線

        圖7 不同纖維含量與內(nèi)摩擦角的關(guān)系曲線

        從圖6,圖7可知,粘聚力隨著纖維含量的增加而增大,變化較明顯;內(nèi)摩擦角變化幅度較??;粘聚力隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大;內(nèi)摩擦角隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加基本不變。綜上所述,玄武巖纖維可改善膨脹土的抗剪性能,且當(dāng)加筋率為0.3%時(shí),膨脹土的抗剪強(qiáng)度處于最優(yōu)狀態(tài),當(dāng)加筋率<0.3%時(shí),膨脹土的強(qiáng)度反而會(huì)降低;從經(jīng)濟(jì)合理的角度來(lái)看,加筋膨脹土的最佳養(yǎng)護(hù)齡期為14d。

        3.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

        試驗(yàn)采用的是應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀,試樣的直徑40mm,高100mm,試樣按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)的規(guī)定,分三層擊實(shí),每層擊25次的方法制取。在制備好的試樣兩端及側(cè)面各涂一薄層凡士林,在試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)變?cè)?%以前,每0.5%應(yīng)變記讀百分表讀數(shù)一次;應(yīng)變達(dá)到3%后,每1%應(yīng)變讀百分表讀數(shù)一次。當(dāng)百分表讀數(shù)達(dá)到峰值或讀數(shù)穩(wěn)定時(shí),再繼續(xù)剪3%~5%應(yīng)變值時(shí)停止試驗(yàn);如果讀數(shù)沒(méi)有出現(xiàn)穩(wěn)定值,則軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)即可停止試驗(yàn)。不同纖維含量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化特性見(jiàn)圖8。從圖8可知,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著纖維含量的增加而增大,當(dāng)纖維含量達(dá)到0.3%時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值達(dá)到了峰值,之后隨著纖維含量的增加,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈逐漸減小的趨勢(shì)。這說(shuō)明,玄武巖纖維可以有效地提高膨脹土的抗壓強(qiáng)度,且纖維的最佳加筋率為0.3%。

        圖8 不同纖維含量下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

        從圖9可知,隨著加筋纖維含量的增加,試樣在破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)龃?,說(shuō)明加入纖維可以有效提高膨脹土的延展性能。這是因?yàn)楫?dāng)試樣破壞后,纖維和膨脹土顆粒之間的摩阻力可以承擔(dān)一部分拉應(yīng)力。

        圖9 不同纖維含量下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

        3.3 無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)

        根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)的規(guī)定,進(jìn)行膨脹土的無(wú)荷載膨脹率試驗(yàn)。試樣直徑61.8mm,高20mm。試驗(yàn)中,加筋率為0,0.1%,0.3%,0.5%的四種試樣,每種各制作4個(gè)試樣進(jìn)行試驗(yàn),當(dāng)注水開(kāi)始時(shí),按照5min、10min、20min、30 min、1h、2h、3h、24h及以后每隔24h記錄百分表的讀數(shù),直至試樣不再膨脹為止。整理試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。隨著纖維含量的增加,試樣無(wú)荷載膨脹率減小較明顯。這是因?yàn)樵嚇佑鏊l(fā)生膨脹,試樣中的纖維對(duì)土體有約束作用,抵消了土體內(nèi)部的膨脹力,有效地約束了膨脹土的膨脹。

        圖10 不同纖維含量下的無(wú)荷載膨脹率與時(shí)間關(guān)系曲線

        4 結(jié)論

        1)在膨脹土中摻入一定量的玄武巖纖維,可以有效地提高其抗剪強(qiáng)度。在抗剪強(qiáng)度指標(biāo)中,粘聚力隨著纖維含量的增加而增大,且變化較明顯;內(nèi)摩擦角隨著纖維含量的增加基本沒(méi)有變化。纖維的最佳加筋率為0.3%。

        2)在膨脹土中摻入一定量的玄武巖纖維,可以有效地提高其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。加筋率為0.3%時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到了峰值。在膨脹土中摻入纖維,試樣的可塑性得到了極大的提高。隨著纖維含量的增加,試樣破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變?cè)黾忧移茐牧严吨饾u變小。玄武巖纖維可以有效改善膨脹土的力學(xué)性能。

        3)在膨脹土中摻入一定量的玄武巖纖維,土體遇水發(fā)生膨脹,摻加的纖維可以通過(guò)自身的拉結(jié)作用有效抑制土體的膨脹,有效約束膨脹土的膨脹。

        [1] 陳 濤,顧強(qiáng)康,郭院成.石灰、水泥、粉煤灰改良膨脹土對(duì)比試驗(yàn)[J].公路,2008(06):164-167.

        [2] 楊和平,章高峰,鄭健龍,等.膨脹土填筑公路路堤的物理處治技術(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009(04):491-500.

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