王玉林 游之晨 張向波 趙曉華

【摘要】通過對碳纖維摻入量分別為0%、0.2%、0.4%和0.6%的四組粘土進(jìn)行擊實試驗，試驗結(jié)果表明：由于碳纖維比礦物顆粒輕的纖維狀輕質(zhì)材料，碳纖維比表面積小，表面能低，具有很強(qiáng)的疏水性，使得碳纖維在土中較難分散，且與土顆粒較難結(jié)合，容易在土中形成較多孔隙，因此在相同的擊實功作用下，粘土最大干密度隨著碳纖維摻入量的增加而降低，而對應(yīng)的最佳含水量增大。

【關(guān)鍵詞】碳纖維 ?擊實試驗 ?最大干密度 ?最優(yōu)含水量

【基金項目】國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（201410397011），福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目（Sj201210397737），武夷學(xué)院土木工程特色專業(yè)建設(shè)（Xj2012022），廣東省高等學(xué)校結(jié)構(gòu)與風(fēng)洞重點實驗室開放基金（201404）。

【中圖分類號】TU411 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）05-0251-01

一、引言

土體在外力功能作用下（碾壓或夯實），孔隙度變小，密度增大，強(qiáng)度提高，壓縮性及滲透性降低，使土的工程性質(zhì)得到改善。工程實踐表明，在天然含水量接近最佳含水量時進(jìn)行填筑和碾壓時，不僅較為經(jīng)濟(jì)合理，而且有利于保證壓實土體的長期穩(wěn)定。近年來纖維作為一種新的加筋材料，被摻入土中，成為纖維土（texsol），用于提高和改善土體的力學(xué)性能。研究表明： 隨機(jī)離散加入的纖維能夠有效地提高土樣的壓縮強(qiáng)度剪切強(qiáng)度抗拉能力和承載力，增加土樣破壞時的應(yīng)變，減少峰值強(qiáng)度損失，使土樣呈現(xiàn)較高的韌性?；谔祭w維在所有高性能纖維中具有最高的比強(qiáng)度和比模量，本文對摻入碳纖維的粘土進(jìn)行擊實試驗研究，以探討碳纖維摻量對粘性土的最佳含水量和最大干密度的影響。

二、主要材料與試驗

（一）材料特性及配比

本試驗所需材料為：粘土、純潔水、的碳纖維。其中粘土的物理性質(zhì)指標(biāo)和特性參數(shù)通過土工實驗獲得，土的天然密度1.73 g/cm3，天然含水量37.8%，液限39.5%和塑限27.3%，孔隙比0.65;生產(chǎn)產(chǎn)家所提供的碳纖維基本性能為：碳纖維長度3mm，直徑10～14μm，抗拉強(qiáng)度≥24 MPa，楊氏模量27.5～41.6GPa。

（二）試件制備

本實驗共制備四組不同碳纖維摻量的擊實試樣，第一組、第二組、第三組和第四組擊實試件的碳纖維質(zhì)量比摻入量（碳纖維占粘土質(zhì)量百分比）分別是：0 wt %、0.2 wt %、0.4 wt %和0.6 wt %。各組試樣的制備過程如下：

1.從現(xiàn)場取天然土，將土樣在自然溫度下風(fēng)干，放在橡皮板上，用圓木棍碾散;

2.因試驗采用用輕型擊實筒，需將碾散的土過5mm篩，將篩下土樣拌勻，并測定土樣的風(fēng)干含水率;

3.根據(jù)各組碳纖維摻入量，將稱取的碳纖維分散到土中，用砂漿攪拌機(jī)干拌均勻;

4.將拌合均勻的土分成5等分，根據(jù)土的塑限預(yù)估最優(yōu)含水率，按依次相差約2%的含水率制備一組試樣，其中應(yīng)有2份含水率大于塑限，2份含水率小于塑限，1份含水率接近塑限，各含水量土樣密封靜置一晝夜后備用，留待擊實用。

（三）試驗方法

試驗采用標(biāo)準(zhǔn) （ 電動 ）擊實儀，因試驗用土經(jīng)過5mm篩過篩，粒徑較小，根據(jù)土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)采用輕型擊實。試驗過程為：擊實筒內(nèi)壁和底板涂一薄層潤滑油，連接好擊實筒與底板，安裝好護(hù)筒;稱取一定量試樣，倒入擊實筒內(nèi)，分三層擊實，使擊實后的試樣高度略高于擊實筒的1/3，每層25擊;擊實完成后，超出擊實筒頂?shù)脑嚇痈叨葢?yīng)小于6mm;卸下護(hù)筒，用直刮刀修平擊實筒頂部的試樣，拆除底板，修平底部，擦凈筒外壁，稱筒與試樣的總質(zhì)量，減去筒的質(zhì)量，得出土的凈重，由土的凈重和土樣體積（擊實筒空腔的體積），計算出試樣的濕密度ρi;從試樣中心取 2 個代表性試樣測定土樣的含水量wi，稱量準(zhǔn)確至0.01g，含水率的平行差值不得大于1%。為了避免燒失，含水量試驗都是90℃恒溫下烘干，對不同含水量的試樣依次按上述步驟擊實。根據(jù)公式ρdi=ρi/（1+wi）計算出5份試樣的干密度，并根據(jù)干密度ρdi和含水量wi關(guān)系，繪制ρd—wi關(guān)系曲線，即擊實曲線。

三、試驗結(jié)果及分析

圖1為碳纖維摻入量分別為0 wt %、0.2 wt %、0.4 wt %和0.6 wt %四組擊實試驗，對比分析可知：沒有摻入碳纖維的擊實土的干密度和最佳含水量分別為：1.86g/cm3和13.6%;碳纖維摻入量為0.2%的擊實土的干密度和最佳含水量分別為：1.76g/cm3和15.0%;碳纖維摻入量為0.4%的擊實土的干密度和最佳含水量分別為：1.68g/cm3和17.8%;碳纖維摻入量為0.6%的擊實土的干密度和最佳含水量分別為：1.65g/cm3和21.2%。由此可見：粘土最大干密度隨著碳纖維摻入量的增加而減小，而最佳含水量隨著碳纖維摻入量的增加而增加。原因在于：由于碳纖維密度約為1.8g/cm3，比礦物顆粒輕，為一種輕質(zhì)材料，碳纖維比表面積小，表面能低，具有很強(qiáng)的疏水性，造成碳纖維在土中較難分散，其與土顆粒較難結(jié)合，容易在土中形成較多孔隙，因此在相同的擊實功作用下，最大干密度隨碳纖維增加而下降，而對應(yīng)的最佳含水量增大。

圖1 ? 無摻碳纖維粘土的擊實曲線

四、結(jié)論

通過對碳纖維摻入量分別為0%、0.2%、0.4%和0.6%的四組粘土進(jìn)行擊實試驗，試驗結(jié)果表明：由于碳纖維比礦物顆粒輕的纖維狀輕質(zhì)材料，碳纖維比表面積小，表面能低，具有很強(qiáng)的疏水性，使得碳纖維在土中較難分散，且與土顆粒較難結(jié)合，容易在土中形成較多孔隙，因此在相同的擊實功作用下，粘土最大干密度隨著碳纖維摻入量的增加而降低，而對應(yīng)的最佳含水量增大。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉寶生，唐朝生，李建，等.纖維加筋土工程性質(zhì)研究進(jìn)展[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2013，（04）：540-547.

[2]阮東華，潘振華，張艷美，程志良.土工合成纖維土技術(shù)的研究進(jìn)展[J].低溫建筑技術(shù)，2015，（01）：103-105.

[3]胡小慶，洪柳，徐光黎，楊新，蔣國武.纖維含量及長度對纖維加筋土強(qiáng)度的影響研究[J].安全與環(huán)境工程，2015，（02）：139-143.

作者簡介：

王玉林（1978-），男，漢族，福建龍巖人，副教授，博士，研究方向：土木工程。