莊心善， 游　鵬， 余曉彥， 周　談

(湖北工業(yè)大學 土木工程與建筑學院， 湖北 武漢　430068)

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粉煤灰
—玄武巖纖維改良膨脹土試驗研究

莊心善， 游鵬， 余曉彥， 周談

(湖北工業(yè)大學 土木工程與建筑學院， 湖北 武漢430068)

[摘要]作為20世紀的重大發(fā)明，加筋技術被廣泛應用于實際工程，取得了巨大的經(jīng)濟和社會效益。隨著經(jīng)濟的高速增長，我國的路網(wǎng)等級和密度不斷提高，公路膨脹土問題越來越嚴重。粉煤灰改良膨脹土的應用十分廣泛，但是利用粉煤灰改良中強膨脹土的效果并不理想。將4種不同百分比(0%、0.15%、0.3%和0.45%)的玄武巖纖維分別均勻摻入到最優(yōu)摻灰率為20%的膨脹土中，配制試樣，通過試驗研究不同纖維含量，不同養(yǎng)護齡期，不同圍壓對加筋灰土的影響。試驗結果表明：與粉煤灰改良膨脹土相比，玄武巖纖維加筋灰土的強度有很大提高，自由膨脹率明顯減??；同時可以確定灰土的最佳加筋率為0.3%。

[關鍵詞]玄武巖纖維； 膨脹土； 改良； 強度

0前言

膨脹土在我國分布廣泛，作為一種特殊的粘性土，在工程中被稱為“工程中的癌癥”[1]。它遇水體積迅速膨脹，失水體積迅速收縮，對道路及其他建筑物的建設有著巨大的破壞作用，極易引發(fā)安全事故。粉煤灰作為一種工業(yè)廢料，被廣泛的應用在膨脹土的改良中，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。但在應用中我們也發(fā)現(xiàn)依靠粉煤灰改良中、強膨脹土的效果不是很明顯[2]。纖維加筋技術的出現(xiàn)，為膨脹土的改良提供了一種全新的方法，許多學者已在這方面做了大量的研究并取得了良好的效果：施利國，張孟喜[3]等研究發(fā)現(xiàn)與普通灰土相比，聚丙烯纖維能有效的增大灰土的抗剪強度；徐洪鐘，彭軼群[4]等在膨脹土中摻入玄武巖纖維的試驗表明玄武巖纖維能夠抑制膨脹土的脹縮性，同時膨脹土的無側限抗壓強度和抗剪強度也均有提高。玄武巖纖維作為一種新型的綠色無機高性能材料，以其良好的性能和低廉的成本[5，6]，被我國列為重點發(fā)展的四大纖維之一，被廣泛的應用于各行業(yè)中。本文通過在膨脹土中加入粉煤灰和玄武巖纖維，進行室內試驗：直剪試驗、無側限抗壓強度試驗以及三軸壓縮試驗來研究不同纖維含量，不同齡期，不同圍壓下膨脹土的強度特性，為玄武巖纖維-粉煤灰改良膨脹土在實際工程中的應用提供理論依據(jù)。

1試驗材料

本試驗所使用玄武巖纖維的平均長度為6 mm，將成束的纖維撕開后，與膨脹土均勻拌合。其性能指標見表1。

表1 玄武巖纖維的性能指標Table1 Performanceindexofbasaltfiber纖維類型單絲直徑/μm密度/(kg·m-3)平均長度/mm抗拉強度/MPa彈性模量/GPa極限延伸率/%耐酸堿性熔點/℃束狀單絲13265063500～380092～1103.199.51250

本試驗使用的粉煤灰，通過試驗測得其主要的化學成分及含量如表2所示，從粉煤灰的主要氧化物組成成分來看， CaO的含量低于10%，根據(jù)A STM粉煤灰分類方法可以確定本試驗所用粉煤灰為F。

表2 粉煤灰的組成成分Table2 Composingcomponentoffly-ash%SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OK2OTiO2燒失量45.3124.118.269.282.533.851.221.151.083.21

試驗土樣取自河南南陽某高速公路施工工地，按《公路土工試驗規(guī)程》JTG E40-2007在工程現(xiàn)場取土時，試樣的含水率較高，成塊狀。根據(jù)試驗測得其為中膨脹土，其物理參數(shù)如表3所示。

表3 土的物理參數(shù)Table3 Physicalparametersofsoil比重粘土礦物主要成分含量/%伊蒙混層礦物伊利石高嶺石塑限Wp/%液限WL/%塑性指標Ip/%天然密度ρ/(g·cm-3)含水率W/%2.781.35.27.120.755.235.61.9927.3

2試件制備

試驗開始前，按照土工試驗要求，將試驗土放入烤箱中在105 ℃～110 ℃條件下烘烤24 h后碾碎過2 mm篩。通過前期試驗，測得膨脹土的最大干密度和最優(yōu)含水率分別為1.83 g/cm3、22.3%，粉煤灰改良膨脹土的最佳摻灰率(重量比)為20%，因此在本試驗中摻入質量分數(shù)為20%的粉煤灰，并分別測定其最優(yōu)含水率和最大干密度，如圖1所示。

由圖1可知： 測得的最優(yōu)含水率、最大干密度分別為21.4%、1.74 g/cm3。摻入粉煤灰后膨脹土的最優(yōu)含水率和最大干密度均出現(xiàn)了不同程度的降低，這是因為在擊實過程中，粉煤灰與膨脹土中的離子發(fā)生交換作用，降低了膨脹土周圍雙層電子層的厚度，同時加速了絮凝作用的發(fā)生，因而導致了最優(yōu)含水率降低；粉煤灰屬于不良及配，密度較小，可以填充膨脹土的空隙；此外，由于發(fā)生膠結作用，降低了擊實特性，導致干密度降低。

為了使試樣的含水率均勻穩(wěn)定，將試樣調配至最優(yōu)含水率后用保鮮膜密封放置在濕度95%以上的養(yǎng)護缸中養(yǎng)護24 h。在試樣制備前分別加入含量為0%、0.15%、0.3%、0.45%的玄武巖纖維充分拌合。

圖1　灰土的擊實試驗曲線Figure 1　The compaction curves

將摻入纖維的試樣按照土工試驗標準擊實，采用φ39.1 mm×80 mm的模具來制作無側限抗壓強度試驗和三軸壓縮試驗的試樣；脹縮性試驗采用尺寸為φ61.8 mm×20 mm的環(huán)刀直接取樣。將制備好的試樣密封后放入養(yǎng)護缸中養(yǎng)護，按照試驗方案，對不同纖維含量、不同養(yǎng)護齡期的試樣進行強度與變形試驗，據(jù)此研究不同因素對膨脹土力學性能的影響。

3試驗結果與分析

3.1纖維對灰土脹縮性影響

根據(jù)土工試驗標準[7],進行纖維灰土的脹縮性試驗。由于纖維加筋灰土的脹縮性具有很多共性，故選取其中部分典型曲線進行分析。如圖曲線為粉煤灰含量20%，齡期為1 d的無荷載膨脹率與時間關系曲線。

從圖2中可以明顯的看出： 隨著纖維的增加，試樣的無荷載膨脹率明顯減小。這是因為在土體摻入的纖維，表面粗糙，增大了與土體的接觸面積，使得試塊內部的摩擦力增大，起到了約束作用，從而導致試件內部的膨脹力減小，阻止試樣的膨脹變形。但當纖維含量超過0.3%時，試樣無荷載膨脹率減小不明顯，考慮到實際工程需要，纖維含量為0.3%時是最經(jīng)濟的。

圖2　不同纖維含量下的無荷載膨脹率與時間關系曲線Figure 2　The no load expansion rate with times curves in different fiber content

3.2纖維對灰土無側限抗壓強度影響

試驗采用的是YYW-Ⅱ型無側限抗壓儀，其配套重塑筒型號為φ39.1 mm×80 mm，按《公路土工試驗規(guī)程》JTG E40-2007制備試樣。進行無側限抗壓強度試驗時，升降板的速率控制在0.06～0.12 mm/min,使得試樣能在8～20 min內完成，并按照0.5%應變量記錄軸向壓力。當百分表達到峰值或者讀數(shù)達到穩(wěn)定時，繼續(xù)進行3%～5%的應變值后停止試驗。

由圖3無側限抗壓強度變化曲線可知： 無側限抗壓強度隨著纖維含量的增加而逐漸增加，當纖維的含量增加到0.3%時，無側限抗壓強度達到峰值，當纖維含量繼續(xù)增加，無側限抗壓強度逐漸減小，這說明纖維可以增加灰土的抗壓強度，而且當纖維含量為0.3%時，抗壓強度達到最大值。在相同纖維條件下，隨著養(yǎng)護齡期的延長，試樣的無側限抗壓強度逐漸增大的，當齡期達到14 d時，抗壓強度變化值最大，這說明養(yǎng)護時間的長短也可以增加灰土的抗壓強度，建議加筋灰土的養(yǎng)護周期至少為14 d。

圖3　不同纖維含量、不同齡期下無側限抗壓強度變化曲線Figure 3　The unconfined compressive strength curves in different fiber content and different ages

3.3應力-應變曲線

試驗采用南京電力自動化總廠生產的SJ-1A.G型應變控制式三軸儀進行三軸CU試驗，選用φ61.8 mm的壓力室，試驗數(shù)據(jù)提取采用TSW-3數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗中σ3采用100、200、300 kPa共3種圍壓。試驗以(σ1-σ3)的峰值為破壞點。根據(jù)不同的纖維含量、不同的養(yǎng)護齡期共設計出16種試驗工況(見表4)，為了降低試驗的偶然性，每組試樣都在圍壓為100、200、300 kPa的條件下分別進行3組平行試驗，共計48組有效數(shù)據(jù)。

表4 試驗工況Table4 Testconditions試樣期齡/d粉煤灰含量20%時的玄武巖纖維參量(s)/%100.150.30.45700.150.30.451400.150.30.452800.150.30.45

由于加筋灰土的應力-應變曲線走勢大致相似，本文選取養(yǎng)護周期為28 d，纖維含量為0.3%的試樣來繪制應力-應變曲線，見圖4。

圖4　100、200、300 kPa圍壓下28 d養(yǎng)護條件下不同纖維含量改良土應力-應變曲線Figure 4　Deviator stress-axial strain curves in different fiber content under the 28 days curing condition and confining pressure 100,200,300 kPa

由應力-應變曲線可知：

① 玄武巖纖維加筋灰土的應力-應變曲線的走勢大致與普通灰土大致相同。

② 玄武巖纖維加筋灰土隨著軸向應變的增加，主應力差也是在不斷增大的；當軸向應變增大到一定時，主應力不再增加，甚至有減小的趨勢。這是因為加筋灰土發(fā)生應變硬化，表現(xiàn)出了良好的延性。

③ 摻入玄武巖纖維后，在同一圍壓條件下，纖維含量從0%增加到0.3%時，主應力差隨著纖維含量的增加而增加。這是因為纖維表面的覆蓋著大量的SiO2顆粒，增大了纖維與土體的接觸面積，使得纖維與土體之間的摩擦力增大，這樣就限制了纖維與土體之間的相對滑動，同時試樣中的纖維可承擔部分拉應力，整體分擔部分外力作用。此外，試樣中的纖維隨機分布，相互交織，限制土體變形，有利于提高試樣的力學性能，并且當其中一根纖維受拉時必然會帶動其他纖維多的共同作用，形成一個系統(tǒng)的三維受力網(wǎng)絡[8]，荷載更均勻的分布于整個試樣，從而進一步提高試樣的力學性能；當纖維含量從0.3%增加到0.45%時，主應力差隨著纖維含量的增加而減小，這是因為當纖維含量超過最佳摻筋率時，試樣內部的纖維相互交織在一起，呈團絮狀，導致纖維與土體之間的相互作用力轉變?yōu)槔w維與纖維之間的作用力，而纖維帶有同種電荷相互排斥不利于改良后土體穩(wěn)定。通過本試驗可以確定灰土的最佳摻筋率為0.3%。

④ 從圖4可知: 試樣的強度隨著圍壓的增大而增大。當圍壓在100 kPa時，軸向應變的最大為0.04%；而當圍壓為300 kPa時，軸向應變的最大值達到0.12%。這說明在較小圍壓條件下，軸向應變較小，試樣中的玄武巖纖維尚未發(fā)揮作用；但當圍壓較大時，軸向應變相應變大，試樣中纖維開始伸展，發(fā)揮出灰土與玄武巖纖維之間的相互作用，試樣展現(xiàn)出良好的延展性。

3.4極限偏應力

試樣在極限偏應力條件下試樣的纖維含量，齡期以及圍壓的相關曲線。由圖5可知：

① 齡期對試樣的強度影響很大，在同一玄武巖纖維含量條件下，隨著齡期的增加，試樣的強度也在不斷的增大，當齡期達到14 d時，試樣的強度差不多是期齡為1 d時的1.5倍，甚至更多。這是因為粉煤灰中含有大量的活性氧化硅和活性氧化鋁，在一定條件下與堿金屬發(fā)生化學反應，生成水硬性凝膠化合物，隨著時間的增加，化合物在空氣或者水中逐步硬化，從而增強試樣的強度，粉煤灰中含有少量的MgO、Na2O、K2O等會逐漸與水結合生成玻璃體；同時在膨脹土中摻入粉煤灰，存在離子交換作用，粉

煤灰中存在大量的Ca2+,Al3+,Fe3+等高價離子可置換出膨脹土中相對低價的陽離子，經(jīng)過一段時間后，發(fā)生硬凝反應，產生團聚或者絮凝作用，使得土體的結構發(fā)生變化，有效的提高土體的強度。

② 玄武巖纖維的含量對試樣的強度也有較大的影響：在不同齡期條件下，試樣的強度隨著纖維含量的增加呈現(xiàn)出較大的增長。這是因為除玄武巖纖維與灰土之間存在摩擦力外，玄武巖纖維表面也存在大量的陽離子，同步參與到離子的交換過程中，使

圖5　100、200、300 kPa圍壓下試樣破壞時的主應力差Figure 5　Principal stress difference at failure in confining pressure 100，200，300 kPa

得離子的交換更加徹底，從而降低膨脹土中雙電層的厚度，提高了土體的強度。

4結論

在最佳摻灰率條件下，通過對玄武巖纖維加筋灰土強度與變形特性的試驗研究，有如下結論：

① 在灰土中摻入纖維可有效抑制改良后膨脹土的脹縮性。當土體發(fā)生膨脹時，土體中的纖維通過與灰土之間的拉力作用、離子交換作用有效抑制土體的膨脹，減小膨脹性，增加灰土的強度。

② 在一定范圍內，隨著纖維含量的增加，改良后膨脹土的抗壓強度也在不斷增加；當纖維含量達到0.3%后，其抗壓強度開始降低，無側限抗壓強度的峰值在纖維含量達到0.3%時出現(xiàn)。同時隨著纖維含量增加，試樣破壞時軸向應變也在增加，說明摻入纖維使試樣的塑性變形滯后。

③ 隨著養(yǎng)護周期的延長，玄武巖纖維-粉煤灰膨脹土的抗壓強度有明顯提高，當養(yǎng)護周期超過14 d后，其增長趨勢變緩。因此結合工程實際情況，可以確定利用玄武巖-粉煤灰改良膨脹土的最佳養(yǎng)護周期為14 d。

[參考文獻]

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Experimental Study on the Strength of Reinforced Expansive Soils with Fly Ash-basalt Fiber

ZHUANG Xinshan, YOU Peng, YU Xiaoyan, ZHOU Tan

(School of Civil Engineering and Architecture, Hubei University of Technology, Wuhan, Hubei 430068, China)

[Abstract]Reinforcement technology which has made tremendous economic and social benefits is widely used in practical engineering as an important invention in twentieth Century. The expansive soil problem is becoming more and more serious with the network level and the density of our country continues to be improved by the rapid economic growth. Expansive soil is modified by the fly ash widely used, but the effect of modified expansive soil is not ideal. In this paper, four kinds of different percentage (0%, 0.15%, 0.3% and 0.45%) of basalt fiber are evenly mixed into expansive soil of the optimal ratio of fly ash is 20% to prepare for samples, through the experimental study of different fiber content, different curing ages, the different effects of confining pressure on the reinforced soil. The test results show that the strength of modified expansive soil by mixed the basalt fiber is greatly improved compared with the strength of fly ash modified expansive soil, the free expansion rate of modified expansive soil by mixed the basalt fiber is decreased; at the same time the best modified the ratio of basalt fiber is 0.3% in this paper.

[Key words]basalt fiber； expansive soil； modified； strength

[收稿日期]2015-02-10

[基金項目]國家自然科學基金(51209084)

[作者簡介]莊心善(1984-)，男，河南周口人，博士、教授，研究方向為環(huán)境巖土與邊坡工程，E-mail:zhuangxinshan@163.com

[中圖分類號]TU 472.3+4

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)03-0001-04