黃敏建

?

玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究

黃敏建

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063)

通過(guò)劈裂抗拉試驗(yàn)，研究纖維摻量、水泥摻量、土樣含水率和養(yǎng)護(hù)齡期等4個(gè)主要因素對(duì)纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。研究結(jié)果表明：纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度與纖維摻量、水泥摻量及養(yǎng)護(hù)齡期呈正相關(guān)關(guān)系，與土樣含水率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；水泥土破壞模式為脆性破壞，纖維水泥土破壞模式為塑性破壞。

玻璃纖維；水泥土；劈裂抗拉強(qiáng)度；纖維摻量；水泥摻量；含水率；齡期

在基坑支護(hù)及地基處理工程中，水泥土樁得到了廣泛應(yīng)用。水泥土樁抗壓強(qiáng)度高，但是抗拉和抗裂性能較差。而玻璃纖維作為一種無(wú)機(jī)高分子材料，抗拉強(qiáng)度高、耐久性強(qiáng)，均勻地分布在樁體中能夠起到加筋的作用，從而改善水泥土樁的力學(xué)性能。Consoli等[1]研究了孔隙率和水泥摻入比對(duì)水泥砂土和纖維加筋水泥砂土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。Festugato等[2]通過(guò)劈裂抗拉試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，纖維水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維長(zhǎng)度的增大而增大。XIAO等[3]提出了一個(gè)預(yù)測(cè)纖維水泥土抗拉強(qiáng)度的模型，該模型適用于聚丙烯纖維水泥土和聚乙烯醇纖維水泥土，模型的變量包括纖維長(zhǎng)度和纖維摻量。Correia等[4]利用聚丙烯纖維、水泥和高爐礦渣加固葡萄牙某地的軟土，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)研究了其抗壓強(qiáng)度特性，通過(guò)直接拉伸試驗(yàn)、劈裂抗拉試驗(yàn)和土梁彎曲試驗(yàn)對(duì)其抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了研究。Chore等[5]為了得到合適的纖維摻量和水泥摻入比，對(duì)纖維水泥粉煤灰土進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)。楊博瀚等[6]研究了聚丙烯纖維水泥黃土在浸水和不浸水條件下的力學(xué)特性，對(duì)不同水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期、纖維長(zhǎng)度和纖維摻量的試件進(jìn)行了劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。陳峰[7]通過(guò)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究了玄武巖纖維水泥土的強(qiáng)度特性和破壞模式。張艷軍等[8]研究表明石棉纖維對(duì)增強(qiáng)纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度效果顯著，石棉摻量為 6%時(shí)，石棉纖維的加筋效果在復(fù)合土中能得到很好的發(fā)揮。阮波等[9]研究了纖維摻量和纖維長(zhǎng)度對(duì)纖維水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明：纖維的加入能提高水泥土的延性，改善水泥土的脆性，提高水泥土的殘余強(qiáng)度。賀祖浩等[10]通過(guò)劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)和抗折試驗(yàn)研究了聚丙烯腈纖維水泥土的強(qiáng)度特性。水泥土的抗拉強(qiáng)度是其最重要的基本力學(xué)性能之一，它既是研究水泥土的強(qiáng)度理論和破壞機(jī)理的一個(gè)重要依據(jù)，又直接影響水泥土結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂、變形和耐久性。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者側(cè)重于研究纖維水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度，對(duì)纖維水泥土抗拉強(qiáng)度的研究不夠全面。本文采用巴西劈裂法來(lái)研究纖維摻量、水泥摻量、土樣含水率和養(yǎng)護(hù)齡期等4個(gè)因素對(duì)玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土取自湖南省長(zhǎng)沙市某工地，其物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用玻璃纖維的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2，水泥采用P.C 32.5級(jí)復(fù)合硅酸鹽水泥，水泥物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表3，試驗(yàn)所用水為自來(lái)水。

表1 試驗(yàn)用土的物理力學(xué)性質(zhì)

表2 玻璃纖維的物理力學(xué)參數(shù)

表3 水泥的物理力學(xué)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用控制變量法研究纖維摻量、水泥摻量、土樣含水率和齡期等4個(gè)影響因素對(duì)玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響。纖維摻量和水泥摻量的定義見(jiàn)式(1)和式(2)，具體試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。

式中：f為纖維摻量，‰；f為纖維的質(zhì)量，kg；c為水泥摻量，%；c為水泥的質(zhì)量，kg；s為干土的質(zhì)量，kg。

表4 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)方案

3 試樣制備及試驗(yàn)

按照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233—2011)[11]的要求進(jìn)行制樣。將土樣風(fēng)干，碾碎，過(guò)2 mm篩，取篩分后的干土進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)擬定的試驗(yàn)方案分別稱取試驗(yàn)所需的干土、水泥、纖維和水，然后按順序依次在干土中加入水泥、纖維并攪拌均勻，最后加水再攪拌均勻。

試驗(yàn)?zāi)＞叱叽鐬?0.7 mm×70.7 mm× 70.7 mm，在選定的模具內(nèi)涂一層礦物油，然后往模具中裝入試料，試料分2層插搗，分層裝料高度一樣，每層應(yīng)按螺旋方向從邊緣向中心均勻插搗15次，然后把試模放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)2 min，成型時(shí)間不能超過(guò)25 min。24 h后拆模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)到設(shè)計(jì)齡期后進(jìn)行試驗(yàn)。養(yǎng)護(hù)條件：溫度為(20±2) ℃，相對(duì)濕度≥95%。

在試件達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后將其取出，用毛巾將試件表面水擦試干凈。在試件上下表面的中間各放1根長(zhǎng)100 mm，直徑4 mm的鋼條，然后再將試件放在壓力機(jī)上下壓板之間，試驗(yàn)時(shí)按照10 mm/min速率施加荷載，試件破壞后記錄破壞荷載。劈裂抗拉強(qiáng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

式中：ts為劈裂抗拉強(qiáng)度，kPa；為試樣破壞荷載，N；為試樣劈裂面面積，mm2。

每組試驗(yàn)測(cè)試6個(gè)試件，如果某個(gè)試驗(yàn)值與試驗(yàn)平均值相差達(dá)到15%則應(yīng)舍去該結(jié)果，如果超過(guò)3個(gè)試樣的結(jié)果不符合誤差標(biāo)準(zhǔn)則該組試驗(yàn)重做，試驗(yàn)記錄要精確至0.01 kPa。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 劈裂抗拉強(qiáng)度與纖維摻量的關(guān)系

當(dāng)纖維水泥土的水泥摻量為15%，土樣含水率為40%，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度與纖維摻量的關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 劈裂抗拉強(qiáng)度和纖維摻量的關(guān)系

4.2 劈裂抗拉強(qiáng)度與水泥摻入比的關(guān)系

當(dāng)纖維水泥土的纖維摻量為1%，土樣含水率為40%，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系見(jiàn)圖2。

從圖2可以看出，玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著水泥摻量的增大而增大，其增大的趨勢(shì)呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的規(guī)律。水泥摻入比為15%，20%和25%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度分別是水泥摻入比為10%的玻璃纖維水泥土抗拉強(qiáng)度的1.525，2.010和2.297倍。

圖2 劈裂抗拉強(qiáng)度和水泥摻量的關(guān)系

4.3 劈裂抗拉強(qiáng)度與土樣含水率的關(guān)系

當(dāng)纖維水泥土的纖維摻量為1%，水泥摻量為15%，養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí)，纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度與土樣含水率的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 劈裂抗拉強(qiáng)度和土樣含水率的關(guān)系

從圖3可以看出，玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著土樣含水率的增加而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)。土樣含水率為40%，45%和50%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度比土樣含水率35%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度分別減少了20.5%，36.4%和48.7%。

4.4 劈裂抗拉強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

當(dāng)玻璃纖維水泥土的纖維摻量為1%和2%，水泥摻入比為15%，土樣含水率為40%時(shí)，玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度與齡期的關(guān)系如圖4。

圖4 纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度和齡期的關(guān)系

從圖4可以看出，玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大，劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速率隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而變小。分別對(duì)纖維摻量為1%和2%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度和齡期的關(guān)系進(jìn)行公式擬合。纖維摻量為1%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度和齡期的關(guān)系可用公式ts0.031 9ln()+0.074 3表示，纖維摻量為2%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度和齡期的關(guān)系可用公式ts=0.037 7ln()+0.089 2表示，擬合系數(shù)分別為0.981 7和0.927 5，說(shuō)明擬合公式的擬合效果較好。

4.5 破壞模式

水泥土及玻璃纖維水泥土破壞模式如圖5所示。

(a) 水泥土破壞模式；(b) 纖維水泥土破壞模式；(c) 纖維水泥土裂縫；(d) 纖維水泥土斷面

從圖5可以看出，水泥土破壞時(shí)首先在試樣的中間產(chǎn)生裂縫，隨后中部的裂縫開(kāi)始迅速擴(kuò)展，試件中部立刻產(chǎn)生1條貫通的裂縫，試件直接從中間斷裂成2塊，破壞時(shí)時(shí)間非常短，表現(xiàn)出明顯的脆性特征。纖維水泥土破壞時(shí)首先也是在試件中部產(chǎn)生裂縫，然后裂縫慢慢擴(kuò)展，裂縫擴(kuò)展的速度要明顯比水泥土裂縫擴(kuò)展的速度慢，纖維水泥土試件破壞時(shí)并不是像水泥土一樣直接從中間斷裂成2塊，而是表現(xiàn)為裂而不斷。

5 結(jié)論

1) 玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著纖維摻量的增加而增加，增加的速率隨纖維摻量的增大而減小。與未加纖維的水泥土相比，纖維摻量在0.5%~5%的玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度增大了20.0%~185.5%。

2) 玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著水泥摻入比的增大而增大，其增大的趨勢(shì)呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)的規(guī)律。與水泥摻量為10%的玻璃纖維水泥土相比，水泥摻量為15%，20%和25%的玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度分別增大了52.5%，101.0%和129.7%。

3) 玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著土樣含水率的增加而呈現(xiàn)出線性減小的趨勢(shì)。與土樣含水率35%的玻璃纖維水泥土相比，土樣含水率為40%，45%和50%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度分別減少了20.5%，36.4%和48.7%。

4) 玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大，劈裂抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)的速率隨養(yǎng)護(hù)齡期的增大而變小，強(qiáng)度呈現(xiàn)出對(duì)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。

5) 水泥土破壞模式為脆性破壞，纖維水泥土破壞模式為塑性破壞，表現(xiàn)為裂而不斷。

[1] Consoli N C, de Moraes R R, Festugato L. Split tensile strength of monofilament polypropylene fiber-reinforced cemented sandy soils[J]. Geosynthetics International, 2011, 18(2): 57?62.

[2] Festugato L, Menger E, Benezra F, et al. Fiber-reinforced cemented soils compressive and tensile strength assessment as a function of filament length[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2017, 45(1): 77?82.

[3] XIAO Huawen, LIU Yong. A prediction model for the tensile strength of cement-admixed clay with randomly orientated fibers[J]. European Journal of Environmental and Civil Engineering, 2016, 22(9): 1131?1145.

[4] Correia A A S, Paulo J V O, Custódio D G. Effect of polypropylene fibers on the compressive and tensile strength of a soft soil, artificially stabilised with binders[J]. Geotextiles and Geomembranes, 2015, 43(2): 97?106.

[5] Chore H S, Vaidya M K. Strength characterization of fiber reinforced cement–fly ash mixes[J]. International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering, 2015, 1(4): 1?8.

[6] 楊博瀚, 翁興中, 劉軍忠, 等. 改性聚丙烯纖維和水泥加固黃土的力學(xué)性能[J]. 建筑材料學(xué)報(bào), 2016, 19(4): 694?701. YANG Bohan, WENG Xingzhong, LIU Junzhong, et al. Mechanical properties of modified polypropylene fiber reinforced cement stabilized loess[J]. Journal of Building Materials, 2016, 19(4): 694?701.

[7] 陳峰. 玄武巖纖維水泥土抗拉性能試驗(yàn)研究[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)(理工版), 2016, 33(2): 188?193. CHEN Feng. Experiment research on tensile strength of basalt fiber cement-soil[J]. Journal of Shenzhen University (Science and Engineering), 2016, 33(2): 188? 193.

[8] 張艷軍, 于沉香, 凌飛, 等. 石棉纖維粉煤灰水泥加固軟土試驗(yàn)研究[J]. 工程地質(zhì)學(xué)報(bào), 2015, 23(5): 982?988. ZHANG Yanjun, YU Chenxiang, LING Fei, et al. Experimental study on asbestos fiber reinforced fly ash soil-cement for soft soil enhancement[J]. Journal of Engineering Geology, 2015, 23(5): 982?988.

[9] 阮波, 鄧林飛, 馬超, 等. 纖維水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2017, 14(7): 1415? 1419.RUAN Bo, DENG Linfei, MA Chao, et al. Experimental study on unconfined compressive strength of fiber reinforced cement soil[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2017, 14(7): 1415?1419.

[10] 賀祖浩, 李守德, 姚燕, 等. 聚丙烯腈纖維水泥土的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究[J]. 河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 32(4): 42?46. HE Zuhao, LI Shoude, YAO Yan, et al. Experimental study on mechanical properties of PAN fiber cement soil[J]. Journal of Hebei University of Engineering (Natural Science Edition), 2015, 32(4): 42?46.

[11] JGJ/T 233—2011, 水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程[S].JGJ/T 233—2011, Specification for mix proportion design of cement soil[S].

Experimental study on split tensile strength of glass fiber reinforced cement soil

HUANG Minjian

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China)

By split tensile test, the influence of fiber content, cement content and soil moisture content and curing age on the split tensile strength of fiber reinforced cement soil was studied. The results show that the split tensile strength of fiber reinforced cement soil is positively correlated with fiber content, cement content and curing age, and negatively correlated with soil moisture content. The failure mode of cement soil is brittle failure and the failure mode of fiber reinforced cement soil is plastic failure.

glass fiber; cement soil; split tensile strength; fiber content; cement content; moisture content; curing age

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.04.014

TU411

A

1672 ? 7029(2019)04 ? 0938 ? 05

2018?04?27

黃敏建(1972?)，男，湖南株洲人，高級(jí)工程師，從事土木工程施工與管理研究；E?mail：1780619221@qq.com

(編輯 涂鵬)