牛 雷， 徐麗娜， 田 偉， 鄧皓允， 王 軍

(吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院， 長春 130118)

近年來，中外學(xué)者將不同的纖維摻入到土中，形成了纖維加筋土和纖維加筋水泥土，后者亦稱纖維水泥土，纖維材料可分為合成纖維和植物纖維[1-2]。常見的合成纖維包括玄武巖纖維、聚丙纖維、玻璃纖維等。大量試驗表明[3-8]，隨著纖維的加入，能夠一定程度改善土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對于不同的土體，普遍存在與該配比相應(yīng)的最優(yōu)纖維摻入比和最佳纖維長度，過量之后加固效果普遍有所降低。

隨著世界經(jīng)濟快速發(fā)展，各國資源消耗日益增強，世界各國高度重視資源綜合利用，將資源的集約、循環(huán)、高效利用作為保護生態(tài)環(huán)境的重要切入點。植物纖維作為優(yōu)良的加筋材料，具有生態(tài)環(huán)保，成本低廉等優(yōu)勢，在邊坡防護，軟基加固中已有一定的應(yīng)用。許多學(xué)者[9-13]開展了植物纖維加筋土相關(guān)試驗研究，無論是摻入麥稈纖維，還是劍麻纖維和棕櫚纖維等，筋材的介入均能有效提高土體的抗剪、抗壓、抗拉強度和承載力，增加土體的破壞韌性和滲透性，改善土體的力學(xué)性能，降低膨脹土的脹縮性和裂隙發(fā)育程度。目前，普遍認為加筋效果取決于筋-土界面的力學(xué)作用，即界面黏聚力和摩擦力。同時，也有學(xué)者將植物纖維加入水泥土中[14-16]，研究表明，植物纖維與合成纖維一樣，能夠提高水泥土的強度，改善水泥土的抗凍、抗裂、抗?jié)B性能。

吉林省處于世界“三大黃金玉米帶”地域之一，玉米占吉林省種植面積60%以上，每年秸稈可收集量達到4 000萬噸左右，但這一生物能源綜合利用率僅為35%，由于認識不到位以及缺乏有效的消納途徑，秸稈焚燒現(xiàn)象屢禁不止，努力為秸稈尋找新的出路成為當務(wù)之急[17]。目前，玉米秸稈作為加筋材料的研究還比較少見，其加固效果如何？能否提高水泥土的強度？為此開展相關(guān)試驗研究，并增加同配比的玄武巖纖維水泥土對比試驗。

1 試驗方案及測試方法

按照《水泥土配合比設(shè)計規(guī)程》(JGJ/T 233—2011)進行試驗設(shè)計。試驗用黃土取自吉林省長春市凈月區(qū)某施工場地附近，原狀土經(jīng)風干碾碎過篩，密封保存，供后續(xù)試驗使用，其塑限ωP=25%，液限ωL=41%，塑性指數(shù)IP=16%，粒徑分布曲線如圖1所示。主要化合物濃度如圖2所示。

圖1 粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve

圖2 主要化合物濃度Fig.2 Concentrations of major compounds

采用亞泰鼎鹿牌P.O 42.5級水泥，水泥質(zhì)量摻入比為0.1%，水灰比為0.5，試模的尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。玉米秸稈取自長春市本地，如圖3所示，自然風干，取玉米結(jié)棒處上數(shù)四節(jié)，類似甘蔗去皮的方法手工去瓤獲取外皮，挑選寬度在3 mm左右的纖維，并按表1尺寸加工成段，部分加工后的玉米秸稈纖維如圖4所示。采用海寧安捷復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維。玉米纖維和玄武巖纖維的長度和質(zhì)量摻入比如表1所示。將每種纖維的長度與質(zhì)量摻入比進行組合，組數(shù)為20組，每組有6個試樣，共120個試樣。

圖3 玉米秸稈取材現(xiàn)場Fig.3 Corn straw sampling site

圖4 裁剪的玉米秸稈Fig.4 Cropped corn stalks

表1 纖維長度與纖維質(zhì)量摻入比Table 1 Fiber length and fiber content

為了保證試樣的均勻性，采用人工拌和，首先將晾曬篩分過后的黃土與水泥、纖維攪拌2 min，然后加入水，繼續(xù)攪拌4 min，總共拌和時間為6 min；在拌和過程中采取規(guī)范動作，規(guī)定攪拌次數(shù)和攪拌時間。試驗為一次裝樣，選用天津慶達試驗儀器制造有限公司生產(chǎn)的70型振動臺，振動頻率為2 860次/min，振搗時間為3 min，為了防止試樣在振搗過程中表面塌陷，采取冒尖添料的方法保證試樣最終質(zhì)量。振搗后的試樣靜置于地面，第2天灑水養(yǎng)護并用塑料布包裹好，第3天拆模，放入28 ℃恒溫箱中進行養(yǎng)護，恒溫箱中的養(yǎng)護天數(shù)為25 d，如圖5所示。

圖5 恒溫水養(yǎng)護Fig.5 Curing in the water at constant temperature

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 纖維摻入比

水泥摻入比不變，玉米纖秸稈纖維和玄武巖纖維的長度均分別為0、3、6、12 mm，針對每一種纖維長度，隨著纖維摻入比的增加，28 d無側(cè)限抗壓強度曲線如圖6所示。其中橫坐標為纖維摻入比，分別為0、0.1%、0.3%和0.5%。無纖維的對比試塊平均強度分別為3.84 MPa和3.18 MPa，造成不一致的原因主要有：一是試驗量大，兩種纖維的試樣分兩批制作，制樣時室內(nèi)溫度有所不同；二是第二批試驗采用了新設(shè)備進行加載。從圖6可以看出，玉米纖維的摻入使得水泥土的強度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，纖維摻入比0.1%時，強度均有所提高，此時最佳纖維摻入長度為12 mm。隨著玉米纖維的摻量的增加，水泥土的強度均出現(xiàn)不同程度的降低，0.5%摻量時，強度均低于無玉米纖維的對比試塊強度。部分破壞后的玉米纖維水泥土試樣如圖7所示。

圖6 抗壓強度與纖維摻入比的關(guān)系Fig.6 Relationship between compressive strength and fiber content

圖7 不同玉米纖維摻量水泥土的破壞形態(tài)Fig.7 Failure modes of cement-soil with different corn stalk fiber content in unconfined compressive test

摻入玄武巖纖維的水泥土試驗結(jié)果整體呈現(xiàn)先增大后減小再增大的折線形發(fā)展趨勢，且摻入纖維的水泥土強度均高于無纖維的對比試塊強度，當纖維摻入比為0.1%時各曲線均出現(xiàn)峰值。

2.2 纖維長度

如圖8所示，任意一條曲線其纖維摻入比不變，分別為0、0.1%、0.3%和0.5%。，其中0代表不摻纖維，為對比參考線，其強度不隨橫坐標不同而發(fā)生變化，其他曲線隨著纖維長度的增加，數(shù)據(jù)點呈現(xiàn)不同形式的變化，對玉米纖維水泥土而言，0.1%的低纖維摻入比條件下的數(shù)據(jù)點均在參考線之上，說明低纖維摻入比對強度增長起到了積極作用；高纖維摻入比的0.3%和0.5%的數(shù)據(jù)基本都在對比參考線之下，說明摻入比的提高會降低水泥土的強度。對于玄武巖纖維水泥土而言，摻入纖維的水泥土強度均高于基準線。

圖8 抗壓強度與纖維長度的關(guān)系Fig.8 Relationship between compressive strength and fiber length

部分破壞試樣如圖9所示，纖維長度分別為3、6、12 mm，纖維摻入比均為0.1%，破壞試樣均呈錐形。在加載過程中，需將透明膠帶標簽剪斷，否則會影響試驗結(jié)果，如圖9(a)所示。

圖9 破壞后的試樣Fig.9 Photos of some specimens after destruction

2.3 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系

玉米纖維水泥土和玄武巖纖維水泥土的抗壓強度與豎向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖10所示，摻入比為0.1%的兩種纖維水泥土強度均高于各自不摻纖維的水泥土強度。玉米纖維在提高土體無側(cè)限抗壓強度的同時，還有效改善水泥土的脆性，使水泥土具有一定的韌性。

圖10 纖維水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.10 Stress-strain relationship with different fiber contents

2.4 機理分析

從加筋土的作用機理可知，在素土中，纖維的摻入能夠提高土體的強度，延緩?fù)馏w變形的發(fā)展[2]，纖維的加筋效果本質(zhì)上取決于界面間的摩擦力和黏結(jié)力大小，即界面剪切強度[1]。當土體受力變形時，纖維的抗拔出能力越強，越能有效地阻止裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，從而增強土體的延性、穩(wěn)定性和強度；此外，纖維交錯呈現(xiàn)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對強度的提高也起到一定的作用。

同樣是摻入纖維，纖維土與纖維水泥土的參考基準不同，前者以土為基準，土體強度相對較弱，纖維能夠起到很好的加筋效果，大量研究成果均使強度有所提高[9-13]；后者以水泥土為基準，水泥對強度的貢獻要大于纖維的貢獻，適量的纖維能在一定程度上提高水泥土強度，但過量會使得強度有所降低。

這是由于水泥的介入，使得構(gòu)成界面剪切強度的摩擦力和黏結(jié)力發(fā)生了主次變化，纖維加筋土中摩擦力占主導(dǎo)，纖維加筋水泥土中黏結(jié)力占主導(dǎo)，而黏結(jié)力的大小與水泥摻入比、纖維的材質(zhì)、纖維形狀、纖維長度、土質(zhì)成分、含水量等因素有關(guān)。

2.4.1 纖維長度

玉米秸稈外皮具備一定的韌性和抗拉強度[18-20]，且能進行有效的防腐處理[21]，通過觀察破壞后的試件，并沒有發(fā)現(xiàn)玉米纖維被拉斷的現(xiàn)象出現(xiàn)，如圖9所示。為了描述簡單，也為了突出問題，假設(shè)纖維線性、均勻、對稱分布在破壞面兩側(cè)，玉米纖維在理想情況下應(yīng)具有臨界長度，當玉米纖維過短時，在水泥土中不能起到抗拉作用，對水泥土的強度沒有明顯改善；當玉米纖維過長時，纖維會被拉斷。

2.4.2 纖維間距

如圖11所示，假定纖維剛好達到臨界長度，且符合假設(shè)的理想分布條件，此時纖維摻入比的增加，會使得纖維間距過大，單根纖維負責加固的區(qū)域面積變大，則起不到應(yīng)有的效果；如果纖維間距過密，由于相鄰纖維應(yīng)力的疊加，引起類似于錨桿中的“群錨效應(yīng)”，造成材料浪費，反而會弱化水泥土強度。

圖11 纖維錨固作用示意圖Fig.11 Schematic diagram of fiber anchorage

2.4.3 軟弱結(jié)構(gòu)面效應(yīng)

玉米纖維過長、過量或者攪拌不均勻等，會使土體之間形成分隔的界面，制作好的水泥土樣內(nèi)部會順著秸稈的方向產(chǎn)生裂縫，形成軟弱結(jié)構(gòu)面[13]。同樣，在玄武巖纖維水泥土中依然存在這種現(xiàn)象，在試塊制備過程中和對破壞后的試塊進行觀察，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維集束現(xiàn)象比較明顯，如圖12所示，該處可能成為潛在的軟弱結(jié)構(gòu)面。

玄武巖纖維成束，致使纖維與膠結(jié)材料的有效接觸面積減小，如圖13所示，外層纖維束的一側(cè)被水泥土包裹，而內(nèi)部纖維處于自由狀態(tài)，并未發(fā)揮應(yīng)有的作用，可能會成為試件的薄弱點，類似于巖石的節(jié)理面。所以，成束纖維的存在，外側(cè)能夠發(fā)揮一定的作用，而內(nèi)側(cè)纖維被“束之高閣”，不僅降低了有效纖維摻入量，還使其自身成為薄弱點，該點最終強度呈現(xiàn)何種變化，取決于內(nèi)、外纖維耦合作用的綜合效果。

圖13 水泥土中纖維集束狀態(tài)示意圖Fig.13 Schematic diagram of fiber cluster in soil-cement

本文分析是建立在假設(shè)的理想條件下，實際上纖維在水泥土中隨機曲線分布；再者，纖維的摻量畢竟有限，水泥土承擔了大部分荷載，纖維最初的作用也正是由于水泥土發(fā)生了一定微裂紋時才能逐步釋放出來，微裂紋預(yù)示著水泥的逐步退出，纖維的逐步承擔，它們之間如何演化銜接，也是值得深入探討的問題。上述諸多因素并不孤立存在，它們之間相互制約、相互平衡，最終纖維水泥土的強度就是其博弈的結(jié)果。

3 結(jié)論

(1)玉米纖維的加固效果與玄武巖纖維相似，其強度試驗曲線均呈現(xiàn)先增大后減小的特點，試驗條件下，二者峰值強度差別不大。

(2)3 mm玉米纖維的最優(yōu)條件為20 mm的長度和0.3%的摻量，試驗初步驗證了玉米纖維短期替代玄武巖纖維的可行性。

(3)纖維長度和纖維間距對水泥土加固效果影響較大，在試塊制備和加載破碎后的試塊中，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維集束現(xiàn)象較為普遍，這些問題值得進一步深入研究。