王 靜，李東一，張?jiān)讫?/p>

吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

粉砂土作為廣泛分布的路基材料,因其存在較少的粘性顆粒,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)松散、粘聚力較小,通常具有較差的力學(xué)性能(如抗剪和抗壓強(qiáng)度),其特性可能受到周圍環(huán)境的強(qiáng)烈影響[1-2].從實(shí)際工程角度看,需要對(duì)粉砂土路基進(jìn)行改良,提高其粘聚力、抗剪強(qiáng)度等力學(xué)特性以滿足施工要求.

過(guò)去幾十年里,使用傳統(tǒng)化學(xué)添加劑如水泥、石灰、粉煤灰等作為改良路基土的工程性質(zhì)已被眾多學(xué)者廣泛研究[3-5].其中,水泥作為改良效果最好的添加劑已有大量試驗(yàn)證明.隨著水泥的摻入,土體的強(qiáng)度、剛度以及抗液化能力都能得到有效的提高,能夠滿足施工要求.但這種方式也存在一定的缺陷,如脆性大、pH值高、對(duì)周邊環(huán)境容易造成很大的影響[6-7],因此需要進(jìn)一步改善.

近年來(lái),由于纖維具有較大的強(qiáng)度、降解速度慢、成本低廉等優(yōu)點(diǎn),故利用纖維對(duì)粉砂土進(jìn)行改良受到研究人員的廣泛關(guān)注.特別是合成纖維,由于其抗拉強(qiáng)度高,比天然纖維具有更大的強(qiáng)度,因此在土壤改良的研究中受到越來(lái)越多的重視,將隨機(jī)分布的短纖維與水泥、石灰、粉煤灰、聚合物等化學(xué)添加劑相結(jié)合的土體加固方法具有廣闊的應(yīng)用前景[8-9].Chen Zhang等[10]人研究結(jié)果表明,用適量的聚丙烯纖維對(duì)水泥土進(jìn)行改良以減輕其脆性破壞是可行的；Ali Ates[11]的研究表明，在水泥摻量為15 %的情況下,玻璃纖維摻量為3 %時(shí),砂土試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大,而玻璃纖維摻量的進(jìn)一步增加會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能下降；Xiangfeng Lv等[12]人的研究表明當(dāng)玄武巖含量為0.75 %時(shí),粘聚力為406.1 kPa,殘余粘聚力為145.4 kPa.與膠結(jié)砂相比,分別提高了74.6 %和148.0 %.而碳纖維作為一種具有更高強(qiáng)度和長(zhǎng)寬比的合成纖維,若是應(yīng)用在改善水泥土中,可能會(huì)取得更好的效果,X.Bao等[13]人發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳纖維纖維含量為1 %,在圍壓為100 kPa和200 kPa時(shí),摻入碳纖維砂土試樣的偏應(yīng)力峰值分別比未摻試樣高出24.7 %和20.5 %；Hongzhi Cui[14]發(fā)現(xiàn)在粉砂土中添加2 %碳纖維時(shí),粘聚力從0.57 kPa提高到39.69 kPa.通過(guò)查閱上述文獻(xiàn)，尚未發(fā)現(xiàn)利用碳纖維和水泥相互作用改善粉砂土力學(xué)特性的研究報(bào)道,因此有必要探究碳纖維增強(qiáng)水泥改良粉砂土力學(xué)特性的變化.同時(shí)，纖維穩(wěn)定水泥土相較以往的穩(wěn)定材料還擁有施工簡(jiǎn)便、工程成本低廉以及能夠廣泛應(yīng)用道路工程中等諸多優(yōu)勢(shì).

綜上所述,以水泥化學(xué)粘合劑,結(jié)合聚丙烯、碳纖維兩種不同類型的纖維進(jìn)行粉砂土加固,通過(guò)常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)(UU)探究在2 %水泥摻量(在課題組之前的研究中得到在水泥摻量為2 %時(shí),所用土體已獲得較大的強(qiáng)度提升,綜合經(jīng)濟(jì)角度考慮,2 %的水泥摻量較為合理)下，不同纖維類型、不同纖維摻量增強(qiáng)粉砂土的力學(xué)特性的變化.對(duì)比不同纖維類型、纖維摻量和圍壓對(duì)抗剪強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度參數(shù)以及剛度等性能的影響,并引入脆性指數(shù)作為判斷脆性失效的標(biāo)準(zhǔn)，最終得到最佳改良方案,為纖維增強(qiáng)水泥粉砂土在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供可靠的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料

選用吉林省西部地區(qū)分布較為廣泛的粉砂土為研究對(duì)象,根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》JTG E40-2007,獲得粉砂土基本物理性質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 粉砂土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of silty sand

選取普通硅酸鹽水泥(P.II 42.5)作為主要膠凝材料.水泥檢驗(yàn)報(bào)告符合《普通硅酸鹽水泥檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》(GB175-2020).

碳纖維均采用江蘇創(chuàng)宇碳纖維有限公司生產(chǎn)的聚丙烯晴(PAN)基碳6 mm 短切碳纖維,6 mm碳纖維更容易在土壤中均勻分布,可以像水泥、石灰或其他添加劑一樣簡(jiǎn)單地添加并與土壤隨機(jī)混合,以提供各向同性增加土壤復(fù)合材料的強(qiáng)度.其外觀如圖1(a)所示,性能指標(biāo)見(jiàn)表2.

表2 碳纖維主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indexes of carbon fiber

聚丙烯纖維采用廊坊朗喆保溫材料有限公司生產(chǎn)的聚丙烯纖維(PP),長(zhǎng)度為12 mm,密度為0.92 g/cm3,拉伸屈服強(qiáng)度為579 MPa,斷裂伸長(zhǎng)率為27.6 %,纖維外觀如圖1(b)所示.

1.2 三軸試件的制備及試驗(yàn)方法

為了匹配合適的試驗(yàn)條件,提高試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性,所有試樣均采用一致的混合方法.首先,在粉砂土中加入碳纖維攪拌120 s,使纖維充分分散在土體中,后加水至最佳含水率攪拌120 s,將拌勻后的土料密封悶料12 h，使水分與土體充分接觸,確保各部分土體含水均勻.在制件前加入水泥和納米二氧化硅攪拌120 s,使各項(xiàng)材料充分混合.

按照我國(guó)規(guī)范的沖擊成型方法制備圓柱形試件(直徑39.1 mm,高度80 mm),按高等級(jí)公路路基材料最低(96 %以上)壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)壓實(shí).每個(gè)樣品均用保鮮膜緊密包裝,以防止水分散和蒸發(fā),并阻塞外部水源.然后根據(jù)《中國(guó)公路工程無(wú)機(jī)粘結(jié)劑穩(wěn)定材料試驗(yàn)方法》(JTG E51-2020),將其置于溫度20℃±2℃、相對(duì)濕度大于95 %的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)7 d.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

靜三軸試驗(yàn)采用南京智龍科技開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的TSZ-2S型全自動(dòng)三軸儀,具有自動(dòng)數(shù)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),圍壓范圍0 MPa～2 MPa,反壓范圍0 MPa～2 MPa,最大加載速率2.4 mm/min,最大軸向負(fù)荷30 kN,帶有不銹鋼旋轉(zhuǎn)壓力室,容器自動(dòng)注水排水系統(tǒng),不可控溫設(shè)置.利用TSZ-2S自動(dòng)三軸儀在圍壓分別為20 kPa，50 kPa和80 kPa的條件下進(jìn)行了UU 三軸剪切試驗(yàn).試驗(yàn)過(guò)程中豎向應(yīng)變剪切速率為0.8 mm/min.

2 結(jié)果與討論

2.1 抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)

2.1.1 粘聚力和內(nèi)摩擦角

土顆粒間存在相互作用力,其中粘土顆粒-水-電系統(tǒng)間的相互作用方式最為普遍.顆粒間的作用力可能是吸引力也可能是排斥力.土的粘聚力是土顆粒間吸引力與排斥力綜合作用的結(jié)果.

摩擦強(qiáng)度是抗剪強(qiáng)度的重要組成之一.一般土的摩擦強(qiáng)度可分為兩個(gè)部分：滑動(dòng)和咬合.滑動(dòng)是指土固體顆粒間的滑動(dòng)摩擦,是土摩擦強(qiáng)度的主要部分；咬合摩擦指的是土顆粒間交錯(cuò)排列使得剪切面的顆粒發(fā)生提升錯(cuò)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和拔出等引起的摩擦.摩擦強(qiáng)度在抗剪強(qiáng)度中通過(guò)內(nèi)摩擦角來(lái)體現(xiàn).

從圖2中可以看出，隨著纖維摻量的增加,粘聚力逐漸增大,兩種纖維均在摻量為0.75 %時(shí)粘聚力提升幅度最大，其中聚丙烯纖維提升了約7 %,碳纖維提升了約11 %.在纖維摻量相同時(shí),碳纖維對(duì)粘聚力的提升效果好于聚丙烯纖維,可能由于碳纖維具有更高的抗拉強(qiáng)度和較大的長(zhǎng)徑比；從圖3中可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加,內(nèi)摩擦角有所提升,但不顯著,在纖維摻量為0.75 %時(shí)，取得最大摩擦角31.57°,提升幅度僅為5 %左右；而在碳纖維摻量為0.5 %時(shí)，取得最大摩擦角32.56°,提升幅度為8 %左右.

圖2 粘聚力隨纖維摻量的變化Fig.2 Variation of cohesion with fiber content

圖3 內(nèi)摩擦角隨纖維摻量的變化Fig.3 Variation of internal friction Angle with fiber content

2.1.2 抗剪強(qiáng)度

抗剪強(qiáng)度是評(píng)價(jià)土體力學(xué)性能的重要指標(biāo).在外部荷載作用下,當(dāng)土體內(nèi)部某點(diǎn)的剪應(yīng)力達(dá)到其抗剪強(qiáng)度時(shí),剪切面兩側(cè)的土體將會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng)破壞,繼而形成滑動(dòng)面,最終導(dǎo)致路基失穩(wěn).土的破壞主要是剪切破壞,抗剪強(qiáng)度是土的重要力學(xué)性質(zhì)之一.依據(jù)莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度理論來(lái)計(jì)算土的抗剪強(qiáng)度.即：

τf=c+σtanφ

式中,τf為土樣的抗剪強(qiáng)度,kPa；c為土樣的粘聚力,kPa；σ為土樣剪切滑動(dòng)面上的法向應(yīng)力,kPa；φ為土樣的內(nèi)摩擦角,°.

從圖4(a)、圖4(b)中能夠發(fā)現(xiàn),在相同圍壓下,試件的抗剪強(qiáng)度隨兩種纖維摻量的增加逐漸增大.當(dāng)兩種纖維摻量均為0.75 %時(shí),抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值.與0 %試件相比,隨著圍壓的變化,聚丙烯纖維抗剪強(qiáng)度分別提高了14 %,11 %和14 %,碳纖維抗剪強(qiáng)度分別提高了19 %,15 %,18 %,碳纖維對(duì)膠結(jié)砂試件的抗剪強(qiáng)度的提升效果要強(qiáng)于聚丙烯纖維.

(a) 不同PP摻量下抗剪強(qiáng)度隨圍壓的變化 (b) 不同CF摻量下抗剪強(qiáng)度隨圍壓的變化圖4 不同纖維摻量條件下抗剪強(qiáng)度隨圍壓的變化Fig.4 Shear strength changes with confining pressure under different fiber content

2.2 能量吸收

能量吸收是指在纖維增強(qiáng)材料中引起變形所需的能量.可以通過(guò)計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變曲線下的面積來(lái)確定.在本研究中,對(duì)所有試驗(yàn)計(jì)算了軸向應(yīng)變?yōu)?5 %時(shí)的能量吸收(ED15%).

從圖5(a)中可以看出,在膠結(jié)砂試件中添加聚丙烯纖維可以使試件的吸能能力得到有效增加,在添加0.75 %聚丙烯纖維時(shí),吸能能力得到最大提升,與膠結(jié)砂相比在3種圍壓下分別提高了約24 %,34 %,34 %.吸能能力的增加可以解釋為纖維的加入導(dǎo)致殘余偏應(yīng)力的提高.此外,纖維在偏應(yīng)力下的伸長(zhǎng)使其在相同軸向應(yīng)變下具有更大的吸收能量的能力.

(a) 吸能能力隨不同PP摻量的變化 (b) 吸能能力隨不同CF摻量的變化圖5 吸能能力隨不同纖維含量的變化Fig.5 Energy absorption with different fiber content

從圖5(b)中可以發(fā)現(xiàn),在碳纖維摻量一定時(shí),隨著圍壓的增大,試件的吸能能力逐漸增大；在圍壓一定時(shí),隨著碳纖維摻量的增加,吸能能力逐漸增大；當(dāng)碳纖維摻量為0.25 %時(shí),在3種圍壓下試件的吸能能力均小于膠結(jié)砂試件；當(dāng)碳纖維摻量為0.5 %且圍壓為20 kPa和80 kPa時(shí),試件的吸能能力小于膠結(jié)砂試件；在50 kPa圍壓時(shí),試件的吸能能力要大于膠結(jié)砂；當(dāng)纖維摻量為0.75 %時(shí),試件的吸能能力大于膠結(jié)砂試件,但遠(yuǎn)小于添加0.75 %聚丙烯纖維的試件.

2.3 脆性指數(shù)

為了評(píng)價(jià)試件在破壞過(guò)程中的脆性特征,Consoli等[15]人提出了脆性指數(shù)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),公式如下：

其中,IB為脆性指數(shù);qmax和qres分別為峰值偏應(yīng)力和殘余偏應(yīng)力,kPa.

不同圍壓、不同纖維種類和摻量下的脆性指數(shù)如圖6(a)、圖6(b)所示.

(a) 不同PP摻量下試件脆性指數(shù) (b) 不同CF摻量下試件脆性指數(shù)圖6 不同圍壓下脆性指數(shù)隨纖維摻量的變化Fig.6 Variation of brittleness index with fiber content under different confining pressures

由圖6(a)可知,當(dāng)聚丙烯纖維摻量一定時(shí),隨著圍壓的增加,試件的脆性指數(shù)降低,延性增加.圍壓為20 kPa時(shí)脆性指數(shù)最高,脆性破壞明顯.圍壓為80 kPa時(shí)脆性指數(shù)最低,脆性破壞減緩效果最好；在圍壓一定時(shí),隨著聚丙烯纖維摻量的增加脆性指數(shù)逐漸降低,添加0.75 %聚丙烯纖維降低效果最為顯著；聚丙烯纖維降低膠結(jié)砂脆性指數(shù)的主要原因是纖維與土體顆粒之間界面存在相互作用力,當(dāng)試樣受到外力作用時(shí),纖維通過(guò)界面相互作用承擔(dān)一部分外力,從而改善膠結(jié)砂的脆性破壞.

從6(b)可知,當(dāng)CF摻量一定時(shí),隨著圍壓的增加試件脆性指數(shù)降低.在圍壓為20 kPa時(shí),添加0.75 %碳纖維試件的脆性指數(shù)最高,脆性破壞明顯；在圍壓為50 kPa時(shí),碳纖維摻量為0.5 %時(shí)脆性指數(shù)最大,0.25 %摻量次之,而0.75 %摻量的脆性指數(shù)基本與膠結(jié)砂試件的脆性指數(shù)相同；在圍壓為80 kPa時(shí),3種摻量試件的脆性指數(shù)均有大幅度下降,但摻量為0.25 %時(shí)試件的脆性指數(shù)與膠結(jié)砂相比有小幅增長(zhǎng),而摻量為0.5 %和0.75%時(shí)試件的脆性指數(shù)稍小于膠結(jié)砂的脆性指數(shù),基本接近.這說(shuō)明在膠結(jié)砂中加入碳纖維既不會(huì)改善脆性行為，而且在較低圍壓時(shí)還會(huì)使脆性指數(shù)變大.

3 結(jié)論

試驗(yàn)研究了不同摻量的聚丙烯纖維和碳纖維對(duì)膠結(jié)砂的改善效果.通過(guò)對(duì)比分析試件的力學(xué)特性可以得出以下結(jié)論：

(1) 碳纖維的加入增加了膠結(jié)砂試件粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度且效果比添加聚丙烯纖維顯著,同時(shí)會(huì)使得膠結(jié)砂試件的脆性指數(shù)增大.

(2) 在相同摻量和圍壓下,添加碳纖維試件抗剪強(qiáng)度大于添加聚丙烯纖維的試件.

(3) 兩種纖維的最佳摻量均為0.75 %,添加聚丙烯纖維時(shí)粘聚力提升7 %左右,碳纖維提升約11 %,內(nèi)摩擦角變化不大；聚丙烯纖維試件抗剪強(qiáng)度分別提高了14 %,11 %和14 %,碳纖維試件抗剪強(qiáng)度分別提高了19 %,15 %和18 %,碳纖維對(duì)膠結(jié)砂試件強(qiáng)度的提升效果好于聚丙烯纖維.

(4) 添加0.75 %聚丙烯纖維時(shí),吸能能力與膠結(jié)砂相比在3種圍壓下分別提高了24 %,34 %和34 %左右,而添加碳纖維的效果不顯著，甚至出現(xiàn)降低的情況.