李 亮 徐波陽

(1.成都天府國際機場飛行區(qū)管理中心 簡陽 610000； 2.同濟大學交通運輸工程學院 上海 201804)

季節(jié)凍土區(qū)在我國分布廣泛，其面積超過我國國土面積的一半，常用粉質(zhì)黏土作為該區(qū)的路基填料[1]，但由于粉質(zhì)黏土存在明顯的毛細管現(xiàn)象，且吸水保水能力強，滲透性好，可以提供通暢的水源補給通道，因而導(dǎo)致大量自由水聚集，在凍融循環(huán)的作用下，容易形成路基翻漿、路基下沉等現(xiàn)象，造成嚴重的路基凍害[2]。為防治該病害，可以選擇改良路基土，當前最為普遍的做法是采用水泥進行改良，將水泥和土充分拌和后進行碾壓整平，使得水泥和土中的水分充分反應(yīng)，碾壓成型后水泥開始凝結(jié)形成強度，從而達到提高土基強度，消除土基濕陷，防止較大變形的目的，但是水泥改良土存在著一些缺陷，如干縮、脆性破壞等特征[3-5]。當纖維用于路基土改良時，可以顯著提升其塑性變形的能力，但是對土體的力學性能改良效果不明顯。

在水泥改良土中加入纖維即可形成復(fù)合改良土?，F(xiàn)有的文獻大多側(cè)重研究未改良土和單一改良土的力學特性[6-8]，單一改良下的水泥改良土仍然存在一定的問題，水泥高摻量下易產(chǎn)生收縮裂縫，低摻量下凍脹更加明顯，其次強度受齡期和水灰比的影響較大，在凍融作用下其無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度均有明顯的下降，存在明顯的脆性破壞現(xiàn)象，而相較于水泥改良土，復(fù)合改良土在強度方面和抵抗塑性收縮開裂方面均有不錯的表現(xiàn)。因此復(fù)合改良土具有十分廣闊的研究前景。

基于上文，將纖維用于路基土改良時，主要用于提升其塑性變形能力和抗壓能力，故本文針對纖維摻量對季凍區(qū)改良粉質(zhì)黏土動態(tài)回彈模量和無側(cè)限抗壓強度的影響進行研究。本試驗的復(fù)合改良土先通過預(yù)試驗確定合適摻量的水泥，選擇玄武巖纖維，通過改變玄武巖纖維摻量，分析不同摻量下改良土動態(tài)回彈模量和無側(cè)限抗壓強度的變化。

1 復(fù)合改良土抗凍機理

在水泥改良土中加入纖維即可形成復(fù)合改良土，復(fù)合改良土能夠在水泥改良土的基礎(chǔ)上進一步提高粉質(zhì)黏土的強度，形成更好的水穩(wěn)定性，并且抵抗塑性收縮開裂的效果也會明顯提高。這是因為隨機分散于水泥改良土中的纖維能夠有效地提高試樣的壓縮強度、剪切強度、抗拉能力和承載力，減少峰值強度損失，使試樣呈現(xiàn)一定韌性。水泥水化又會消耗土體中的自由水，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強土體，降低土體的含水率，減小土體凍結(jié)時冰晶產(chǎn)生的凍脹作用。所以復(fù)合改良粉質(zhì)黏土的抗凍性能主要體現(xiàn)在2個方面：①纖維加固土體；②水泥水化作用增強土體。

2 原材料性能

2.1 粉質(zhì)黏土基本物性參數(shù)

本試驗用土為呼倫貝爾市阿里河路路基填土，根據(jù)JTG E40-2007 《公路土工試驗規(guī)程》對其進行粒徑分析實驗、界限含水率試驗、天然含水率試驗和擊實試驗。得到其液限介于10～17之間，因此判定其為粉質(zhì)黏土；其最大干密度為1.92 g/cm3，最佳含水率為12.4%，其余物理指標見表1。

表1 土樣物性參數(shù)

2.2 水泥

水泥是水泥改良土的膠結(jié)料，在改善土體結(jié)構(gòu)強度方面發(fā)揮重要作用。在水泥改良土中，使用少量即可滿足目標強度的要求。目前市場上常見水泥品種有普通硅酸鹽水泥(P·O 32.5)和復(fù)合硅酸鹽水泥(P·C 32.5)等。本試驗選用普通硅酸鹽水泥，相較于復(fù)合硅酸鹽水泥，其優(yōu)勢在于可以節(jié)約成本，滿足改良土施工時需要水泥具有較長的初凝時間的需求，并且能夠在同等性價比基礎(chǔ)上增加摻入比例，提高施工質(zhì)量。

2.3 纖維

本試驗選擇玄武巖纖維作為復(fù)合改良土的摻入料。玄武巖纖維(BF)是人工合成的高性能纖維，其優(yōu)勢在于綠色環(huán)保、價格便宜并且抗拉性能和彈性模量等力學性能相較于其他人工纖維也更有優(yōu)越性。摻入土體時，玄武巖摻合料能夠很好地提升土體的抗彎拉性能，也不會出現(xiàn)鋼纖維銹蝕等問題。剛性無機短切玄武巖纖維目前廣泛應(yīng)用于土木工程等領(lǐng)域，在增加水泥和瀝青混凝土的抗裂性和抗沖擊性方面有良好的表現(xiàn)。目前對玄武巖纖維改性混凝土的研究相對較多。但是將玄武巖纖維應(yīng)用于粉質(zhì)黏土的試驗則相對較少，特別是在土體改良力學性能等方面。

試驗采用的玄武巖纖維為束狀單絲壓制而成的條狀纖維，試驗前需將其做分散處理然后均勻摻入土體，纖維絲的物理指標見表2。

表2 玄武巖纖維的物理力學參數(shù)

3 試驗方案

3.1 試件成型及養(yǎng)護

從經(jīng)濟性角度出發(fā)，水泥摻量過高導(dǎo)致造價昂貴，不適用于具體工程，摻量較低則無法實現(xiàn)對土力學性能理想的改良效果，通過前期的預(yù)備實驗，將復(fù)合改良粉質(zhì)黏土中水泥摻量確定為6%。本文選擇玄武巖纖維摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。復(fù)合土的最佳含水率和最大干密度采用目標水泥摻量下的水泥土的最佳含水率和最大干密度?？紤]到在凍融循環(huán)作用下，最佳含水率左側(cè)的水泥土力學性能衰變相對較小，因此復(fù)合改良粉質(zhì)黏土中的初始含水率的水平為OMC、OMC+2%、OMC+4%和OMC+6%。

試件成型及養(yǎng)護過程按下文所述進行。首先稱量一定量符合試件重量的烘干至恒重的粉質(zhì)黏土，加入目標含水率下的水進行充分的拌和，拌和均勻后將其置于保鮮袋中密封靜置24 h，其目的是讓土體中的水分均勻分散。稱量試件所需的濕土質(zhì)量與6%水泥摻量均勻拌和，再將纖維分散加入水泥中均勻拌和，將拌和均勻的復(fù)合改良土均分5層加入直徑×高度為5 cm×10 cm試模中，分層擊實，加入最后一層后，用壓力機靜壓成型，位移速率控制在1 mm/min，壓力值迅速上升時關(guān)閉進油閥，靜置2 min后打開出油閥，進行試件脫模，稱量成型后每一試件的實際質(zhì)量，記錄其高度和直徑。復(fù)合改良土的養(yǎng)護方式與水泥土的養(yǎng)護方式一致。

3.2 試驗方法

3.2.1凍融

凍結(jié)作用的設(shè)備為醫(yī)學可控低溫冰箱，凍結(jié)溫度設(shè)定為-15 ℃，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為6～9次，融化溫度采用室溫自然融化，室溫設(shè)定為(20±1) ℃。以確保試件內(nèi)部充分凍結(jié)，凍結(jié)1次的時間設(shè)定為12 h；然后將試件置于室溫下12 h一次性自然融化，完成該2項步驟即完成了1次凍融循環(huán)作用。受到實驗條件的限制，本次試驗采用封閉系統(tǒng)下，相同凍結(jié)速率、三向凍結(jié)的方式。

3.2.2回彈模量試驗

考慮不同初始含水率水平和凍融次數(shù)，形成實驗組，對各個實驗組分別進行試驗，每組設(shè)3個平行試件，取其平均值作為最終試驗結(jié)果，得到設(shè)定含水率、水泥摻量和圍壓下動態(tài)回彈模量與偏應(yīng)力的變化曲線，進而得到纖維摻量與動態(tài)回彈模量的變化曲線。

3.2.3無側(cè)限抗壓強度試驗

采用動三軸加載系統(tǒng)進行無側(cè)限壓縮試驗。試驗程序遵循JTG 3430-2020 《公路土工試驗規(guī)程》，所有無側(cè)限壓縮試驗均在室內(nèi)溫度(23±2) ℃下進行。為了減少試樣與加載頭之間的摩擦，試樣頂部和底部均涂抹凡士林。以2 mm/min的恒定位移率加載試樣，直至試樣破壞。

考慮不同初始含水率水平和凍融次數(shù)，形成實驗組，對各個實驗組分別進行試驗，每組3個平行試件，取其平均值作為最終試驗結(jié)果。得到設(shè)定含水率、水泥摻量下纖維摻量與無側(cè)限抗壓強度的變化曲線。

4 試驗結(jié)果

4.1 回彈模量

圖1反映了6%水泥摻量下不同玄武巖纖維摻量和初始含水率試件在凍融循環(huán)作用下，回彈模量的變化規(guī)律。

圖1 玄武巖纖維+水泥復(fù)合改良土回彈模量與含水率的關(guān)系

由圖1可知，最佳含水率、圍壓41.4 kPa和偏應(yīng)力27.6 kPa下，纖維摻量為0%，0.50%，1.0%和1.50%，非凍融循環(huán)試件的回彈模量分別為247.93，247.09，265.17，260.61和250.07 MPa。當玄武巖纖維含量從0%增加到1.0%時，回彈模量增加7.0%左右，當纖維含量繼續(xù)增加至2.0%時，回彈模量反而下降。含水率OMC+6%、圍壓41.4 kPa和偏應(yīng)力27.6 kPa下，9次凍融循環(huán)后，纖維含量為0，0.5%，1.0%和1.5%的回彈模量分別下降到42.10%，39.11%，35.84%，38.91%和37.65%。水泥摻量為6%，玄武巖纖維摻量為1.0%的試樣回彈模量最高。

4.2 無側(cè)限抗壓強度

圖2反映了6%水泥摻量下不同玄武巖纖維摻量和初始含水率試件在凍融循環(huán)作用下，無側(cè)限抗壓強度的變化規(guī)律。

圖2 玄武巖纖維+水泥復(fù)合改良土無側(cè)限抗壓強度與纖維摻量的關(guān)系

由圖2可見，隨著玄武巖纖維摻量的增加，復(fù)合改良土的無側(cè)限抗壓強度先增大后減小，存在一個最佳摻量。初始含水率為OMC、OMC+2%、OMC+4%和OMC+6%時，當纖維含量從0增加到1.0%，未凍融試件的無側(cè)限抗壓強度(UCS)分別增加2.94%，2.88%，4.83%和5.71%，凍融9次后試件的UCS分別增加6.78%，8.72%，21.05%和48.84%，說明隨著凍融次數(shù)的增加，玄武巖纖維對復(fù)合改良土的抗凍性在逐漸增強；當纖維含量從1.0%增加至2.0%時，未凍融試件UCS分別下降3.57%，3.6%，6.58%和9.01%，凍融9次后試件無側(cè)限抗壓強度UCS分別下降6.90%，9.88%，20.65%和18.75%。與水泥摻量為6%的土體相比，摻加玄武巖纖維復(fù)合改良土試件的UCS一般大于未摻纖維的試件。水泥摻量為6%，玄武巖纖維摻量為1.0%的試樣UCS最高。

5 結(jié)語

根據(jù)目前對改良土抗凍性能的研究總結(jié)，同時結(jié)合試驗所得出的數(shù)據(jù)，在凍融循環(huán)水泥摻量為6%、初始含水率分別為OMC、OMC+2%、OMC+4%和OMC+6%的條件下，研究纖維摻量對季凍區(qū)改良粉質(zhì)黏土動態(tài)回彈模量和無側(cè)限抗壓強度的影響，得到如下結(jié)論。

適當?shù)睦w維摻量能夠明顯提高改良土的動態(tài)回彈模量和無側(cè)限抗壓強度，纖維摻量過高或者過低均不能達到較好的效果。針對于玄武巖纖維，玄武巖纖維含量為1.0%時，其回彈模量和無側(cè)限抗壓強度最高，可起到較好的改良效果。