張偉清

（廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510010）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與城市化進(jìn)程的推進(jìn)，道路基礎(chǔ)建設(shè)的需求與質(zhì)量要求逐年攀升。將石灰固化建筑廢棄土并應(yīng)用于道路基層是減少建筑廢料的一項(xiàng)有效措施，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者已在石灰土的應(yīng)用上做了大量的研究，并取得豐碩的成果。

石灰土應(yīng)用于道路基層可顯著改善原有道路填料的力學(xué)性能［1-3］。LEMAIRE 等人［4］對(duì)改性石灰土的力學(xué)性能及微觀機(jī)理進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)石灰可使土形成“蜂窩狀”結(jié)構(gòu)，可改善土的力學(xué)性能；但石灰的摻入會(huì)增加土的脆性破壞，影響道路基層穩(wěn)定［5-6］。因此，在進(jìn)一步研究中摻入納米粘土和聚丙烯纖維，可提高改性石灰土的力學(xué)性能，增強(qiáng)土的延性。納米粘土由于其物理化學(xué)性質(zhì)，可與石灰土發(fā)生火山灰反應(yīng)生成C-S-H 和C-A-H 等膠凝材料，明顯改善土體強(qiáng)度，有效提高石灰土的劈裂抗拉性能，改善石灰土的壓縮特性，已經(jīng)成為建筑領(lǐng)域一種新型材料［7-8］。在改性石灰土中摻入纖維可改善石灰土的脆性破壞模式，提高其殘余強(qiáng)度。周琳等人［9］利用聚丙烯纖維對(duì)石灰土進(jìn)行改性，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可顯著提高石灰土的劈裂抗拉強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，纖維可增加石灰土顆粒間的膠結(jié)力和密實(shí)度；劉永翔等人［10］用聚丙烯纖維對(duì)水泥土進(jìn)行改性，并用能量耗散的角度解釋水泥土破壞以及裂縫發(fā)展演化規(guī)律。因此，可通過(guò)能量的角度分析改性石灰土抵抗破壞的能力，進(jìn)而闡述強(qiáng)度變化機(jī)理。

本文采用聚丙烯纖維和納米粘土對(duì)石灰土進(jìn)行改性，通過(guò)劈裂抗拉試驗(yàn)對(duì)纖維改性石灰土（FLS）、納米粘土改性石灰土（NLS）和纖維納米粘土復(fù)合改性石灰土（NFLS）的力學(xué)性能進(jìn)行分析，并從能量的角度進(jìn)一步闡述改性石灰土強(qiáng)度變化作用機(jī)理。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用材料為土、生石灰粉、納米粘土和聚丙烯纖維。所用土為廣東地區(qū)某施工項(xiàng)目基坑土，土體呈灰褐色，主要物理力學(xué)性能如下：天然含水率為33%，相對(duì)密度為2.53，不均勻系數(shù)Cu=12.2，曲率系數(shù)Cc=1.24，液限為37.8%，塑限為17.2%，塑性指數(shù)為20.6。所用生石灰粉CaO 含量為89%，純度為97%。所用納米粘土為湖北某公司生產(chǎn)，99.9%可過(guò)200 目篩網(wǎng)，蒙脫石含量為96%～98%，呈米色粉末狀，聚丙烯纖維為6 mm束狀單絲。

1.2 制樣方法

劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)所用試樣為直徑50 mm、高50 mm的圓柱體。試驗(yàn)根據(jù)《公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程：JTG E51—2009》［11］將原狀土?xí)窀煞鬯楹筮^(guò)2 mm 篩，篩取過(guò)篩后的土放入105℃的烘箱進(jìn)行烘干。根據(jù)試驗(yàn)方案，稱取相應(yīng)質(zhì)量的試驗(yàn)材料，根據(jù)最優(yōu)含水率加水進(jìn)行攪拌，各摻料分散均勻后放入密封袋中悶料24 h，并通過(guò)靜力壓實(shí)法進(jìn)行試驗(yàn)。脫模后養(yǎng)護(hù)28 d，前27 d 在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，最后1 d將試樣從養(yǎng)護(hù)箱取出，浸泡于20±2 ℃的水中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，水面需在試樣頂部2.5 cm處。

養(yǎng)護(hù)完成后，將試樣放至在壓力機(jī)升降臺(tái)的劈裂夾具下進(jìn)行測(cè)試，如圖1所示。劈裂夾具由上下兩塊壓條組成，壓條寬度為6.35 mm。試驗(yàn)時(shí)將試樣放置上下壓條間并保持對(duì)中狀態(tài)，試驗(yàn)加載速率為1 mm/min。通過(guò)壓力試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到力-位移曲線，取試樣劈開(kāi)時(shí)的最大壓力P。劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式如下：

式中：R為劈裂抗拉強(qiáng)度（kPa）；P為破壞時(shí)的壓力（N）；H為泡水后試樣的高度（mm）。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)以單摻納米粘土，單摻聚丙烯纖維以及復(fù)摻納米粘土和聚丙烯纖維的方式改性石灰土，通過(guò)劈裂抗拉試驗(yàn)水改性石灰土的劈裂抗拉性能進(jìn)行研究。其中石灰土摻量為6%，在此基礎(chǔ)上摻入0%、2%、4%、6%、8% 的納米粘土和0%、0.25%、0.5%、0.75%、1%的聚丙烯纖維進(jìn)行復(fù)合改性，探究28 d 齡期下LS、NLS、FLS、NFLS 的劈裂抗拉強(qiáng)度性能，試驗(yàn)配合比如表1所示。

表1 試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)Tab.1 Design of Test Mix Proportion

2 結(jié)果與討論

2.1 納米黏土對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

NLS 的劈裂抗拉強(qiáng)度隨納米粘土摻量變化曲線如圖2所示。NLS的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度隨納米粘土摻量的增加而逐漸增大，L6-N2、L6-N4、L6-N6、L6-N8的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為139、187、216、309kPa，較LS提升3%、39%、60%和129%。不同納米粘土摻量NLS的劈裂抗拉強(qiáng)度較LS都有一定程度的提升，且增長(zhǎng)率隨著納米粘土摻量的增加而增大，說(shuō)明納米粘土摻量的增加對(duì)石灰土的劈裂抗拉能力的提升有顯著效果。

圖2 NLS劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.2 NLS Splitting Tensile Strength

2.2 纖維對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

圖3 為FLS 的28d 劈裂抗拉強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量變化的曲線。L6-F0.25、L6-F0.5、L6-F0.75、L6-F1的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為226、256、316、363kPa，較LS分別提升67%、90%、134%、169%。摻入聚丙烯纖維后，F(xiàn)LS中纖維與土顆粒間存在一定的界面作用，促使FLS 的劈裂抗拉強(qiáng)度隨聚丙烯纖維摻量的增加而增大，石灰土的破壞壓力和殘余壓力都不斷增大，峰值強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的變形位移亦有相同趨勢(shì)。

圖3 FLS劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.3 FLS Splitting Tensile Strength

2.3 復(fù)合改性對(duì)劈裂強(qiáng)度的影響

納米粘土和聚丙烯纖維復(fù)合改性石灰土的劈裂抗拉強(qiáng)度曲線如圖4所示。納米粘土和聚丙烯纖維能一定程度提高石灰土28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度。NFLS 劈裂抗拉強(qiáng)度最小提高率為21%，最大提高率為137%。說(shuō)明納米粘土和聚丙烯纖維復(fù)摻對(duì)石灰土的抗拉性能有較好的提升效果。這是由于添加聚丙烯纖維和納米粘土后，納米粘土使石灰土中生成了更多的鈣礬石晶體和C-S-H 和C-A-H 膠凝物質(zhì)，填充了石灰土中的孔隙，使得土體與聚丙烯纖維的咬合力更好，形成了更加密實(shí)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土體整體的密實(shí)度。當(dāng)納米粘土摻量為2%、4%時(shí)，摻聚丙烯纖維均能較大地提高石灰土的28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度。當(dāng)納米粘土含量為6%時(shí)，聚丙烯纖維對(duì)石灰土28 d 劈裂抗拉強(qiáng)度的提升效果有限，說(shuō)明當(dāng)納米粘土摻量較大時(shí)，摻入聚丙烯纖維對(duì)石灰土的抗拉性能提高有限。

圖4 NFLS劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.4 NFLS Splitting Tensile Strength

為了更好分析納米粘土和聚丙烯纖維對(duì)石灰土劈裂抗拉性能的影響，選取LS（L6）、NLS（L6-N6）、FLS（L6-F0.75）和NFLS（L6-N4-F0.75）的劈裂抗拉強(qiáng)度隨納米粘土和聚丙烯摻量變化的曲線如圖4?所示。劈裂試驗(yàn)剛開(kāi)始時(shí)壓條與試樣剛接觸，隨著位移的增加試驗(yàn)力增長(zhǎng)的比較緩慢。當(dāng)上下壓條與試樣充分接觸時(shí)把試樣壓實(shí)，隨著位移的增加試驗(yàn)力增長(zhǎng)速率比較快，試樣進(jìn)入了彈性變形階段，壓力隨著位移呈直線上升趨勢(shì)，在第一階段中試樣開(kāi)始出現(xiàn)微小裂紋且不斷增多。由圖4?可知，F(xiàn)LS在彈性階段的斜率最大，其次是NLS 和NFLS，LS 在彈性階段的斜率最小。NFLS 比未摻時(shí)提前進(jìn)入彈性變形階段，這使得彈性變形階段發(fā)展比未摻時(shí)快。在彈性變形階段結(jié)束后試樣直接進(jìn)入了塑性變形階段，此刻壓力在短暫上升后迅速下降，隨著位移的不斷增大，壓力快速下降。試樣在達(dá)到峰值壓力后，裂縫快速擴(kuò)展并形成軸向貫穿裂縫，曲線達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，試樣軸向裂縫瞬間擴(kuò)大，試樣被劈裂兩半。L6、L6-N6 曲線達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)曲線快速下降，試樣徹底失去了承載能力，L6-F0.75、L6-N4-F0.75曲線達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)曲線緩慢下降，試樣破環(huán)后還有一定的承載力，說(shuō)明聚丙烯纖維的摻加可以使石灰土破壞后還有足夠的承載力。

2.4 基于能量耗散的劈裂性能分析

纖維和納米粘土改性石灰土的劈裂變形的過(guò)程，可由熱力學(xué)的角度分析NFLS 的劈裂抗拉強(qiáng)度和能力耗散的關(guān)系。由熱力學(xué)第一定律可知，NFLS 的破壞變形過(guò)程伴隨著能力的吸收、耗散和釋放。設(shè)NFLS破壞時(shí)沒(méi)有與外界進(jìn)行能力交換，則產(chǎn)生的總能量W被NFLS 所吸收。因此，在荷載的作用下，NFLS 做功可分為試樣內(nèi)部累積的彈性應(yīng)變能We和內(nèi)部裂縫出現(xiàn)損傷破壞的耗散能Wd，滿足如下公式：

NFLS 在荷載作用下吸收的總能量W和彈性應(yīng)變能We的計(jì)算公式如下：

式中：σ1為主應(yīng)力值；ε1為主應(yīng)變值；E為彈性模量。

根據(jù)耗散能計(jì)算公式對(duì)纖維和納米粘土改性石灰土在劈裂抗拉試驗(yàn)中受荷載時(shí)的總能量、彈性應(yīng)變能和耗散能進(jìn)行計(jì)算，如表2所示。

表2 劈裂抗拉NFLS的能量參數(shù)Tab.2 Energy Parameters of Splitting Tensile NFLS

NFLS 的耗散能與劈裂抗拉強(qiáng)度隨納米粘土和纖維摻量變化對(duì)比如圖5 所示。NFLS 的耗散能隨納米粘土和纖維摻量的增加而增大，與劈裂抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致。當(dāng)納米粘土摻量為2%和4%時(shí)，NFLS 的耗散能隨著纖維摻量的增加呈明顯的上升趨勢(shì)。而當(dāng)納米粘土摻量為6%，NFLS 的耗散能則與劈裂抗拉強(qiáng)度一致，隨著纖維摻量的增加緩慢上升。纖維摻量為0.5 和0.75%時(shí)，耗散能相對(duì)于低納米粘土摻量卻有所下降。說(shuō)明納米粘土摻量過(guò)大對(duì)NFLS 的耗散能影響較大，更易造成試樣內(nèi)部出現(xiàn)裂縫損傷。

圖5 NFLS耗散能與劈裂強(qiáng)度對(duì)比Fig.5 Comparison of NFLS Dissipation Energy and Splitting Strength

3 結(jié)論

⑴納米粘土和聚丙烯纖維摻量的增加對(duì)NLS 和FLS的劈裂抗拉強(qiáng)度有積極作用。當(dāng)納米粘土摻量為8%，纖維摻量為1%時(shí)，NLS和FLS的劈裂抗拉強(qiáng)度分別為309 kPa和363 kPa，較LS分別上升129%和169%。

⑵NFLS 的劈裂抗拉強(qiáng)度隨納米粘土和聚丙烯纖維摻量的增加而增大。納米粘土可以促進(jìn)石灰發(fā)生火山灰生成C-S-H 和C-A-H 等膠凝物質(zhì)，纖維可以增強(qiáng)NFLS 的延性，起到骨架拉結(jié)的作用。當(dāng)納米粘土摻量為6%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度低于納米粘土摻量為4%NFLS，納米粘土摻量過(guò)大會(huì)增大NFLS的脆性。

⑶NFLS 的能量耗散與其劈裂抗拉強(qiáng)度趨勢(shì)一致。當(dāng)納米粘土摻量為6%時(shí)，NFLS 脆性增加，在受荷載時(shí)更易出現(xiàn)裂縫損傷破壞，耗散能較納米粘土摻量為4%時(shí)明顯下降。