摘要：為提高水泥土力學(xué)強度和耐久性，選用聚丙烯纖維加筋水泥土的方法，基于室內(nèi)力學(xué)強度試驗和凍融循環(huán)試驗，研究水泥摻量、纖維摻量及養(yǎng)生齡期對纖維加筋水泥土強度特性和耐久性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，養(yǎng)生前28 d水泥土力學(xué)強度增長顯著，水泥摻量增加1%，28 d抗壓強度平均提高19.4%，回彈模量約提高19.3%；聚丙烯纖維摻量為0.3%的水泥土力學(xué)強度最大，28 d無側(cè)限抗壓強度較素水泥土提高約49.6%，回彈模量較素水泥土提高42.0%以上；室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生環(huán)境下水泥土強度優(yōu)于現(xiàn)場自然環(huán)境養(yǎng)生的水泥土；凍融循環(huán)前7次的聚丙烯纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度降低顯著，水泥摻量增加1%，凍融條件下纖維水泥土抗壓強度提高21.5%以上。

關(guān)鍵詞：聚丙烯纖維；水泥土；力學(xué)強度；耐久性；試驗研究

中圖分類號：U414.1

0 引言

由于水泥穩(wěn)定土材料具有抗壓強度高、水穩(wěn)定性良好、施工簡便等優(yōu)點，故在道路、鐵路等工程中常用作填料。但水泥土在荷載作用下易發(fā)生脆性破壞，且抗拉性能較差，對環(huán)境溫度和濕度條件較敏感［1-3］。聚丙烯纖維強度及韌性高，抗拉性能好，耐酸堿性優(yōu)，在水泥土混合料中形成良好的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可增強混合料結(jié)構(gòu)整體性和穩(wěn)定性［4-5］。牛雷等［6］研究了纖維及水泥改良長春地區(qū)黃土抗壓強度影響因素，發(fā)現(xiàn)較長纖維不利于提高水泥土強度。佟鈺等［7］研究表明，低摻量聚丙烯纖維增強水泥土力學(xué)強度顯著，后隨摻量增加，水泥土力學(xué)強度不斷降低。趙麗君等［8］研究表明，聚丙烯纖維改善水泥膨脹土力學(xué)特性的可行性，0.6%摻量的聚丙烯纖維對于改善水泥膨脹土力學(xué)特性的效果最優(yōu)?？紤]到土質(zhì)的區(qū)域性較強，而纖維材料對不同土質(zhì)改良加固效果不一，且不同環(huán)境條件下水泥土孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化各異。鑒于此，本文選用聚丙烯纖維加筋水泥改良粉質(zhì)黏土，通過室內(nèi)力學(xué)強度試驗和凍融循環(huán)試驗，研究水泥摻量、纖維摻量及養(yǎng)生齡期對水泥土強度和耐久性影響規(guī)律。

1 原材料及研究方案

1.1 原材料

土樣取自博興某取土場，為粉質(zhì)黏土，取土深度為1.5～2.0 m，其物理力學(xué)性質(zhì)見表 土樣顆粒組成見表2。水泥采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，技術(shù)性質(zhì)見表3。纖維采用6 mm聚丙烯纖維（PLF），直徑為13 μm，技術(shù)性質(zhì)見表4。水采用自來水。

1.2 研究方案

1.2.1 試驗方案

1.2.1.1 力學(xué)性能

研究不同養(yǎng)生齡期下水泥摻量、聚丙烯纖維摻量對水泥土力學(xué)性能影響規(guī)律，探討水泥土強度增長規(guī)律，擬定聚丙烯纖維加筋水泥土最優(yōu)纖維摻量。試驗設(shè)計中，水泥摻量擬采用3%、5%、7%、9%，聚丙烯纖維摻量擬采用0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，養(yǎng)生齡期擬采用3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、180 d。

1.2.1.2 耐久性

基于室內(nèi)聚丙烯纖維加筋水泥土力學(xué)性能試驗結(jié)果，考慮現(xiàn)場溫度及濕度變化，分析養(yǎng)生方式及凍融循環(huán)次數(shù)對纖維加筋水泥土強度影響規(guī)律。養(yǎng)生方式分為現(xiàn)場自然環(huán)境養(yǎng)生和室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生兩種，凍融次數(shù)擬采用0次、1次、3次、5次、7次、9次、10次。

1.2.2 性能測試方法

1.2.2.1 力學(xué)性能試驗

結(jié)合《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610-2019）中的路基質(zhì)量要求，采用無側(cè)限抗壓強度和回彈模量評價纖維加筋水泥土力學(xué)性能。

試件達到養(yǎng)生齡期前一天，浸水24 h后，分別選用液壓伺服萬能試驗機WDW-100和路面材料強度試驗儀測定試件無側(cè)限抗壓強度和回彈模量，加載速率為1 mm/min。

1.2.2.2 凍融循環(huán)試驗

參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）中的凍融試驗方法，凍結(jié)溫度為（-15±2） ℃，凍結(jié)時間為12 h；水融溫度為（20±2） ℃，融化時間8 h。凍融達到規(guī)定設(shè)計次數(shù)后，測定試件無側(cè)限抗壓強度，并計算其凍融殘留強度比，見式（1）。

ηR（n）=Rw（n）/Rc×100（1）

式中：ηR（n）——試件凍融n次的殘留強度比（%）；

Rw（n）——試件凍融n次的無側(cè)限抗壓強度（MPa）；

Rc——試件初始無側(cè)限抗壓強度（MPa）。

1.2.3 試件制備及養(yǎng)護

結(jié)合《公路路基設(shè)計規(guī)范》（JTG D30-2015）和現(xiàn)場路基壓實水平，根據(jù)室內(nèi)重型擊實試驗結(jié)果，采用靜壓法制備壓實度為96%的試件，試件尺寸為100×h100 mm。試件制備完成后，放入溫度為（20±2） ℃、相對濕度gt;95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)護至規(guī)定齡期。聚丙烯纖維采用干摻法。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能

2.1.1 無側(cè)限抗壓強度及影響因素

2.1.1.1 養(yǎng)生齡期

以水泥摻量5%為例，不同養(yǎng)生齡期聚丙烯纖維加筋水泥土的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果如圖1所示。

根據(jù)圖1可知，不同纖維加筋水泥土強度在養(yǎng)生前28 d水泥土強度增長顯著，后隨齡期延長，水泥土強度逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為水泥土強度增長與水泥水化反應(yīng)速率相關(guān)，養(yǎng)生前期水泥水化反應(yīng)速率較快，會生成較多的硅酸鈣等膠凝物質(zhì)填充土粒間空隙，增強水泥土的整體密實性，故水泥土在前期強度增長較快；后隨齡期延長，水泥熟料逐漸被消耗，水化反應(yīng)速率減緩，從而導(dǎo)致水泥土抗壓強度增長速率減緩。

2.1.1.2 外摻劑摻量

結(jié)合現(xiàn)場路基養(yǎng)生時間及水泥土強度增長趨勢，以齡期28 d的聚丙烯纖維加筋水泥土無側(cè)限抗壓強度為例，分析水泥摻量及聚丙烯纖維摻量對水泥土抗壓強度影響規(guī)律，見圖2。

由圖2可知：在聚丙烯纖維摻量一致條件下，隨水泥摻量增加，不同養(yǎng)生齡期的水泥土無側(cè)限抗壓強度呈線性趨勢增大，水泥摻量增加1%，水泥土28 d無側(cè)限抗壓強度分別平均提高19.4%，原因是水泥熟料與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硅酸鈣等膠凝材料填充土粒間空隙，可增強土粒間連接強度，增大土體結(jié)構(gòu)密實性，故水泥摻量提高水泥土無側(cè)限抗壓強度效果較明顯。在水泥摻量一致條件下，隨聚丙烯纖維摻量增加，水泥土無側(cè)限抗壓強度先增大后降低，在纖維摻量為0.3%時，水泥土抗壓強度取得峰值，較28 d素水泥土抗壓強度提高約49.6%。這是因為聚丙烯纖維具有良好的抗拉性能，適量的纖維材料在水泥土材料內(nèi)部形成空間加筋結(jié)構(gòu)，可有效抑制結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展，提高水泥土抗壓強度；而隨纖維摻量增加，纖維在土體分布不均勻，呈絮亂狀態(tài)，加筋效果減弱，故較高纖維摻量的水泥土抗壓強度降低。

2.1.2 回彈模量及影響因素

2.1.2.1 養(yǎng)生齡期

以水泥摻量5%為例，不同養(yǎng)生齡期下聚丙烯纖維加筋水泥土的回彈模量變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，養(yǎng)生前28 d水泥土回彈模量增長較快，后隨養(yǎng)生齡期延長，水泥土回彈模量增速降低顯著，逐漸趨于穩(wěn)定，其28 d回彈模量約分別達到90 d、180 d回彈模量的89.1%、82.4%，這和水泥熟料與水反應(yīng)速率相關(guān)，養(yǎng)生后期熟料逐漸被消耗，水泥土回彈模量趨于穩(wěn)定，達到極限穩(wěn)定值。

2.1.2.2 外摻劑摻量

以28 d聚丙烯纖維加筋水泥土回彈模量為例，分析水泥及聚丙烯纖維摻量對水泥土回彈模量影響規(guī)律，見圖4。

由圖4可知，在聚丙烯纖維摻量一致條件下，隨水泥摻量增加，不同養(yǎng)生齡期的水泥土回彈模量呈線性增長，相關(guān)系數(shù)gt;0.98。水泥摻量增加1%，水泥土回彈模量約提高19.3%，這是因為水泥摻量增加，水化產(chǎn)物硅酸鈣等膠凝材料增多，可提高水泥土密實性，加強土粒間連接強度，致使水泥土抵抗荷載破壞能力增強，水泥土回彈模量增大。在水泥土摻入聚丙烯纖維后，其回彈模量增大，且回彈模量隨纖維摻量增加呈先增大后降低趨勢變化。在纖維摻量0.3%時，水泥土回彈模量取得峰值，較素水泥土回彈模量提高42.0%以上。當(dāng)纖維摻量≤0.3%時，纖維摻量增加0.1%，水泥土回彈模量分別提高16.2%以上；當(dāng)纖維摻量由0.3%增加至0.4%時，水泥土回彈模量約分別降低8.5%，這是因為聚丙烯纖維良好的抗拉性能抑制了水泥土結(jié)構(gòu)內(nèi)部拉應(yīng)力的發(fā)展，而隨著纖維摻量的增加，水泥土內(nèi)部纖維分布不均勻，纖維加筋作用減弱，導(dǎo)致水泥土回彈模量降低。

鑒于聚丙烯纖維對水泥土無側(cè)限抗壓強度和回彈模量影響規(guī)律，纖維摻量0.3%的水泥土力學(xué)性能最優(yōu)，故聚丙烯纖維加筋水泥土的最優(yōu)纖維摻量為0.3%。

2.2 耐久性

2.2.1 養(yǎng)生方式

現(xiàn)場自然環(huán)境養(yǎng)生及室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生環(huán)境下，聚丙烯纖維加筋水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表5。聚丙烯纖維摻量為0.3%，養(yǎng)生齡期分別為7 d、28 d。

由表5可知，同一水泥摻量及養(yǎng)生齡期下，現(xiàn)場自然環(huán)境養(yǎng)生的聚丙烯纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度低于室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生水泥土強度，約為室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生水泥土強度的90.4%，即室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生環(huán)境下水泥土強度增長效果較好。這是因為現(xiàn)場較室內(nèi)環(huán)境溫度及濕度變化較大，影響水泥水化反應(yīng)速率，生成硅酸鈣等膠凝材料較少，從而現(xiàn)場養(yǎng)生水泥土抗壓強度偏低。

2.2.2 凍融循環(huán)試驗

聚丙烯纖維加筋水泥土凍融循環(huán)試驗結(jié)果見圖5。其中，聚丙烯纖維摻量0.3%，養(yǎng)生齡期為28 d。

由圖5可知，在凍融循環(huán)條件下，聚丙烯纖維加筋水泥土無側(cè)限抗壓強度降低，且凍融循環(huán)前7次，水泥土抗壓強度降低顯著，后隨凍融次數(shù)增加，水泥土抗壓強度降低速率減緩，凍融7次、10次的水泥土抗壓強度較凍融前約分別降低了49.0%、52.6%。這是因為在凍融循環(huán)初期，在孔隙內(nèi)部凍脹應(yīng)力作用下，水泥土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋，且發(fā)展較快，形成貫通的裂縫，故水泥土抗壓強度降低較大，當(dāng)凍融達到一定次數(shù)后，水泥土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，使其抗壓強度逐漸呈緩慢降低趨勢。在凍融次數(shù)一致時，隨水泥摻量增加，纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度呈線性趨勢增長，相關(guān)系數(shù)在0.96以上，且水泥摻量提高水泥

土抗壓強度效果較明顯，水泥摻量增加1%，纖維加筋水泥土凍融1次、3次、5次、7次、9次、10次后抗壓強度約分別提高21.5%、23.2%、24.8%、25.5%、25.6%。當(dāng)凍融次數(shù)gt;7次時，纖維加筋水泥土抗壓強度與水泥摻量的關(guān)系曲線基本重合，說明水泥土抗壓強度逐漸趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)語

（1）養(yǎng)生前28 d水泥土無側(cè)限抗壓強度及回彈模量增長顯著，后隨齡期延長，水泥土抗壓強度及回彈模量逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）水泥土無側(cè)限抗壓強度及回彈模量隨水泥摻量增加呈線性趨勢提高，水泥摻量增加1%，28 d抗壓強度平均提高19.4%，回彈模量約提高19.3%。

（3）聚丙烯纖維摻量為0.3%的水泥土無側(cè)限抗壓強度及回彈模量最大，28 d無側(cè)限抗壓強度較素水泥土分別約提高49.6%，回彈模量較素水泥土提高gt;42.0%。

（4）室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生環(huán)境下水泥土強度增長效果較好，現(xiàn)場自然環(huán)境養(yǎng)生的聚丙烯纖維水泥土抗壓強度約為室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生水泥土強度的91.6%。

（5）凍融循環(huán)前7次的聚丙烯纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度降低顯著，后隨凍融次數(shù)增加，水泥土抗壓強度降低速率減緩，纖維水泥土抗壓強度隨水泥摻量增加呈線性趨勢增長，水泥摻量增加1%，凍融條件下纖維水泥土抗壓強度提高gt;21.5%。

參考文獻

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收稿日期：2023-10-20

作者簡介：莫善優(yōu)（1985—），工程師，主要從事道路、橋梁施工管理工作。