碳纖維粘土的擊實試驗研究

王玉林 游之晨 張向波 趙曉華

【摘要】通過對碳纖維摻入量分別為0%、0.2%、0.4%和0.6%的四組粘土進行擊實試驗，試驗結果表明：由于碳纖維比礦物顆粒輕的纖維狀輕質材料，碳纖維比表面積小，表面能低，具有很強的疏水性，使得碳纖維在土中較難分散，且與土顆粒較難結合，容易在土中形成較多孔隙，因此在相同的擊實功作用下，粘土最大干密度隨著碳纖維摻入量的增加而降低，而對應的最佳含水量增大。

【關鍵詞】碳纖維 ?擊實試驗 ?最大干密度 ?最優含水量

【基金項目】國家大學生創新創業計劃項目（201410397011），福建省大學生創新創業計劃項目（Sj201210397737），武夷學院土木工程特色專業建設（Xj2012022），廣東省高等學校結構與風洞重點實驗室開放基金（201404）。

【中圖分類號】TU411 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）05-0251-01

一、引言

土體在外力功能作用下（碾壓或夯實），孔隙度變小，密度增大，強度提高，壓縮性及滲透性降低，使土的工程性質得到改善。工程實踐表明，在天然含水量接近最佳含水量時進行填筑和碾壓時，不僅較為經濟合理，而且有利于保證壓實土體的長期穩定。近年來纖維作為一種新的加筋材料，被摻入土中，成為纖維土（texsol），用于提高和改善土體的力學性能。研究表明： 隨機離散加入的纖維能夠有效地提高土樣的壓縮強度剪切強度抗拉能力和承載力，增加土樣破壞時的應變，減少峰值強度損失，使土樣呈現較高的韌性。基于碳纖維在所有高性能纖維中具有最高的比強度和比模量，本文對摻入碳纖維的粘土進行擊實試驗研究，以探討碳纖維摻量對粘性土的最佳含水量和最大干密度的影響。

二、主要材料與試驗

（一）材料特性及配比

本試驗所需材料為：粘土、純潔水、的碳纖維。其中粘土的物理性質指標和特性參數通過土工實驗獲得，土的天然密度1.73 g/cm3，天然含水量37.8%，液限39.5%和塑限27.3%，孔隙比0.65;生產產家所提供的碳纖維基本性能為：碳纖維長度3mm，直徑10～14μm，抗拉強度≥24 MPa，楊氏模量27.5～41.6GPa。

（二）試件制備

本實驗共制備四組不同碳纖維摻量的擊實試樣，第一組、第二組、第三組和第四組擊實試件的碳纖維質量比摻入量（碳纖維占粘土質量百分比）分別是：0 wt %、0.2 wt %、0.4 wt %和0.6 wt %。各組試樣的制備過程如下：

1.從現場取天然土，將土樣在自然溫度下風干，放在橡皮板上，用圓木棍碾散;

2.因試驗采用用輕型擊實筒，需將碾散的土過5mm篩，將篩下土樣拌勻，并測定土樣的風干含水率;

3.根據各組碳纖維摻入量，將稱取的碳纖維分散到土中，用砂漿攪拌機干拌均勻;

4.將拌合均勻的土分成5等分，根據土的塑限預估最優含水率，按依次相差約2%的含水率制備一組試樣，其中應有2份含水率大于塑限，2份含水率小于塑限，1份含水率接近塑限，各含水量土樣密封靜置一晝夜后備用，留待擊實用。

（三）試驗方法

試驗采用標準 （ 電動 ）擊實儀，因試驗用土經過5mm篩過篩，粒徑較小，根據土工試驗方法標準采用輕型擊實。試驗過程為：擊實筒內壁和底板涂一薄層潤滑油，連接好擊實筒與底板，安裝好護筒;稱取一定量試樣，倒入擊實筒內，分三層擊實，使擊實后的試樣高度略高于擊實筒的1/3，每層25擊;擊實完成后，超出擊實筒頂的試樣高度應小于6mm;卸下護筒，用直刮刀修平擊實筒頂部的試樣，拆除底板，修平底部，擦凈筒外壁，稱筒與試樣的總質量，減去筒的質量，得出土的凈重，由土的凈重和土樣體積（擊實筒空腔的體積），計算出試樣的濕密度ρi;從試樣中心取 2 個代表性試樣測定土樣的含水量wi，稱量準確至0.01g，含水率的平行差值不得大于1%。為了避免燒失，含水量試驗都是90℃恒溫下烘干，對不同含水量的試樣依次按上述步驟擊實。根據公式ρdi=ρi/（1+wi）計算出5份試樣的干密度，并根據干密度ρdi和含水量wi關系，繪制ρd—wi關系曲線，即擊實曲線。

三、試驗結果及分析

圖1為碳纖維摻入量分別為0 wt %、0.2 wt %、0.4 wt %和0.6 wt %四組擊實試驗，對比分析可知：沒有摻入碳纖維的擊實土的干密度和最佳含水量分別為：1.86g/cm3和13.6%;碳纖維摻入量為0.2%的擊實土的干密度和最佳含水量分別為：1.76g/cm3和15.0%;碳纖維摻入量為0.4%的擊實土的干密度和最佳含水量分別為：1.68g/cm3和17.8%;碳纖維摻入量為0.6%的擊實土的干密度和最佳含水量分別為：1.65g/cm3和21.2%。由此可見：粘土最大干密度隨著碳纖維摻入量的增加而減小，而最佳含水量隨著碳纖維摻入量的增加而增加。原因在于：由于碳纖維密度約為1.8g/cm3，比礦物顆粒輕，為一種輕質材料，碳纖維比表面積小，表面能低，具有很強的疏水性，造成碳纖維在土中較難分散，其與土顆粒較難結合，容易在土中形成較多孔隙，因此在相同的擊實功作用下，最大干密度隨碳纖維增加而下降，而對應的最佳含水量增大。

圖1 ? 無摻碳纖維粘土的擊實曲線

四、結論

通過對碳纖維摻入量分別為0%、0.2%、0.4%和0.6%的四組粘土進行擊實試驗，試驗結果表明：由于碳纖維比礦物顆粒輕的纖維狀輕質材料，碳纖維比表面積小，表面能低，具有很強的疏水性，使得碳纖維在土中較難分散，且與土顆粒較難結合，容易在土中形成較多孔隙，因此在相同的擊實功作用下，粘土最大干密度隨著碳纖維摻入量的增加而降低，而對應的最佳含水量增大。

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作者簡介：

王玉林（1978-），男，漢族，福建龍巖人，副教授，博士，研究方向：土木工程。