碳纖維粘土的擊實(shí)試驗(yàn)研究

王玉林 游之晨 張向波 趙曉華

【摘要】通過(guò)對(duì)碳纖維摻入量分別為0%、0.2%、0.4%和0.6%的四組粘土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：由于碳纖維比礦物顆粒輕的纖維狀輕質(zhì)材料，碳纖維比表面積小，表面能低，具有很強(qiáng)的疏水性，使得碳纖維在土中較難分散，且與土顆粒較難結(jié)合，容易在土中形成較多孔隙，因此在相同的擊實(shí)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(duì)應(yīng)的最佳含水量增大。

【關(guān)鍵詞】碳纖維 ?擊實(shí)試驗(yàn) ?最大干密度 ?最優(yōu)含水量

【基金項(xiàng)目】國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（201410397011），福建省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃項(xiàng)目（Sj201210397737），武夷學(xué)院土木工程特色專(zhuān)業(yè)建設(shè)（Xj2012022），廣東省高等學(xué)校結(jié)構(gòu)與風(fēng)洞重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（201404）。

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU411 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）05-0251-01

一、引言

土體在外力功能作用下（碾壓或夯實(shí)），孔隙度變小，密度增大，強(qiáng)度提高，壓縮性及滲透性降低，使土的工程性質(zhì)得到改善。工程實(shí)踐表明，在天然含水量接近最佳含水量時(shí)進(jìn)行填筑和碾壓時(shí)，不僅較為經(jīng)濟(jì)合理，而且有利于保證壓實(shí)土體的長(zhǎng)期穩(wěn)定。近年來(lái)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(xué)性能。研究表明： 隨機(jī)離散加入的纖維能夠有效地提高土樣的壓縮強(qiáng)度剪切強(qiáng)度抗拉能力和承載力，增加土樣破壞時(shí)的應(yīng)變，減少峰值強(qiáng)度損失，使土樣呈現(xiàn)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(qiáng)度和比模量，本文對(duì)摻入碳纖維的粘土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)研究，以探討碳纖維摻量對(duì)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(yàn)

（一）材料特性及配比

本試驗(yàn)所需材料為：粘土、純潔水、的碳纖維。其中粘土的物理性質(zhì)指標(biāo)和特性參數(shù)通過(guò)土工實(shí)驗(yàn)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(chǎn)產(chǎn)家所提供的碳纖維基本性能為：碳纖維長(zhǎng)度3mm，直徑10～14μm，抗拉強(qiáng)度≥24 MPa，楊氏模量27.5～41.6GPa。

（二）試件制備

本實(shí)驗(yàn)共制備四組不同碳纖維摻量的擊實(shí)試樣，第一組、第二組、第三組和第四組擊實(shí)試件的碳纖維質(zhì)量比摻入量（碳纖維占粘土質(zhì)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(guò)程如下：

1.從現(xiàn)場(chǎng)取天然土，將土樣在自然溫度下風(fēng)干，放在橡皮板上，用圓木棍碾散;

2.因試驗(yàn)采用用輕型擊實(shí)筒，需將碾散的土過(guò)5mm篩，將篩下土樣拌勻，并測(cè)定土樣的風(fēng)干含水率;

3.根據(jù)各組碳纖維摻入量，將稱(chēng)取的碳纖維分散到土中，用砂漿攪拌機(jī)干拌均勻;

4.將拌合均勻的土分成5等分，根據(jù)土的塑限預(yù)估最優(yōu)含水率，按依次相差約2%的含水率制備一組試樣，其中應(yīng)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(shí)用。

（三）試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn) （ 電動(dòng) ）擊實(shí)儀，因試驗(yàn)用土經(jīng)過(guò)5mm篩過(guò)篩，粒徑較小，根據(jù)土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)采用輕型擊實(shí)。試驗(yàn)過(guò)程為：擊實(shí)筒內(nèi)壁和底板涂一薄層潤(rùn)滑油，連接好擊實(shí)筒與底板，安裝好護(hù)筒;稱(chēng)取一定量試樣，倒入擊實(shí)筒內(nèi)，分三層擊實(shí)，使擊實(shí)后的試樣高度略高于擊實(shí)筒的1/3，每層25擊;擊實(shí)完成后，超出擊實(shí)筒頂?shù)脑嚇痈叨葢?yīng)小于6mm;卸下護(hù)筒，用直刮刀修平擊實(shí)筒頂部的試樣，拆除底板，修平底部，擦凈筒外壁，稱(chēng)筒與試樣的總質(zhì)量，減去筒的質(zhì)量，得出土的凈重，由土的凈重和土樣體積（擊實(shí)筒空腔的體積），計(jì)算出試樣的濕密度ρi;從試樣中心取 2 個(gè)代表性試樣測(cè)定土樣的含水量wi，稱(chēng)量準(zhǔn)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(yàn)都是90℃恒溫下烘干，對(duì)不同含水量的試樣依次按上述步驟擊實(shí)。根據(jù)公式ρdi=ρi/（1+wi）計(jì)算出5份試樣的干密度，并根據(jù)干密度ρdi和含水量wi關(guān)系，繪制ρd—wi關(guān)系曲線(xiàn)，即擊實(shí)曲線(xiàn)。

三、試驗(yàn)結(jié)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(shí)試驗(yàn)，對(duì)比分析可知：沒(méi)有摻入碳纖維的擊實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)土的干密度和最佳含水量分別為：1.65g/cm3和21.2%。由此可見(jiàn)：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(zhì)材料，碳纖維比表面積小，表面能低，具有很強(qiáng)的疏水性，造成碳纖維在土中較難分散，其與土顆粒較難結(jié)合，容易在土中形成較多孔隙，因此在相同的擊實(shí)功作用下，最大干密度隨碳纖維增加而下降，而對(duì)應(yīng)的最佳含水量增大。

圖1 ? 無(wú)摻碳纖維粘土的擊實(shí)曲線(xiàn)

四、結(jié)論

通過(guò)對(duì)碳纖維摻入量分別為0%、0.2%、0.4%和0.6%的四組粘土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：由于碳纖維比礦物顆粒輕的纖維狀輕質(zhì)材料，碳纖維比表面積小，表面能低，具有很強(qiáng)的疏水性，使得碳纖維在土中較難分散，且與土顆粒較難結(jié)合，容易在土中形成較多孔隙，因此在相同的擊實(shí)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(duì)應(yīng)的最佳含水量增大。

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作者簡(jiǎn)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。