不同種類纖維對水泥土力學性質影響試驗研究

姚　燕　賀祖浩

(河海大學 土木與交通學院， 南京　210098)

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不同種類纖維對水泥土力學性質影響試驗研究

姚燕賀祖浩

(河海大學 土木與交通學院， 南京210098)

摘要：將聚乙烯醇、聚丙烯、網狀聚丙烯、玻璃纖維這4種纖維摻入水泥土，分別通過無側限抗壓試驗、劈裂抗拉試驗、抗折試驗、直剪試驗研究不同性質的纖維對水泥土性質的影響．結果表明：聚乙烯醇和玻璃的纖維對水泥土強度提高較大；對水泥土延性與塑性的提高效果比較為：聚乙烯醇纖維>聚乙烯纖維>網狀聚丙烯纖維>玻璃纖維；纖維的摻入能夠明顯提高水泥土的粘聚力，其中玻璃纖維在提高粘聚力的同時能夠不降低水泥土的內摩擦角．

關鍵詞：纖維；水泥土；強度；粘聚力；內摩擦角

水泥土因為易于施工、造價低、污染少等優點被廣泛的應用于軟土地基加固、基礎防滲、渠岸護坡等實際工程[1]．但水泥土是脆性材料，容易發生斷裂破壞，造成工程事故[2]．為改善水泥土的力學性質，許多學者通過加入纖維來改善水泥土的力學性質，殷勇研究了玻璃纖維對改善水泥土力學性質的影響[3]；張雷，張震等研究了聚丙烯纖維對水泥土抗壓強度影響[4]．目前纖維水泥土的研究大多從纖維的長度、含量以及形狀的角度進行研究分析，較少有從纖維的不同力學性質展開進一步的比較研究．本文主要針對不同種類的4種纖維水泥土進行實驗分析，纖維摻量為1%，分別做7 d，14 d，28 d時水泥土無側限抗壓試驗、劈裂抗拉試驗、抗折試驗與直剪試驗，以研究不同性質纖維對水泥土性質的改善效果．

1材料與方法

1.1試驗材料

試驗土樣為粘土，土樣進行風干碾碎后并5 mm篩，其物理力學性質如圖1、表1所示．

表1　土壤基本物理性質

水泥為市場上銷售的海螺牌32.5級復合硅酸鹽水泥，其物理性能指標見表2．試驗所選用的纖維的物理力學參數見表3．

圖1　土樣顆粒分析曲線

細度篩余(80μm)初凝時間/min終凝時間/min安定性抗壓強度/MPa7d 28d抗折強度/MPa7d 28d氧化鎂/%三氧化硫/%氯離子/%2.5≥46≤600合格≥18.9≥32.5≥4.3≥5.50.81.620.010

表3　纖維的主要性能指標

1.2試驗方案與裝置

本次實驗水泥摻量為15%，纖維摻量按與土的質量之比1%摻入．纖維的選擇為聚丙烯醇纖維(A)，聚丙烯網狀纖維(B)，聚丙烯纖維(C)，與玻璃纖維(D)．對纖維水泥土做了7 d、14 d、28 d的無側限抗壓、劈裂抗拉、抗折和7 d、14 d的直剪試驗．其中無側限抗壓、劈裂抗拉試樣尺寸是70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的標準正方體，抗折試驗用的是40 mm×40 mm×160 mm的小梁試件，直剪試驗用的是標準環刀試樣．為保證纖維能夠均勻的摻入水泥土試塊中，把纖維分少量多次加入攪拌機中，當攪拌均勻后，把水泥土裝入水泥土試模，24 h后脫模編號，在水中分別養護7 d，14 d，28 d后取出．無側限抗壓、劈裂抗拉與抗折試驗在多功能萬能試驗機上進行．在直剪儀上做水泥土的直剪試驗．

2試驗結果與分析

2.1纖維水泥土的應力-應變曲線與無側限強度

圖2為纖維水泥土不同齡期的應力-應變曲線，可以看出其中7 d、28 d兩個齡期水泥土應力上升段的斜率相差不大，說明纖維的摻入對水泥土加載初期的彈性模量影響不大．從應力-應變曲線的下降段可以看出，摻入纖維的水泥土下降段明顯變得平而緩，這是纖維脆性得到改善的一個特征，纖維的摻入能夠明顯提高水泥土的延性與韌性．本次實驗纖維的摻量都為1%，從提高水泥土延性的效果來看，A纖維要優于C纖維優于B纖維優于D纖維．A纖維為聚乙烯醇纖維，結合表2的纖維的性質可以看出，A纖維具有高模量高延伸率的特點；C、D纖維都具有低模量和高延伸率的特點；D纖維則具有高模量低延伸率的特點．所以可以看出摻入高延伸率高模量的纖維可以影響水泥土韌性，其中高延伸率的纖維對水泥土韌性改善更為明顯．

圖2　不同種類纖維水泥土無側限抗壓實驗曲線

由圖2(d)3個齡期不同種類纖維水泥土-抗壓強度曲線可以看出，其中摻入A纖維和D纖維水泥土強度最高，3個齡期纖維水泥土強度較未摻纖維的有明顯的提高．而摻入C纖維的水泥土強度幾乎沒有提高，摻入B纖維的水泥土強度較未摻纖維的水泥土強度有減小的趨勢．A纖維和D纖維都有高彈性模量的特點，B纖維和C纖維彈性模量較小．說明影響纖維水泥土強度的主要因素是水泥土的彈性模量．B纖維為網狀聚丙烯，由于網狀纖維在水泥土中不能很好的展開，纖維與水泥土不能很好地粘結，在基體中容易形成薄弱區，網狀纖維水泥土強度較低．

2.2纖維水泥土的劈裂抗拉、抗折強度與抗壓強度的關系

圖3為3個齡期纖維水泥土的劈裂抗拉強度曲線，圖4為3個齡期纖維水泥土的抗折強度曲線，由圖3、圖4可以看出，其中A纖維和D纖維都能大幅提高水泥土的劈裂抗拉和抗折強度．其中A纖維水泥土3個齡期的抗拉強度分別提高了171%、162%、108%，抗折強度提高了37.6%、52.3%、51.5%;D纖維水泥土3個齡期的抗拉強度分別提高了114%、140%、92.5%，抗折強度分別增加了47.5%、47.8%、52%；B纖維對水泥土的抗拉強度和抗折強度都沒有明顯提高；D纖維對水泥土的抗折強度有部分提高．

圖3　不同種類纖維水泥土抗拉強度曲線圖

圖4　不同種類纖維水泥土抗折強度曲線

2.3不同纖維對水泥土抗剪強度的影響

由圖5中3個齡期纖維水泥土豎向壓力-抗剪強度擬合曲線可以看出，纖維的摻入能夠大幅提高水泥土的粘聚力．其中A纖維水泥土7 d纖維水泥土粘聚力從未摻纖維的70kPa提高到了545kPa、14 d纖維水泥土粘聚力從未摻纖維的285kPa提高到了708kPa；B、C、D纖維對水泥土的粘聚力也有明顯的提高．7 d素水泥土和摻入A、B、C、D纖維水泥土內摩擦角分別為43.88°、40.80°、26.05°、29.74°、44.8°；14 d分別為50.57°、38.25°、35.23°、47.93°、55.2°．從內摩擦角的角度來看A、B、C三種纖維對水泥土內摩擦角都有不同程度的減小，D纖維水泥土在兩個齡期內摩擦角都比素水泥土要大．

圖5　不同齡期豎向壓力-抗剪強度擬合曲線

3討論

從理論上講，控制纖維水泥土復合材料的性能主要因素是纖維及基體的物理性能，以及兩者間的粘結強度[5]．粘結強度又受到種種不確定因素的影響，比如纖維表面粗糙程度，水泥土齡期等等．纖維在水泥土中的分散性對水泥土的性質改變也也有明顯的影響．一般聚丙烯類纖維斷裂時的伸長率比水泥土基體破壞時的應變大兩到3個數量級，因此在遠未達到纖維強度之前基體便會開裂[6]．玻璃纖維的破壞伸長率與水泥土基體破壞相差不大，基于這一事實分析不同纖維開裂前與開裂后性能．

在水泥土開裂以前，纖維的作用是摩擦加筋，纖維與水泥土之間有很好的粘結，共同承擔外部荷載，高模量的纖維摻入水泥土中對水泥土強度影響較大．纖維在水泥土中亂向分布，部分纖維起到類似箍筋的作用，約束水泥土的側向擴展．在水泥土材料的三軸試驗的文獻中[7]可以發現，在圍壓作用下，水泥土的應力-應變曲線也趨向于延性破壞，水泥土粘聚力增加．纖維水泥土的破壞也有類似的現象，所以纖維在水泥土中也起到類似等向圍壓的作用，約束水泥土的側向變形，提高水泥土的延性與韌性，粘聚力增加，這也能很好地解釋纖維水泥土粘聚力增大的現象．

在水泥土開裂之后，由于纖維和水泥土之間的粘結力，裂縫處的應力主要由纖維承擔，傳遞給水泥土基體．A纖維的彈性模量高，延伸率高，在裂縫出現后能夠承擔裂縫處應力，阻止裂縫進一步擴展．纖維水泥土會出現多點破壞，水泥土裂縫停止擴展開始增多，裂紋多而密，裂而不斷，出現假塑性；B纖維水泥土由于網狀的特性，與水泥土中不能很好地粘結與分布，表現為松散破壞；C纖維模量較低，延伸率高，水泥土裂縫擴展導致纖維應變進一步增大，裂縫擴展到一定寬度后，纖維在水泥土中被拉出，裂紋較多，基本呈一個整體，對提高水泥土延性與韌性也有較好的改善效果；D纖維的彈性模量較高，延伸率低，在裂縫剛剛出現時有很好的加固效果，但隨著應變的增加，裂縫擴展，玻璃纖維容易斷裂，水泥土基體沿著一道裂紋處斷裂為兩半，應力-應變曲線呈現脆性破壞的現象．

要提高水泥土的強度，摻入高彈性模量的纖維、多加水泥、粉煤灰、硅粉等都能起到很好的效果，但多加水泥、粉煤灰、硅粉的水泥土仍然是脆性材料．要改善水泥土脆性破壞的性質，提高水泥土的延性與韌性，摻入纖維就能起到很好的效果．在纖維的選擇上，延伸率較大的纖維對水泥土延性與韌性有很好的改善效果，但延伸率低，容易斷裂的纖維(玻璃纖維)對改善水泥土的脆性破壞的性質效果較差．

4結論

1)纖維的摻入能夠大大提高水泥土的延性與韌性，其中聚乙烯醇纖維、聚丙烯和網狀纖維、聚丙烯纖維對水泥土韌性提高都比較明顯，玻璃纖維效果較差．

2)玻璃纖維與聚乙烯醇纖維能夠明顯提高水泥土的強度，其中對水泥土抗拉強度的提高最為明顯．

3)纖維的摻入能夠大大提高水泥土的粘聚力，聚乙烯醇纖維、聚丙烯網狀纖維、聚丙烯纖維內摩擦角有不同程度的減小；玻璃纖維不僅能夠提高水泥土的粘聚力并且能提高水泥土的內摩擦角．

4)在水泥土中纖維的作用不僅有摩擦加筋，還有類似箍筋的作用，約束水泥土側向變形，起到等效圍壓的作用．

參考文獻：

[1]陳四利，寧寶寬，鮑文博，等．水泥土細觀破裂過程的損傷本構模型[J]．巖土力學，2007，28(1)：93-96．

[2]赫文秀，申向東．摻砂水泥土的力學特性研究[J]．巖土力學，2011，32(增刊)：392-396．

[3]殷勇．玻璃纖維改善水泥土力學性能的試驗研究[D]．南京：東南大學，2006．

[4]張雷，張振，曹吉慶，鄭剛.聚丙烯纖維對水泥土力學性能的影響[J]，地下空間與工程學報，2005，1(Z1)：1129-1131．

[5]張艷美，張旭東，張鴻儒．土工合成纖維土補強機理試驗研究及工程應用[J]．巖土力學，2005，26(8)：1323-1326．

[6]Tanyildizi H. Statistical analysis for mechanical properties ofpolypropylene fiber reinforced lightweight concrete containingsilica fume exposed to high temperature[J]， Materials and Design， 2009， 30：3252-3258．

[7]梁仁旺，張明，白曉紅．水泥土的力學性能試驗研究[J]．巖土力學，2001，22(2)：211-213．

[責任編輯周文凱]

收稿日期：2015-11-10

基金項目：教育部博士點基金(20100094110002)

通信作者：姚燕(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為滲流與邊坡穩定．E-mail：317195150@qq.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.009

中圖分類號：TU432

文獻標識碼：A

文章編號：1672-948X(2016)01-0041-04

Experimental Study of Effects of Different Kinds of Fibers on Mechanical Properties of Cement Soils

Yao YanHe Zuhao

(College of Civil & Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractTo find effects of different kinds of fibers on cement soil properties, the paper used unconfined compression test, splitting tensile test, bending test, direct shear test respectively to detect cement soils which were mixed with four different kinds of fibers, i.e. polyvinyl alcohol, polypropylene, reticular polypropylene, glass fiber. The results show that the polyvinyl alcohol and glass fiber have much more effect on the strength of cement soil. The improving efficiencies of ductility and plasticity of cement soils show that: polyvinyl alcohol fiber > polyethylene fibers > reticular polypropylene fiber > glass fiber. Fiber incorporation can significantly improve the cohesion of cement soil; and the glass fiber can improve the cohesive force but can not reduce the internal friction angle of cement soil at the same time.

Keywordsfibers;cement soil;strength;cohesion;interal friction angle