纖維對納米二氧化硅 石灰改良粉土力學性質的影響

李國勛 張艷美 馬丁 畢艦心

摘 要： 山東黃泛區(qū)粉土分布廣泛，在鐵路路基填料緊缺的情況下，常用改良粉土作為路基填料。選用納米二氧化硅和石灰作為改良劑，對黃泛區(qū)粉土進行改良，并通過擊實試驗以及無側限抗壓強度試驗對其強度進行測定，發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅 石灰改良粉土雖然強度有顯著提升，但也呈現(xiàn)出脆性較大的不良特性。為改善納米二氧化硅 石灰改良粉土的脆性，在改良粉土中加入聚丙烯纖維，并通過試驗研究了纖維摻量和長度對納米二氧化硅 石灰改良粉土強度和脆性的影響，確定纖維的最優(yōu)摻量和最優(yōu)長度。結果表明：纖維的加入能改善納米二氧化硅 石灰改良粉土的脆性，提高其抗壓及抗剪強度;當纖維摻量為0.4%、纖維長度為2 cm時，改良效果最好。

關鍵詞： 聚丙烯纖維;納米二氧化硅;石灰;改良粉土;抗壓強度;直剪試驗

中圖分類號：TU447? ? 文獻標志碼：A? ?文章編號：2096-6717（2020）02-0037-08

Mechanical properties of nano-silica and lime stabilized silt reinforced by fiber

Li Guoxun， Zhang Yanmei， Ma Ding， Bi Jianxin

（College of Pipeline and Civil Engineering， China University of Petroleum （Huadong），Qingdao 266580， Shandong， P.R.China）

Abstract：? In Shandong province， silt is widely distributed in the Yellow River flooding area.In the case of shortage of railway roadbed filling material， reinforced silt is commonly used as an alternative.In this study， the silt in the Yellow River floodplain area was reinforced by using nano-silica and lime as modifiers.The strength of the silt was measured by compaction test and unconfined compressive strength tests.It was found that although the strength of the silt was significantly improved， the material also showed some characteristics of brittleness.In order to overcome this disadvantage， polypropylene fibers were added to silt and then， the influences of fiber content and length on the strength and brittleness of the silt were studied through a series of experiments.The optimum fiber content and the optimum fiber content were determined.The results show that the brittleness and compressive and shear strength of the silt can be improved by adding fibers; and when the content of fibers is 0.4% and the length of fibers is 2 cm， the improvement effect is the best.

Keywords： polypropylene fiber; nano-silica; lime; improved silt; compressive strength; direct shear test

山東黃河沖積粉土覆蓋面積廣，約占全省總面積的34%，在鐵路路基填料緊缺的情況下，常用粉土作為路基填料。根據(jù)現(xiàn)行鐵路路基設計規(guī)范，黃泛區(qū)粉土多屬于C組鐵路路堤填料，具有結構穩(wěn)定性差、壓縮性高、力學強度低等特點，必須經過改良后才可使用。

近幾十年來，納米材料迅速興起。由于納米材料尺寸的減小，使其具有一系列不同于宏觀尺度的特性，是現(xiàn)如今材料科學、物理、化學等領域的研究熱點[1-4]。納米二氧化硅是一種無毒、無味、無污染的無機非金屬白色粉末。由于納米二氧化硅具有納米效應，使其在與聚合物復合后對聚合物性能有顯著改進。目前，納米材料在改良土方面的研究主要以砂土、黏土為主。Gallagher等[5]發(fā)現(xiàn)納米二氧化硅可以顯著減少由于砂土液化而造成的沉降;Choobbasti等[6-7]通過室內試驗，先后得出納米二氧化硅可顯著提高水泥砂的無側限抗壓強度的結論以及納米二氧化硅提高水泥沙力學性能和微觀結構性能的最佳摻量;Bahmani等[8]總結了加入納米硅后，水泥砂化學性質和微觀結構隨時間變化的規(guī)律;納米材料改良黏土方面，

Ali Pashabavandpouri等[9]、Gelsefidi等[10]在黏土中加入二氧化硅和石灰，發(fā)現(xiàn)改良土的強度明顯提高，同時，也會顯著降低改良土的膨脹率;Ghasabkolaei等[11]通過在黏土中摻入納米二氧化硅和水泥使得改良土體的彈性模量和強度有較大提升。Ali Zomorodian等[12]認為，相同情況下，納米材料在提高黏土單軸強度方面更有效。近年來，在纖維與納米材料共同改良土的力學性質方面的研究也被廣泛關注，璩繼立等[13]通過研究纖維和納米二氧化硅對上海黏土強度的影響，發(fā)現(xiàn)改良土體的強度有明顯改善;Changizi等[14]在低黏性土中添加納米二氧化硅和聚酯纖維，通過直剪試驗和無側限抗壓強度試驗發(fā)現(xiàn)土體強度有明顯提升，同時，聚酯纖維改善了納米二氧化硅穩(wěn)定土的力學性能。

以上納米材料改良砂土以及黏土的力學特性研究表明，納米材料能顯著提高砂土以及黏土的強度，但同時，改良土體也呈現(xiàn)出脆性大的不良特性。目前，對納米材料改良黃河沖積粉土方面的研究還不夠深入，筆者采用納米二氧化硅和石灰對黃河沖積粉土進行改良，并摻加聚丙烯纖維改善其脆性，通過室內無側限抗壓強度試驗和直剪試驗研究不同纖維摻量和不同纖維長度對納米二氧化硅 石灰改良粉土力學性質的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗所采用土取自東營某施工現(xiàn)場。其物理力學性質見表1。根據(jù)《鐵路路基設計規(guī)范》（TB 10001—2016），試驗用土為低液限粉土。

納米二氧化硅產自山東省壽光市微納化工廠，為親水型納米二氧化硅，呈白色蓬松粉末狀，平均粒徑為15 nm，純度為99.8%，無毒。納米二氧化硅的規(guī)格指標見表2。

纖維為聚丙烯纖維，其主要物理力學性質見表3。

1.2 試驗方法

將粉土烘干、碾碎、過2 mm篩除去雜質后備用，精確稱取所用干土、水、石灰、納米二氧化硅、纖維，混合攪拌均勻并燜料12 h。按照《鐵路工程土工試驗規(guī)程》（TB 10102—2010）對試樣分別進行擊實試驗、無側限抗壓強度試驗和直接剪切試驗。其中，擊實試驗試樣直徑102 mm、高度116 mm，擊實錘質量為4.5 kg，落距為457 mm，擊實過程分5層進行，每層擊數(shù)25次。無側限抗壓強度試樣直徑為50 mm、高度100 mm;直接剪切試驗直徑79.8 mm、高度20 mm。制樣完成后，用保鮮膜密封并在標準條件（溫度20±2 ℃，濕度≥95%）下養(yǎng)護7 d。無側限抗壓強度試驗軸向應變速度控制為每分鐘應變2%。直剪試驗采用固結快剪法，分別在100、200、300、400 kPa共4種不同的垂直壓力下進行，剪切速率為0.8 mm/min。

1.3 試驗方案

配制不同配合比的納米二氧化硅 石灰改良粉土，進行擊實試驗，以確定不同配合比下改良粉土對應的最大干密度與最優(yōu)含水率。

確定不同配合比下的納米二氧化硅 石灰改良粉土所對應的最大干密度與最優(yōu)含水率后，配制相對應的無側限抗壓試驗試樣，在標準條件下，分別養(yǎng)護1、7、28、64 d后測得其無側限抗壓強度。

根據(jù)試驗結果，確定納米二氧化硅和石灰最優(yōu)配比。以該配比改良粉土為研究對象，首先，選取纖維摻量作為變量，纖維長度為3 cm，進行無側限抗壓強度試驗，試驗方案見表4，綜合考慮土體的強度、脆性改良情況以及材料用量情況，確定纖維最優(yōu)摻量;然后，在纖維最優(yōu)摻量下，選取纖維長度作為變量進行對比試驗，試驗方案見表5，確定纖維的最優(yōu)長度。確定最優(yōu)摻量和最優(yōu)長度后，依次在最優(yōu)摻量下進行不同纖維長度試樣的直接剪切試驗和最優(yōu)長度下進行不同纖維摻量的直接剪切試驗，以驗證所確定的最優(yōu)纖維摻量和最優(yōu)纖維長度對試樣抗剪強度的改良效果最好。試驗方案見表6、表7。

2 試驗結果與分析

2.1 擊實試驗結果

不同配合比下，試樣的干密度與含水率的變化曲線如圖1所示。

土樣的干密度與含水率是影響其密實程度的重要因素。在無石灰的情況下，土體間孔隙被納米二氧化硅填充，使得改良粉土的最大干密度增大，同時，納米二氧化硅屬于親水型，在土體內會吸附一部分水，最優(yōu)含水率也會有所增加。因此，無石灰時，隨著納米二氧化硅摻量的增多，土樣的最大干密度與最優(yōu)含水率均呈現(xiàn)出增大的趨勢;加入石灰后，石灰的水化作用會將細顆粒黏結成較大顆粒，使土顆粒間的孔隙增大，改良粉土的最大干密度減小，同時，水化作用會消耗水，使得改良粉土的最優(yōu)含水率降低。因此，土樣的最大干密度與最優(yōu)含水率隨著納米二氧化硅摻量的增多而減小。這說明土樣的密實程度是受石灰與納米二氧化硅雙重影響的。

2.2 無側限抗壓試驗結果

無側限抗壓試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，納米二氧化硅與石灰的配合比為1.5 ∶2時，試樣的無側限抗壓強度明顯提升，且試樣的強度在養(yǎng)護7 d后趨于穩(wěn)定，不再隨養(yǎng)護齡期而變化。

選擇納米二氧化硅與石灰的配比為1.5 ∶2，最優(yōu)含水率為18.6%，進行纖維對納米二氧化硅 石灰改良粉土力學性質的影響。

2.3 纖維摻量和纖維長度對改良粉土強度的影響

2.3.1 纖維摻量對無側限抗壓強度的影響

不同摻量的聚丙烯纖維改良納米二氧化硅 石灰改良粉土的無側限抗壓試驗結果如圖3和表8所示。

圖3給出了纖維長度為3 cm時，不同纖維摻量納米二氧化硅 石灰改良粉土試樣養(yǎng)護7 d的軸向應力 應變關系曲線。由圖3可以看出，一方面，摻入纖維后，改良試樣的無側限抗壓強度略微減小，由于試樣直徑為5 cm，3 cm纖維在土體內不能完全伸展開，不能較好發(fā)揮作用，甚至可能在土體內成為薄弱點，使土體發(fā)生破壞。故該結論具有一定的局限性，僅限于室內小尺寸的試樣試驗。其中，以纖維摻量為0.4%的試樣峰值強度最高。另一方面，摻入纖維后，改良試樣的脆性得到了明顯的改善，引入脆性指數(shù)Ib[15]作為試樣脆性的參考指標。

Ib=（Iq-Ir）/Iq （1）

式中：Ib為脆性指數(shù);Iq為峰值強度;Ir為殘余強度。

該指數(shù)表示歸一化后的峰值強度和殘余強度之間的差異，也可以表示試樣的收縮性。不同纖維摻量的改良粉土的脆性指數(shù)見表9。

從表9可以看出，相比較于未摻纖維的試樣，摻入纖維試樣的脆性指數(shù)大幅度減小，說明纖維可以較大程度地改善試樣脆性大的不良特性。同時，在同一纖維長度下，隨著纖維摻量的增加，脆性指數(shù)逐漸減小，表示隨著纖維摻量的增加，改良試樣的脆性改善越明顯。

聚丙烯纖維摻量為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的納米二氧化硅 石灰改良粉土的無側限抗壓強度比無纖維改良粉土的強度下降約42.9%、10.5%、5.5%和27.3%。當纖維摻量為0.5%時，脆性的改善效果最優(yōu)，其次為0.4%。但纖維摻量為0.5%時，試樣強度下降幅度較大。綜合改良粉土的強度和脆性指數(shù)兩方面，纖維摻量為0.4%時，效果最好，為最佳摻量。

不摻入纖維摻量的試樣，如圖4（a）所示，裂紋從上到下貫穿整個試樣，裂紋發(fā)展較長較寬，破壞面與水平方向成60°夾角，破壞時的變形明顯比摻入纖維的試樣變形小，試樣呈現(xiàn)出明顯的脆性破壞。

而摻入纖維的試樣，如圖4（b）所示，無明顯貫穿整個試件的裂紋且裂紋相對較短較細，破壞時的變形比未摻纖維的變形大，破壞后試樣的整體性保持的較好，也說明試樣的脆性破壞明顯得到改善。

與未摻入纖維的試樣相比，摻入纖維的試樣在試驗出現(xiàn)裂紋破壞時，由于纖維的抵抗剪切變形能力，使裂紋的進一步發(fā)展得到了延緩，從而試樣在破壞時表現(xiàn)出一定的韌性。纖維在單位體積內以較大的數(shù)量均勻的分布在土中，微裂縫在發(fā)展的過程中必然遇到纖維的阻擋，消耗了能量，難以進一步發(fā)展，從而阻斷裂縫。

2.3.2 纖維長度對無側限抗壓強度的影響

取纖維摻量為0.4%，摻入不同長度的聚丙烯纖維時，納米二氧化硅 石灰改良粉土無側限抗壓試驗結果如圖5所示。

由圖5可以得到不同纖維長度的改良粉土無側限抗壓強度，見表10，脆性指數(shù)見表11。

圖5結果表明，隨著纖維長度的減小，試樣的無側限抗壓強度逐漸提高，其中，1、2 cm的納米二氧化硅 石灰改良粉土的無側限抗壓強度比無纖維改良粉土的抗壓強度提高約4.1%、18%，與纖維長度為3 cm的試樣相比，說明改良粉土的無側限抗壓強度與纖維長度與試樣直徑的比值有關。由表11可知，在同一纖維摻量下，隨著纖維長度的減小，脆性指數(shù)逐漸減小，說明改良效果最佳的纖維長度為3 cm，其次為2 cm和1 cm。由于纖維長度為2 cm和3 cm時，試樣的脆性指數(shù)相差不大，纖維長度為2 cm時，試樣的強度較高，所以2 cm為最佳纖維長度。

2.4 纖維長度和纖維摻量對改良粉土抗剪強度的影響

2.4.1 纖維長度對抗剪強度的影響

選取纖維最佳摻量0.4%，纖維長度分別為0、1、2、3 cm進行直剪試驗，結果如圖6所示。得到改良粉土的黏聚力和內摩擦角，見表12，試樣黏聚力與內摩擦角的變化曲線如圖7所示。

由圖6可知，纖維摻量一定時，在相同的垂直壓力下，改良粉土的抗剪強度隨著纖維長度的減小而增強，同時，纖維長度過長，試樣的抗剪強度反而不如未摻纖維的抗剪強度高。纖維長度對土體抗剪強度指標黏聚力和內摩擦角也有不同程度的影響。與纖維長度為1、2 cm的試樣相比較，未摻纖維土體的黏聚力分別提高了112.42、8.47 kPa，而纖維長度為3 cm的試樣的黏聚力反而有所降低;內摩擦角方面，纖維長度對土樣的內摩擦角的影響較小，上下變動幅度不大。

綜上所述，纖維長度為1 cm時，雖然黏聚力有大幅度提升，但內摩擦角有所降低;纖維長度為2 cm時，土體黏聚力和內摩擦角均有提升。當垂直壓力達到350 kPa時，纖維長度為2 cm試樣的抗剪強度超過纖維長度為1 cm的試樣。

由上述結果可知，當纖維摻量為0.4%、纖維長度為2 cm時，改良粉土的抗剪強度的改良效果最優(yōu)。

2.4.2 纖維摻量對抗剪強度的影響

取纖維長度為2 cm，纖維摻量分別為0.2%、0.3%、0.4%、0.5%進行直接剪切試驗，試驗結果如圖8所示，改良粉土的黏聚力和內摩擦角以及其隨摻量的變化曲線分別見表13、圖9。

由圖8可知，在摻入相同長度纖維后，改良粉土的抗剪強度在纖維摻量為0.4%時達到最大，隨后開始下降。在纖維長度一定的情況下，表13給出纖維摻量對土體抗剪強度指標的影響。在纖維摻量由0.3%增加至0.4%時，黏聚力有大幅度提升，隨后呈現(xiàn)下降趨勢，而纖維摻量的改變對內摩擦角影響不大，這也與準黏聚力原理相符。

實驗結果表明，纖維摻量為0.4%、纖維長度為2 cm時，改良粉土的抗剪強度的改良效果最優(yōu)。

2.5 微觀機理分析

改良粉土中摻入纖維增強的掃描電鏡圖像如圖10所示。

由圖10（a）、（b）可以看出，纖維如網狀有效地與土壤黏結在一起。纖維增強改良粉土力學性質的機理為：一方面，在無側限抗壓試驗和直剪試驗中，試樣在被壓縮或者剪切的過程中，纖維在土體中被拉伸，如圖10（c）所示，因此，土壤 纖維基質內出現(xiàn)界面摩擦阻力，這種界面阻力與土壤 纖維接觸面積有關[14]。纖維與土壤顆粒之間的接觸水平越高，纖維所提供的阻力就越大。因此，這種改善機制取決于纖維的長度和摻量。對于給定的纖維摻量或長度，增加纖維長度或摻量，纖維總表面積也會隨之增加，從而導致纖維與土壤顆粒之間接觸面積增大，產生更大的抗變形能力。但是，當纖維長度過長，會在土體內聚集成團，如圖10（d）所示，在土體內形成薄弱點，造成土體強度減弱，因此，纖維長度不宜過長。另一方面，隨機分布的纖維作為一個空間三維網絡，將土顆粒編織或連鎖成一個統(tǒng)一的相干矩陣，從而限制變形過程中土顆粒的位移。

3 結論

纖維摻量和纖維長度對土體抗壓強度和抗剪強度均有影響，通過開展聚丙烯纖維改良納米二氧化硅 石灰改良粉土的無側限抗壓強度試驗和直接剪切試驗，得到如下結論：

1）納米二氧化硅與石灰的配合比為1.5 ∶2時，改良粉土7 d無側限抗壓強度有明顯的提升，且試樣的強度在養(yǎng)護7 d后趨于穩(wěn)定，不再隨養(yǎng)護齡期而變化。

2）在改良粉土的抗壓強度和脆性改良方面，纖維長度一定時，纖維摻量為0.4%時，改良效果最明顯;纖維摻量為最優(yōu)摻量0.4%、纖維長度為2 cm時，改良效果最明顯。因此，纖維最優(yōu)摻量為0.4%，纖維最優(yōu)長度為2 cm。

3）當纖維摻量為0.4%時，以纖維長度作為變量分別進行直接剪切試驗，試驗結果表明，纖維長度為2 cm時，試樣的抗剪強度和抗剪強度指標的改良效果最明顯;當纖維長度為2 cm時，纖維摻量作為變量，可以得出纖維摻量為0.4%時，試樣的抗剪強度和抗剪強度指標的改良效果最明顯。因此，可以驗證纖維最優(yōu)摻量為0.4%，纖維最優(yōu)長度為2 cm。

4）纖維的摻入可以提升土體的力學性質。這與纖維長度、摻量均有關系，纖維長度與摻量均要適宜，纖維過長反而會導致土體強度下降。

5）通過掃描電鏡圖像來看，改良粉土中摻入纖維增強的機理分為兩部分，一是土體與纖維的界面摩擦阻力提供的抗變形能力;二是隨機分布的纖維將土顆粒編織或連鎖成一個統(tǒng)一的相干矩陣，從而限制變形過程中土顆粒的位移。

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（編輯 鄧云）

收稿日期：2019-06-11

基金項目：? 國家自然科學基金（51208510）;山東省研究生教育質量提升計劃（SDYY17020）;山東省研究生教育創(chuàng)新計劃（SDYY15140）

作者簡介：? 李國勛（1996- ），男，主要從事改良粉土研究，E-mail：s18060031@s.upc.edu.cn。

張艷美（通信作者），女，副教授，博士，E-mail：zhangym@upc.edu.cn。

Received： 2019-06-11

Foundation items：? National Natural Science Foundation of China （No. 51208510）; Shandong Province Graduate Education Quality Improvement Program （No. SDYY17020）; Shandong Graduate Education Innovation Program （No. SDYY15140）

Author brief：? Li Guoxun（1996- ）， main research interest： the improvement of silt， E-mail： s18060031@s.upc.edu.cn.

Zhang Yanmei （corresponding author）， associate professor， PhD， E-mail： zhangym@upc.edu.cn.