纖維加強作用對泡沫輕質土設計性能改善研究*

許江波 王元直 晏長根 包 含 裘友強 張留俊 尹利華 楊曉華

(長安大學公路學院1) 西安 710064) (中交第一公路勘察設計研究院有限公司2) 西安 710065)

0 引 言

泡沫輕質土作為路基填料時通常采用整體澆鑄的工藝，因此路基的整體性更好，且材料強度足以承擔交通荷載.其強度主要是由水泥硬化產生的，另一方面泡沫輕質土缺陷也十分明顯，由于缺乏延性，泡沫輕質土在受力變形過程中呈現的是脆性破壞，在達到極限強度后承載能力急劇下降.加入纖維材料改善其力學特性是行之有效的手段.

蘇謙等[1-5]對泡沫輕質土力學特性開展了全面研究，著重研究了濕密度和養護齡期對材料力學性能的影響.在加筋泡沫輕質土方面，主要研究了玻璃纖維和聚丙烯纖維對泡沫輕質土物理力學性能和長期性能的影響.胡汶晗[6]發現摻入纖維和聚合物能顯著提高泡沫輕質土的力學性能，同時還具有較好的熱絕緣性.小林洋文等[7]發現加入短纖維后泡沫輕質土延性得到了顯著改良并且得到了短纖維直徑-長度-設計單軸抗壓強度之間關系.古河幸雄等[8]在未改變輕質土流值和密度的條件下提高了泡沫輕質土的延性及強度.本文重點開展加筋效應對泡沫輕質土濕重度、流值，以及材料的7 d無側限抗壓強度影響的研究，分析材料性能的變化規律.

1 試驗材料選擇及配合比設計

試驗選取的主要原料包括：水泥、水、泡沫、聚丙烯纖維.材料各項性能均符合文獻[9-10]中的規定.試驗材料選擇見表1.

表1 試驗原材料信息表

2 基準配合比選定

2.1 基準配合比設計計算

試驗采用設計施工濕密度為600 kg/m3進行配合比設計，配合比設計及計算過程按照文獻[10]中的規定進行，計算所得設計配合比見表2，并按照規范中的規定方法進行泡沫輕質土的配合比試驗.

表2 泡沫輕質土配合比試配統計表 kg

2.2 基準配合比確定試驗

2.2.1流值試驗

流值是衡量泡沫輕質土流動性的指標，本次試驗采用圓筒法進行測量.將泡沫輕質土流值保證為160～190 mm.試驗后測得數據見圖1.

圖1 泡沫輕質土流值隨水灰比變化曲線

由圖1可知，泡沫輕質土的流值受水灰比的影響較大.隨著水灰比的減小，泡沫輕質土的流值呈現逐漸減小的趨勢.隨水灰比減小，水泥漿料中水泥所占質量比越來越大，含水量逐漸減小，會造成泡沫輕質土的流動性降低.綜合試驗數據及實體工程中對泡沫輕質土流值的要求，符合合理流值設計的配合比為1∶1.75～1∶1.85水灰比對應的配合比.

2.2.2濕重度試驗

參照規范中的試驗方法，對所有配合比試配的材料逐一試驗.泡沫輕質土的濕重度要控制在5.5～6.5 kN/m3范圍內.試驗結果見圖2.

圖2 泡沫輕質土濕重度隨水灰比變化曲線

由圖2可知，隨著水灰比的變化，泡沫輕質土的濕重度會顯著增加.由于泡沫輕質土中水泥的密度遠大于水，當材料中水泥所占比例逐漸增多.因此，泡沫輕質土濕重度隨著水灰比減小，表現出了明顯增長的趨勢.綜合試驗數據及工程實際中對泡沫輕質土濕重度的要求發現，1∶1.65～1∶1.8水灰比對應的配合比，符合合理施工濕重度要求.

2.2.3無側限抗壓強度

試驗采用100 mm×100 mm×100 mm標準試模制作試樣并進行試驗.試驗中所有配合比泡沫輕質土對應7 d無側限抗壓強度見圖3.

圖3 7 d無側限抗壓強度隨水灰比變化曲線

由圖3可知，隨著水灰比的減小，泡沫輕質土的無側限抗壓強度快速增大.水灰比減小，意味著固體材料增多，同時水泥水化產生的強度是材料強度的主要來源，水泥量的增加相當于直接增加了材料內在黏結力，從而顯著使其強度顯著提升.泡沫輕質土的7 d無側限抗壓強度不宜小于300 kPa.發現當設計水灰比為1∶1.7～1∶1.9時，其對應7 d無側限抗壓強度均符合規范的規定.

通過三項設計性能指標試驗，統計所有試驗數據后可以發現，水灰比為1∶1.75～1∶1.80時，試驗用基本設計配合比所有物理力學性能符合規范要求.后續試驗中選用單方泡沫輕質土各類材料配合比為m(水)∶m(水泥)∶m(泡沫)=209.644∶366.877∶23.479.

3 加筋效應對泡沫輕質土使用性能影響研究

由于聚丙烯纖維材料直徑是微米級，比表面積較大，有利于與泡沫輕質土的接觸，增加反應面積，為水泥水化反應過程中結晶的產生提供附著點.聚丙烯纖維良好的分散性可以均勻地分散在泡沫輕質土中，與泡沫輕質土結合形成整體性良好的復合材料.另一方面纖維表面可以為水泥水化反應過程中產生的各類結晶提供附著點，產生的結晶會直接提高水泥本身強度.本試驗通過對不同加筋率條件下，泡沫輕質土的濕重度、流值，以及無側限抗壓強度試驗來研究加筋效應對泡沫輕質土的物理力學性能的影響.

3.1 加筋效應對泡沫輕質土的設計性能指標影響研究

本文通過不同加筋率下泡沫輕質土的流值、濕重度和無側限抗壓強度試驗，來研究加筋效應對泡沫輕質土的影響效果.試驗結果見表3和圖4.

表3 不同加筋率條件下泡沫輕質土設計性能指標匯總

圖4 流值和濕重度隨加筋率變化曲線

通過數據分析可知，加入纖維材料的濕重度略有變化但不明顯，這是由于材料中泡沫的形成是以發泡劑的液面張力為基礎的，在纖維加入后，纖維會以附著于泡沫表面的形式分散于泡沫輕質土中，纖維與泡沫直接接觸，會使得纖維與泡沫接觸的表面產生應力集中現象，使泡沫表面張力不均勻，造成部分直接接觸纖維的泡沫破裂，這對于泡沫輕質土的成型是不利的.

加筋效應對材料的流動性影響顯著，隨加筋率的增加顯著下降.這是由于聚丙烯纖維與液態的泡沫輕質土接觸后會在二者接觸面上產生強大的吸附力，在吸附力的作用下，泡沫輕質土會更加緊密的結合在一起而使得材料流動性下降，從而提高了材料的自立性，當然流動性的下降對于某些特殊要求下的施工(如地下空穴填充等)是不利的.

3.2 加筋效應對泡沫輕質土強度的影響

目前纖維間距理論[11]是解釋纖維增強泡沫輕質土機理較為合理的理論.這一理論主要源于20世紀70年代纖維混凝土技術的發展與應用.纖維間距理論是由美國學者Romualdi在線彈性斷裂力學基礎上提出的，認為混凝土破壞是由于其內部先天的微裂紋、微孔洞等初始缺陷在外力作用下產生應力集中造成的.當纖維均勻分布于材料內部時，裂縫會被限制在纖維之間，當裂縫發展至纖維間距長度時必定會在其發展方向上受到纖維的約束.所以纖維間距s直接影響到纖維增強材料的效果.晏長根等[12]探究了筋材的加固作用機理，闡明了加筋作用對黃土強度影響規律.

圖5 不同因素隨加筋率變化曲線

圖6 不同加筋率泡沫輕質土應力-應變曲線

將制作好的加筋泡沫輕質土試樣在標準養護條件下養護28 d，再進行無側限抗壓試驗，試驗步驟與前文配合比設計時提到的試驗步驟一致.在試驗過程中發現加筋后泡沫輕質土的力學性質發生了明顯變化，見圖5.圖6為不同加筋率泡沫輕質土應力-應變曲線，由圖6可知，從加載到破壞對應的應變明顯增加.Liu等[13]研究了彈性模量與材料應用效果之間的關系，彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度，同時可以表征材料的剛度.隨著材料加筋率的提高，加筋泡沫輕質土的彈性模量出現了下降趨勢.表明材料的剛度有所下降.在材料有第一次明顯破壞后強度發生明顯下降，但是在后續加載中材料的強度均出現小幅度的回升，強度回升的程度與材料的加筋率有一定關系，強度回升后會再次出現強度下降的情況，但強度降低并不明顯，并會在下降到一定強度后保持不變，材料殘余強度也有了明顯提高.本文將材料強度降低率定義為

不同加筋率下材料強度降低率見表4.由表4可知，材料強度降低率明顯下降.從未加筋的45.24%最小可降低至16.32%.

表4 加筋效應對泡沫輕質土的強度降低率以及彈性模量的影響

試樣在受壓破壞之后的裂縫情況也與上述規律相吻合.纖維均勻地分布于裂縫中，纖維對已開展的裂縫起到了一定限制作用，并出現了一部分纖維被拔出的現象，見圖7.隨著加筋率的增加，材料在破壞后裂縫的寬度明顯變小，破壞裂縫也由原先的受壓變形導致的豎向劈裂逐步變為斜向45°的剪切破壞形成的裂縫，材料也由原先的受壓破壞變為剪切變形破壞，見圖8.泡沫輕質土主要承擔壓應力，纖維材料主要承擔由于受壓變形產生裂縫時出現的橫向拉應力.當加筋率超過0.75%之后試樣破壞后不再有貫通整個試件的豎向裂縫出現，裂縫逐漸從貫通試件的整體劈裂裂縫逐漸向試件邊角轉移，試樣的整體性逐漸變好，且由于纖維的存在，本應脫落的泡沫輕質土碎塊依靠纖維的連接依然保持了良好的整體性.由圖7～8可知，泡沫輕質土結構類似于巖石，因此一些巖石力學方法同樣適用于泡沫輕質土.國內外很多學者探究了巖土體力學特性，研究了巖體強度特征.Xu等[14-16]的研究對泡沫輕質土物理力學性能研究起到了重要作用.

圖7 無側限抗壓試驗后試件裂縫細觀

圖8 無側限抗壓試驗結束后不同加筋率裂縫開展情況對比

使用高斯函數對極限強度隨加筋率變化曲線進行擬合，R2達到了0.916 98，材料的極限強度與加筋率的相關性極強.極限強度先隨加筋率的增加而增大，加筋率達到0.5%時達到最大值，之后隨加筋率增加而減小.當加筋率超過0.75%后，加筋效應對材料強度的加強作用有所降低，當加筋率超過1.25%之后，加筋對材料強度將失去加強作用，并可能造成強度的降低.但極限強度對應的應變仍然在增加，說明加筋率大于1.25%時雖然纖維對材料的強度沒有貢獻，但仍可以極大程度延緩破壞的發生.同時隨加筋率增加材料剛度也有明顯的下降.通過觀察不同加筋率條件下試樣的破壞面，發現加筋率低于0.75%時，纖維均勻分散于試樣之中，對裂縫的發展起到了很好的限制作用.在已經出現的裂縫上可以明顯看到纖維對泡沫輕質土的約束作用，且裂縫處的纖維也是較為均勻分布的.

3.3 加筋泡沫輕質土加固機理分析

文獻[11]認為，材料裂紋的產生主要源于水泥材料在硬化過程中產生的天然內部微裂紋.這些微裂紋在荷載作用下要繼續擴展，裂縫尖端處的纖維由于與基體的黏結作用，在泡沫輕質土與纖維的黏結界面處會產生剪應力，同時會對裂縫尖端產生了一個反向的應力場，若假設拉應力引起裂縫的端部應力強度因子為kσ，由裂縫端部相鄰近的黏結應力產生的反向應力場的應力強度因子為kf，則總的應力強度因子kl就將減小，為

kl=kσ-kf

(1)

從這里可以看出纖維會對裂紋尖端的應力集中起到延緩作用.復合材料的強度由纖維的平均間距決定.單位體積材料中纖維根數計算為

(2)

式中：Vf為纖維體積率；lf為纖維長度；ηθ為方向有效系數，通常ηθ取0.41.

纖維平均間距為

(3)

式中：d為纖維直徑，本試驗中d=0.033 mm.

表5 不同加筋率對應Vf及s匯總表

隨纖維間距的減小加筋泡沫輕質土的強度明顯的增強了，當聚丙烯纖維加筋率超過1%之后，纖維間距的減小逐漸不明顯，說明加筋對泡沫輕質土的強度提升逐漸變弱.同時從試件制作以及試驗開展過程可以發現，當加筋率超過1%之后纖維開始出現明顯的結團現象，尤其在試件邊角部分結團現象尤為明顯.在纖維間距理論中，當纖維出現搭接時，搭接纖維視為一根進行分析，隨著加筋率的升高，結團現象越來越明顯，見圖9.結團現象意味著筋材長度和數量都與理論計算結果不符，相當于直接減少了纖維的總根數，這對于材料的受力是不利的.因此，當加筋率超過0.75%時，材料的極限強度呈現出下降趨勢.

圖9 試驗后試件邊角纖維結團現象

4 結 論

1) 在聚丙烯纖維的影響下，泡沫輕質土的流動性和強度性能均發生了明顯變化，流動性隨加筋率的增加而明顯降低，在一定加筋率范圍內材料的強度可以得到明顯提升，在加筋率達到0.5%～0.75%時無側限抗壓強度峰值提升最高.當泡沫輕質土中加筋率超過0.75%后，加筋泡沫輕質土的無側限抗壓強度出現下降趨勢.

2) 纖維加筋效應可以有效增強材料的延性，隨著加筋率的升高，材料出現極限強度對應的應變明顯增加.在未加筋時，材料破壞后強度出現了40%以上的降低，若在破壞后繼續施加荷載，材料的會迅速破碎失去完整性和承載能力.纖維增強后的材料在出現應力峰值之后材料強度的降低比例明顯減少，材料的受力變形特性變得更加穩定.

3) 隨加筋率的提高彈性模量表現為下降趨勢.加筋泡沫輕質土在達到極限強度之后繼續加載，材料的強度均出現小幅度的回升，強度回升的程度與材料的加筋率有一定關系.

4) 在加筋率較低的條件下，聚丙烯纖維可以很好的分散在材料之中，從而在微觀層面上限制裂縫的發育.隨著加筋率的提高，聚丙烯纖維開始出現結團現象，伴隨結團現象的加劇，纖維對泡沫輕質土裂縫的限制作用迅速變差，但仍可以極大程度延緩破壞的發生.