棉花秸稈纖維水泥土抗折強度試驗研究

楊嬌，殷勇 （鹽城工學(xué)院，江蘇 鹽城 224001）

1 概述

水泥土因為其堅硬性、水穩(wěn)性、低壓縮性等優(yōu)點，防滲效果較好，故常采用水泥土攪拌樁作為止水帷幕來擋水，因此在巖土工程界應(yīng)用廣泛[1]。但是水泥土有著抗折強度低的缺點，阻礙了水泥土的發(fā)展。因此為了改善水泥土這種缺點，許多學(xué)者對水泥土采用了纖維加筋措施，來研究纖維水泥土的力學(xué)性能[2-3]。關(guān)于纖維水泥土的力學(xué)性能研究，目前的成果大多集中在抗壓強度、抗拉強度和抗剪強度這3個方面。Tang研究發(fā)現(xiàn)，纖維水泥土的抗壓強度比纖維土和水泥土的抗壓強度要高，而且還大于兩者抗壓強度之和，強度也隨著纖維摻量的增加而增加[4]。袁玉卿將聚丙烯纖維加入水泥土中，進(jìn)行無側(cè)限抗壓強度試驗，探究纖維的摻量及長度對抗壓強度的影響。結(jié)果表明，強度隨著纖維摻量及纖維長度變化且纖維摻量的影響程度大于纖維長度[5]。Estabragh采用尼龍纖維來改善水泥土的強度時，最終得出尼龍纖維摻量為0.3%時，纖維水泥土的強度最大[6]。Gaspard等研究聚丙烯纖維水泥土的抗拉性能，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維的加入能夠明顯地增加土體的劈裂抗拉強度[7]。汪金龍和婁宗科研究發(fā)現(xiàn)聚酯纖維能夠提高黃土的抗拉強度[8]。陳峰在進(jìn)行玄武巖纖維加固水泥土的試驗中發(fā)現(xiàn)，水泥土的抗拉強度隨著纖維的加入而提高，而且存在最優(yōu)摻入量[9]。殷勇在水泥土中摻入玻璃纖維，通過三軸試驗，發(fā)現(xiàn)纖維能夠明顯提高水泥土的抗剪強度參數(shù)[10]。曹雅嫻在進(jìn)行聚丙烯纖維加固水泥土?xí)r，探討了圍壓、纖維摻入比等因素對土體強度的影響，也得到了相似的結(jié)論[11]。張艷軍等對石棉纖維粉煤灰水泥土進(jìn)行直剪試驗，得出最佳摻量范圍為3%～6%，此范圍內(nèi)的黏聚力與內(nèi)摩擦角都有增加[12]。

由此可知，在纖維水泥土的力學(xué)試驗研究中，關(guān)于抗折強度的研究較少。本文采用棉花秸稈纖維加筋水泥土，通過正交試驗，研究水泥摻量、纖維摻量和纖維長度對抗折強度的影響，得出最佳配合比和影響因素的主次順序。

2 試驗

2.1 試驗材料及方案

試驗用土取自鹽城某工程的施工基坑，風(fēng)干土體，碾壓后過篩2mm后進(jìn)行試驗。土樣的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。水泥采用等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，纖維采用鹽城郊區(qū)的棉花秸稈纖維，對其進(jìn)行處理后變成纖維狀后使用。試驗材料準(zhǔn)備好后，按照60%的目標(biāo)含水率配制纖維水泥土。試驗運用正交原理，對纖維水泥土進(jìn)行正交試驗，3個影響因素分別為水泥摻量、纖維摻量和纖維長度，在選擇因素水平時參考了唐朝生的0～0.3%的纖維摻量，6mm～19mm的纖維長度[13]以及楊繼位的5mm、10mm、15mm的麥秸稈加筋長度和0.20%、0.25%、0.30%的加筋率[14]。因此本試驗的水泥摻量選用6%、8%、10%、12%這4個水平，纖維摻量分別為0.01%、0.02%、0.03%、0.04%，纖維長度為3mm、6mm、9mm、12mm四個水平，水灰比固定為0.5，養(yǎng)護(hù)齡期為7d。

試驗采用的3因素4水平的正交試驗表，因素及水平見表2。根據(jù)因素和水平的關(guān)系設(shè)計正交試驗表，選取L16（45），留有2列空白列作為誤差列。試驗組數(shù)總共為16組，每組設(shè)置3個平行樣。

土的物理力學(xué)性質(zhì) 表1

試驗影響因素及水平 表2

2.2 試樣制備及養(yǎng)護(hù)

試驗尺寸為40mm×40mm×160mm，采用的是長方體試模，在試驗前事先根據(jù)配合比稱好各種材料的質(zhì)量，然后先將土和水泥干拌，再加入棉花秸稈纖維干拌，最后加入水充分地攪拌均勻。在長方體試模內(nèi)側(cè)涂抹一層潤滑機(jī)油，然后將攪拌好的混合漿體緩慢地倒入模具中，分層裝樣，每次裝料的高度要統(tǒng)一，在裝料的過程中保持振搗。裝料完成后在表面包上一層上塑料保鮮膜，靜置24h待試塊成型。試塊脫模后放置在溫度20±2℃、濕度≥95%的恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。

2.3 試驗數(shù)據(jù)處理

試驗采用的儀器是ZQ-990L系列電腦式萬能試驗機(jī)，將養(yǎng)護(hù)好的試塊表面擦拭干凈后放置在試驗機(jī)支座上，調(diào)整好試塊位置后打開萬能試驗機(jī)加載，選擇加載速度為2mm/min，均勻、連續(xù)地加載，直至抗折試塊出現(xiàn)裂痕時，記錄下試驗機(jī)顯示的極限破壞荷載。抗折強度按如下公式計算：

式中，F(xiàn)f為加筋水泥土抗折強度，F(xiàn)為試件極限破壞荷載，L為支座間距離，b是試樣的截面寬度，h是試樣的截面高度。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 抗折強度及極差分析

7d抗折強度極差分析表見表3，其中K1、K2、K3、K4分別表示的是某種影響因素對應(yīng)的4個水平下全部抗壓強度的總和，X1、X2、X3、X4為各因素對應(yīng)水平的平均值，X1=K1/3、X2=K2/3、X3=K3/3、X4=K4/3，R為極差。

由表3可知，在養(yǎng)護(hù)齡期為7d時，抗折強度總和是5.513MPa，最佳的配合比為A4B4C2。3種影響因素水泥摻量的極差R為0.178，纖維摻量的極差R為0.045，纖維長度的極差R為0.038，極差RA＞RB＞RC，由極差分析可知，養(yǎng)護(hù)7d的纖維水泥土抗折強度，3個因素的影響程度大小順序依次為水泥摻量、纖維摻量、纖維長度。水泥摻量的極差值最大，對纖維水泥土的抗折強度影響也就最明顯，其次是纖維摻量和纖維長度，纖維的摻量和長度的極差值基本相同，對抗壓強度的影響水平也是差不多的。

7d抗折強度極差分析表 表3

7d抗折強度極差分析表續(xù) 表3

3.2 抗折強度的方差分析

為了更加精確地分析各因素各水平對抗折強度的影響，結(jié)合試驗誤差的影響，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，也能給出各個因素的影響程度的顯著水平。本試驗中，各因素自由度為3，空白兩列為誤差列，則誤差的自由度為6。選取0.01、0.05和0.1這3種顯著水平，查F分布表得：F0.01（3，6）=9.78，F(xiàn)0.05（3，6）=4.76，F(xiàn)0.1（3，6）=3.29。7d的抗折強度方差分析表見表4。

由表4可知，養(yǎng)護(hù)齡期為7d時，水泥摻量對試驗結(jié)果具有顯著影響，纖維摻量對抗折強度的影響顯著，但是顯著程度遠(yuǎn)小于水泥摻量，纖維長度的影響不是很顯著。由方差分析表可知，各影響因素的主次順序依次為水泥摻量、纖維摻量、纖維長度，這一結(jié)果與極差分析得出的結(jié)果是一致的。

7d抗折強度極差分析表 表4

4 結(jié)論

對棉花秸稈纖維水泥土進(jìn)行抗折強度試驗，通過正交試驗，得出以下結(jié)論：

①通過正交試驗的極差分析可知，試驗最佳配合比為A4B4C2，即水泥摻量為12%，纖維摻量0.4%，纖維長度為6mm，此時7d的抗折強度值達(dá)到最大值；

②根據(jù)極差分析和方差分析可知，影響抗折強度的3種因素的主次順序依次為水泥摻量、纖維摻量和纖維長度，其中水泥摻量的影響程度最大，纖維摻量的影響次之，纖維長度的影響程度較差；

③纖維摻量對試驗結(jié)果的影響程度較顯著，說明纖維的加入，一定程度地提高了水泥土的抗折強度，纖維加筋對提高水泥土的抗折強度是有作用的。