聚丙烯纖維加筋水泥砂漿土三軸壓縮試驗研究

阮波，丁茴，鄧威，鄭世龍，阮晨希，孫澤川，張銳

聚丙烯纖維加筋水泥砂漿土三軸壓縮試驗研究

阮波1，丁茴1，鄧威2，鄭世龍1，阮晨希1，孫澤川1，張銳1

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；2. 中國電建集團 中南勘測設計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

為了研究纖維對水泥砂漿土的加筋效果，開展了聚丙烯纖維水泥砂漿土三軸壓縮試驗，研究纖維摻量、水泥摻量、摻砂量、養護齡期等因素對纖維水泥砂漿土的應力應變曲線、破壞偏應力、抗剪強度參數的影響。研究結果表明：纖維水泥砂漿土的應力應變曲線為應變硬化型，聚丙烯纖維能有效提升水泥砂漿土的韌性。纖維水泥砂漿土的破壞偏應力隨纖維摻量的增大而增大。纖維水泥砂漿土的黏聚力隨纖維摻量的增大而增大，未摻纖維的水泥砂漿土的黏聚力為0.06 MPa，4%摻量的纖維水泥砂漿土的黏聚力為0.24 MPa，黏聚力增大了3倍，而纖維摻量對內摩擦角的影響不明顯。纖維水泥砂漿土的黏聚力受摻砂量的影響不明顯，而內摩擦角隨摻砂量先增大后減小，最優摻砂量為0.3。本文成果對纖維水泥砂漿樁的設計和施工具有參考和借鑒意義。

聚丙烯纖維；水泥砂漿土；三軸壓縮試驗；纖維摻量；摻砂量；黏聚力；內摩擦角

鐵路路基工程中，經常遇到軟土地基，由于其天然含水率高、孔隙比大、壓縮性高、固結系數小、承載力低，一般不能滿足地基承載力和路基沉降要求，需要進行地基處理，以避免路基產生嚴重損壞[1?3]。水泥砂漿樁在我國的津保鐵路[4]、向莆鐵 路[5]和懷邵衡鐵路[6]的軟土地基處理工程中得到了一些應用。阮波等[7?9]對水泥砂漿樁的無側限抗壓強度及其影響因素進行了一些研究。由于水泥、砂子是脆性材料，水泥砂漿樁的脆性大、抗拉、抗彎和抗剪強度低。在基坑工程中，水泥砂漿樁受到側向荷載的影響，樁體容易開裂，造成基坑滲漏，所以有必要增強水泥砂漿樁的延性。在混凝土中摻入纖維可以有效提升其力學性能。彭帥等[10]研究發現不同摻量(1%，2%)的鋼纖維對混凝土抗壓強度和延性增強效果比較顯著；高真等[11]研究了6 mm和12 mm玄武巖纖維對混凝土抗壓性能的影響，發現長度為6 mm 的玄武巖纖維對混凝土抗壓性能的改善效果更佳；ZHENG等[12]通過掃描電鏡試驗，研究了玻璃纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維等不同種類的纖維對混凝土抗裂性能的影響，結果表明玻璃纖維對混凝土的裂縫抑制效果最佳；張延年等[13]發現鋼纖維的摻入對混凝土劈裂抗拉強度以及抗折強度有顯著提高，鋼纖維體積摻量為0.9%時，劈裂抗拉強和抗折強度度分別提高37%和18%；周浩等[14]研究發現當玄武巖纖維體積摻量為0.4%時，混凝土的抗折強度和韌性指數的提高幅度最大。本文借鑒纖維增強混凝土材料的研究成果，開展聚丙烯纖維水泥砂漿土三軸壓縮試驗，研究纖維水泥砂漿土的力學性能，為纖維水泥砂漿樁在路基及基坑工程中的應用，提供一定的參考依據。

1 試驗方案設計

1.1 試驗材料

試驗中使用的土樣為粉質黏土，其物理性質指標如表1所示，粒徑分布曲線如圖1所示。所用水泥的等級為PO42.5，其化學成分組成如表2所示，其中LOI為燒失量。試驗選用長度為3mm的聚丙烯纖維，其物理力學參數見表3。試驗所用砂子為細砂，其細度模數為1.6。試驗所用水為長沙市自來水。

表1 土的物理指標

圖1 土的粒徑分布曲線

圖2 聚丙烯纖維照片

表2 水泥的化學組成

表3 聚丙烯纖維的物理力學指標

1.2 試驗方案

本試驗考慮纖維摻量(f)、水泥摻量(c)、摻砂量(s)、養護齡期()等參數對纖維水泥砂漿土三軸壓縮試驗中力學指標的影響，參數計算公式如下：

式中：為干土質量，kg；f為摻入纖維的質量，kg；c為摻入水泥的質量，kg；s為摻入砂子的質量，kg。

試驗方案如表4所示，且水灰比為0.5。

1.3 試樣制備及試驗過程

試樣為直徑39.1 mm，高度80 mm的圓柱體，制樣方法參照規范[15]。將烘干土樣過2 mm篩，加入水泥并攪和均勻，加入自來水拌勻，最后將3 mm聚丙烯纖維分散后摻入，邊摻纖維邊攪拌以保證纖維在試樣中分散均勻。將纖維水泥砂漿土漿液倒入試模中，將試模放在振動臺上振實2 min以上至氣泡全部排出，靜置24 h后脫模，在HBY-60B型水泥恒溫恒濕標準養護箱中進行養護，養護溫度為(20±2) ℃，養護濕度在95%以上。

進行試驗前，先對試樣進行抽氣飽和，待試樣飽和后開始試驗。采用TSZ全自動三軸儀，進行固結排水試驗，剪切速率為0.015 mm/min。

表4 三軸壓縮試驗方案

2 試驗結果及分析

2.1 應力應變曲線及破壞偏應力的影響因素

2.1.1 纖維摻量

未摻纖維的水泥砂漿土和纖維摻量為1%的水泥砂漿土的應力應變曲線如圖3所示。水泥砂漿土的應力應變曲線為應變軟化型，偏應力隨應變增大先增大后減小，最后趨于穩定。纖維水泥砂漿土的應力應變曲線為應變硬化型，偏應力隨應變增大逐漸增大，且增長速率不斷減小。應力應變曲線規律說明摻入聚丙烯纖維能有效增強水泥砂漿土的韌性。土和水泥基之間的膠結在荷載作用下易產生裂縫，強度降低，摻入適量纖維能抑制裂縫的形成和擴張，隨著軸向應變增大，更多纖維與水泥膠體的黏結發揮作用，使應力應變曲線呈現硬化型[16]。

(a) 未摻纖維；(b) 纖維摻量af=1%

規定纖維水泥砂漿土的軸向應變達到15%時所對應的偏應力為破壞偏應力。纖維水泥砂漿土的破壞偏應力隨纖維摻量的變化如圖4所示。纖維水泥砂漿土的破壞偏應力隨纖維摻量的增大而增大，且增長速率逐漸降低。這是由于摻入聚丙烯纖維的作用是增大纖維與水泥膠體的接觸面，兩者的接觸面摩擦系數較大，隨纖維摻量增大，纖維與水泥砂漿土的接觸面也增大，因此能提供更多的摩阻力，提高纖維水泥砂漿土的破壞偏應力[17]。當纖維摻量繼續增大時，水泥砂漿土對纖維的包裹程度逐漸飽和，因此破壞偏應力增長速率減小。

2.1.2 水泥摻量

不同圍壓下纖維水泥砂漿土破壞偏應力隨水泥摻量的變化情況如圖5所示。隨著水泥摻量的增大，纖維水泥砂漿土的破壞偏應力明顯增大。摻入適量水泥可以讓纖維水泥砂土的水泥水化物更多，其孔隙被水泥水化物填充，孔隙率減小，整體性更好。另外，水泥水化產物與土體中活性較強的土顆粒發生反應，也起到固化土體的作用。

圖4 破壞偏應力隨纖維摻量的變化規律

圖5 破壞偏應力隨水泥摻量的變化規律

2.1.3 摻砂量

圖6為不同圍壓下纖維水泥砂漿土的破壞偏應力隨摻砂量的變化情況。隨著摻砂量的增大，纖維水泥砂漿土的破壞偏應力呈現先增后減的規律，最優摻砂量為0.3。砂子可以作為纖維水泥砂漿土中的“粗骨料”，當摻砂量較小時，摻入的砂子能分擔更多的荷載，因此增大摻砂量會增大破壞偏應力。而砂子與纖維之間的黏結作用較弱，所以當摻砂量過大時，會使纖維的黏結作用降低，纖維水泥砂漿土更容易被破壞，因此破壞偏應力降低。

2.1.4 養護齡期

圖7為不同圍壓下纖維水泥砂漿土的破壞偏應力隨養護齡期的變化情況。纖維水泥砂漿土的破壞偏應力隨著養護齡期的增大而增大。隨著養護齡期的延長，水泥水化程度越高，生成更多的水泥水化產物黏結在纖維表面，從而讓聚丙烯纖維分擔更多的應力。

圖6 破壞偏應力隨摻砂量的變化規律

圖7 破壞偏應力隨養護齡期的變化規律

2.2 抗剪強度參數的影響因素

2.2.1 纖維摻量

纖維摻量對黏聚力和內摩擦角的影響如圖8所示。聚丙烯纖維水泥砂漿土的黏聚力隨著纖維摻量的增大而增大，而纖維摻量對內摩擦角影響不顯著。未摻纖維的水泥砂漿土的黏聚力為0.06 MPa，纖維摻量4%的纖維水泥砂漿土的黏聚力為0.24 MPa，黏聚力提高了3倍，提高效果明顯。當纖維摻量超過4%時，纖維摻量對黏聚力的影響不明顯。

纖維提高黏聚力的原因主要歸結為2個方面。首先，聚丙烯纖維能與水泥水化物形成有效黏結，在纖維水泥砂漿土破壞時，分散其所受應力，在適當范圍內增大纖維摻量能增加纖維與水泥砂漿土的黏結。另一方面，纖維在土體中是隨機分布的，而且彎曲的纖維相互交織在一起，形成空間網狀結構，可以有效抑制裂縫的產生與擴展，產生近似“圍壓”的作用[18]。而當纖維摻量超過4%時，一些纖維開始聚集成團，導致纖維與水泥砂漿土之間的接觸面不再增加，黏聚力提高不明顯。

2.2.2 水泥摻量

水泥摻量對黏聚力和內摩擦角的影響如圖9所示。增大水泥摻量可以提高聚丙烯纖維水泥砂漿土的黏聚力且提高速率逐漸降低，而水泥摻量對纖維水泥砂漿土的內摩擦角影響不明顯。水泥摻量分別為10%和25%時，聚丙烯纖維水泥砂漿土的黏聚力分別為0.12 MPa和0.24 MPa，黏聚力提高了1倍，效果顯著。

提高水泥摻量會提高水泥水化物所占比例，可以將更多細小的土體顆粒黏結起來，進而與聚丙烯纖維黏結成具有較好的連續性的絮凝狀結構，并導致纖維周圍的法向應力以及有效接觸面積增加，可以將聚丙烯纖維高抗拉的特性體現出來，從而提高聚丙烯纖維水泥砂漿土的黏聚力。

圖8 纖維摻量對抗剪強度參數的影響

圖9 水泥摻量對抗剪強度參數的影響

2.2.3 摻砂量

摻砂量對黏聚力和內摩擦角的影響如圖10所示。摻砂量對聚丙烯纖維水泥砂漿土的黏聚力影響不顯著，纖維水泥砂漿土的內摩擦角隨摻砂量先增大后減小，最優摻砂量為0.3，對應的最大內摩擦角為32.7°。

當摻砂量較小時，摻入砂子可以更加充分的填充土顆粒之間的孔隙，使纖維水泥砂漿土更加密實，因此內摩擦角逐漸提高；而摻砂量較大時，過量的砂子會逐漸產生新的孔隙，使纖維水泥砂漿土中固態顆粒之間接觸面的摩擦力減小，因此纖維水泥砂漿土的內摩擦角降低。

2.2.4 養護齡期

養護齡期對黏聚力和內摩擦角的影響如圖11所示。聚丙烯纖維水泥砂漿土的黏聚力隨著養護齡期的延長而提高，而內摩擦角無明顯變化。養護齡期從7 d延長至14 d時，聚丙烯纖維水泥砂漿土的黏聚力從0.08 MPa增大到0.15 MPa，相比提高87.5%，黏聚力增長顯著。養護齡期大于14 d時，黏聚力增長速率變小。

聚丙烯纖維水泥砂漿土中的水泥水化物隨養護齡期的延長不斷增多，固相顆粒之間的孔隙不斷被填充，凝膠體結構密實性更好，隨著網狀結構不斷擴展，固相顆粒之間的黏結更充分，因此黏聚力不斷增大。當養護齡期較短時，水泥水化速率較高，因此黏聚力增長速率較大；而隨著養護齡期的延長，水泥水化速率逐漸降低，因此黏聚力的增長速率也逐漸降低。

圖10 摻砂量對抗剪強度參數的影響

圖11 養護齡期對抗剪強度參數的影響

3 結論

1) 水泥砂漿土的應力應變曲線為應變軟化型，而纖維水泥砂漿土的應力應變曲線為應變硬化型。

2) 纖維水泥砂漿土的黏聚力隨纖維摻量增大而增大，摻量超過4%后，增長不顯著，而纖維摻量對內摩擦角的影響不明顯。

3) 摻砂量對纖維水泥砂漿土的黏聚力影響不顯著，而纖維水泥砂漿土的內摩擦角隨摻砂量先增大后減小，最優摻砂量為0.3。

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Experimental study on triaxial compression of polypropylene fiber reinforced cement mortar soil

RUAN Bo1, DING Hui1, DENG Wei2, ZHENG Shilong1, RUAN Chenxi1, SUN Zechuan1, ZHANG Rui1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Power China Zhongnan Engineering Co., Ltd., Changsha 410014, China)

In order to study the reinforcement effect of fibers on cement mortar soil, a series of triaxial compression tests were carried out. The effects of fiber content, cement content, sand content, and curing time on the stress-strain curve, deviatoric stress at failure and shear strength parameters of fiber reinforced cement mortar soil (FRCMS) were investigated. The results show that the stress-strain curve of FRCMS exhibits typical strain hardening behavior, and polypropylene fiber can effectively improve the toughness of cement mortar soil. The deviatoric stress at failure of FRCMS and the cohesion of FRCMS both increases with increasing fiber content. The cohesion values of cement mortar soil without fiber and cement mortar soil with 4% fiber are 0.06 MPa and 0.24 MPa, respectively. However, the influence of fiber on internal friction angle of FRCMS is not obvious. The influence of sand on the cohesion of FRCMS is inapparent, but the internal friction angle increases first and then decreases with sand content, and the optimal sand content is 0.3. The results of this research study can provide reference for the design and construction of fiber reinforced cement mortar mixing pile.

polypropylene fiber; cement mortar soil; triaxial compression test; fiber content; sand content; cohesion; internal friction angle

TU447

A

1672 ? 7029(2021)02 ? 0359 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200900

2020?09?24

國家自然科學基金資助項目(51878666)；中南大學實驗室開放專項資金資助項目(160160001)

阮波(1972?)，男，河南新縣人，副教授，博士，從事巖土工程方面的教學、科研工作；E?mail：ruanbo@csu.edu.cn

(編輯 蔣學東)