纖維對水泥土加固效果影響的試驗研究

牛雷，徐麗娜，鄭俊杰

(1.吉林建筑大學 土木工程學院，長春 130118；2.華中科技大學 土木與水利學院，武漢 430074)

近年來，學者們將不同的纖維摻入到水泥土中，將土體改良技術中的化學改良法和力學改良法有機結合，形成纖維加筋水泥土，通常簡稱纖維水泥土。大量研究結果表明，在水泥土中加入聚丙烯纖維[1]、玻璃纖維[2]、聚苯乙烯纖維[3]等纖維材料可以提高水泥土抗壓和抗拉強度。

玄武巖纖維抗拉強度高、彈性模量大，具有耐腐蝕、耐高溫等特性，在性價比上比其他纖維具有較明顯的優勢，因此，許多學者開展了玄武巖纖維對水泥土加固效果影響的研究[4-5]。胡建林等[6]發現玄武巖纖維對水泥土抗壓、抗拉強度均有所提升，并確定了玄武巖的較優摻入長度和最優摻量范圍。陳峰[7-9]發現玄武巖纖維的摻入不僅可以提高水泥土的抗拉強度，還可增強水泥土塑性，對其黏聚力增強效果較為明顯。鄭俊杰等[10]將玄武巖纖維摻入到微生物固化砂土中，同樣可以提高其強度和韌性。徐麗娜等[11]發現將玄武巖纖維摻入到水泥土中可以減緩水泥土在凍融循環作用下的強度損失，提高水泥土的抗凍性能。馬芹永等[12]對不同玄武巖纖維摻量的水泥土進行沖擊壓縮和動態劈裂試驗，得到合適摻量的玄武巖纖維對水泥土動態特性起著積極作用，通過試驗得出玄武巖纖維的合適摻量。王閔閔等[13]通過動三軸試驗，發現水泥土的動強度和動彈性模量與圍壓、摻入纖維的種類和纖維摻量有關；隨著纖維摻量的增多，水泥土的動強度和動彈性模量增大，動變形減小，對比分析后發現摻入玄武巖纖維的水泥土動力性能較好。然而，目前將玄武巖纖維摻入進長春地區黃土的研究很少見到，筆者對此進行了相應的研究，為玄武巖纖維在該地區的應用與推廣提供參考。

1 試驗方案及測試方法

按照《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T 233—2011)中的要求進行試驗設計。土樣為黃土，取自吉林省長春市凈月區某施工場地附近，塑限ωP為25%，液限ωL為41%，塑性指數IP為16%。原狀土經風干碾碎過篩，密封保存，供試驗使用，試驗用土的粒徑分布曲線如圖1所示。采用的水泥為亞泰鼎鹿牌P.O 42.5級水泥，水泥質量摻入比為0.1%，水灰比為0.5。試驗選用海寧安捷復合材料有限公司生產的短切玄武巖纖維，其物理力學性質指標如表1所示，摻入纖維長度分別為3、6、12、20、35 mm。試驗所用纖維質量摻量入比分別為0%、0.1%、0.3%、0.5%和0.7%。

圖1 粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution

表1 玄武巖纖維的物理力學性質Table 1 Physical and mechanical properties of basalt fiber

試樣制作采用尺寸為70.7 mm的立方體試模，選用天津市慶達試驗儀器制造有限公司生產的70型振動臺，振動頻率為2 860次/min。采用人工拌和法，拌和時間為6 min。制作好的試件在常溫條件下養護3 d后拆模，而后進行28 ℃恒溫水養，養護齡期分別為7、14、28 d。

2 試驗結果與討論

2.1 纖維長度影響

圖2是纖維長度與抗壓強度之間的關系，從圖2(a)～(c)可看出，在纖維摻入比不變的條件下，纖維水泥土的抗壓強度隨纖維長度的增加大體呈先增加后減小的特點。玄武巖纖維的強度比較高，一般不容易斷裂，所以，在纖維水泥土破壞的過程中，纖維是被拔出的。

圖2(d)是纖維摻入比為0.5%時纖維水泥土抗壓強度與纖維長度之間的關系，其中，點A7、A14、A28分別為無纖維水泥土7、14、28 d的強度，而B7、B14、B28為摻入長度為35 mm纖維的水泥土7、14、28 d的強度。由圖2可以看出，B7、B14、B28的值分別接近A7、A14、A28的值，點A與點B之間的強度線將出現峰值。

圖2 抗壓強度與纖維長度的關系Fig.2 Relationship between compressive

2.2 纖維摻量影響

現有試驗條件下，保持纖維長度不變，隨著纖維摻入比的增加，纖維水泥土28 d的無側限抗壓強度均大體表現出增大—減小—增大的特點，即呈波浪曲線形式，如圖3所示。

圖3 抗壓強度與纖維摻入比的關系Fig.3 Relationship between compressive strength

纖維材料能否真正發揮作用，一方面取決于水泥土與纖維之間握裹力的大小，而握裹力與水泥土齡期、土顆粒大小、水泥土密實度和水泥摻量等因素有關，即與水泥土強度成正比；另一方面也取決于纖維的分散程度，對加載后的試件進行觀察，發現試件中均有纖維集束無法充分打開的現象，如圖4所示。

圖4 部分破壞后的試件Fig.4 Photos of some specimens after

這會造成有效纖維摻量減小，如圖5(a)、(b)所示。另外，即便是分散成絲的纖維也存在分布不均的現象，如圖5(c)所示，單位截面內纖維過密和過疏都會對強度產生影響，過密會影響握裹力，過疏起不到加筋的效果，其作用機理與錨桿、錨索作用機理類似，纖維過密會降低水泥土對其錨固力，從而對水泥土強度造成不利影響，如圖6所示，廣義上講，集束也是纖維不均勻分布的一種體現。

在水泥土強度發展過程中，隨著纖維摻入比的增加，上述各方面因素所占權重并不相同，而且相互制約，同時發生，為了描述方便，在每個階段割舍次要矛盾，使行文更加清晰，并取12 mm的纖維水泥土為例，如圖7所示。隨著纖維摻入比的增加，水泥土達至峰值點強度點A，隨著纖維摻入比繼續增加，纖維集束的作用凸顯，AE段為強度下降段，其中，點C的有效纖維含量與點D的含量相同；當摻入比達至點E時，纖維集束作用發揮最大，有效纖維含量逐步上升，表現為EB段強度上升，點G的有效纖維含量與點D的水平相當，直至到達新的波峰點B；第2次波峰點B數值會低于第1次波峰點A，這是由于纖維集束部位強度弱化導致整體強度的降低；過了第2峰值點B后，再次出現下滑段BH，此過程中纖維群錨耦合現象更為凸顯，導致最終強度逐漸降低并趨于某個固定數值。

通過分析可知，現有試驗條件下，在纖維長度不變時，纖維水泥土強度隨纖維摻入比的增加呈曲線發展，并不是纖維摻入越多越好；隨著纖維摻入比的增加，纖維水泥土的強度均高于無纖維的水泥土強度，并且第1次波峰峰值大于第2次波峰峰值；本試驗最優纖維摻入比為0.1%，最優纖維長度為12 mm。

圖5 纖維分布均勻性Fig.5 Uniformity of fiber

圖6 纖維分布均勻性和分布密度示意圖Fig.6 Schematic diagram of fiber distribution

2.3 齡期影響

纖維水泥土抗壓強度與齡期的關系曲線如圖8所示，其中，圖8(a)、(b)是纖維摻入比不變的情況下，不同纖維長度水泥土強度隨齡期的變化規律；圖8(c)、(d)是纖維長度不變的情況下，不同纖維摻入比水泥土強度與齡期的關系。無論是按何種坐標整理，其強度均隨齡期的增加而增加，這是由于纖維能夠充分發揮其作用，主要依賴其抗拔力的大小，水泥水化后，膠結材料與玄武巖纖維之間形成了強大的握裹力和界面摩擦，隨著齡期的增加，這種作用將越發明顯，一般到90 d才趨于穩定[2]。

圖7 28 d抗壓強度與纖維摻入比的關系(12 mm)Fig.7 Relationship between compressive strength

圖8 抗壓強度與齡期的關系Fig.8 Relationship between compressive strength

2.4 應力-應變關系

纖維長度為12 mm時，不同纖維摻入比條件下纖維水泥土的應力-應變曲線如圖9所示，纖維摻入比0.7%的應力-應變曲線基本與無纖維摻入的曲線重合，纖維的摻入能夠增加水泥土的延性，主要原因是分散的玄武巖纖維能夠在水泥土中形成網狀結構，與土顆粒共同受力，改善水泥土的工作狀態，降低脆性破壞的可能。

圖9 不同玄武巖纖維摻入比下的應力-應變關系Fig.9 Stress-strain relationship with different fiber

3 結論

1)在保持纖維質量摻入比不變的條件下，隨著纖維長度的增加，纖維水泥土抗壓強度大體呈上凸型曲線形式，這與很多學者得出的結論一致。

2)試驗條件下，纖維長度不變時，纖維水泥土的強度與纖維摻入比之間整體呈波浪式變化，第2次波峰數值會小于第1次波峰數值；最優纖維摻入比為0.1%，最優纖維長度為12 mm。

3)在實際工程應用中，可采用首次波峰的摻入比進行水泥土加固，且不宜采用較長的纖維，以便能夠達到預期的加固效果，節省材料的同時能夠降低成本。另外，在制樣過程中以及破壞后的試件中，均發現了纖維集束和纖維分布不均的現象。