聚丙烯纖維改性石灰土的力學特性及微觀機理

周 琳 姜 屏 張偉清 楊建冬

(紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000)

近年來，隨著社會經濟建設的飛速發展，公路基礎設施面臨著高質量、高標準、高要求的形勢.一些地區原有公路路基填料難以滿足路基強度設計的要求，需對其進行改性處理.由于生石灰在處治路基土方面有較高的應用價值，很多學者對其做了大量的研究工作，并取得了豐富的研究成果.

Lemaire、Tran、Khoury研究證明石灰可以提高土體的UCS和抗剪強度，但對土體的STS改善不明顯[1-3].周葆春研究了石灰改良土的變形特性和破壞機制，在單軸壓縮狀態下，石灰土的破壞無論是濕飽和還是非飽和狀態，都是典型的脆性破壞[4].以上研究表明，采用石灰改性土作為路基填料具有一定的實用性，但石灰土的STS、水穩性、脆性破壞模式仍需進一步得到改善，以提高路基的耐久性.在土中添加纖維材料能夠有效提高土的延性以改善其工程性能[5-8].王德銀等通過直剪試驗發現在土中摻入纖維能夠減小強度損失及改善土體的破壞模式[9].李其軒等研究發現纖維既能提高水泥土的強度，還能改良水泥土的破壞模式[10].曾軍等研究發現纖維不僅能顯著提高土體的UCS，還能增強土體的韌性[11].阮波等研究了玻璃纖維和石灰對紅黏土UCS的影響，在紅黏土中摻入玻璃纖維可顯著提高紅黏土的UCS，使其具有較好的水穩定性[12].彭梁等的研究表明，纖維摻量高的土體承受的損傷越小，UCS就越大[13].李巖等研究發現纖維摻入土體中可以加快應力在路基深度方向的擴散速度，對控制路基的沉降有幫助[14].因此，纖維對土體強度的提高有著積極的作用，在路基改良中具有實用價值.

上述研究側重于纖維對土體抗壓和抗剪強度的影響，但在纖維對石灰土STS和水穩性方面的研究甚少.因此，本文通過UCS試驗和STS試驗，研究聚丙烯纖維對石灰土UCS、STS、水穩性、脆性的影響，并建立UCS與STS的關系，為工程應用提供有益的參考.

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

本試驗用土取自浙江紹興地區某高速公路段挖方路基土，土體呈灰褐色，主要物理力學指標見表1.試驗所用石灰是江西新余亮亮貿易有限公司生產的生石灰粉，如圖1所示，其主要化學成分見表2.試驗所用纖維均為短絲狀的聚丙烯纖維，如圖2所示，其主要物理力學技術指標見表3.

圖1 生石灰粉 圖2 聚丙烯纖維

表1 紹興地區路基土力學性能基本指標

表2 石灰的化學成分及質量分數

表3 聚丙烯纖維主要物理力學技術指標

1.2 試驗方案

試驗以聚丙烯纖維對石灰土UCS、STS、水穩性、脆性的影響為研究目的，其配合比見表4.表中各材料摻入比均為與干土的質量之比.最大干密度和最優含水率通過擊實試驗得到.養護條件分別為7 d和6 d標準養護加1 d浸水養護，達到養護齡期后對各配合比試樣進行UCS和STS試驗.

表4 試驗方案

1.3 試樣制備與測試

選取具有代表性的土樣進行烘干、粉碎，過2 mm的篩，試樣壓實度為98%.依據試驗方案，稱取相應的干土、生石灰粉、聚丙烯纖維和水的質量后攪拌均勻，并使聚丙烯纖維不聚團.通過靜力壓實法將所拌和后的混合料制成直徑50 mm、高50 mm的圓柱體試樣.UCS通過全自動壓力試驗機測試獲得，利用計算機采集數據可得到應力-應變曲線，圖3為UCS試驗加載過程，加載速率為1 mm/min.STS采用劈裂夾具配合壓力試驗機測得，圖4顯示了STS試驗加載過程，加載速率為1 mm/min.

圖3 UCS試驗加載過程 圖4 STS試驗加載過程

2 試驗結果與分析

2.1 UCS試驗

圖5是不同養護條件下各纖維摻量石灰土的應力-應變曲線.本文以應力-應變曲線的峰值應力作為無側限抗壓強度(UCS).土的殘余強度是衡量土的力學性質的一個重要指標，準確描述土的殘余強度具有重要意義.根據《公路土工試驗規程》(JTG 3430—2020)，UCS試驗達到峰值應力后再繼續剪3%～5%應變值即可停止試驗[15]，因此本文殘余強度定義為：峰值應變加上5%所對應的應力即為殘余強度.

圖5 應力-應變曲線

為了對殘余強度做定性判斷，Consoli[16]通過對纖維改性水泥土進行三軸壓縮試驗，并定義了脆性指數：

(1)

式中：qu為UCS；qr為殘余強度.脆性指數越大說明石灰土的脆性越強，延性越弱.

通過以上定義及公式，可以得到不同纖維摻量石灰土UCS、殘余強度、脆性指數和水穩定性系數(浸水養護UCS與標準養護UCS之比)，計算結果見表5.

表5 纖維石灰土UCS試驗結果

圖6顯示了UCS隨纖維摻量的變化規律.由圖6可知，在標準養護條件下，纖維摻量越多石灰土UCS越大.當纖維摻量由0.25%增加到1%時，石灰土UCS分別達到了2.938、4.102、4.357和4.916 MPa，較純石灰土分別提高了19.5%、66.8%、77.1%和99.8%.在浸水養護條件下，當纖維摻量不斷增多時，石灰土UCS呈現出先增大后減小的變化趨勢.當纖維摻量為0.5%時，UCS達到最大值，是純石灰土的2.08倍.說明纖維可以顯著提高石灰土UCS，在標準養護條件下纖維最佳摻量為1%，在浸水養護條件下纖維最佳摻量為0.5%.

圖6 纖維摻量對UCS的影響

圖7顯示了纖維摻量對殘余強度的影響規律，石灰土殘余強度隨纖維摻量的變化規律與UCS一致.在標準養護條件下，石灰土中摻入纖維越多殘余強度就越大，且纖維摻量為1%時效果提高最為顯著，相比于純石灰土提高了2.090 MPa.在浸水養護條件下，隨纖維摻入量不斷增多，石灰土殘余強度呈現出先增大后減小的變化趨勢，纖維摻量為0.5%時殘余強度最大，是純石灰土的5.84倍.說明纖維可以顯著提高石灰土殘余強度，且纖維最優摻量和UCS的最優摻量相同.

圖7 纖維摻量對殘余強度的影響

不同纖維摻量石灰土在不同養護條件下的脆性指數如圖8所示.從圖中可以清晰地看出，在標準養護條件下，脆性指數隨著纖維的摻量增加而減小.在浸水養護條件下，脆性指數隨著纖維摻量增加先減小后增大，且摻量為0.5%時達到最小值.說明纖維的摻加可以減小石灰土的脆性指數，使得石灰土的脆性減弱，延性增強.在標準養護條件下，纖維摻量為1%時改善效果最優，在浸水養護條件下，纖維摻量為0.5%時改善效果最佳.

圖8 纖維摻量對脆性指數的影響

圖9反映了石灰土水穩性系數隨纖維摻量的變化規律.從圖中可知，在石灰土中摻入纖維為0.25%、0.75%和1%時會使得石灰土水穩性系數減小，而纖維摻量為0.5%時可提高石灰土的水穩性系數.說明在石灰土中摻入0.5%纖維可以提高石灰土的水穩性，從而改善石灰土的工程性能.

圖9 纖維摻量對水穩性系數的影響

2.2 STS試驗

通過壓力試驗機和劈裂夾具測得試樣破壞時最大壓力p，STS值通過式(2)計算得到，試驗結果見表6，纖維摻量對STS的影響如圖10所示.

圖10 纖維摻量對STS的影響

表6 纖維石灰土STS試驗結果

(2)

式中：F為劈裂抗拉強度(MPa)；p為試件破壞時的最大壓力(N)；H為試樣的高度(mm).

從表6和圖10可知，在標準養護條件下，石灰土中摻入纖維越多STS越高，當纖維摻量由0.25%增加到1%時，纖維石灰土STS分別達到了0.260、0.367、0.441和0.538 MPa，較純石灰土分別提高了43.6%、102.7%、143.6%和197.2%.在浸水養護條件下，纖維石灰土STS隨著纖維摻量增加先增大后減小，纖維摻量為0.5%時達到最大值，是純石灰土的2.1倍.說明纖維可以明顯提高石灰土的STS，在標準養護條件下纖維最佳摻量為1%，在浸水養護條件下最佳摻量為0.5%.

2.3 STS與UCS的關系

根據UCS結果和STS結果計算得到不同纖維摻量的UCS增量及STS增量，見表7.

表7 不同纖維摻量的UCS及STS增量 (單位：%)

由表7可知，不管在標準養護條件還是在浸水養護條件下，纖維石灰土UCS增量和STS增量隨纖維摻量變化的規律一致，且STS的增量都大于UCS增量.說明纖維對石灰土STS的貢獻要大于對石灰土UCS的貢獻.

通過對UCS和STS進行擬合，建立了UCS與STS的關系，關系式見公式(3)和(4)，擬合結果如圖11所示.

圖11 UCS與STS的關系

在標準養護條件下：

F=0.106 8qu，R2=0.97

(3)

在浸水養護條件下：

F=0.096 5qu，R2=0.96

(4)

從式(3)和式(4)可得，纖維石灰土UCS與STS存在線性關系，可通過UCS預測STS.

3 微觀作用機理分析

為了解釋聚丙烯纖維改性石灰土的作用機理，通過SEM試驗進行了分析.圖12是石灰土的SEM圖，圖13是纖維石灰土的SEM圖，圖14是纖維在不同狀態下的SEM圖.

圖12 石灰土SEM圖

圖13 纖維石灰土SEM圖

圖14 纖維在不同狀態下的SEM圖

從圖12和圖13可以清晰地看出：

1)SEM圖放大倍數為500時，石灰土的微結構面有較多的孔隙和裂縫，如圖12(a)所示.當纖維石灰土SEM圖放大120倍數時，可以清晰地看出聚丙烯纖維與石灰土能夠很好地膠結在一起，且周圍沒有孔隙為密實結構，如圖13(a)所示.

2)SEM圖放大倍數為2 000時，石灰土的微結構面上有少量片狀的大顆粒骨料聚集和C-S-H膠凝物質，但仍然有很多微小孔隙，如圖12(b)所示.隨著聚丙烯纖維的摻加，石灰土微結構面上聚集了更多的片狀結構骨料和C-H-S膠凝物質，且孔隙也較少，如圖13(b)所示.

綜上微觀結構分析，聚丙烯纖維改性石灰土的作用主要表現為與土顆粒間膠結的作用.聚丙烯纖維的微觀結構本身表面光滑，如圖14(b)所示，如果沒有石灰土反應生成的水化產物C-S-H凝膠附著在聚丙烯纖維表面，那么聚丙烯纖維與土顆粒間的膠結作用將被減弱.由圖14(a)可以看出聚丙烯纖維表面附著了大量的乳白色膠凝物質C-S-H.聚丙烯纖維在石灰土體的內部結構中承擔骨架的作用，石灰土水化反應生成的C-S-H膠凝物質填充了聚丙烯纖維和石灰土之間的孔隙，使石灰土結構更加密實，增強了土顆粒和聚丙烯纖維表面之間的膠結力.

結合宏觀力學試驗結果分析可知，在標準養護條件下，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，聚丙烯纖維在石灰土中的骨架作用更為明顯，且C-S-H膠凝物質填充了聚丙烯纖維和石灰土之間的孔隙，從而在宏觀力學上表現為石灰土UCS、殘余強度、STS都隨之增大.在浸水養護條件下，由于聚丙烯纖維具有毛細吸水作用，導致石灰土與聚丙烯纖維界面自由水分增多，潤滑作用加強，界面摩擦作用降低[17]；另外，水分會溶解石灰土與聚丙烯纖維界面中的C-S-H膠凝物質，使其結構更為松散，密實度降低，在宏觀力學上表現為：隨著聚丙烯纖維摻量的增加，石灰土UCS和STS先增加后減小，摻量為0.5%時達到最佳值.

4 結 論

通過對不同聚丙烯纖維摻量石灰土在標準養護和浸水養護條件下的UCS、STS和SEM試驗，可得到如下結論：

1)在標準養護和浸水養護條件下，聚丙烯纖維都可顯著提高石灰土UCS和STS.在標準養護條件下，聚丙烯纖維最佳摻量為1%，在浸水養護條件下，聚丙烯纖維最佳摻量為0.5%，且聚丙烯纖維對STS的貢獻要大于UCS.

2)聚丙烯纖維能改善石灰土的脆性，增強延性.在標準養護條件下，聚丙烯纖維摻量為1%時效果最好，在浸水養護條件下，纖維摻量為0.5%時效果最好，且聚丙烯纖維摻量為0.5%時可提高石灰土的水穩定性.

3)聚丙烯纖維石灰土UCS和STS的線性關系為：在標準養護條件下F=0.106 8qu；在浸水養護條件下F=0.096 5qu.

4)從SEM圖可知，聚丙烯纖維表面附著了大量的乳白色膠凝物質C-S-H，從而提高了聚丙烯纖維與石灰土顆粒間的膠結力和密實度，宏觀表現為石灰土的強度得到明顯提升.