黃麻與聚乙烯醇纖維增強水泥土的彎曲及早期抗裂性能

姚 鑫，徐亞星，董曉強

(太原理工大學土木工程學院，太原 030024)

0 引 言

黃土是一種主要含有高量粉土顆粒，并含有細沙、極細砂和黏粒的沉積物，其廣泛分布于中國的黃河和淮河地區，具有濕陷性特征[1]。因此，黃土地區基坑開挖過程中，需要穩定和支護措施。深層水泥土攪拌樁作為一種常見的支護結構，包括支撐式與重力式兩種支護形式。傳統的水泥土攪拌樁圍護墻壁厚較大，在密集建筑區域附近的施工過程中空間有限，因此需要降低墻體厚度，并且水泥土攪拌樁具較低的拉伸強度和懸臂彎曲能力，以及脆性破壞等特點。而且，溫度應力產生的干縮現象可能會導致水泥土攪拌樁裂縫產生并引起滲漏和塌陷。因此，本文通過在水泥土中添加隨機分布的短纖維來改善其彎曲和抗干縮開裂性能，保證工程穩定性和耐久性。

短纖維已被廣泛用于改善水泥基材料的力學性能和裂后性能[2-4]。研究表明，添加纖維對水泥土力學性能有一定改善效果，國內外對纖維增強水泥土的研究主要集中于纖維增強水泥土的極限抗壓強度[5-8]。與抗壓強度相比，纖維對水泥土拉伸和彎曲性能的影響對于其在基坑支護中的應用更為重要。纖維增強水泥基材料的拉伸性能主要通過直接和間接拉伸試驗測試得到[9-12]。然而，有關纖維增強水泥土彎曲性能的研究較少，并且多集中于水泥穩定土(水泥質量分數低于10%)[13-14]。研究表明，添加纖維可改善水泥增強軟黏土的彎曲性能，包括韌性、彎曲強度比和殘余強度。Sukontasukkul等[15]在水泥土攪拌樁中添加鋼纖維和聚丙烯纖維改善了其彎曲性能，并增加了韌性及初次開裂后的殘余彎曲強度。

目前，纖維增強水泥土的研究主要集中在纖維增強水泥穩定土(水泥質量分數低于10%)，主要應用于路基工程中，水泥穩定土的含水率一般控制在最優含水率附近，因此水泥穩定土多為非飽和狀態，對于高含水率的水泥土攪拌樁中應用短纖維研究較少。因此，本文研究了黃麻纖維和聚乙烯醇(PVA)纖維增強水泥土攪拌樁的彎曲和早期抗裂性能，對短纖維應用于深層水泥土攪拌樁圍護墻提供一定參考。

1 實 驗

1.1 原材料和配合比

土樣為取自太原市龍城大街某工地的粉土。圖1為土的顆粒分布，土的平均粒徑D50、不均勻系數Cu和曲率系數Cc如圖所示，其液限和塑限分別為27.0%和17.2%，塑性指數為9.8。土壤的干密度為1.3 g/cm3。試驗采用兩種纖維分別摻入水泥土，天然纖維采用江西思創麻業有限公司生產的黃麻纖維，合成纖維采用日本可樂麗公司生產的Kurary II型PVA纖維，兩種纖維的物理性能見表1。纖維開始處于聚集狀態，聚集狀態下的纖維會影響纖維和水泥土基質的黏結，并且分散不均勻的纖維只作用于聚集的部分。首先將未處理的纖維放入塑料袋中，采用氣槍將纖維沖散，黃麻纖維和PVA纖維如圖2所示，沖散后的纖維呈蓬松狀態，分散性較好。試驗配合比如表2所示。

圖1 土的顆粒分布Fig.1 Particle distribution of soil

圖2 黃麻纖維和PVA纖維Fig.2 Jute and PVA fibers

表1 纖維的物理性能Table 1 Physical properties of fibers

表2 試驗配合比Table 2 Mixture proportions of tests

1.2 試驗方法

1.2.1 三點彎曲試驗

纖維增強水泥土梁的制備過程：將取得的粉土自然風干，經過顎式破碎機粉碎后過2 mm篩，取分散稱好的纖維與干土、水泥人工拌和均勻，再放入QJ-20型攪拌機中緩慢加水濕拌2 min。攪拌完成后，把拌和均勻的混合物裝入預先涂抹脫模劑的模具中振搗均勻。試驗中考慮養護條件對強度的影響，所有試樣均用塑料薄膜封裝放入養護箱，溫度控制在(20±3) ℃，相對濕度為(95±2)%，養護7 d后取出。

圖3所示為三點彎曲試驗示意圖，在中心點荷載作用下對梁進行三點彎曲測試，水泥土梁長度為400 mm，寬和高均為100 mm。壓力機采用位移控制，加載速度為0.1 mm/min。

圖3 三點彎曲試驗示意圖(單位:mm)Fig.3 Schematic diagram of three point bending test (unit: mm)

1.2.2 早期干縮裂縫

通過數字圖像相關技術(DIC)對新鮮水泥土混合物進行干燥并觀察添加纖維對減少早期水泥土混合物塑性收縮裂縫的影響。干縮裂縫試驗裝置示意圖如圖4所示，將含量分別為0%、0.25%、0.50%和1.00%(質量分數，下同)的兩種纖維添加到新鮮水泥土砂漿中，將新鮮的砂漿加入直徑為92 mm的硼硅酸鹽玻璃容器中，控制試樣的厚度在5 mm，以產生明顯的裂縫。試樣自然干燥30 min后噴涂散斑圖案。然后將樣品放置在加熱燈下干燥并保持在50 ℃，通過紅外溫度計測量樣品的表面溫度，然后將樣品繼續干燥300 min，通過GOM Correlate 2019軟件觀察對比不同試樣不同時段的裂縫發展模式和應變場分布。

圖4 干縮裂縫試驗裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of drying shrinkage crack test setup

2 結果與討論

2.1 荷載-位移曲線

圖5為三點彎曲試驗獲得的荷載-位移曲線，荷載-位移曲線可分為兩種類型：撓曲硬化和撓曲軟化。在彈性變形階段，荷載隨著位移線性增加直至拐點出現，此為第一裂縫點,第一裂縫點對應的荷載和位移分別為P1和δ1。在彈性變形階段之后，開始產生裂縫。對于撓曲軟化曲線，荷載在第一裂縫點之后減小；對于撓曲硬化曲線，荷載在第一裂縫點之后繼續增加，這表明樣品具有更大的延展性和韌性。對于撓曲硬化曲線，荷載在第一裂縫點之后繼續增加至峰值點，該峰值點定義為峰值荷載點,峰值荷載點對應的荷載和位移分別為Pp和δp。達到峰值荷載點后，殘余彎曲強度開始下降并保持穩定，直至極限破壞。

圖5 荷載-位移曲線類型Fig.5 Typical load-deflection curves

2.2 第一裂縫強度和峰值強度

三點彎曲試驗中彎曲強度通過式(1)計算：

(1)

式中：f為彎曲強度；P為對應位移下的荷載；L為兩個支撐的間距；b和d為試樣的寬度和高度。

第一裂縫彎曲強度f1表示在第一裂縫點的彎曲處的彎曲強度，峰值彎曲強度fp表示在峰值強度點的彎曲強度。圖6為不同試樣的荷載-位移曲線，圖7所示為試樣的第一裂縫彎曲強度和峰值彎曲強度。圖7(a)顯示，與素水泥土相比，添加0.25%、0.50%和1.00%黃麻纖維試樣的第一裂縫彎曲強度從0.294 MPa分別增加至0.383 MPa、0.487 MPa和0.537 MPa，纖維含量為0.50%和1.00%的PVA纖維試樣的彎曲強度增加幅度略低于黃麻纖維試樣。圖7(b)顯示，摻入不同含量的黃麻纖維和PVA纖維，峰值彎曲強度隨黃麻纖維和PVA纖維含量的增加而增加。試樣H0.25和P0.25的彎曲強度比素水泥土分別增加了30%和35%，試樣H0.5、P0.5、H1和P1的彎曲強度分別增加了92%、65%、140%和131%，較高的纖維含量對水泥土彎曲強度的增加更加明顯，表明添加纖維提高第一裂縫彎曲強度的同時顯著增強了峰值彎曲強度。

圖6 纖維增強水泥土試樣的荷載-位移曲線Fig.6 Load-deflection curves of fiber reinforced cemented soil specimens

圖7 試樣第一裂縫彎曲強度和峰值彎曲強度Fig.7 First crack flexural strength and peak flexural strength of specimens

2.3 殘余彎曲強度比

殘余彎曲強度比定義為一定撓度下殘余彎曲強度與第一裂縫彎曲強度f1的比值，可用來表示裂后纖維承載殘余荷載的能力，本文選取撓度(δ)在2 mm和4 mm時對應的殘余彎曲強度。圖8為不同試樣的殘余彎曲強度比，對于素水泥土，裂縫產生后即發生脆性斷裂破壞，黃麻纖維和PVA纖維的加入提高了試樣的裂后變形能力，添加不同含量黃麻纖維和PVA纖維試樣的殘余彎曲強度比在0.88～1.23。在2 mm的撓度下：試樣H0.25和P0.25的殘余彎曲強度比分別為0.906和0.883，添加0.25%纖維試樣可承載約90%的彎曲強度；試樣H0.5和H1的殘余彎曲強度比分別為1.135和1.230，黃麻纖維試樣的殘余彎曲強度比略高于PVA纖維試樣，纖維的加入可保證水泥土開裂后仍保持較高的彎曲強度。

圖8 試樣的殘余彎曲強度比Fig.8 Residual flexural strength ratio of specimens

2.4 延性指數與韌性

復合材料的延性指數(ductility index, DI)定義為峰值彎曲強度點與第一裂縫點之間的撓度比(δp/δ1)，其中，δp是峰值彎曲強度點對應的撓度，而δ1為第一裂縫點對應的撓度。因此，DI代表試樣從開裂到屈服的變形能力。圖9(a)為試樣的延性指數，對于添加0.25%黃麻纖維和PVA纖維的試樣，DI值等于1，這表明纖維含量較低的試樣表現出應變軟化特征。當纖維含量繼續增加(≥0.50%)時，延性指數繼續增加，與素水泥土相比，H0.5、H1、P0.5、P1的延性指數分別增加了46.45%、50.86%、42.97%、54.77%。韌性表示試樣在變形和斷裂過程中的能量吸收能力，韌性越高，表示材料發生脆性斷裂的可能性越小。能量吸收能力由兩部分組成，第一部分是初始彈性變形階段的能量吸收，第二部分是試樣裂后殘余變形的能量吸收。本文中韌性計算至撓度為4 mm時荷載-位移曲線的積分面積，圖9(b)為試樣的韌性，素水泥土開裂即破壞，韌性值最小，為0.40 J，試樣H0.25和P0.25的韌性值分別為4.16 J、4.21 J，即使纖維添加量較少，纖維的存在也可大幅提高水泥土的韌性，并且隨著纖維含量的增加，水泥土的韌性繼續增加，這是由于纖維與水泥土基質的裂縫-橋接效應，裂縫產生后，基質的抗拉能力由水泥土基質轉移到纖維上，纖維的橋接應力主要由纖維的脫黏應力和拔出過程中與基質的摩擦應力組成，纖維拔出或斷裂后，纖維的裂縫-橋接效應失效，因此纖維含量的增加可同時提高試樣的延性指數和韌性。

圖9 試樣的延性指數與韌性Fig.9 DI and toughness of specimens

2.5 干縮裂縫

圖10為70 min時不同含量黃麻纖維和PVA纖維增強水泥土在x方向和y方向的應變場分布圖。當干燥收縮引起的拉應力超過水泥土的最大承載力時，裂縫出現，干燥條件下產生的塑性收縮裂縫分為三級[16]：一級裂縫從邊界開始向中心發展，次級裂縫作為一級裂縫的分支產生于一級裂縫并沿一級裂縫的垂直方向擴展，三級裂縫作為次級裂縫的分支繼續擴展。40 min時素水泥土出現高應變區域，第一條裂縫產生，此時，添加不同含量黃麻纖維與PVA纖維的水泥土均未出現高應變區域。70 min時，素水泥土邊緣起始的一級裂縫發展至試樣中部，裂縫寬度擴展，裂縫寬度最大可達2 mm左右，一級裂縫末端開始分支出二級裂縫。由圖10(a)、(b)可以看出：試樣右下方一級裂縫和二級裂縫交叉結合部分周邊的應變明顯低于試樣其余部分，應力集中較為明顯；對于添加0.25%黃麻纖維試樣，出現三條宏觀裂縫，其中左上角兩條裂縫為貫穿縫，與黃麻纖維試樣相似，添加0.25%PVA纖維試樣出現三條宏觀裂縫，裂縫長度較黃麻纖維試樣較短；對于添加0.50%纖維的試樣，70 min時均出現數量不等的宏觀裂縫，與素水泥土不同，試樣H0.5和P0.5均未出現垂直交叉的裂縫擴展模式，且裂縫長度和寬度均小于素水泥土和添加0.25%纖維的試樣，宏觀裂縫出現的同時，一級裂縫未產生分支，試樣分布著許多不連續、分散相對均勻的微裂縫場，纖維增強水泥土試樣裂縫發展模式呈現非正交性，纖維的存在改變了裂縫的傳播方向和應力分布;對于添加1.00%纖維的試樣，70 min時，除邊緣部分，試樣中部仍未發現宏觀裂縫。

圖11(a)、(b)分別為不同試樣在300 min時測量的裂縫總面積和總長度。添加0.25%和0.50%黃麻纖維的試樣裂縫面積相比素水泥土分別下降了24.89%和57.78%，添加0.25%和0.50%PVA纖維的試樣裂縫面積相比素水泥土分別下降了21.33%和54.22%，添加1.00%黃麻纖維和PVA纖維的試樣未觀察到宏觀裂縫。纖維的加入能明顯降低水泥土早期的干縮裂縫面積和長度。

圖11 纖維對水泥土干縮裂縫面積和長度的影響Fig.11 Effects of fibers on desiccation crack area and length

水泥土試樣在干燥條件下水分不斷蒸發，由于側面和底部的限制，上層毛細吸力增加，這種吸力導致水泥土顆粒不斷收縮，同時產生拉伸應力。一旦拉伸應力超過水泥土基質的抗拉強度，干燥表面出現裂縫。纖維在水泥土中通過與基質的橋接應力增加了水泥土的拉伸強度，當基質干燥產生變形，纖維的存在限制了基質的收縮。黃麻纖維加入到水泥土中后，由于其化學成分的特性而延遲了初始水化反應。并且纖維的摻入改變了水泥土干燥條件下裂縫附近的應力集中現象，加入纖維的水泥土中產生微裂縫后，應力通過基質轉移到纖維上，基質中離散分布的纖維構建起一個網架結構，通過整個纖維結構將水泥土基質連接起來形成一個整體，進而提升整體的抗裂能力以及降低局部裂縫的應力集中，素水泥土試樣開裂后裂縫不斷擴展，初級裂縫貫穿整個試樣并與次級裂縫將整個試樣分割為獨立部分，對于纖維增強水泥土試樣，即使干燥結束時裂縫貫穿整個試樣深度，試樣仍保持整體性，纖維含量越高，整體性越好。

3 結 論

(1)在水泥土中加入黃麻纖維和PVA纖維可明顯提高第一裂縫的彎曲強度和峰值彎曲強度。纖維含量為0.50%和1.00%的水泥土的裂后曲線符合應變硬化特征。添加0.25%黃麻纖維和PVA纖維的水泥土的彎曲強度相比素水泥土分別增加了30%和35%，纖維添加量為0.05%、1.00%時的彎曲強度分別增加了92%和65%、140%和131%。較高的纖維含量對水泥土彎曲強度增加更加明顯，表明添加纖維提高第一裂縫彎曲強度的同時顯著提高了峰值彎曲強度，提高了一定寬度下深層水泥土攪拌樁圍護墻的抗變形能力。

(2)黃麻纖維和PVA纖維通過裂縫-橋接效應改善了水泥土的裂后性能，其殘余彎曲強度比、延性指數和韌性隨著纖維含量的增加而增加，纖維的加入可保證水泥土攪拌樁擋墻開裂后的穩定性。較高纖維含量(≥0.5%)時試樣顯示出彎曲硬化的特征，纖維類型對殘余彎曲強度比和延性指數影響較小，對于0.50%和1.00%的纖維含量，黃麻纖維試樣的韌性略高于PVA纖維試樣。

(3)纖維的加入能明顯降低水泥土早期的干縮裂縫面積和長度，纖維含量超過0.50%時水泥土的宏觀裂縫明顯減少，這表明水泥土中添加纖維可有效抑制干燥條件下收縮裂縫的形成和擴展，并且纖維明顯減少了素水泥土裂縫附近的應力集中現象，保證水泥土攪拌樁養護初期的抗裂能力。