聚丙烯纖維對固化工程廢漿壓縮性能和滲透性能的影響

白傳貞，吉 鋒，徐桂中，宋苗苗，朱 鵬，吳振威

(1.南水北調東線江蘇水源有限責任公司，南京 210029；2.鹽城工學院土木工程學院，鹽城 224051； 3.安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232001)

0 引 言

為緩解城市發展空間不足、交通擁堵等問題，近年來我國對城市地下空間進行了大規模開發和利用，在地下管廊、泥水盾構隧道等工程施工過程中，不可避免地會產生大量高含水率工程廢漿[1-2]。傳統的外運棄置處理方法，不僅占用大量土地資源，引發環境污染，還將造成資源的浪費[3]。因此，研究經濟環保的工程廢漿處置技術不僅具有重要的理論價值，對實現其資源化利用也十分重要。

通過向工程廢漿中加入固化材料(如水泥、石灰、粉煤灰等)，使固化材料與土顆粒之間發生化學反應以改善工程廢漿的工程特性，是目前較為常用的處理方法之一[4-6]。該方法不僅可快速大批量處理高含水率工程廢漿，且處理后的工程廢漿可直接轉變為可用于車站、道路等工程的填料[4-6]。

采用水泥、石灰等固化劑對土體及高含水率泥漿進行加固時，在周圍環境因素作用下，固化土/固化泥漿的韌性和抗拉性能相對較差，且表現出脆性破壞[7-9]。纖維作為一種新型土工加筋材料，具有分散性好、各向同性、經濟環保等優點，加入后可有效改善土體的力學性能，抑制土中裂縫的開展，使土體具有較好的韌性，從而在工程中逐步得到了廣泛應用[10-13]。近年來一些學者也嘗試將纖維摻入固化土中以改善其抗拉性能和脆性破壞特征，并取得了一些有價值的研究成果[14-19]。劉衛濤等[15]采用聚丙烯纖維對水泥土進行加固處理，并開展無側限抗壓試驗和劈裂抗拉試驗。結果表明，一定摻量范圍內纖維添加可提高水泥土的抗拉和抗壓性能，纖維摻量過多或過少都將產生不利的影響。唐朝生等[19]對聚丙烯纖維加固水泥固化軟土的強度性能進行研究，發現加入適量的聚丙烯纖維可有效提高水泥土的強度、脆性和斷裂破壞韌性。此外，目前纖維處理固化土的研究主要以低含水率固化土為對象，而相關研究結果表明含水率是影響其力學性能的一個重要因素[19-20]。由此可見，需要開展纖維加固對固化高含水率土力學性能影響的研究。

將固化高含水率工程廢漿作為工程用土進行資源化利用，需保證其強度、變形和滲透性能的同時滿足工程建設的要求。因此，有必要明確纖維添加對固化高含水率工程廢漿壓縮性能和滲透性能的影響。以不同纖維長度和不同纖維摻量的固化工程廢漿為對象，開展一維壓縮試驗和柔性壁滲透試驗。首先研究不同養護齡期下纖維添加對固化工程廢漿壓縮性能的影響，明確固化工程廢漿壓縮性能隨纖維長度和纖維摻量的變化規律，并對纖維添加引起固化工程廢漿壓縮性能變化的原因進行分析。之后，結合壓縮試驗結果，進一步研究纖維添加對固化工程廢漿滲透性能的影響。

1 實 驗

1.1 試驗材料

工程廢漿取自安徽省蚌埠市，為保證工程廢漿的均勻性，首先將現場取回的工程廢漿風干磨碎，并去除其中的樹葉、雜草等雜質。之后，取一定量風干后的土樣測定其基本物理性能。其中，土體的液限和塑限分別為58.3%和27.0%，土粒相對密度為2.68，土中黏粒、粉粒和砂粒的相對質量分數分別為36.8%、62.3%和0.9%。

聚丙烯纖維購自湖南匯祥纖維有限公司，為白色束狀單絲，其基本性質見表1。由表可知，聚丙烯纖維具有較高的抗拉強度與拉伸極限，同時抗酸堿性高，故固化工程廢漿中的堿性環境不會影響其性質。此外，為研究纖維長度對固化工程廢漿壓縮性能和滲透性能的影響，購買了3 mm、6 mm、12 mm和18 mm四種長度的聚丙烯纖維。

表1 聚丙烯纖維的基本性質Table 1 Basic properties of polypropylene fiber

固化劑為鹽城阜寧佳寧水泥有限公司生產的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其初凝時間和終凝時間分別為155 min和220 min，28 d抗折強度和抗壓強度分別為9.3 MPa和49.2 MPa，均滿足國家標準要求。

1.2 試驗方案

試驗前先取一定質量的風干土放入塑料桶內，加水浸泡后攪拌均勻形成泥漿并測定其含水率。實際工程中固化處理高含水率泥漿常用的水泥摻量范圍為50～350 kg/m3[21-22]，故本研究將根據固化工程廢漿目標含水率采用150 kg/m3的水泥摻量。根據表2中泥漿初始含水率、水泥摻量和纖維摻量(纖維摻量為纖維質量占干土質量的百分比，下同)計算需外加水、水泥和纖維的質量。首先，將目標質量的水加入泥漿中并攪拌均勻。之后，在攪拌均勻的泥漿中加入水泥并快速攪拌均勻，以避免水泥水化使固化泥漿發生硬化，影響后續制樣。最后，再分多次將纖維分散加入“泥漿+水泥”混合物中，以保證纖維在混合物中均勻分布。

由于剛攪拌均勻的“泥漿+水泥+纖維”混合物呈流動狀態，無法直接制備壓縮試樣，故本研究中將流態狀的固化泥漿拌合物先澆筑到大尺寸(直徑為70 mm，高為140 mm)圓柱形模具內，待養護1～2 d試樣成型后，對試樣進行脫模，并繼續在標準養護室內養護至目標齡期。之后，將洗凈干燥后的環刀內壁均勻涂抹凡士林，以減小試樣和環刀間的摩擦，并稱量和記錄環刀的質量。將環刀分多次緩慢壓入圓柱形試樣中，壓入過程中及時削去環刀側壁多余的土樣。當環刀被土樣充滿后，用切土刀將試樣上下表面刮平，并稱量和記錄“環刀+試樣”的質量，從而獲得試樣的質量，并取一定質量的試樣測定其含水率。柔性壁滲透試驗所用試樣直徑為70 mm，高為100 mm，其制備方法如前所述。

一維壓縮試驗和柔性壁滲透試驗具體方案見表2。一維壓縮試驗時，荷載的加載等級依次為12.5 kPa、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa、800 kPa 和1 600 kPa。柔性壁滲透試驗前，先將試樣放入真空飽和缸內進行飽和，然后再采用柔性壁滲透儀進行試驗。

表2 一維壓縮試驗和柔性壁滲透試驗方案Table 2 Program of one-dimensional compression tests and permeability tests

2 結果與討論

2.1 壓縮曲線

對不同養護齡期的固化泥漿試樣開展一維壓縮試驗，得到相同纖維摻量下含纖維固化泥漿在半對數坐標系下典型的體變-壓力(εv-lgP)壓縮曲線,如圖1所示。由于水泥與泥漿間發生了一系列的水化反應、離子交換反應以及火山灰反應，生成了大量的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質，填充在孔隙中并將松散的土顆粒和纖維膠結成整體，故纖維加筋固化泥漿也表現出和天然沉積土類似的壓縮曲線，即壓縮曲線呈倒“S”型，表現出明顯的結構性。有關固化泥漿壓縮曲線的這一重要特征，黃英豪等[8-9]都曾進行了研究，指出存在一屈服應力Py，當上覆壓力較小(P

圖1 纖維加筋固化泥漿典型的壓縮曲線 (w0=145%，t=7 d)Fig.1 Typical compression curves of fiber reinforced cemented slurry (w0=145%，t=7 d)

2.1.1 纖維長度的影響

已有研究[15-19]表明，纖維長度和纖維摻量是影響纖維加筋固化泥漿力學性能的重要因素。對相同養護齡期和纖維摻量下的固化泥漿壓縮曲線進行分析，發現纖維長度對固化泥漿壓縮曲線的影響隨纖維摻量和初始含水率的變化而變化，具體如圖2所示。當纖維摻量為0.5%(見圖2(a)、(b))時，不同初始含水率下，含纖維固化泥漿的壓縮曲線基本都位于不含纖維固化泥漿的上方。此時，對于初始含水率為145%的纖維加筋固化泥漿，相同上覆壓力下其體應變隨纖維長度的增加而減小。而對于初始含水率為174%的纖維加筋固化泥漿，纖維長度增加對固化泥漿壓縮曲線的影響整體較小。這可能是由于隨著初始含水率的增加，纖維長度對固化泥漿壓縮性能的影響將主要受水泥摻量控制。此外，由圖2(a)和圖2(b)還可以發現，纖維長度對固化泥漿體應變的影響主要發生在大壓力下。這主要是由于小壓力下固化泥漿的體應變相對較小，纖維在固化泥漿中的相對滑動也較小，固化泥漿中纖維的加筋效果未得到充分發揮。之后，當上覆壓力繼續增加時，固化泥漿產生較大的體應變，試樣內部開始出現裂縫，纖維和土顆粒間也發生較大的相對滑動。此時，纖維將通過單根纖維的一維拉筋作用和纖維網的三維拉筋作用，以及纖維與固化泥漿顆粒接觸面的界面摩阻力，抑制固化泥漿中裂縫的發展，提高了固化泥漿抵抗上覆壓力的能力，宏觀表現為上覆壓力作用下固化泥漿體應變的減小。

當纖維摻量增加至1.2%時(見圖2(c))，對于纖維長度小于18 mm的固化泥漿樣，不同長度纖維加筋固化泥漿的壓縮曲線基本相同，即纖維長度增加對其壓縮性能基本不產生影響。當纖維長度較長時，纖維單絲相互間接觸的概率將增大，易相互吸附形成團塊，降低了纖維在試樣內部分布的均勻性[23]。同時，已有研究[24]還發現，長纖維還容易出現彎折和重疊現象，且相同纖維摻量下試樣中的長纖維數量相對也較少，從而將抑制纖維的傳力效果。這和文中纖維長度增加至18 mm后，出現纖維加筋固化泥漿體應變增大的現象相一致。由此可見，為達到纖維對固化泥漿壓縮性能的最佳改善效果，需要合理地選用纖維長度。

圖2 纖維長度對固化泥漿壓縮曲線的影響Fig.2 Effect of fiber length on compression curves of cemented slurry

2.1.2 纖維摻量的影響

對不同纖維摻量下固化泥漿的壓縮曲線進行分析，結果如圖3和圖4所示。如前所述，在上覆壓力較小時纖維的加筋效果未充分發揮，故添加纖維與未添加纖維試樣的體應變差異較小。隨著上覆壓力的進一步增加(>200 kPa)，纖維摻量對固化泥漿壓縮曲線的影響與纖維長度、養護齡期及試樣初始含水率是密切相關的。對于初始含水率為145%的固化泥漿(見圖3)，上覆壓力超過200 kPa后，纖維與土顆粒間的黏結力與摩擦力約束了土顆粒間的位移，纖維的加筋效果發揮作用，故相同上覆壓力下固化泥漿體應變隨纖維摻量的增加而減小，且減小幅度隨養護齡期的增加而降低。這可能是由于隨著養護齡期的增加，水泥水化反應和火山灰反應一起生成了更多的凝膠產物，土顆粒間以及土顆粒與纖維間的連接強度增強。

圖3 典型的固化泥漿壓縮曲線隨纖維摻量變化規律(w0=145%)Fig.3 Typical changes in compression curves of cemented slurry with fiber content (w0=145%)

對于初始含水率為174%的固化泥漿(見圖4)，當養護齡期為7 d時，相同上覆壓力下固化泥漿產生的體應變隨纖維摻量的增加而減小。之后，隨著養護齡期增加到28 d后，纖維摻量對固化泥漿壓縮性能的影響隨纖維長度的增加是變化的。對于纖維長度為3 mm的試樣(見圖4(b))，其壓縮曲線基本不受纖維添加量的影響。而對于纖維長度為6 mm、12 mm和18 mm的試樣，纖維摻量對其壓縮性能的影響則都具有和圖4(c)類似的變化趨勢，即過量的纖維摻入將引起固化泥漿體應變的增加。

圖4 典型的固化泥漿壓縮曲線隨纖維摻量變化規律(w0=174%)Fig.4 Typical changes in compression curves of cemented slurry with fiber content (w0=174%)

綜上可知，纖維添加對固化泥漿壓縮性能的影響是多方面因素共同作用的結果，除纖維長度、纖維摻量外，還和初始含水率、養護齡期、水泥摻量等因素有關。此外，已有研究[15-17,19]還發現，纖維加筋效果達到最優時對應的纖維長度和摻量，隨土樣種類、成分和所在位置的不同也是變化的。劉衛濤等[15]以水泥固化張家口地區黏性土為對象進行研究，指出最佳的纖維摻量為1.0%，較優的纖維長度為12 mm；而佟鈺等[17]對沈陽地區水泥固化低液限粉質黏土的研究表明，最佳的聚丙烯纖維摻量為0.5%。對于本研究所用固化工程廢漿，聚丙烯纖維長度和摻量分別以不超過12 mm和1.2%為宜。

2.2 滲透系數

根據壓縮試驗結果可知，試驗所用固化泥漿試樣的屈服應力基本都大于300 kPa，故柔性壁滲透試驗時選定圍壓σ分別為150 kPa和250 kPa，滲透壓為100 kPa。試驗過程中記錄不同滲透時間下的出水量。根據達西定律，由公式(1)計算獲得纖維加筋固化泥漿的滲透系數k。

k=Ql/TAh

(1)

式中：l為滲流長度即試樣高度，cm；A為試樣截面積，cm2；h為水頭差，cm；T為滲透時間，s；Q為出水量，cm3。表3為養護28 d后固化工程廢漿滲透系數的平均值、標準差和變異系數。由表可知，試驗土樣滲透系數的標準差和變異系數分別小于0.3×10-8cm/s和5%，滲透系數離散程度較小，這表明由前述方法制備的試樣均勻性滿足要求。

表3 固化工程廢漿的滲透系數Table 3 Permeability coefficient of cemented construction waste slurry

當圍壓為150 kPa時，纖維的添加引起固化泥漿滲透系數的減小。纖維長度為3 mm時，含纖維固化泥漿滲透系數隨纖維摻量的增加而減小。隨著纖維長度增加到6 mm、12 mm和18 mm后，含纖維固化泥漿的滲透系數則基本不受纖維摻量的影響。之后，當圍壓增加為250 kPa時，含纖維固化泥漿滲透系數隨纖維長度的增加整體表現出增大的趨勢，甚至出現滲透系數大于不含纖維固化泥漿的情況。這可能是由于在250 kPa的圍壓下固化泥漿的體積變形增加，在纖維和固化泥漿接觸部位產生了一些微裂縫，纖維長度越長則在這些微裂縫處越易形成沿纖維長度方向的貫通滲流通道，從而引起纖維加筋固化泥漿滲透系數的增大。綜上可知，對于含纖維固化泥漿，應根據實際工程對固化泥漿抗滲性能的要求合理選擇纖維長度和摻量。

3 結 論

(1)纖維加筋固化高含水率工程廢漿具有明顯的結構性。當上覆壓力較小時，固化泥漿的體應變相對較小，纖維與土顆粒間的相對滑動也較小，纖維的加筋效果未得到充分發揮，故屈服前階段纖維添加對固化泥漿壓縮性能基本不產生影響；隨著上覆壓力繼續增加，達到屈服應力后，固化泥漿產生較大的體應變，纖維和土顆粒間也發生較大的相對滑動，纖維將通過單根纖維的一維拉筋作用和纖維網的三維拉筋作用，以及纖維與固化泥漿顆粒接觸面的界面摩阻力對固化工程廢漿的壓縮性能產生影響。

(2)對于纖維摻量為0.5%的固化工程廢漿，相同上覆壓力下纖維添加引起固化泥漿體應變的減小。其中，當固化泥漿初始含水率為145%時，纖維添加引起固化泥漿體應變的降低幅度隨纖維長度的增加而減小。而對于初始含水率為174%的固化工程廢漿，纖維長度增加對固化泥漿壓縮曲線基本不產生影響；當纖維摻量較高(1.2%)時，纖維長度增加到18 mm后，纖維單絲相互間接觸的概率增大，易出現彎折和重疊現象，且易相互吸附形成團塊，降低了纖維對固化工程廢漿的加固效果，相同上覆壓力下引起固化泥漿體應變增大。

(3)當纖維長度小于12 mm時，相同圍壓下固化工程廢漿的滲透系數隨纖維的加入而減小。對于長度為12 mm和18 mm的纖維，隨著纖維摻量增加到1.2%，將出現滲透系數增加的情況。在屈服前階段，纖維添加對固化泥漿壓縮性能基本不產生影響，故纖維添加對固化工程廢漿滲透系數的整體影響較小。

(4)對于本研究所用固化工程廢漿，適宜的纖維摻量應不超過1.2%，且纖維長度宜小于12 mm。