聚丙烯纖維改良膨脹土干濕裂隙演化特征研究

張瑞富

(廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引言

膨脹土富含強親水性礦物成分，是一種對環境濕熱變化極其敏感的裂隙性土。膨脹土在經歷反復的降雨和蒸發后，使土體不均勻脹縮，產生內應力，從而誘發裂隙。裂隙的出現破壞了土體的完整性，為地表水入滲提供了通道，造成了渠道、土石壩和公路等邊坡極大的破壞。此外，雨水通過裂隙入滲使土體內部軟化，抗剪強度下降，進一步誘發膨脹土邊坡垮塌[1-2]。因此，如何控制膨脹土開裂是預防膨脹土失穩的重要研究方向。

改良技術是預防膨脹土開裂主要方法。以往的方法是在土體內摻入石灰[3]、粉煤灰[4]和水泥等材料，但這些材料成本較高且容易污染環境，長期效益差。纖維作為一種新型材料，能夠顯著增強膨脹土的粘聚力，防止土體裂隙的形成[5]。早期一些研究人員使用可降解生物纖維材料(如稻草、劍麻和椰子纖維)來改良膨脹土，可以增加膨脹土的抗剪強度和穩定性[6]。還有一些研究人員通過木質素纖維和甘蔗纖維來改良膨脹土，研究其對粘聚力和內摩擦角的影響[7]，但這類纖維容易被土壤腐蝕，并不能長久地改良土壤。

當今，塑料污染已成為人類所面臨的最嚴峻環境挑戰之一。全球每年生產約3.59億t塑料，其中55%的塑料采用垃圾填埋方式進行處理[8]。但廢棄塑料降解非常緩慢，被填埋處理后，塑料中的有害成分可能會污染地下水和土壤，廢棄塑料的循環利用已成為眾多研究人員關注的焦點問題[9]。相關研究表明，廢棄塑料中可提取到聚丙烯纖維材料[10-11]，這使得采用廉價的聚丙烯纖維材料改良膨脹土的裂隙性成為可能。

基于此，本文研究干濕循環條件下不同摻量的聚丙烯纖維對膨脹土裂隙演化規律的影響。通過圖像軟件獲取裂隙參數，研究時間、干濕循環次數、纖維摻量、土層厚度等因素對裂隙參數的影響，并對裂隙形態特征進行分析，從微觀角度探究聚丙烯纖維抑制膨脹土開裂的機理。

1 材料和試驗方案

1.1 膨脹土

本研究的土樣采自廣西寧明均勻重塑膨脹土，表1給出了膨脹土的基本物理性質。該類膨脹土塑性指數較大，說明其吸水能力較強，干濕循環下脹縮較大，更容易產生明顯的裂隙。

表1 膨脹土基本物理性質表

1.2 聚丙烯纖維

為了使纖維均勻地與土體混合，采用長度為9 mm的聚丙烯纖維。仿人類纖維的直徑為36 mm，斷裂強度為498 MPa，斷裂伸長率為25%，初始模量為3.7 GPa。

1.3 膨脹土試樣制備

將纖維和土充分均勻混合制成纖維增強膨脹土試樣，將1 000 g纖維增強土放入邊長為160 mm、高為75 mm的正方體塑料模具中，纖維摻量分別控制為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%。塑料模具表面光滑、無劃痕，以提供均勻干燥的表面。土層厚度過薄，模具底部的吸附力對裂隙擴展的影響較大，且很容易形成貫穿裂隙，這種情況不符合膨脹土在自然環境下的開裂規律。因此，本研究保持初始土層厚度為35 mm，用霧狀噴灌的方法模擬雨水入滲，最終使膨脹土試樣的含水率達到液限。膨脹土試樣加入水后，用塑料保鮮膜密封塑料模具，靜置24 h，使土壤纖維混合物與水充分混合。

1.4 裂隙試驗方案

1.4.1 試驗過程

將制備的試樣和模具放入烘箱當中，為了加快干燥速度，設置溫度為65 ℃，并每隔24 h使用高清相機拍攝(24 h、48 h、72 h、96 h)。在補光條件下，距離土面相同高度，采用相機獲取裂隙圖像。烘干至土樣的質量不再發生變化(約96 h)后，將土樣取出拍照。采用無豎向荷載的干濕循環方案。增濕過程：采用噴霧器灑水濕潤至液限含水率。干濕循環5次，液限含水率誤差約為±2%。然后加熱烘干至試樣質量穩定。

1.4.2 裂隙參數

采用PCAS孔隙與裂隙系統識別和定量分析軟件，該軟件可以自動識別圖像中裂隙的幾何參數和統計參數[12]：對原圖片進行灰度化處理，利用PCAS軟件對圖像進行二值化處理，將修正后的二值化圖片導入PCAS軟件，并對裂隙進行識別，從中獲得裂隙率、裂隙長度等裂隙參數的量化值，如圖1所示。裂隙最大寬度是用刻度尺量取的，其為多個可能的最大裂隙寬度的平均值。

圖1 裂隙圖像處理及量化過程示意圖

2 結果與分析

2.1 裂隙演變規律

圖2列出了素土、纖維摻量為0.3%和0.5%的聚丙烯纖維改良膨脹土的裂隙演變圖像。表2為兩種不同摻量纖維增強膨脹土在5次干濕循環過程中的裂隙率、裂隙長度、最大裂隙寬度隨時間變化結果。由表2和圖2可以看出，在0～24 h時間段，裂隙率和裂隙寬度變化不大，而裂隙長度發生劇增，這段時間內裂隙幾乎全部出現，此后很少出現新的裂隙；在24～48 h時間段，已有的裂隙快速發展并擴大，導致裂隙寬度和裂隙率劇增，該過程中土體產生了明顯的橫向收縮差；在48～72 h時間段，裂隙開始緩慢發展，最大裂隙寬度緩慢增長，裂隙主要向土體深處擴張，開始出現一些貫通土體的主裂隙，且這一階段土體外表面的水分基本完全蒸發，土體內部的水分緩慢蒸發，內部的土體緩慢收縮，導致裂隙向土體深部發展，直至貫通；在72～96 h時間段，裂隙已經進入完全穩定階段，該階段土體內殘留的水分不斷蒸發直至完全干燥，裂隙幾乎不會發生變化。

圖2 裂隙隨時間發展規律示例圖(5次循環)

表2 裂隙參數隨時間變化規律計算結果表

2.2 干濕循環次數對裂隙的影響

圖3展示了不同干濕循環次數后素膨脹土和聚丙烯纖維改良膨脹土的裂隙圖像。從圖3中可以看出，隨著干濕循環次數的增加，裂隙會不斷發展。值得注意的是，在N次干濕循環中有的土樣會沿著第N+1次干濕循環的土樣裂隙繼續發展，而有的土樣會沿著N+2次干濕循環的土樣裂隙繼續發展。纖維對于改良膨脹土裂隙的作用較為顯著，PF0.5%聚丙烯纖維改良膨脹土在5個循環內均未出現主裂隙。而PF0.3%聚丙烯纖維改良膨脹土在前兩個循環均未出現主裂隙，在第3個循環才出現。在增濕過程中，膨脹土體積膨脹導致原裂隙愈合。由于愈合部位纖維摻量較少，隨后干濕循環過程中的裂隙將按照N+1或N+2次裂隙規律發展。

圖3 不同干濕循環次數后膨脹土裂隙影像示例圖(96 h)

圖4為不同纖維摻量改良膨脹土的裂隙率、裂隙總長度、最大裂隙寬度隨著干濕循環次數增加的變化規律。從圖4可以看出，在5次干濕循環中，素土和PF0.1%聚丙烯纖維改良膨脹土，在第2次循環時出現裂隙，裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度發生顯著增加；在第3～5次循環時，裂隙率、總裂隙長度、裂隙寬度無規律波動變化，PF0.3%聚丙烯纖維改良膨脹土均在第3次循環時才出現主裂隙，故在第3次循環時，裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度增加明顯；在第4～5次循環時，裂隙發展不規律，PF0.5%聚丙烯纖維改良膨脹土的裂隙率、裂隙總長度、最大裂隙寬度均在較低值之間波動，這些增強膨脹土均未出現主裂隙，僅出現了一些微小裂隙。

2.3 纖維摻量對裂隙的影響

圖5為不同摻量的聚丙烯纖維增強膨脹土的裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度的均值曲線。從圖5中可以看出，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，膨脹土均在摻量為0.5%時，裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度達到最小值。說明聚丙烯纖維改良膨脹土的最佳摻量為0.5%。

(a)裂隙率

(b)總裂隙長度

(c)最大裂隙寬度

(a)平均裂隙率

(c)平均最大寬度

2.4 主裂隙形態特征

圖6為第5次干濕循環時素土和摻量分別為0.1%、0.3%、0.7%的聚丙烯纖維改良膨脹土的主裂隙方向玫瑰圖。從圖6中可以看出，主裂隙的方向直線大多會呈現正交或者與正交方向偏差較小銳角的斜交，裂隙相交方式呈T型或者Y型的三岔口形式。

圖6 主裂隙方向玫瑰圖

2.5 土層厚度對裂隙的影響

為了評估土層厚度對試驗結果的影響，選用素土和PF0.5%聚丙烯纖維改良膨脹土樣本，分別控制其初始土層厚度為7 mm、14 mm、21 mm、28 mm，以研究不同土層厚度對纖維增強膨脹土裂隙發展的影響。圖7為素土和PF0.5%聚丙烯纖維改良膨脹土的裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度隨土層厚度的變化規律對比。從圖7可以看出，隨土層厚度的增大，裂隙率和總裂隙長度均呈現下降趨勢。而最大裂隙寬度均在土層厚度為14 mm時達到最大值，大于該土層厚度后，最大裂隙寬度呈現下降趨勢。

(a)裂隙率

(b)裂隙總長度

(c)裂隙最大寬度

3 纖維改善膨脹土裂隙的微觀分析

圖8為聚丙烯纖維改良膨脹土的圖像及微觀結果。從圖8中可以看出，纖維在裂隙的兩側密集橋接，阻止了細小裂隙發展為主裂隙。微觀水平上纖維與土壤之間的相互作用，完全是由于粘附作用。膨脹土的微觀結構為疊聚體之間面面接觸形成黏土基質結構，在土體與纖維相交處，土體疊聚體將纖維表面包裹，纖維的一端陷入土體當中，膨脹土疊聚體粘附在纖維的橫截面上，提供了更好的界面強度。聚丙烯纖維表面較為粗糙且纖維本身形狀扭曲，可以更緊密地與土體結合在一起，從而更高效地增強膨脹土的抗裂性。

圖8 纖維膨脹土的橋接作用和粘附作用示例圖

4 結語

(1)聚丙烯纖維改善膨脹土的裂隙發育過程可分為裂隙顯現階段、快速發展階段、緩慢發展階段和穩定階段。在干濕循環作用下，第N+1次或第N+2次裂隙會根據第N次裂隙的規律發展。隨著土層厚度的增加，裂隙越不容易發展。膨脹土主裂隙相交方式大多呈T型或者Y型的三岔口形式。

(2)聚丙烯纖維對于裂隙的裂隙率、總裂隙長度、最大裂隙寬度都有一定的改良作用。在干濕循環的過程中，纖維可以抑制主裂隙的出現，而一旦主裂隙出現后，在隨后的干濕循環過程中，纖維的作用將不再明顯。土層厚度越大，纖維對裂隙的改良效果越好。總體而言，聚丙烯纖維對膨脹土裂隙的改良效果最佳摻量建議為0.5%。

(3)聚丙烯纖維對于膨脹土抗裂性質的改良，主要是由于膨脹土疊聚體粘附于纖維的表面形成粘附作用，從而增強了膨脹土的界面強度。