不同纖維摻量風積沙水泥基材料三軸試驗研究

雷佳，程建軍，丁泊淞，馬奔騰，高麗，李宇鵬，程曜森

(石河子大學 水利建筑工程學院，新疆 石河子 832003)

沙漠戈壁地區具有豐富的風積沙資源，在沙漠鐵路路基及防護工程的建設過程中，由于河砂和碎石資源的匱乏，部分國家和地區采用風積沙代替傳統的建筑用砂制作水泥基材料運用到實際工程中[1-4]。風積沙具有結構松散、孔隙率大、強度較低、水穩定性好、受不利季節影響小等特點，并且儲量豐富，分布廣泛[5]。目前針對風積沙工程材料特性的研究廣泛集中在物理化學性質、力學性質、壓實特征、性能改良等方面。銀英姿等[6]對風積沙混凝土進行SEM 和NMR分析，研究其內部形態和孔結構特征，認為風積沙的摻入使混凝土硬化后的孔隙由大向小發展；MARíA 等[7]根據不同標準中風積沙的特點和性能對其進行了分類，推動了風積沙的工程應用；阮波等[8]研究了水泥改良風積沙在70 ℃高溫養護條件下的力學特性，利用無側限抗壓強度試驗得出了摻量4%的水泥改良風積沙能滿足基床底層填料設計要求；DONG 等[9]通過超聲脈沖速度和共振頻率檢測風積砂輕骨料混凝土凍融損傷變量，得出風積沙替代河沙的最佳替代率為20%～30%，建立了預測風積沙輕骨料混凝土凍融損傷的本構模型；張宏等[10]對風積沙的壓實特征展開研究，提出了風積沙擊實曲線與振動壓實曲線多峰特征；胡三喜[11]通過摻入不同配比的粉土改良風積沙鐵路路基填料，根據室內試驗與現場施工數據對比，認為風積沙與粉土摻配比為1:1. 5 時可以用于路堤填筑。風積沙水泥基材料與傳統建筑用砂制作的混凝土相比強度偏低，達不到實際工程的應用標準，若以風積沙簡單替代細骨料直接運用，其效果不佳，在鐵路路基及防護工程中使用受到各種環境應力及吊裝、自重等荷載易破壞開裂，所以有必要通過添加筋材增加其韌性和受力性能。研究表明，在混凝土中加入纖維可以有效提升其韌性[12]及力學性能[13-15]。ZHU等[16]研究發現摻加玻璃纖維可對由風積沙、礦物摻合料、水泥等組成的改性噴射混凝土的抗拉強度和抗剪強度分別提高310%和596%；楊正宏等[17]對多組聚丙烯纖維摻量不同的配合比進行研究，發現纖維摻量為1.3 kg/m3時風積沙砂漿的干縮、抗裂性能最佳；解國梁等[18]發現加入適量玄武巖纖維時，風積沙混凝土的終裂次數、延性比和韌性系數分別為普通風積沙混凝土的1.75 倍，4.41 倍和2.75倍。KACHOUH等[19]發現鋼纖維對可再生混凝土的峰前斜率、抗彎強度、撓度、韌性和等效抗彎比有改善作用，體積分數為3%時最明顯。纖維的加入使風積沙水泥基材料克服了自身強度不足的缺點，結合風積沙能夠就地取材這一天然優勢，非常適用于沙漠鐵路及公路沿線風沙防治工程的建設，既節約了原材料成本及運輸成本，又將線路沿線的風積沙充分利用，同時減輕了其對線路本身的沙害威脅，而且利用風積沙進行沙障的制作和構建不會對環境造成二次污染，進而通過這種方式實現“以沙治沙”。為了進一步探究風積沙作為直接建筑材料應用于沙漠鐵路路基及防護工程建設的可行性，采用風積沙全比例代替傳統意義上的建筑用砂作為水泥基材料的細骨料，并通過加入聚丙烯纖維對材料整體性能進行改良與提升，研究該材料在三向應力狀態下的破壞形態和力學性能，研究結果為纖維增強風積沙水泥基材料在沙漠鐵路建設中的工程應用提供了參考與依據。

1 試驗概況

1.1 原材料

風積沙取自位于沙漠戈壁地區的額哈鐵路沿線，其主要化學成分為SiO2，Al2O3，CaO 和MgO等。電子顯微鏡下觀察砂粒特征，其粒徑主要集中在60～300 μm 范圍內，放大1 600倍后觀察砂礫表觀特征顯示其表面特征呈凹凸不平狀，棱角較為圓潤(如圖1)。通過激光粒度儀對砂樣的粒徑分布進行測試，得出試驗所用風積沙最大占比粒徑和平均粒徑依次為161.4 μm 和139.6 μm，屬于極細砂(如圖2)，相對于普通建筑用砂，其粒徑分布相對集中，基本物理性能見表1。

圖1 風積沙掃描電鏡圖像Fig. 1 Aeolian sand under scanning electron microscope

圖2 粒徑分布對比Fig. 2 Comparison of grain size allocation

表1 風積沙主要物理性能Table 1 Main physical properties of aeolian sand

本研究選用聚丙烯纖維(Polypropylene Fiber，簡稱PP Fiber)作為加筋材料，其主要物理性能如表2 所示。具有輕質高強、彈性好、耐磨等特點，與水泥基材料結合其粗糙的表面可以提供較強的握裹力。

表2 聚丙烯纖維主要物理性能Table 2 Main physical properties of polypropylene fiber

試驗水泥為P·O 42.5 級普通硅酸鹽水泥，其相關基礎參數見表3。

表3 研究所用水泥力學性能參數Table 3 Mechanical properties of the cement used in this study

1.2 試驗方案設計

試驗首先制作聚丙烯纖維增強風積沙水泥砂漿圓柱體三軸試驗試件。試件屬于纖維增強復合材料(Fiber Reinforced Polymer，簡稱FRP)，試驗尺寸R=50 mm，L=100 mm，通過6 種不同纖維摻量af和7 種不同側向圍壓σw交叉設計42 組試驗方案，其中包括af和σw均為0 用于對照參考的基準組，另額外采用基準組配合比制作1組標準立方體試件以便確定設計強度等級。試驗編號及具體方案如表4 所示，基準配合比如表5 所示，聚丙烯纖維增強風積沙水泥砂漿設計強度等級為M20。

上述試件設計參數中所用纖維摻量af用式(1)表示：

式中：mf為纖維質量，kg；mc為水泥質量，kg。上述表4 中的試件設計參數按照表5 的配合比進行，只需改變纖維摻量即可。

表4 試件設計參數Table 4 Specimen design parameters

表5 基準組配合比Table 5 Mix proportion of the basic group

1.3 試驗加載方式

加載裝置采用圖3(a)所示的YJS600 三軸試驗機，該設備主要包括試驗機、主機箱、油壓系統等部分。試驗軸向加載前通過油壓系統向試驗機壓力室內提供的側向圍壓。待圍壓穩定后，通過電液伺服系統控制試驗機上部鋼壓力頭進行軸向加載。該裝置通過引伸計輸出試樣對應的變形響應，自動記錄軸向荷載、圍壓、變形等參數，并生成應力應變曲線。

圖3 三軸試驗機與試件受力示意圖Fig. 3 Schematic diagram of triaxial testing machine and specimen loading

試件的整個加載過程首先是通過荷載控制進行預加載使試件達到圖3(b)所示的靜水壓力狀態，此時σ1=σ2=σ3，預加載的過程主要是通過調整圍壓來實現，并且最終將圍壓值保持在目標大小直至試驗結束。完成預加載后調整加載模式至位移控制開始正式加載，這一過程主要通過移動三軸試驗機的橫梁主動對試件施加軸向荷載，橫梁移動速度為1 mm/min，當試件軸向荷載大幅度降低或軸向壓縮變形超過15 mm時停止試驗。

2 試驗結果及分析

2.1 破壞形態

在圍壓相同的情況下，不同纖維摻量的試件裂紋發展演化規律相同，但纖維量增加具有約束裂紋發展的趨勢，如圖4所示。與之相比，圍壓的改變對試件的破壞形態起控制性作用，圖5給出了纖維摻量為0.5%時不同圍壓下試件的破壞特征及裂縫分布。

圖4 不同纖維摻量的試件破壞形態Fig. 4 Failure morphology of specimens with different fiber content

圖5 不同圍壓下試件破壞特征及裂縫分布(af=0.5%)Fig. 5 Failure characteristics and crack distribution of specimens

圖5展示了在不同圍壓作用下聚丙烯纖維增強風積沙水泥基試件的破壞特征及裂縫分布(以FRP-0.5 組別為例)。對比可見，不同試驗環境下纖維增強風積沙水泥基材料的破壞形態有顯著差異。具體外在表現為試件完全失穩時裂縫發展方向與軸向的夾角隨圍壓值的增大由0°到90°逐漸轉變，這意味著其破壞形式由軸向劈裂破壞逐漸過渡為斜向或橫向剪切破壞。當圍壓為0時，試件僅受軸向荷載的作用，到達一定程度后試件內部的纖維延伸處或各材料連接界面會出現裂縫并沿加載方向開展，如圖5(a)所示。當試件所受圍壓較小時，試件的受力狀態發生了改變，圍壓對試件內部軸向裂縫的開展起到了抑制作用，隨著軸壓不斷施加，超出材料自身強度的那部分應力仍然主要以裂縫的形式抵消，此時會出現數量更多的斜向裂縫，試件也受到剪切破壞并且其剪切破壞面與軸向夾角大多處于30°至60°之間，如圖5(b)～5(e)。當圍壓提升至25 MPa，此時圍壓水平已超過材料自身強度等級，僅有少量縱向裂縫存在，試件破壞的主裂縫方向轉變為橫向裂縫，這是由于隨圍壓的增大試件表現出一定的延性流動狀態，垂直于主裂縫破壞面處的聚丙烯纖維絲大部分被剪斷，部分試件破壞時出現骨料斷裂現象，而軸向裂縫并不明顯，如圖5(f)～5(g)。

2.2 應力應變全過程曲線

圖6為不同纖維摻量下各組試件在不同圍壓作用下的應力應變全程曲線，由圖可見，不同纖維摻量增強下的風積沙水泥基材料隨著圍壓增大，其強度及塑性變形能力呈現增大的趨勢。當不施加圍壓時，試件的應力應變全程曲線主要包含上升段和下降段2部分，符合常規混凝土單軸抗壓試驗測試規律。當σw=2.5 MPa 時，由于側向圍壓的出現對試件產生了約束作用，曲線的峰值應力明顯提升，試件的塑性延展也提升，當纖維摻量達到5%時，峰值點后的曲線接近水平。當σw≥5 MPa時，隨著試件側向圍壓的增大，曲線的峰值點變得逐漸模糊，曲線峰部趨于水平，試件的破壞形式呈現塑性破壞的特點；直至圍壓達到15 MPa時，除了不加纖維的基準組，其余組別試件的變形能力得到強化，其應力應變曲線峰值點消失，整條曲線呈現緩慢上升趨勢；圍壓達到自身強度等級之后，曲線后期的上升趨勢更加明顯，且這種上升趨勢在不同纖維摻量作用下并未表現出明顯差異，這說明圍壓大小的改變對試件受力及塑性延展的影響要比纖維摻量的改變更加顯著。對比卵石混凝土三向應力狀態下的應力應曲線[20]，當圍壓達到24 MPa 時，曲線在達到峰值后僅趨于水平未出現上升趨勢，說明風積沙水泥基這種內部結構堆積密度更大的材料能夠顯著改善材料脆性，在三向應力狀態下其受力和變形適應性更佳。

圖6 聚丙烯纖維增強風積沙水泥基材料應力應變全過程曲線Fig. 6 Stress-strain curves of different groups of specimens

2.3 典型特征參數

表6為各組聚丙烯纖維增強風積沙水泥基試件在三向應力狀態下的極限峰值應力σv，峰值應變εv，以及初始模量E等典型特征參數，各參數為該組實測數據的平均值。

表6 典型特征參數Table 6 Typical characteristic parameters.

3 影響因素分析

3.1 纖維摻量對峰值應力的影響

如圖7所示在不同圍壓值作用下試件的峰值應力均隨纖維摻量的增多先升后降，且摻量為0.5%時最大，與不摻纖維的對照組相比提升了17.3%～27.4%，當纖維摻量超過3%時，風積沙水泥基材料的峰值應力呈現出小于基準組(不加纖維)的趨勢，此時纖維對于峰值應力的提升起到了負增長作用，這是由于高纖維摻量導致試件在制作過程中漿體和易性明顯降低，各材料之間混合不均勻，纖維在試件內部結團，影響了整體密實度，進而試件強度下降。根據試驗數據擬合得出纖維增強風積沙水泥基材料在三向應力狀態下的峰值應力σv與纖維摻量af的關系曲線，如圖8所示。

圖7 纖維摻量與峰值應力的關系Fig. 7 Relationship between fiber content and peak stress

圖8 纖維摻量-峰值應力關系擬合曲線Fig. 8 Fitting curve of fiber content-peak stress

由于材料在峰值應力前后的變化規律有所差異，所以采用分段式方程進行處理，如公式(2)所示：

式中：σ0表示af=0時的軸向峰值應力。

水泥基材料作為脆性材料其內部存在大量微觀裂縫，由于風積沙的細度模數遠小于普通建筑用砂，這使得風積沙水泥基材料中的微觀裂縫更加充分，在外力作用下這些微觀裂縫逐漸擴展形成宏觀裂縫導致材料破壞。聚丙烯纖維與水泥基材料結合為其粗糙的表面提供了極強的握裹力，所以當加入適量的聚丙烯纖維可以控制水泥基材料中結晶體的位移，裂縫延伸至臨近的纖維時被阻擋，從而對微觀裂縫的擴展起阻止和抑制作用。但過度的摻入纖維會導致在試件的制備過程中出現纖維結團現象，結團數量也會隨著纖維摻量的增加而增加，這會導致風積沙水泥基材料的密實度降低，從而影響其力學性能。

3.2 圍壓對峰值應力的影響

如圖9所示，隨著側向圍壓的增大，纖維增強風積沙水泥基材料的峰值應力也在不斷提高，但峰值應力的增長速率并不均勻且呈減慢的趨勢，不符合線性增長的特點。擬合試驗數據，得出纖維增強風積沙水泥基材料在三向應力狀態下的峰值應力σv與側向圍壓σw的關系曲線，如式(3)所示：

圖9 圍壓-峰值應力關系擬合曲線Fig. 9 Fitting curve of confining pressure-peak stress

式中：σ0表示σw=0時的軸向峰值應力。

峰值應力不斷增大且增長速率逐漸減緩的原因是由于側向圍壓抑制了試件橫向裂縫的發展，阻礙了橫向變形，使內部存在應力集中薄弱部位得到緩沖，從而提高了試件的軸向承壓能力，使得纖維增強水泥基材料的峰值應力快速增長，但隨著圍壓的增大，試件在進行軸向加載之前就需要承受很大荷載，導致很多微裂縫提前開展，并且較大的圍壓使試件在加載時產生超出材料自身能力的變形，這部分變形將會以裂縫的形式補足，導致圍壓對裂縫的抑制能力降低，峰值應力的增長速率逐漸減緩。

3.3 圍壓對峰值應變的影響

當軸向荷載進行至試驗停止條件時，部分組別的試件應力應變曲線呈現持續上升的趨勢，因此選取存在峰值的曲線來分析圍壓與峰值應變之間的關系，如圖10 所示。隨著側向圍壓的增大，纖維增強風積沙水泥基材料的峰值應變持續穩定上升。擬合試驗數據得出二者之間關系，如式(4)所示：

式中：σ0同式(3)，ε0表示圍壓為0 時的軸向峰值應變。

由圖10 可知，峰值應變隨側向圍壓的增大而增大。由于表面光滑且棱角圓潤導致風積沙與水泥基體的黏結力較弱，當試件無側限壓縮時，試件沿主裂縫發展方向迅速破壞形成破壞界面，使試件其余部位的變形能力難以發揮，隨著側向圍壓的出現并不斷增大，在一定程度上增強了風積沙與水泥基體之間的黏結力，同時提升了纖維限制風積沙水泥基體變形的能力，裂縫由單一主裂縫迅速發展轉變為多裂縫共同緩慢發展，使試件各部位的變形能力得到充分發揮。

圖10 圍壓-峰值應變關系擬合曲線Fig. 10 Fitting curve of confining pressure-peak strain

4 本構關系模型

4.1 參數化本構方程

為深入揭示纖維增強風積沙水泥基材料在環境應力及工程服役荷載作用下的應力應變性能，以ε/εv為橫坐標，σ/σv為縱坐標，給出歸一化處理后的本構關系曲線，如圖11 所示。由圖可見：纖維增強風積沙水泥基材料本構關系曲線分為上升段和下降段2部分，當側向圍壓較大時，試件加載至軸向變形超過試件總長度15%停止試驗，此時應力應變關系曲線會存在無峰值點并平緩持續上升的情況，說明側向圍壓作用于纖維增強風積沙水泥基材料可以提升其剛度并延緩峰值應力點的出現。

圖11 本構關系曲線Fig. 11 Constitutive relation curves

借鑒LOKUGE 等 的研究方法，提出纖維增強風積沙水泥基材料的分段式應力應變本構方程，見公式(5)，其擬合結果的典型特征參數如表7所示。

式中：x為ε/εv；y為σ/σv；A，B均為擬合參數。

圖12 為表7 中的典型特征參數散點圖，由圖可知，單軸和三軸試驗的擬合特征參數差異較大，單軸試驗時的擬合參數A和B分為0.324 7 和10.998 8，三軸試驗時的擬合參數A和B均值分別為3.333 2 和0.261 4。三軸試驗所得出的擬合參數具有一定的離散型，但整體波動不大，將所得到的擬合特征參數代入式(5)得到聚丙烯纖維增強風積沙水泥基材料的參數化本構方程，如式(6)所示：

圖12 擬合特征參數Fig. 12 Fitting characteristic parameters

表7 本構方程擬合結果典型特征參數Table 7 Typical characteristic parameters of constitutive equation fitting results

4.2 擬合—試驗對照

為驗證聚丙烯纖維增強風積沙水泥基材料參數化本構方程的可靠性，代入式(6)，給出了不同圍壓狀態下實測曲線與本構方程擬合曲線二者間的對比，擬合程度較高，如圖13所示。

圖13 實測擬合對比Fig. 13 Comparative diagram of measured and fitted

5 結論

1) 試件破壞時的裂縫發展方向與軸向的夾角隨圍壓的增大由0°到90°逐漸過渡。

2) 與無圍壓作用下試件的應力應變曲線存在明顯峰值點這一特點相比，三向應力共同作用時曲線的下降段變得舒緩，當圍壓超過15 MPa 時，曲線會一直上升至試驗結束。

3) 隨纖維摻量的提升，試件的峰值應力先升后降，摻量為0.5%時達到最大，與不摻纖維的對照組相比其峰值應力提升了17.3%～27.4%。

4) 隨著圍壓的增加，試件的峰值應力、峰值應變都呈現逐漸增長的趨勢，增長速度隨著圍壓的增加逐漸變緩，擬合得出了圍壓—峰值應力/峰值應變的關系曲線。

5) 推演出的聚丙烯纖維增強風積沙水泥基材料的參數化本構方程與實測結果相比較吻合，可為相關研究提供參考，為進一步工程應用提供理論基礎。