玄武巖纖維加筋膨脹土強度的試驗研究

莊心善，余曉彥，游 鵬，周 談

（湖北工業(yè)大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068）

膨脹土的化學改良方法對施工工藝及施工機械的要求比較嚴格，且工程造價也會大幅度增加［1－2］。而物理改良對環(huán)境的影響較小，具有很好的發(fā)展前景。常被用于物理改良方法中的有聚丙烯纖維、玻璃纖維、聚乙烯纖維、劍麻、麻絲等材料［3－5］。由于這些材料的密度比土的密度小很多，在拌合過程中容易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，造成加筋不均勻，給實際工程的操作帶來不便。玄武巖纖維是一種典型的純天然的、無污染的綠色硅酸鹽纖維，具有很好的相容性和優(yōu)越的力學性能。玄武巖纖維在混凝土的加固中已經(jīng)得到應用，可以顯著的提高混凝土的抗折強度、劈裂抗拉強度和軸心抗壓強度［6－7］，然而玄武巖纖維在土體改良方面的研究尚不夠完善，本試驗將玄武巖纖維摻入膨脹土中，進一步研究玄武巖纖維加筋膨脹土強度的變化。

1 試驗材料

1.1 玄武巖纖維

本試驗所使用的玄武巖纖維為短切無捻粗紗，薄片狀，長度為6mm（圖1），與膨脹土拌合時，成束的纖維會被撕開，均勻地摻入到膨脹土當中。從力學性能來看，玄武巖纖維介于碳纖維與玻璃纖維兩者之間，且性能遠遠好于聚丙烯等化纖及其他木纖。玄武巖纖維的密度與土的密度相近，相對于質(zhì)量較輕且彈性模量較低的纖維來說，可以避免出現(xiàn)纖維與土在拌合過程中出現(xiàn)的團聚現(xiàn)象，有效的提高纖維拌合土的均勻性。

圖1 玄武巖短切無捻粗紗

1.2 膨脹土的物理性質(zhì)

本試驗采用的土樣是南陽某地區(qū)的膨脹粘土，土樣呈黃褐色，粘土礦物以伊－蒙混合物礦物為主，含有少許的伊利石，高嶺石。現(xiàn)場采取土樣時含水率較大，呈塊狀。試驗前對膨脹土進行了物理性質(zhì)測定（表1）。

表1 膨脹土的基本物理性質(zhì)

2 試驗方法

為研究玄武巖纖維加筋膨脹土強度的改良效果，制作了不同加筋率的重塑膨脹土試樣，纖維加筋率為纖維質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值。制作試樣時按最優(yōu)含水率23.54%進行配置，分別把0%，0.1%，0.3%，0.5%的纖維加筋到膨脹土中，將配置好的試樣用塑料袋進行密封養(yǎng)護，齡期分別為0d、7d、14d、28d。嚴格按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTGE40-2007）進行力學試驗，包括直剪試驗、無側限抗壓強度試驗及收縮試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 直剪試驗

試驗采用的是ZJ型應變控制式直剪儀，試樣尺寸為直徑61.8mm，高20mm，試樣分別進行齡期0d、7d、14d、28d的養(yǎng)護，將養(yǎng)護好的試樣對準放入剪切容器中，土樣上下表面各放一層濾紙，防止水分蒸發(fā)和堵塞透水石，試驗過程中分別施加50 kPa、100kPa、200kPa、400kPa的垂直荷載進行直剪試驗。以0.8mm/min的剪切速度進行試驗，當測力計的百分表讀數(shù)不變或者后退時，繼續(xù)剪切至剪切位移4mm時停止，記下破壞值；當剪切過程中測力計百分表無峰值時，剪切至剪切位移達到6 mm時停止。整理試驗數(shù)據(jù)得出各級荷載下的抗剪強度，對抗剪強度與垂直壓力進行線性擬合見圖2～圖5，抗剪強度指標粘聚力c與內(nèi)摩擦角φ見圖6～圖7。

圖2 0d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強度曲線

圖3 7d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強度曲線

圖4 14d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強度曲線

圖5 28d不同纖維含量下垂直壓力與抗剪強度曲線

從圖2～圖5可知，纖維加筋膨脹土的抗剪強度均大于未加筋的膨脹土抗剪強度；抗剪強度隨著養(yǎng)護齡期的增加而增大，當養(yǎng)護齡期為14d時，纖維加筋膨脹土的抗剪強度趨于最大值；當加筋率小于等于0.3%時，抗剪強度隨著加筋率的增加而增大；當加筋率大于0.3%時，抗剪強度有所減小。

圖6 不同纖維含量與粘聚力的關系曲線

圖7 不同纖維含量與內(nèi)摩擦角的關系曲線

從圖6，圖7可知，粘聚力隨著纖維含量的增加而增大，變化較明顯；內(nèi)摩擦角變化幅度較小；粘聚力隨著養(yǎng)護齡期的增加而增大；內(nèi)摩擦角隨著養(yǎng)護齡期的增加基本不變。綜上所述，玄武巖纖維可改善膨脹土的抗剪性能，且當加筋率為0.3%時，膨脹土的抗剪強度處于最優(yōu)狀態(tài)，當加筋率＜0.3%時，膨脹土的強度反而會降低；從經(jīng)濟合理的角度來看，加筋膨脹土的最佳養(yǎng)護齡期為14d。

3.2 無側限抗壓強度試驗

試驗采用的是應變控制式無側限抗壓強度儀，試樣的直徑40mm，高100mm，試樣按照《公路土工試驗規(guī)程》（JTGE40-2007）的規(guī)定，分三層擊實，每層擊25次的方法制取。在制備好的試樣兩端及側面各涂一薄層凡士林，在試驗過程中應變在3%以前，每0.5%應變記讀百分表讀數(shù)一次；應變達到3%后，每1%應變讀百分表讀數(shù)一次。當百分表讀數(shù)達到峰值或讀數(shù)穩(wěn)定時，再繼續(xù)剪3%～5%應變值時停止試驗；如果讀數(shù)沒有出現(xiàn)穩(wěn)定值，則軸向應變達到20%時即可停止試驗。不同纖維含量下的無側限抗壓強度變化特性見圖8。從圖8可知，無側限抗壓強度隨著纖維含量的增加而增大，當纖維含量達到0.3%時，無側限抗壓強度值達到了峰值，之后隨著纖維含量的增加，無側限抗壓強度呈逐漸減小的趨勢。這說明，玄武巖纖維可以有效地提高膨脹土的抗壓強度，且纖維的最佳加筋率為0.3%。

圖8 不同纖維含量下的無側限抗壓強度試驗

從圖9可知，隨著加筋纖維含量的增加，試樣在破壞時所對應的軸向應變增大，說明加入纖維可以有效提高膨脹土的延展性能。這是因為當試樣破壞后，纖維和膨脹土顆粒之間的摩阻力可以承擔一部分拉應力。

圖9 不同纖維含量下的應力－應變關系曲線

3.3 無荷載膨脹率試驗

根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTGE40-2007）的規(guī)定，進行膨脹土的無荷載膨脹率試驗。試樣直徑61.8mm，高20mm。試驗中，加筋率為0，0.1%，0.3%，0.5%的四種試樣，每種各制作4個試樣進行試驗，當注水開始時，按照5min、10min、20min、30 min、1h、2h、3h、24h及以后每隔24h記錄百分表的讀數(shù)，直至試樣不再膨脹為止。整理試驗結果如圖10所示。隨著纖維含量的增加，試樣無荷載膨脹率減小較明顯。這是因為試樣遇水發(fā)生膨脹，試樣中的纖維對土體有約束作用，抵消了土體內(nèi)部的膨脹力，有效地約束了膨脹土的膨脹。

圖10 不同纖維含量下的無荷載膨脹率與時間關系曲線

4 結論

1）在膨脹土中摻入一定量的玄武巖纖維，可以有效地提高其抗剪強度。在抗剪強度指標中，粘聚力隨著纖維含量的增加而增大，且變化較明顯；內(nèi)摩擦角隨著纖維含量的增加基本沒有變化。纖維的最佳加筋率為0.3%。

2）在膨脹土中摻入一定量的玄武巖纖維，可以有效地提高其無側限抗壓強度。加筋率為0.3%時，無側限抗壓強度達到了峰值。在膨脹土中摻入纖維，試樣的可塑性得到了極大的提高。隨著纖維含量的增加，試樣破壞時所對應的軸向應變增加且破壞裂隙逐漸變小。玄武巖纖維可以有效改善膨脹土的力學性能。

3）在膨脹土中摻入一定量的玄武巖纖維，土體遇水發(fā)生膨脹，摻加的纖維可以通過自身的拉結作用有效抑制土體的膨脹，有效約束膨脹土的膨脹。

［1］ 陳 濤，顧強康，郭院成.石灰、水泥、粉煤灰改良膨脹土對比試驗［J］.公路，2008（06）:164-167.

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