玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強度試驗研究

黃敏建

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玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強度試驗研究

黃敏建

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063)

通過劈裂抗拉試驗，研究纖維摻量、水泥摻量、土樣含水率和養護齡期等4個主要因素對纖維水泥土劈裂抗拉強度的影響。研究結果表明：纖維水泥土劈裂抗拉強度與纖維摻量、水泥摻量及養護齡期呈正相關關系，與土樣含水率呈負相關關系；水泥土破壞模式為脆性破壞，纖維水泥土破壞模式為塑性破壞。

玻璃纖維；水泥土；劈裂抗拉強度；纖維摻量；水泥摻量；含水率；齡期

在基坑支護及地基處理工程中，水泥土樁得到了廣泛應用。水泥土樁抗壓強度高，但是抗拉和抗裂性能較差。而玻璃纖維作為一種無機高分子材料，抗拉強度高、耐久性強，均勻地分布在樁體中能夠起到加筋的作用，從而改善水泥土樁的力學性能。Consoli等[1]研究了孔隙率和水泥摻入比對水泥砂土和纖維加筋水泥砂土劈裂抗拉強度的影響。Festugato等[2]通過劈裂抗拉試驗和無側限抗壓試驗發現，纖維水泥土的無側限抗壓強度和劈裂抗拉強度隨著纖維長度的增大而增大。XIAO等[3]提出了一個預測纖維水泥土抗拉強度的模型，該模型適用于聚丙烯纖維水泥土和聚乙烯醇纖維水泥土，模型的變量包括纖維長度和纖維摻量。Correia等[4]利用聚丙烯纖維、水泥和高爐礦渣加固葡萄牙某地的軟土，通過無側限抗壓試驗研究了其抗壓強度特性，通過直接拉伸試驗、劈裂抗拉試驗和土梁彎曲試驗對其抗拉強度進行了研究。Chore等[5]為了得到合適的纖維摻量和水泥摻入比，對纖維水泥粉煤灰土進行了無側限抗壓試驗和劈裂抗拉試驗。楊博瀚等[6]研究了聚丙烯纖維水泥黃土在浸水和不浸水條件下的力學特性，對不同水泥摻入比、養護齡期、纖維長度和纖維摻量的試件進行了劈裂抗拉強度試驗和無側限抗壓強度試驗。陳峰[7]通過劈裂抗拉強度試驗研究了玄武巖纖維水泥土的強度特性和破壞模式。張艷軍等[8]研究表明石棉纖維對增強纖維水泥土的抗壓強度與抗拉強度效果顯著，石棉摻量為 6%時，石棉纖維的加筋效果在復合土中能得到很好的發揮。阮波等[9]研究了纖維摻量和纖維長度對纖維水泥土無側限抗壓強度的影響，試驗結果表明：纖維的加入能提高水泥土的延性，改善水泥土的脆性，提高水泥土的殘余強度。賀祖浩等[10]通過劈裂抗拉強度試驗、無側限抗壓強度試驗、直接剪切試驗和抗折試驗研究了聚丙烯腈纖維水泥土的強度特性。水泥土的抗拉強度是其最重要的基本力學性能之一，它既是研究水泥土的強度理論和破壞機理的一個重要依據，又直接影響水泥土結構的開裂、變形和耐久性。目前國內外學者側重于研究纖維水泥土的無側限抗壓強度和抗剪強度，對纖維水泥土抗拉強度的研究不夠全面。本文采用巴西劈裂法來研究纖維摻量、水泥摻量、土樣含水率和養護齡期等4個因素對玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度的影響規律。

1 試驗材料

試驗所用土取自湖南省長沙市某工地，其物理力學指標見表1。試驗所用玻璃纖維的物理力學參數見表2，水泥采用P.C 32.5級復合硅酸鹽水泥，水泥物理力學指標見表3，試驗所用水為自來水。

表1 試驗用土的物理力學性質

表2 玻璃纖維的物理力學參數

表3 水泥的物理力學指標

2 試驗方案

試驗采用控制變量法研究纖維摻量、水泥摻量、土樣含水率和齡期等4個影響因素對玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強度的影響。纖維摻量和水泥摻量的定義見式(1)和式(2)，具體試驗方案見表4。

式中：f為纖維摻量，‰；f為纖維的質量，kg；c為水泥摻量，%；c為水泥的質量，kg；s為干土的質量，kg。

表4 劈裂抗拉強度試驗方案

3 試樣制備及試驗

按照《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T 233—2011)[11]的要求進行制樣。將土樣風干，碾碎，過2 mm篩，取篩分后的干土進行試驗，根據擬定的試驗方案分別稱取試驗所需的干土、水泥、纖維和水，然后按順序依次在干土中加入水泥、纖維并攪拌均勻，最后加水再攪拌均勻。

試驗模具尺寸為70.7 mm×70.7 mm× 70.7 mm，在選定的模具內涂一層礦物油，然后往模具中裝入試料，試料分2層插搗，分層裝料高度一樣，每層應按螺旋方向從邊緣向中心均勻插搗15次，然后把試模放在振動臺上振動2 min，成型時間不能超過25 min。24 h后拆模，然后放入標準養護室中養護到設計齡期后進行試驗。養護條件：溫度為(20±2) ℃，相對濕度≥95%。

在試件達到養護齡期后將其取出，用毛巾將試件表面水擦試干凈。在試件上下表面的中間各放1根長100 mm，直徑4 mm的鋼條，然后再將試件放在壓力機上下壓板之間，試驗時按照10 mm/min速率施加荷載，試件破壞后記錄破壞荷載。劈裂抗拉強度應按下式計算：

式中：ts為劈裂抗拉強度，kPa；為試樣破壞荷載，N；為試樣劈裂面面積，mm2。

每組試驗測試6個試件，如果某個試驗值與試驗平均值相差達到15%則應舍去該結果，如果超過3個試樣的結果不符合誤差標準則該組試驗重做，試驗記錄要精確至0.01 kPa。

4 試驗結果及分析

4.1 劈裂抗拉強度與纖維摻量的關系

當纖維水泥土的水泥摻量為15%，土樣含水率為40%，養護齡期為28 d時，玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度與纖維摻量的關系見圖1。

圖1 劈裂抗拉強度和纖維摻量的關系

4.2 劈裂抗拉強度與水泥摻入比的關系

當纖維水泥土的纖維摻量為1%，土樣含水率為40%，養護齡期為28 d時，纖維水泥土的劈裂抗拉強度與水泥摻量的關系見圖2。

從圖2可以看出，玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度隨著水泥摻量的增大而增大，其增大的趨勢呈現出線性增長的規律。水泥摻入比為15%，20%和25%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強度分別是水泥摻入比為10%的玻璃纖維水泥土抗拉強度的1.525，2.010和2.297倍。

圖2 劈裂抗拉強度和水泥摻量的關系

4.3 劈裂抗拉強度與土樣含水率的關系

當纖維水泥土的纖維摻量為1%，水泥摻量為15%，養護齡期為28 d時，纖維水泥土的劈裂抗拉強度與土樣含水率的關系見圖3。

圖3 劈裂抗拉強度和土樣含水率的關系

從圖3可以看出，玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度隨著土樣含水率的增加而呈現出減小的趨勢。土樣含水率為40%，45%和50%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強度比土樣含水率35%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強度分別減少了20.5%，36.4%和48.7%。

4.4 劈裂抗拉強度與齡期的關系

當玻璃纖維水泥土的纖維摻量為1%和2%，水泥摻入比為15%，土樣含水率為40%時，玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度與齡期的關系如圖4。

圖4 纖維水泥土劈裂抗拉強度和齡期的關系

從圖4可以看出，玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度隨著養護齡期的增大而增大，劈裂抗拉強度增長速率隨養護齡期的增大而變小。分別對纖維摻量為1%和2%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強度和齡期的關系進行公式擬合。纖維摻量為1%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強度和齡期的關系可用公式ts0.031 9ln()+0.074 3表示，纖維摻量為2%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強度和齡期的關系可用公式ts=0.037 7ln()+0.089 2表示，擬合系數分別為0.981 7和0.927 5，說明擬合公式的擬合效果較好。

4.5 破壞模式

水泥土及玻璃纖維水泥土破壞模式如圖5所示。

(a) 水泥土破壞模式；(b) 纖維水泥土破壞模式；(c) 纖維水泥土裂縫；(d) 纖維水泥土斷面

從圖5可以看出，水泥土破壞時首先在試樣的中間產生裂縫，隨后中部的裂縫開始迅速擴展，試件中部立刻產生1條貫通的裂縫，試件直接從中間斷裂成2塊，破壞時時間非常短，表現出明顯的脆性特征。纖維水泥土破壞時首先也是在試件中部產生裂縫，然后裂縫慢慢擴展，裂縫擴展的速度要明顯比水泥土裂縫擴展的速度慢，纖維水泥土試件破壞時并不是像水泥土一樣直接從中間斷裂成2塊，而是表現為裂而不斷。

5 結論

1) 玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度隨著纖維摻量的增加而增加，增加的速率隨纖維摻量的增大而減小。與未加纖維的水泥土相比，纖維摻量在0.5%~5%的玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度增大了20.0%~185.5%。

2) 玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度隨著水泥摻入比的增大而增大，其增大的趨勢呈現出線性增長的規律。與水泥摻量為10%的玻璃纖維水泥土相比，水泥摻量為15%，20%和25%的玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度分別增大了52.5%，101.0%和129.7%。

3) 玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度隨著土樣含水率的增加而呈現出線性減小的趨勢。與土樣含水率35%的玻璃纖維水泥土相比，土樣含水率為40%，45%和50%的玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強度分別減少了20.5%，36.4%和48.7%。

4) 玻璃纖維水泥土的劈裂抗拉強度隨著養護齡期的增大而增大，劈裂抗拉強度增長的速率隨養護齡期的增大而變小，強度呈現出對數增長趨勢。

5) 水泥土破壞模式為脆性破壞，纖維水泥土破壞模式為塑性破壞，表現為裂而不斷。

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Experimental study on split tensile strength of glass fiber reinforced cement soil

HUANG Minjian

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China)

By split tensile test, the influence of fiber content, cement content and soil moisture content and curing age on the split tensile strength of fiber reinforced cement soil was studied. The results show that the split tensile strength of fiber reinforced cement soil is positively correlated with fiber content, cement content and curing age, and negatively correlated with soil moisture content. The failure mode of cement soil is brittle failure and the failure mode of fiber reinforced cement soil is plastic failure.

glass fiber; cement soil; split tensile strength; fiber content; cement content; moisture content; curing age

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.04.014

TU411

A

1672 ? 7029(2019)04 ? 0938 ? 05

2018?04?27

黃敏建(1972?)，男，湖南株洲人，高級工程師，從事土木工程施工與管理研究；E?mail：1780619221@qq.com

(編輯 涂鵬)