多尺度纖維加筋水泥土抗壓性能試驗研究

胡 成，翁興中，張 俊，高 瑞，盧昌鑫

(1.空軍工程大學 航空工程學院，陜西 西安 710038；2.西部戰區空軍軍檢站，陜西 西安 710082；3.中國人民解放軍 空軍房地產管理局蘭州房地產管理處，甘肅 蘭州 730020)

0 引言

水泥土作為一種施工簡便、強度較高、對土質適應性強的材料，適合于簡易機場跑道的快速修建，但應用研究中發現水泥土存在易開裂、水穩性不良、荷載作用下產生脆性破壞等問題，對此國內外很多學者進行了研究。國內方面，楊博瀚等[1]研究發現水泥加固黃土呈現明顯脆性破壞特征，但改性聚丙烯纖維的加入使其破壞特征由脆性破壞向延性、塑性破壞過渡，顯著增強了濕陷性黃土力學性能；劉羽健等[2]研究發現聚丙烯纖維可以有效提高固化黃土的劈裂抗拉強度，當纖維長度為12 mm時效果最好，且發現混雜纖維不能顯著提高固化黃土無側限劈裂抗拉強度；沈飛凡等[3]發現聚丙烯纖維可以有效抑制膨脹土體變形，且存在最優纖維摻率，同時認為纖維主要增強的是土體的黏聚力；姜宇波等[4]研究發現聚丙烯纖維可以有效提高鹽漬土抗壓強度及抗變形能力，且纖維加筋率對抗壓強度的影響大于纖維長度；王天等[5]對比了聚丙烯纖維改良石灰土、水泥土和素土的效果，發現聚丙烯纖維的加入能夠成倍提高石灰土和水泥土的強度，且在水泥土中加入纖維效果最好；施利國等[6]研究發現，與普通灰土相比，聚丙烯纖維加筋灰土可以使灰土峰值偏應力和抗剪強度均有不同幅度提高；劉寒冰[7]等研究發現聚丙烯纖維的加入能夠極大地提高粉煤灰土的無側限抗壓強度；王偉等[8]研究發現分散性好的束狀單絲聚丙烯纖維非常適合加固黏性土，且最佳摻量為土質量的0.2%；周世宗[9]研究發現，聚丙烯纖維可以有效提高固化淤泥的無側限抗壓強度，且纖維長度對無側限抗壓強度的影響小于纖維摻量和水泥摻量的影響；鄭俊杰等[10]研究發現，玄武巖纖維可以有效提高微生物固化砂的無側限抗壓強度，纖維長度對無側限抗壓強度的影響與纖維摻量有關，且當纖維摻量為0.3%和纖維長度為20 mm時效果最優；張丹等[11]研究發現摻入一定量的玄武巖纖維，可以在一定程度上提高膨脹土的強度參數，使膨脹土的收縮系數顯著下降。國外方面，Maher和Ho[12]研究發現隨機分布的纖維顯著增強了高嶺土的峰值抗壓強度、延性、劈裂抗拉強度和彎曲韌性；Kumar等[13-14]研究發現黏土的UCS隨纖維摻量的增加而增加，且當摻入適量砂后其強度進一步增加；Zaimoglu等[15-16]對聚丙烯纖維加筋細粒土經受凍融循環后的強度和耐久性進行了研究，發現加筋土強度損失較未加筋土降低50%左右，凍融循環后試樣無側限抗壓強度隨纖維含量的增加而增加；Ghazavi和Roustaie[17]研究發現，凍融循環增加使試樣無側限抗壓強度降低了20%～25%，3%摻量的聚丙烯纖維可導致凍融循環前后土樣相比素土試樣無側限抗壓強度增加60%～160% ；Pradhan等[18]研究發現聚丙烯纖維增加了土壤的峰值和殘余剪切強度、無側限抗壓強度和CBR值，纖維最佳摻量為干土重的0.4%～0.8%；Hamidi和Hooresfand[19]研究發現，纖維的摻入增加了加固土的峰值和殘余剪切強度，使其脆性破壞模式變為延性破壞模式。

從上述文獻可以看出，聚丙烯纖維和玄武巖纖維都能較好地提高加固土的力學性能，改善其脆性破壞模式，但上述研究大多針對的是單一土質，且材料上對纖維加筋土的研究仍不充分，尤其是對粗聚丙烯纖維以及粗細混摻聚丙烯纖維加筋水泥土的研究少。因此以纖維種類、加筋長度、質量加筋率和土的種類在浸水條件下對纖維加筋水泥土抗壓性能的影響為研究目的，進行了無側限抗壓強度試驗，其結果可為工程上提高水泥土抗壓性能提供具體依據。

1 試驗

試驗土樣分別取自西安、三亞和庫爾勒地區，測得液限、塑限、塑性指數如表1所示。水泥為冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥(3.10 g/cm3)，水泥摻量以干土質量百分比計，分別為6%，8%和10%。選用3個品種，不同長度規格的纖維，分別是玄武巖纖維(長度為6，12，20 mm，直徑為15 μm)，細聚丙烯纖維(長度為6，12，19，24 mm，直徑為30 μm)和粗聚丙烯纖維(長度為28，38，8 mm，直徑為0.8 mm)。纖維摻量以素干土質量百分比計，玄武巖和細聚丙烯纖維為0.1%，0.2%，0.3%，0.6%，0.8%和1.0%，粗聚丙烯纖維為0.1%，0.2%，0.3%，0.6%，0.8%，1.0%和1.2%。通過擊實試驗得到土樣的最佳含水率和最大干密度如表2所示，按照最佳含水率和最大干密度制備圓柱體試件(D50 mm×H50 mm)，并使用路面材料強度試驗儀進行素土、水泥穩定土和纖維加筋水泥穩定土的無側限抗壓強度(unconfined compressive strength，簡寫為UCS)試驗。由于粗聚丙烯纖維長度較長，為防止纖維露出，其試樣尺寸定為D100 mm×H100 mm，同時制作尺寸為D100 mm×H100 mm的水泥土，將纖維加筋水泥土強度與水泥土強度之比作為粗聚丙烯纖維與其他種類纖維加筋水泥土強度對比指標，以消除尺寸對強度的影響。

表1 液限、塑限和塑性指數測定結果

表2 土樣的擊實試驗結果

2 試驗結果與分析

2.1 不同水泥摻量水泥土UCS變化規律

對3種土樣不同水泥摻量的水泥土和素土進行了養護齡期為7 d，未浸水和浸水條件下UCS試驗，試驗結果見表3。從結果中可以看出同等條件下，水泥土抗壓性能西安土最好，三亞土次之，庫爾勒土最差，主要是由于庫爾勒土為砂質土所致；同時經過飽水養護的試樣UCS小于未浸水處理試樣，且經過水泥固化后，可以明顯提高試樣抗壓性能，能滿足機場對基層的強度要求，試樣UCS隨著水泥摻量的增加而增大。當水泥摻量為8%時，水泥土強度已滿足簡易機場對基層強度的要求，且水泥摻量越高相應的工程造價也越高，因此在后面加筋水泥土研究當中以8%摻量的水泥土基體為準。同時考慮到水泥土水穩性不足會降低其抗壓性能，而這也是水泥土簡易機場實際工程中比較突出的問題，因此后面研究對象都是7 d齡期飽水養護后的試樣。

表3 不同水泥摻量水泥土UCS

2.2 玄武巖纖維加筋水泥土UCS變化規律

對于玄武巖纖維加筋8%水泥土試樣，進行了7 d 齡期飽水養護，試驗結果如圖1所示。從圖中可以看出，3種玄武巖纖維加筋水泥土UCS隨著纖維摻量增加均呈現先增加后減小的趨勢，表明玄武巖纖維存在一個最佳摻量，西安土、三亞土和庫爾勒土的玄武巖纖維最佳摻量分別為0.3%, 0.6%和0.3%；當纖維摻量過多時，在加筋加固土制樣時就會產生明顯的裂縫形態, 如圖7(a)所示。從圖7(b)中可以明顯看出由于過量纖維聚集，在試樣內形成薄弱面，制樣時纖維難以壓縮，造成脫模后纖維發生回彈，帶動土體張拉，導致試樣表面產生裂縫。

圖1 玄武巖纖維加筋水泥土UCS曲線Fig.1 UCS curves of basalt fiber reinforced cement soil

因此，在工程實際應用中，應針對工程擬建設地點的土質和相應的固化劑找到纖維的最優摻量，以最大限度地利用纖維對加固土強度的提高作用。從圖中也可看出，不同長度的玄武巖纖維試樣強度的增長幅度有差別，西安土和三亞土試樣強度的增長幅度變化較大，但庫爾勒土的則較小。其原因是玄武巖纖維分散性不好，在成型試樣表面可以明顯看到成束狀集聚狀態的纖維，纖維長度過長，同等拌和條件下，其拌和均勻性越差；而庫爾勒土對纖維長度敏感性較低的原因可能是庫爾勒土偏砂性，砂礫含量較高，而砂礫在纖維、土進行拌和過程中有利于纖維打散，提高纖維在土體中的均勻性。

2.3 細聚丙烯纖維加筋水泥土UCS變化規律

圖2 細聚丙烯纖維加筋水泥土UCS曲線Fig.2 UCS curves of fine polypropylene fiber reinforced cement soil

對于細聚丙烯纖維加筋8%水泥土試樣，進行了7 d齡期飽水養護，試驗結果見圖2。從試驗結果可以看出，西安土和三亞土試樣UCS均隨著細聚丙烯纖維摻量提高而增大，且當纖維摻量較高時(大于0.6%)此強度增長幅度更大，在所研究的摻量范圍內(最大1%)，纖維加筋土試樣沒有出現高摻量纖維強度反而降低的情況。原因是細聚丙烯纖維在水泥土中分散性較好，能較為均勻地分散于土體中，纖維與水泥土間的黏聚力和摩擦力將土體更好地連接在一起，并分散試樣所受到的壓力，起到很好的加筋作用，其良好的分散性使得纖維在土體中形成薄弱面的幾率大大減少。圖3為光學顯微鏡拍攝的細聚丙烯纖維形態圖片，可見自然狀態下細聚丙烯纖維呈比較松散的束狀，加入土體后能較好地均勻分散于土體，呈交叉網絡型分布，起到“橋梁”作用，纖維與土體間的黏聚力和摩擦力及纖維與纖維間摩擦力在將土體不同部分緊密連接的同時將力分散，減少應力集中，提高試樣承載力。細聚丙烯纖維加筋西安和三亞水泥土試樣，隨著纖維長度的增加，UCS變化規律不明顯，在纖維摻量不太高時(0.8%以下)，12 mm長度細聚丙烯纖維加筋水泥土強度已經處于較高水平，對于西安土試樣4種長度纖維加筋水泥土試樣強度差異不大，而對于三亞土試樣長度高于12 mm的纖維加筋水泥土強度接近(19 mm纖維)或者小于(24 mm纖維)12 mm纖維加筋水泥土試樣。因此考慮經濟和增強效果，細聚丙烯纖維的理想長度和摻量分別為12 mm和0.8%。

圖3 細聚丙烯纖維形態Fig.3 Morphology of fine polypropylene fiber

2.4 粗聚丙烯纖維加筋水泥土UCS變化規律

對于粗聚丙烯纖維加筋8%水泥土試樣，進行了7 d齡期飽水養護，試驗結果見圖4。從圖4中可看出，除了38 mm和48 mm長粗聚丙烯纖維加筋西安水泥土和48 mm長粗聚丙烯纖維加筋三亞水泥土。隨著纖維摻量提高，粗聚丙烯纖維加筋水泥土試樣強度均逐漸提高。以0.8%纖維摻量為例，28，38 mm 和48 mm長粗聚丙烯纖維加筋水泥土UCS相比水泥土UCS，西安土分別提高了19.1%，22.3%和20.5%，三亞土分別提高了38.7%，60.6%和38.7%，而庫爾勒土分別提高了26.4%，41.9%和41.5%，表明粗聚丙烯纖維對水泥土強度的增強效果較好。這是由于粗聚丙烯纖維直徑較大，自然狀態下不會聚集在一起，加入土體后更易分散，不易形成軟弱面，圖5為光學顯微鏡拍攝的粗聚丙烯纖維形態圖片。不同長度的粗聚丙烯纖維對3種土樣的水泥土試樣強度影響規律不同，特別是對西安土和三亞土，但整體來看，38 mm長粗聚丙烯纖維加筋效果最好。當纖維長度為38 mm時，隨著纖維摻量提高，粗聚丙烯纖維加筋庫爾勒水泥土試樣強度逐漸提高。考慮經濟性，實際應用中，對于庫爾勒土其纖維摻量宜控制在0.8%～1.0%之間，而對于西安土和三亞土，當纖維長度為38 mm時最佳摻量分別為1.0%和0.8%。因此綜合考慮后，粗聚丙烯纖維的理想長度為38 mm，理想摻量為0.8%。

圖4 粗聚丙烯纖維加筋水泥加固土UCS曲線Fig.4 UCS curves of coarse polypropylene fiber reinforced cement soil

圖5 粗聚丙烯纖維形態Fig.5 Morphology of coarse polypropylene fiber

2.5 粗細混摻聚丙烯纖維加筋水泥土UCS變化規律

本研究提出粗細混摻聚丙烯纖維加筋水泥土出于以下考慮，從材料上來說，玄武巖纖維分散性不好，在成型試樣表面可以明顯看到成束狀集聚狀態的纖維，而粗細聚丙烯纖維的分散性都較好，在拌和結束后可以較為均勻地分散于土體中；從強度上來說，本研究比較了摻量為0.8%的38 mm長粗聚丙烯纖維加筋水泥土和摻量為0.6%的12 mm長細聚丙烯纖維和玄武巖纖維加筋水泥土分別相比水泥土的強度提高百分比，見表4。從表中可以看出，粗、細聚丙烯纖維加筋水泥土強度提高百分比處于較高的水平，且粗、細聚丙烯纖維加筋水泥土強度值本身也較高，對3種土質都超過3 MPa，除細聚丙烯纖維加筋三亞水泥土強度(3.11 MPa)，其余試樣都超過或者接近4 MPa。在將粗細纖維混摻時兩者是一種“替代”關系，不是將兩者摻量直接相加，因此，本試驗選擇粗聚丙烯纖維摻量(dosage of thin fiber，記為DTF)為0.3%和0.6%，長度為38 mm；細聚丙烯纖維摻量(dosage of corase fiber，記為DCF)為0.2%和0.3%，細聚丙烯纖維長度(length of thin fiber，記為LTF)為6，12,19 mm和24 mm。對粗細混摻聚丙烯纖維加筋8%水泥土試樣，進行了7 d齡期飽水養護，試驗結果見表5。整體來看當粗聚丙烯纖維摻量為0.6%的混摻纖維加筋水泥土強度要高于對應的粗聚丙烯纖維摻量為0.3%的強度，但當混摻纖維中粗聚丙烯纖維摻量為0.3%時混摻纖維加筋水泥土的強度基本都超過或十分接近4 MPa，已經滿足簡易機場所需強度標準，而0.3%粗聚丙烯纖維+0.3%細聚丙烯纖維的組合強度要高于0.3%粗聚丙烯纖維+0.2%細聚丙烯纖維組合，且基本是細聚丙烯纖維長度為12 mm時試樣的強度最高; 0.3%粗聚丙烯纖維(38 mm)+丙烯纖維(12 mm)組合的總體纖維摻量水平不算太高，適用于簡易機場；而0.6%粗聚丙烯纖維+0.3%細聚丙烯纖維(24 mm)的組合在其他需更高強度水平的應用場景中具有很大應用潛力。

表4 選定條件下3種纖維加筋水泥土強度對比

表5 粗細混摻聚丙烯纖維加筋水泥土UCS

2.6 應力-應變特性和試樣破壞形態分析

圖6 水泥固化西安土或纖維加筋水泥固化西安土應力應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of Xi’an cement reinforced soil or Xi’an fiber reinforced cement soil

圖7 不同狀態下試樣的形態Fig.7 Shapes of specimens in different states

圖6為水泥固化西安土和纖維加筋固化西安土應力-應變曲線圖，其中纖維加筋固化西安土水泥摻量均為8%，玄武巖纖維和細聚丙烯纖維長12 mm，粗聚丙烯纖維長38 mm，粗細聚丙烯纖維混摻時細聚丙烯纖維摻量均為0.3%。從水泥固化西安土應力應變曲線我們可以看出，素土試樣受力破壞過程中應力應變曲線較為平緩，最大應力值較小，而水泥加固土試樣破壞應力應變曲線應力值增長較快且最大應力值較大，但在達到最大值后很快下降，表現出明顯的脆性破壞特征，見圖7(c)。試樣破壞時表面裂縫條數較少且縫寬較寬，破壞面的環形剪切面較為明顯，試樣呈倒錐形；從玄武巖纖維、粗、細聚丙烯纖維單獨加筋水泥土的應力應變曲線可以看出，各加筋土試件初始應力-應變曲線重合性較好，曲線較為陡直，應力增加速率遠大于應變速率，說明摻入纖維使試件在初始受荷階段的結構強度得到了提高，體現出較強的抗裂補強效果[1]；當纖維摻量較低時，試樣的應力應變曲線發展趨勢與水泥土試樣相似，應力在達到最大值后下降迅速，試樣的破壞依然表現出較為明顯的脆性破壞特征，如玄武巖纖維摻量小于0.8%，細聚丙烯纖維摻量小于0.6%和粗聚丙烯纖維摻量小于0.2%時；隨著纖維摻量的提高，纖維加筋水泥土試樣的峰后應力應變曲線趨于平緩，殘余強度越來越大，說明纖維的加入有效改善了試樣的脆性破壞模式，表現在試樣破壞時，表面裂縫條數增加且寬度減小，同時細密的非貫通裂縫和斜裂縫大量出現，見圖7(d)。而當粗纖維摻量為0.3%和0.6%時，不同長度情況下的粗細聚丙烯纖維混摻試樣的峰后應力應變曲線總體均趨于平緩，表明其脆性破壞模式得到了有效的改善。從改善水泥土脆性破壞模式所需纖維摻量來看，粗聚丙烯纖維效果較好，細聚丙烯纖維次之，玄武巖纖維最差，同時粗細混摻聚丙烯纖維在不同長度組合下均能達到較好的改善效果。

2.7 纖維加筋水泥土增強機理分析

纖維主要是通過與水泥土的黏聚、摩擦、嵌鎖作用以及纖維之間形成的網狀結構來增強其抗壓性能。其中，黏聚作用主要是通過纖維同水泥與土顆粒形成的膠凝顆粒之間的黏聚力而產生，且對于纖維加筋水泥土，水泥對強度的貢獻要大于纖維；而當土體受力時纖維與土體之間產生滑動時，纖維與土體之間的摩阻力會產生摩擦作用，以阻礙土體變形，從而起到增強作用；嵌鎖作用主要是針對纖維表面凹凸不平以及纖維存在較多彎曲的情況，此時纖維會與土體相嵌，當土體受力時，阻礙其變形；纖維形成的網狀結構主要是通過纖維與纖維之間的拉結作用，來增強土體抗壓性能，見圖3(b)。從試驗結果可以看出，在纖維摻量適宜的情況下，隨著纖維摻量的增加，其UCS逐漸增大(如細聚丙烯纖維加筋三亞水泥土)，這是因為纖維與土體的黏聚作用與摩擦作用均與纖維、土體的接觸面積呈正相關。分散良好條件下，接觸面積越大其黏聚作用與摩擦作用越大，且此時的纖維空間網絡結構也較好，因此纖維增強效果越好。但當纖維摻量過量時，纖維不能得到有效的分散，會在纖維聚集的地方形成薄弱面(圖7(d))，因此會降低其增強效果，甚至起反作用。長度也可以通過影響纖維與土體的接觸面積來影響其增強效果，但是相比纖維摻量，其影響效果較小。同時不同長度下壓縮破壞形式不一，當長度較短時主要是纖維與土體間產生滑動，從而使纖維加筋作用失效；而當纖維長度較大時，外力會使纖維斷裂從而使纖維加筋作用失效。因此當纖維長度適宜(玄武巖纖維和細聚丙烯纖維為12 mm,粗聚丙烯纖維為38 mm)，能使纖維抗拉強度與其所承受的拉應力相當時，纖維的加筋作用就能夠充分得到發揮，相應纖維加筋水泥土的抗壓性能最好。同時，在本研究中，粗聚丙烯纖維由于其特殊的表面構造(圖4)使其與土體之間還存在較大的嵌鎖力，對土體抗壓性能的增強效果較好。對于粗細聚丙烯纖維混摻加筋水泥土，其對土體性能增強在于充分發揮了粗細聚丙烯纖維各自的優點，且兩者相組合所形成的空間網絡結構對土體性能增強效果更強，更強體現在強度與改善脆性破壞模式上，以上分析表明，相比于單種纖維加筋，粗細混摻聚丙烯纖維加筋水泥土的強度與脆性破壞模式的改善效果均更好。

3 結論

(1)相較于素土，水泥固化西安、三亞和庫爾勒土7 d無側限抗壓強度有較大的提高，隨著水泥摻量提高，強度逐漸提高，當水泥摻量為8%時UCS已滿足簡易機場的強度要求，且3種土中水泥固化西安土的效果最好；同時水泥的固化作用較大地提高了3種土的水穩定性，飽水養護下水泥固化西安土、三亞土、庫爾勒土的水穩定性系數分別在0.44～0.78，0.53～0.73和0.72～0.98之間；水泥加固土試樣應力應變曲線峰后下降很快，表現出脆性破壞特征。

(2)纖維的加入可以繼續提高水泥土的UCS，選取的3種纖維中，玄武巖纖維分散性不良，在土體中以集束狀態為主，細聚丙烯纖維和粗聚丙烯纖維分散性較好，在土體中以單絲狀態為主，適合用于纖維加筋水泥土；纖維加筋水泥土試樣應力應變曲線峰后下降緩慢，纖維有效改善了水泥土脆性破壞模式。

(3)細聚丙烯纖維、粗聚丙烯纖維以及粗細混摻聚丙烯纖維增強效果較好，細聚丙烯纖維理想的長度和摻量為12 mm和0.8%；粗聚丙烯纖維理想的長度和摻量為38 mm和0.8%;粗細混摻聚丙烯纖維理想的組合為38 mm長粗聚丙烯纖維(摻量為0.3%)+12 mm長細聚丙烯纖維(摻量為0.3%)。

(4)相較于單種纖維加筋，粗細聚丙烯纖維混摻加筋對水泥土抗壓強度的增強與脆性破壞模式的改善效果更好。