玻璃纖維對濕陷性黃土力學性能的影響研究

王開拓，張立新，2，王銀濤，常周梅

(1.青海民族大學土木與交通工程學院，青海 西寧 810007；2.北方民族大學土木工程學院，寧夏 銀川 750021)

近年來，青海省搶抓新一輪西部大開發、一帶一路建設的重大機遇，積極推進基礎設施建設。但青海東部地區屬于黃土高原西部，自重濕陷性黃土分布范圍較為廣泛，浸水后黃土明顯的濕陷特征導致土體結構發生破壞并伴隨地基的不均勻沉降[1-3]，嚴重制約當地基礎設施建設。因此，采用黃土中摻入不同材料以增強土體性質，減小對工程影響的研究引起諸多學者的關注，并取得了諸多成果[4-8]。玻璃纖維是一種性能優良的無機非金屬材料，能夠改善土壤的力學性能，莫永京等[9]研究發現玻璃纖維水泥土具有更高的抗拉強度與韌性；殷勇等[10]研究玻璃纖維水泥土的強度增長機理發現，玻璃纖維在提高水泥土強度性能的同時，也能較顯著地改善其變形特性；姜紅喜等[11]研究表明，玻璃纖維摻量對玻璃纖維水泥土劈裂抗拉強度影響最大，其次是水泥摻量，玻璃纖維長度影響最小；李麗華等[12]研究表明，玻璃纖維能有效提高素粘土和水泥土的無側限抗壓強度和韌性。但是，有關玻璃纖維對于濕陷性黃土力學性能的影響研究較少。

本文通過對濕陷性黃土抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜力彈性模量等力學性能試驗研究，綜合考慮玻璃纖維、土樣含水率、水泥和養護齡期等對其性能的影響，應用灰色關聯理論分析各因素對其力學性能的影響程度，探究玻璃纖維摻量、水泥摻量、土壤含水率和養護期齡等因素對濕陷性黃土力學性能的影響。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用水泥為普通硅酸鹽水泥(P·O 42.5)，其物理力學指標見表1。選用玻璃纖維為長度約15 mm的束狀單絲，其物理力學指標見表2。試驗所用土壤為青海東部地區的馬蘭黃土，其具體物理力學性質見表3。試驗用水為居民自來水。

表1 水泥物理力學指標

表2 玻璃纖維物理力學指標

表3 黃土物理力學參數

1.2 試驗設計與方法

試驗采用控制變量法研究玻璃纖維摻量、土壤含水率、養護齡期和水泥摻量對濕陷性黃土材料性能的影響，根據JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設計規程》中相關要求配制土料、水泥、玻璃纖維和水的摻量。設置水泥摻量為1%、3%、5%、7%、9%，玻璃纖維摻量設置為0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%，土壤含水率(質量含水率)為35%、40%、45%，養護期齡為7 d、28 d。

試驗主要測試玻璃纖維對濕陷性黃土抗壓強度、劈裂抗拉強度、靜態彈性模量等性能的影響。依照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜態彈性模量測定。試驗樣件制備具體步驟：

(1)將黃土風干后，并過粒徑為2mm的篩網，按照試驗設計將篩選好的黃土和水泥混合均勻，然后加入玻璃纖維攪拌均勻后，加水攪拌均勻配制出所需要的試樣。

(2)將配制好的試樣分2次裝入模具(100 mm×100 mm×100 mm)中[13]，每次填裝后放在振動臺上振動2 min；24 h后拆模并取出試件并用薄膜覆蓋，然后養護至設計齡期。

(3)待試件養護完成后，進行力學性能試驗，單個試件抗折壓強度值與平均值的誤差不能超過15%，超出即舍去，重復3次，結果取平均值。

2 試驗結果與分析

2.1 玻璃纖維對黃土抗壓強度的影響

圖1為玻璃纖維摻量對濕陷性黃土抗壓強度的影響。圖1中，K1-7代表水泥摻量為1%、養護期齡為7 d；K3-7為3%、7 d；K5-7為5%、7 d；K7-7為7%、7 d；K9-7為9%、7 d；K1-28為1%、28 d；K3-28為3%、28 d；K5-28為5%、28 d；K7-28為7%、28 d；K9-28為9%、28 d。從圖1可以看出，不同玻璃纖維摻量下，濕陷性黃土的抗壓強度變化規律相似，黃土中添加玻璃纖維能夠提高黃土抗壓強度，養護天數和水泥摻量對黃土抗壓強度也有一定影響作用。

圖1 玻璃纖維摻量對黃土抗壓強度的影響

相同含水率條件下，黃土抗壓強度隨玻璃纖維摻量的增加呈先增大后較小趨勢，玻璃纖維摻量在0～2%范圍內時，抗壓強度隨玻璃纖維摻量的增加而增大；當玻璃纖維摻量大于2%時，黃土抗壓強度隨玻璃纖維摻量的增大而減小，但抗壓強度仍比未加玻璃纖維的高，添加玻璃纖維后黃土強度較未添加增強23.6%～58.4%；當玻璃纖維摻量為2%時，黃土抗壓強度達到最大值。說明玻璃纖維能夠顯著改善濕陷性黃土抗壓強度，且當玻璃纖維摻量為2%時黃土抗壓強度最佳。同時，水泥摻量越高時，黃土抗壓強度越高。養護天數對黃土抗壓強度也有影響，養護期齡為28 d黃土的抗壓強度為7 d期齡的1倍左右。玻璃纖維摻量一定時，黃土抗壓強度還受土壤含水率的影響，隨土壤含水率的增大先增大后減小，土壤含水率為40%時，黃土抗壓強度達到最大。黃土中添加水泥和玻璃纖維后，水泥水化物硬化收縮后會將玻璃纖維牢牢包裹住，在兩者相接觸的界面上，黃土的抗壓強度隨水泥摻量的增加而增強[14]。

2.2玻璃纖維對黃土劈裂抗拉強度的影響

圖2為濕陷性黃土劈裂抗拉強度隨玻璃纖維摻量的變化。從圖2可以看出，玻璃纖維對黃土劈裂抗拉強度的影響和抗壓強度的變化規律相同，黃土抗拉強度隨玻璃纖維摻量的增加呈先增加后減小的變化趨勢，當黃土劈裂抗拉強度達到最大值，玻璃纖維摻量為2%。

圖2 玻璃纖維摻量對黃土劈裂抗拉強度的影響

相同土壤含水率條件下，玻璃纖維摻量由1.5%增加到2.0%時，7 d養護期齡各水泥摻量K1、K3、K5、K7、K9的黃土劈裂抗拉強度分別增加了10.6%、11.5%、12.2%、13.1%、17.2%，水泥摻量較大時對黃土劈裂抗拉強度增強幅度更大。當玻璃纖維摻量大于2.0%時，玻璃纖維與水泥基體間會產生負協同作用，導致黃土劈裂抗拉強度有所降低[13，15-16]。同時，水泥摻量越高，黃土劈裂抗拉強度隨越大[17]。在各級摻量條件下，當土壤含水率為40%、養護期齡為28 d時，黃土劈裂抗拉強度最大。

隨著玻璃纖維摻量的增加，黃土局部抵御拉伸應力的能力得到增強，但力學性能并不是簡單的各個影響因素的疊加。在土壤含水率較大的水泥土基體中，玻璃纖維在振動成型時容易下沉，而當土壤含水率過小時，玻璃纖維在水泥土基體中不易分散，顆粒間易發生團聚現象，會使部分玻璃纖維相互之間接觸而不與水化產物粘結，造成整個體系均勻性的降低，影響玻璃纖維對黃土劈裂抗拉強度的增強作用[10]。受到外力拉伸時，試件內部產生應力集中區域，導致試件未達到預期而斷裂。因此，當土壤含水率為40%時最優，黃土劈裂抗拉強度相對較大。

2.3玻璃纖維對黃土靜力彈性模量的影響

圖3為玻璃纖維對濕陷性黃土靜力彈性模量的影響。從圖3可知，黃土靜力彈性模量隨玻璃纖維摻量的增加呈先增大后減小變化趨勢，隨水泥摻量的增加而增加。玻璃纖維摻量為0～2%時，黃土靜力彈性模量和玻璃纖維摻量呈正相關關系，隨玻璃纖維摻量的增加而增加；玻璃纖維摻量為2%時，靜力彈性模量達到最大值。養護期齡越大，彈性模量越大。水泥土的靜力彈性模量主要取決于濕陷性黃土的彈性模量，而濕陷性黃土的彈性模量與其密度密切相關，濕陷性黃土密度主要受土壤含水率的影響，同時還受水泥的影響，黃土中水泥摻量越高，濕陷性黃土的密度也越大。此外，水泥土強度越高，濕陷性黃土靜力彈性模量受水泥摻量的影響較大。對試驗中所有的濕陷性黃土試樣，靜力彈性模量均較未添加玻璃纖維出現不同程度的升高。玻璃纖維摻量為2%，土壤含水率為40%時，濕陷性黃土靜力彈性模量到達最大值。同時，水泥摻量越高，彈性模量越大。

圖3 玻璃纖維摻量對黃土靜力彈性模量的影響

2.4各影響因素之間相關性分析

玻璃纖維、水泥、土壤含水率和養護齡期等都對濕陷性黃土力學性能有一定的影響作用，但各因素對黃土力學性能的影響程度較難確定。為此，本文應用灰色關聯理論，分析濕陷性黃土力學性能與玻璃纖維、水泥摻量、土壤含水率及養護齡期之間的相關性，探究各因素對濕陷性黃土力學性能的影響程度。

表4為各因素之間的灰色關聯分析結果。從表4可知，母序列與子序列的關聯極性為正值，證明母序列對子序列的影響有增強作用。隨著玻璃纖維摻量、水泥摻量、土壤含水率的增大及養護期齡的延長，黃土的抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜力彈性模量均有所增強，其中對黃土的抗壓強度影響效果最明顯。玻璃纖維摻量與抗壓強度和劈裂抗拉強度關系最為密切，水泥摻量與靜力彈性模量關系最大。主要是因為玻璃纖維可以減少黃土結構中的孔隙度，提高濕陷性黃土的密實度，進而在一定程度上增強濕陷性黃土的抗壓強度和劈裂抗拉強度。添加水泥后，在其微集料效應和形態效應的共同作用下，使黃土微觀結構有增強作用，從而增強了靜力彈性模量。

通過分析發現，玻璃纖維摻量對黃土力學性能的影響最大，其次分別為水泥摻量和養護齡期，土壤含水率對其性能的影響最小。玻璃纖維一般在低摻量條件下對水泥土力學性能的影響效果較為顯著，當玻璃纖維摻量為2%時效果最為明顯。在保證有效改善水泥土力學性能的前提下，綜合考慮玻璃纖維摻量、水泥摻量和養護天數對濕陷性黃土抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜力彈性模量之的影響關系，建議玻璃纖維摻量為2%，水泥摻量和土壤含水率分別為7%和40%時，對濕陷性黃土力學性能的影響最佳，同時養護期齡越長力學性能越好。

3 結 語

本文綜合考慮玻璃纖維摻量、水泥摻量、土壤含水率和養護齡期等因素，對青海東部地區濕陷性黃土的力學性能進行試驗研究，并應用灰色關聯理論分析各因素對其力學性能的影響程度，結論如下：

(1)相同含水率條件下，濕陷性黃土抗壓強度、劈裂抗拉強度和靜力彈性模量都隨玻璃纖維摻量的增加先增大后減小，當玻璃纖維摻量超過2%，各養護齡期的黃土力學性能開始下降；土壤含水率對黃土力學性能的影響也表現出相似的變化規律，含水率為40%時，黃土力學性能最佳，水泥摻量越高其性能越好。證明在合適的土壤含水率條件下，摻入適量玻璃纖維對濕陷性黃土力學性能有改善作用。

(2)通過灰色關聯度分析發現，影響黃土力學性能的主要因素為玻璃纖維摻量>水泥摻量>養護期齡>土壤含水率。推薦濕陷性黃土中玻璃纖維摻量、水泥摻量分別為2%、7%，濕陷性黃土含水率為40%，養護期齡為28 d時，濕陷性黃土力學性能最佳。