玉米秸稈纖維與玄武巖纖維加固水泥土力學性質對比分析

牛 雷， 徐麗娜， 田 偉， 鄧皓允， 王 軍

(吉林建筑大學土木工程學院， 長春 130118)

近年來，中外學者將不同的纖維摻入到土中，形成了纖維加筋土和纖維加筋水泥土，后者亦稱纖維水泥土，纖維材料可分為合成纖維和植物纖維[1-2]。常見的合成纖維包括玄武巖纖維、聚丙纖維、玻璃纖維等。大量試驗表明[3-8]，隨著纖維的加入，能夠一定程度改善土體內部結構，對于不同的土體，普遍存在與該配比相應的最優纖維摻入比和最佳纖維長度，過量之后加固效果普遍有所降低。

隨著世界經濟快速發展，各國資源消耗日益增強，世界各國高度重視資源綜合利用，將資源的集約、循環、高效利用作為保護生態環境的重要切入點。植物纖維作為優良的加筋材料，具有生態環保，成本低廉等優勢，在邊坡防護，軟基加固中已有一定的應用。許多學者[9-13]開展了植物纖維加筋土相關試驗研究，無論是摻入麥稈纖維，還是劍麻纖維和棕櫚纖維等，筋材的介入均能有效提高土體的抗剪、抗壓、抗拉強度和承載力，增加土體的破壞韌性和滲透性，改善土體的力學性能，降低膨脹土的脹縮性和裂隙發育程度。目前，普遍認為加筋效果取決于筋-土界面的力學作用，即界面黏聚力和摩擦力。同時，也有學者將植物纖維加入水泥土中[14-16]，研究表明，植物纖維與合成纖維一樣，能夠提高水泥土的強度，改善水泥土的抗凍、抗裂、抗滲性能。

吉林省處于世界“三大黃金玉米帶”地域之一，玉米占吉林省種植面積60%以上，每年秸稈可收集量達到4 000萬噸左右，但這一生物能源綜合利用率僅為35%，由于認識不到位以及缺乏有效的消納途徑，秸稈焚燒現象屢禁不止，努力為秸稈尋找新的出路成為當務之急[17]。目前，玉米秸稈作為加筋材料的研究還比較少見，其加固效果如何？能否提高水泥土的強度？為此開展相關試驗研究，并增加同配比的玄武巖纖維水泥土對比試驗。

1 試驗方案及測試方法

按照《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T 233—2011)進行試驗設計。試驗用黃土取自吉林省長春市凈月區某施工場地附近，原狀土經風干碾碎過篩，密封保存，供后續試驗使用，其塑限ωP=25%，液限ωL=41%，塑性指數IP=16%，粒徑分布曲線如圖1所示。主要化合物濃度如圖2所示。

圖1 粒徑分布曲線Fig.1 Particle size distribution curve

圖2 主要化合物濃度Fig.2 Concentrations of major compounds

采用亞泰鼎鹿牌P.O 42.5級水泥，水泥質量摻入比為0.1%，水灰比為0.5，試模的尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。玉米秸稈取自長春市本地，如圖3所示，自然風干，取玉米結棒處上數四節，類似甘蔗去皮的方法手工去瓤獲取外皮，挑選寬度在3 mm左右的纖維，并按表1尺寸加工成段，部分加工后的玉米秸稈纖維如圖4所示。采用海寧安捷復合材料有限公司生產的短切玄武巖纖維。玉米纖維和玄武巖纖維的長度和質量摻入比如表1所示。將每種纖維的長度與質量摻入比進行組合，組數為20組，每組有6個試樣，共120個試樣。

圖3 玉米秸稈取材現場Fig.3 Corn straw sampling site

圖4 裁剪的玉米秸稈Fig.4 Cropped corn stalks

表1 纖維長度與纖維質量摻入比Table 1 Fiber length and fiber content

為了保證試樣的均勻性，采用人工拌和，首先將晾曬篩分過后的黃土與水泥、纖維攪拌2 min，然后加入水，繼續攪拌4 min，總共拌和時間為6 min；在拌和過程中采取規范動作，規定攪拌次數和攪拌時間。試驗為一次裝樣，選用天津慶達試驗儀器制造有限公司生產的70型振動臺，振動頻率為2 860次/min，振搗時間為3 min，為了防止試樣在振搗過程中表面塌陷，采取冒尖添料的方法保證試樣最終質量。振搗后的試樣靜置于地面，第2天灑水養護并用塑料布包裹好，第3天拆模，放入28 ℃恒溫箱中進行養護，恒溫箱中的養護天數為25 d，如圖5所示。

圖5 恒溫水養護Fig.5 Curing in the water at constant temperature

2 試驗結果與討論

2.1 纖維摻入比

水泥摻入比不變，玉米纖秸稈纖維和玄武巖纖維的長度均分別為0、3、6、12 mm，針對每一種纖維長度，隨著纖維摻入比的增加，28 d無側限抗壓強度曲線如圖6所示。其中橫坐標為纖維摻入比，分別為0、0.1%、0.3%和0.5%。無纖維的對比試塊平均強度分別為3.84 MPa和3.18 MPa，造成不一致的原因主要有：一是試驗量大，兩種纖維的試樣分兩批制作，制樣時室內溫度有所不同；二是第二批試驗采用了新設備進行加載。從圖6可以看出，玉米纖維的摻入使得水泥土的強度出現先增大后減小的趨勢，纖維摻入比0.1%時，強度均有所提高，此時最佳纖維摻入長度為12 mm。隨著玉米纖維的摻量的增加，水泥土的強度均出現不同程度的降低，0.5%摻量時，強度均低于無玉米纖維的對比試塊強度。部分破壞后的玉米纖維水泥土試樣如圖7所示。

圖6 抗壓強度與纖維摻入比的關系Fig.6 Relationship between compressive strength and fiber content

圖7 不同玉米纖維摻量水泥土的破壞形態Fig.7 Failure modes of cement-soil with different corn stalk fiber content in unconfined compressive test

摻入玄武巖纖維的水泥土試驗結果整體呈現先增大后減小再增大的折線形發展趨勢，且摻入纖維的水泥土強度均高于無纖維的對比試塊強度，當纖維摻入比為0.1%時各曲線均出現峰值。

2.2 纖維長度

如圖8所示，任意一條曲線其纖維摻入比不變，分別為0、0.1%、0.3%和0.5%。，其中0代表不摻纖維，為對比參考線，其強度不隨橫坐標不同而發生變化，其他曲線隨著纖維長度的增加，數據點呈現不同形式的變化，對玉米纖維水泥土而言，0.1%的低纖維摻入比條件下的數據點均在參考線之上，說明低纖維摻入比對強度增長起到了積極作用；高纖維摻入比的0.3%和0.5%的數據基本都在對比參考線之下，說明摻入比的提高會降低水泥土的強度。對于玄武巖纖維水泥土而言，摻入纖維的水泥土強度均高于基準線。

圖8 抗壓強度與纖維長度的關系Fig.8 Relationship between compressive strength and fiber length

部分破壞試樣如圖9所示，纖維長度分別為3、6、12 mm，纖維摻入比均為0.1%，破壞試樣均呈錐形。在加載過程中，需將透明膠帶標簽剪斷，否則會影響試驗結果，如圖9(a)所示。

圖9 破壞后的試樣Fig.9 Photos of some specimens after destruction

2.3 應力應變關系

玉米纖維水泥土和玄武巖纖維水泥土的抗壓強度與豎向應變關系曲線如圖10所示，摻入比為0.1%的兩種纖維水泥土強度均高于各自不摻纖維的水泥土強度。玉米纖維在提高土體無側限抗壓強度的同時，還有效改善水泥土的脆性，使水泥土具有一定的韌性。

圖10 纖維水泥土應力-應變曲線Fig.10 Stress-strain relationship with different fiber contents

2.4 機理分析

從加筋土的作用機理可知，在素土中，纖維的摻入能夠提高土體的強度，延緩土體變形的發展[2]，纖維的加筋效果本質上取決于界面間的摩擦力和黏結力大小，即界面剪切強度[1]。當土體受力變形時，纖維的抗拔出能力越強，越能有效地阻止裂縫的產生與發展，從而增強土體的延性、穩定性和強度；此外，纖維交錯呈現的空間網狀結構對強度的提高也起到一定的作用。

同樣是摻入纖維，纖維土與纖維水泥土的參考基準不同，前者以土為基準，土體強度相對較弱，纖維能夠起到很好的加筋效果，大量研究成果均使強度有所提高[9-13]；后者以水泥土為基準，水泥對強度的貢獻要大于纖維的貢獻，適量的纖維能在一定程度上提高水泥土強度，但過量會使得強度有所降低。

這是由于水泥的介入，使得構成界面剪切強度的摩擦力和黏結力發生了主次變化，纖維加筋土中摩擦力占主導，纖維加筋水泥土中黏結力占主導，而黏結力的大小與水泥摻入比、纖維的材質、纖維形狀、纖維長度、土質成分、含水量等因素有關。

2.4.1 纖維長度

玉米秸稈外皮具備一定的韌性和抗拉強度[18-20]，且能進行有效的防腐處理[21]，通過觀察破壞后的試件，并沒有發現玉米纖維被拉斷的現象出現，如圖9所示。為了描述簡單，也為了突出問題，假設纖維線性、均勻、對稱分布在破壞面兩側，玉米纖維在理想情況下應具有臨界長度，當玉米纖維過短時，在水泥土中不能起到抗拉作用，對水泥土的強度沒有明顯改善；當玉米纖維過長時，纖維會被拉斷。

2.4.2 纖維間距

如圖11所示，假定纖維剛好達到臨界長度，且符合假設的理想分布條件，此時纖維摻入比的增加，會使得纖維間距過大，單根纖維負責加固的區域面積變大，則起不到應有的效果；如果纖維間距過密，由于相鄰纖維應力的疊加，引起類似于錨桿中的“群錨效應”，造成材料浪費，反而會弱化水泥土強度。

圖11 纖維錨固作用示意圖Fig.11 Schematic diagram of fiber anchorage

2.4.3 軟弱結構面效應

玉米纖維過長、過量或者攪拌不均勻等，會使土體之間形成分隔的界面，制作好的水泥土樣內部會順著秸稈的方向產生裂縫，形成軟弱結構面[13]。同樣，在玄武巖纖維水泥土中依然存在這種現象，在試塊制備過程中和對破壞后的試塊進行觀察，發現玄武巖纖維集束現象比較明顯，如圖12所示，該處可能成為潛在的軟弱結構面。

玄武巖纖維成束，致使纖維與膠結材料的有效接觸面積減小，如圖13所示，外層纖維束的一側被水泥土包裹，而內部纖維處于自由狀態，并未發揮應有的作用，可能會成為試件的薄弱點，類似于巖石的節理面。所以，成束纖維的存在，外側能夠發揮一定的作用，而內側纖維被“束之高閣”，不僅降低了有效纖維摻入量，還使其自身成為薄弱點，該點最終強度呈現何種變化，取決于內、外纖維耦合作用的綜合效果。

圖13 水泥土中纖維集束狀態示意圖Fig.13 Schematic diagram of fiber cluster in soil-cement

本文分析是建立在假設的理想條件下，實際上纖維在水泥土中隨機曲線分布；再者，纖維的摻量畢竟有限，水泥土承擔了大部分荷載，纖維最初的作用也正是由于水泥土發生了一定微裂紋時才能逐步釋放出來，微裂紋預示著水泥的逐步退出，纖維的逐步承擔，它們之間如何演化銜接，也是值得深入探討的問題。上述諸多因素并不孤立存在，它們之間相互制約、相互平衡，最終纖維水泥土的強度就是其博弈的結果。

3 結論

(1)玉米纖維的加固效果與玄武巖纖維相似，其強度試驗曲線均呈現先增大后減小的特點，試驗條件下，二者峰值強度差別不大。

(2)3 mm玉米纖維的最優條件為20 mm的長度和0.3%的摻量，試驗初步驗證了玉米纖維短期替代玄武巖纖維的可行性。

(3)纖維長度和纖維間距對水泥土加固效果影響較大，在試塊制備和加載破碎后的試塊中，發現玄武巖纖維集束現象較為普遍，這些問題值得進一步深入研究。