基于纖維聚合物改良的粉土力學特性與微觀結構演化

尚高鵬， 秦小軍， 劉路路

(1. 甘肅省交通科學研究院集團有限公司， 蘭州 730030； 2. 中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室， 徐州 221116)

粉土路基廣泛分布于中國東南沿海和內陸大部分地區，作為處于黏性土跟砂性土間的一類土，在干燥情形下較易揚塵，遇水時易變成液體狀，毛細水具有較大的上升高度，難以壓實且作為路基填土性能極差，竣工完經受行車荷載的壓力，易造成路面變形、開裂與失穩等問題[1-2]。在實際工程中，一般會放棄不符合路用性能要求的粉土。然而，通常這類地區缺少優質路基填料，換填處理會耗費大量人力、時間以及土地資源[3]。因此，開展粉土加固技術，不僅可以提高粉土資源高效利用，還能滿足我國巖土工程建設綠色發展的迫切需要。

張艷美等[4]指出粉土抗管涌能力差，飽和狀態時受振動荷載作用易發生液化。粉土工程特性可通過摻入水泥、石灰、粉煤灰等無機材料得到顯著改善，但其抗裂性并無顯著效果，通常表現為脆性破壞，在路面呈現出縱向、橫向裂紋。崔偉等[5]采用石灰、水泥、水玻璃、黏土等材料提高了低液限粉土短期強度，但未研究其長期耐久性與開裂特性。趙昊宇等[6]指出水泥土形成的堿性環境，降低了土體的持水能力和營養含量，影響鋼結構、混凝土等地下構筑物的服役壽命，不符合國家的“雙碳”戰略需求。朱志鐸等[7]指出水泥土、石灰土具有顯著的脆性特征，在交通循環荷載作用下，基礎結構穩定性易發生破壞，缺乏抑制土體開裂的加筋材料。因此，研發新型、高效、環境友好的粉土加固材料符合國家“十四五”規劃的綠色與可持續發展戰略大計。

目前，纖維加筋技術在膨脹土、軟土、水泥土、鹽漬土等的強度、承載力、韌性等方面已表現良好的優點[6-8]。再生聚酯纖維具有強度高、韌度強、抗老化、耐磨、成本低等良好性能，主要來源于廢舊聚酯瓶[9]。長期堆放的廢舊聚酯瓶會造成嚴重的“白色污染”，不符合國家可持續與綠色發展戰略。在當前的環保要求下，發展再生聚酯纖維具有較好的經濟價值和社會價值，符合巖土工程可持續發展的要求。

因此，現采用可再生聚酯纖維與無機固化劑對路基粉土進行改良，分析其承載特性、抗壓特性、回彈特性以及微觀機理演化特性，研究結果可提高我國粉土加固的技術水平，實現廢舊聚酯瓶多途徑資源化利用，減輕因處治不當所造成的環境污染。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

(1)粉土。試驗用土取自某公路施工現場，其顆粒分布曲線如圖1所示。表1為土體基本物理性質指標。土樣液限含水率wL<50%，塑性指數IP小于10，屬于低液限粉土[土工試驗規程(SL 237—1999)]。

表1 粉土物理指標Table 1 Physical indexes of silt

圖1 粉土顆粒級配曲線Fig.1 Particle size curve of silt

(2)再生聚酯纖維。再生聚酯纖維(renewable polyester fiber)，來自于某紡織廠，密度1.31～1.37 g/cm3，抗拉強度(束狀單絲)為200～400 MPa，斷裂伸長率為140.6%～154.7%。

(3)石灰、粉煤灰、石膏。表2為生石灰基本物理指標。對石灰的含量以及化學成分用X射線熒光光譜儀進行了測試，其結果如表3所示，此生石灰屬于鈣質III級生石灰，可提供堿性環境。

表2 生石灰基本物理指標Table 2 Basic physical indexes of quicklime

表3 生石灰化學成分分析Table 3 Chemical composition analysis of quicklime

相比水泥，粉煤灰價格便宜，并且粉煤灰加固土的凍融循環能力要強于水泥[10]。表4為粉煤灰主要指標。采用再生建筑石膏粉，主要成分為半水硫酸鈣(CaSO4·1/2H2O)。

表4 粉煤灰主要指標Table 4 Main index of fly ash

1.2 試驗方案

當生石灰:煤灰=1∶2時，粉煤灰在加固軟土方面能達到最好效果[10]。本文參考林彤[8]的土體加固方案，摻入3%(質量比=石膏質量)建筑石膏粉(CaSO4·1/2H2O)作為外摻劑，提高土樣的早期強度。生石灰與粉煤灰的質量比(質量比=外加劑質量/試樣總質量)分別為4%與8%。

參考文獻[11-12]的方法，本文選用纖維摻量(質量比=纖維質量/試樣總質量)為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、0.7%，纖維長度為6、9、12、15、17 mm。表5為改良土力學特性的試驗方案，試驗的土樣含水率均為改良土的最優含水率。

表5 物理力學特性試驗方案Table 5 Physical and mechanical property test scheme

1.3 試驗方法

(1)CBR試驗。按照《公路土工試驗規程JTG 3430—2020》[13]有關規定開展，南京土壤儀器廠CBR-2型試筒高度與直徑分別為170 mm與152 mm。

(2)無側限抗壓強度試驗。參照《公路土工試驗規程JTG 3430—2020》開展，YSH-2型無側限抗壓強度設備軸向應變速度為1%[14]。試樣高度與直徑分別為100 mm與50 mm。

(3)回彈模量試驗。參照《公路土工試驗規程JTG 3430—2020》開展。儀器采用HM-1型回彈模量儀，基于千分表彈性形變對回彈模量進行計算。

(4)SEM測試。根據靜壓的方法來制作改良粉土和粉土試樣品，具體規格為直徑50 mm、高度100 mm，密封后在標準的養護室放置28 d，滿足養護時所需的條件進行觀察，從中取出新鮮的斷面(約1 cm2)，將所制備的樣品在低溫下冷凍，放置在SEM下進行掃描。

2 試驗結果與分析

2.1 力學特性研究

2.1.1 CBR

CBR作為一個重要的評價路基填料路用性能的指標，反映路基材料的抗局部剪切能力[15]。圖2為不同壓實度下再生聚酯纖維下改良土CBR變化。1 d養護齡期下，纖維改良土的CBR跟素改良土的CBR基本相當；7 d養護齡期后，改良土CBR隨纖維摻量的增加而有不同程度的增加，在0.2%纖維摻量時，試樣CBR最高，當超過該纖維摻量值時，CBR將下降。養護齡期影響著纖維改良土CBR，在7 d養護齡期內，土體的CBR會有小幅度的增長，但CBR小于28%；在28 d養護齡期后，土體的CBR會有大幅度的增長，在98%壓實度下，0.2%纖維摻量改良土的CBR為45%，符合公路路基填料的規定。

圖2 再生聚酯纖維改良土CBR變化Fig.2 Change of CBR value of reclaimed polyester fiber improved soil

2.1.2 無側限抗壓強度

圖3為94%、96%與98%壓實度下再生聚酯纖維改良土無側限抗壓強度變化。可以看出：纖維改良土無側限抗壓強度隨纖維摻量增加而增加，0.2%纖維改良土無側限抗壓強度表現為最高，當纖維摻量超過0.2%時，改良土無側限抗壓強度呈降低趨勢。圖4為無側限抗壓試驗改良土試樣破壞形態，可以明顯看出，隨著纖維摻量增加，改良土破壞形態由“脆性破壞”向“塑性破壞”發展，且破壞面逐漸上移。養護齡期會影響纖維改良土強度。1 d養護齡期時[圖4 (a)]，不同纖維摻量改良土無側限抗壓強度相差不大，且與素改良土無側限抗壓強度(170 kPa)相當。然而，劉松玉等[16]得出1 d齡期木質素改良路基粉土無側限抗壓強度約為100 kPa；28 d養護齡期時[圖4 (e)]，土體無側限抗壓強度有較大幅度增長，96%壓實度下，0.2%纖維摻量改良土無側限抗壓強度增幅約362%。此外，隨著壓實度增加，纖維改良土無側限抗壓強度差ΔUCS28-1與ΔUCS7-1逐漸增加，最大差值分別達到913 kPa與661 kPa。文獻[17-19]采用不同的纖維改良黏土發現，當纖維摻量超過3%～4%會造成土體無側限抗壓強度降低。對于路基粉土而言，其無側限抗壓強度的最優纖維摻量約為0.2%。

圖3 改良土無側限抗壓強度變化Fig.3 Change of unconfined compressive strength of improved soil

圖4 28 d養護齡期無側限抗壓試驗改良土試樣破壞形態Fig.4 Failure mode of improved soil sample in unconfined compression test at 28 days curing age

2.1.3 回彈模量

土體回彈模量是表征路基填料力學特性的一個重要指標[20-21]。圖5為不同壓實度下纖維改良土回彈模量變化。一般路基粉土在94%或96%壓實度下的回彈模量值皆小于20 MPa，不能滿足《公路瀝青路面設計規范》[22]的規定。回彈模量在纖維改良路基粉土中得到有效的增長，0～7 d養護齡期時，關于94%壓實度改良土，其回彈模量只有在0.2%與0.3%纖維摻量的改良土可以滿足交通公路土基路基填料規定，不過，在28 d養護齡期后，回彈模量在各纖維摻量改良土下皆符合規范的規定。與前述UCS和CBR變化相同，改良土回彈模量隨纖維摻量的增加而增加，回彈模量在摻量高于0.2%時有所下降，進一步說明0.2%纖維摻量的路基粉土的改良效果更好。

圖5 不同壓實度下纖維改良土回彈模量變化Fig.5 Change of resilience modulus of fiber improved soil under different compaction degree

2.2 微觀結構演化

粉土微顆粒表面近似光滑，在粉土內部微觀結構中存在較多的大孔隙，顆粒具有明顯的邊界、邊緣不規則、棱角分明，部分粉土顆粒直徑大于孔隙直徑，本文選取的粉土微觀結構與沖積粉土結構類似，但沖積粉土存在較多20～50μm粉粒級別的石英顆粒[23]。當摻加劑添(粉煤灰、石灰與石膏)加至粉土中，試樣養護齡期達到7 d，改良土中仍存在較多的大小孔隙，粉土顆粒表面以及顆粒之間開始出現某種膠狀物質，包裹或連接土顆粒(圖6)，纖維與顆粒間接觸存在一定的孔隙，不密實。14 d養護齡期改良土的微觀結構明顯比純粉土密實，纖維與顆粒間接觸存在一定的孔隙(圖7)，大量膠結物質連接粉土顆粒，填充顆粒間孔隙。28 d養護齡期改良土內部膠結物質的包裹與填充作用更加顯著，土顆粒間接觸更加緊密，形成更加穩定、致密結構(圖8)。

圖6 改良土試樣SEM照片(7 d養護齡期)Fig.6 SEM photo of improved soil sample (7-day curing age)

圖7 改良土試樣SEM照片(14 d養護齡期)Fig.7 SEM photo of improved soil sample (14 days curing age)

圖8 改良土試樣SEM照片(28 d養護齡期)Fig.8 SEM photo of improved soil sample (28 days curing age)

由于膠結物質的包裹粉土顆粒，以及鈣礬石連接粉土顆粒作用[24]，其團聚體數量與顆粒直徑明顯增加，土顆粒比表面積減小，顆粒之間孔隙由膠結物質填充，改良土的密實度得到增加。因此，改良土粒徑與最大干密度增加，力學與路用性能指標提高，而塑性指數降低。此外，改良土在纖維摻量過大的情況下出現力學特性降低的現象可能是由于土體內局部存在纖維抱團、纖維過于集中，過多纖維與土顆粒接觸面出現滑動，缺少土顆粒的骨架作用，造成其強度和CBR等指標降低，但要定量評估改良土的物質改變、微觀結構，仍需要開展其他分析試驗。

3 結論

(1)路基粉土的路用性能可由再生聚酯纖維與無機固化劑有效提高，在經過28 d的養護后，其CBR以及回彈模量皆能符合公路路基設計的規定。其中，回彈模量大于40 MPa，28 d齡期養護后，98%壓實度下，0.2%纖維摻量改良土的CBR達到45%。

(2)改良粉土無側限抗壓強度隨纖維摻量以及齡期的增加而增長，且在摻量超過0.2%時，其強度開始有降低趨勢，最大值可達到約900 kPa。對于路基粉土，可再生聚酯下纖維的最優摻量約為0.2%。

(3)改良粉土顆粒間孔隙得到不同程度的填充，形成的微觀結構較素土更為致密。纖維在土體中相互交錯分布，進而產生“交織”作用，分布的纖維能夠使纖維土呈現出“裂而不斷”的狀態，展現了較好的土體殘余抗拉強度，最大程度地抑制纖維土裂隙發展。