PVA纖維參數對改性水泥土粘接摩阻載荷及抗壓強度影響試驗

趙 偉，李 峰

(1.西安交通工程學院土 木工程學院，陜西 西安 7103002.西北工業大學 力學與土木建筑學院，陜西 西安 710300)

水泥土在邊坡建設、軟土地基優化與制造水帷幕方面發揮了重要作用，可以顯著提高工程建設項目的經濟收益，并達到理想的環境效益[1-3]。但進行工程應用期間，水泥土缺乏足夠的強度并且存在延性較差的問題容易引起嚴重安全隱患?？紤]到聚乙烯醇(PVA)可以實現高斷裂強度、易于分散、高模量的多項優勢，因此可以通過在水泥土內添加一定比例的聚乙烯醇纖維實現提升力學強度并改善變形能力的效果[4-6]。

有學者研究了PVA 纖維長隊對混凝土的增強作用，通過設計室內實驗進行測試可知，加入PVA后混凝土獲得更高拉伸強度并提升了抗折性能，但引起抗壓能力下降的結果[7]；在水泥基體中加入PVA纖維作為增強體制備得到復合材料，之后對其進行彎曲與拉伸測試表明上述處理方式促進了水泥基復合材料抗壓能力的小幅提高，而抗彎和抗折能力都獲得了顯著增強，而材料在變形過程中表現出了明顯硬化的特點，獲得了17%的最高拉應變[8]；還有主要研究了PVA纖維對抗裂能力的提升作用，經過試驗測試可知，當19 mm長度的 PVA纖維加入量達到0.85 kg/m3時獲得了最優增強效果，可以達到80%裂縫控制率，此外還發現不同長度的纖維對裂縫的控制性能也存在較大差異，從總體上看長纖維具備比短纖維更優增強性能[9]。

研究選擇P·O42.5硅酸鹽水泥作為測試材料，按照與干圖重量比為15%的條件加入水泥。控制固定配合比條件下，摻入PVA纖維的質量比按照每次與干土比例為0.25%的條件由0%提高至1%。

1 實驗材料與方法

1.1 試樣制備

選用YZ-PVA-12種類的纖維，PVA纖維的具體結構如圖1所示；其性能如表1所示。

圖1 PVA纖維照片Fig.1 PVA fiber photo

表1 PVA纖維性能Tab.1 Properties of PVA fiber

采用自然干燥方式處理得到土樣，再將其置于顎式破碎機內充分粉碎，利用規格為2 mm的篩篩選出特定尺寸的土顆粒作為備用。按照與總量為1.1倍的條件稱量每種組分，對纖維進行分散；再把纖維和水泥、干土充分攪拌選出均勻混合物，接著將其倒入QJ-20攪拌機內并在加水后進行2 min濕拌。攪拌結束之后，再將混合物轉移至表面涂覆了脫模劑的模具內，根據GB/T 50123—2019《土工測試標準》，利用振動臺實現均勻振搗狀態[10]。無側限抗壓強度測試模具采用尺寸70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方結構鐵模具。通過振搗方式實現均勻狀態后，采用塑料薄膜進行封處理24 h并拆模[11]，再利用溫度為20 ℃的標準養護箱進行保溫，同時在相對濕度95%條件下達到測試齡期為止[12]；制備的試樣的宏觀和微觀照片如圖2所示。

圖2 試樣宏觀和微觀照片Fig.2 Macroscopic and microscopic photos of the sample

1.2 無側限抗壓強度實驗

無側限抗壓強度指的是試塊各方向都不存在約束的情況下可以承受的最大軸向壓力，該指標也成為了判斷水泥土力學特性的關鍵指標。測試過程在YHS-229WJ-50KN萬能測試機上進行[13]，測試設備由上海益環儀器科技有限公司提供。

本實驗以纖維長度與摻量作為變量，控制纖維長度依次等于3、6、9和12 mm，摻入纖維質量比為0%、0.25%、0.5%、0.75%和1%。為有效控制測試誤差，保證測試結果可靠度，對試樣參數與均值之間進行作差的結果大于均值15%時，則以其余2個試樣均值作為測試結果。測試期間設定位移速度為1 mm/min，持續加載直到軸向的變形幅度增大至10%為止。

2 實驗結果分析

2.1 應力-應變曲線

從圖3中可以看出，在加入不同含量與不同長度的纖維條件下制得的纖維水泥土進行無側限抗壓測試形成的曲線，結果表明：

圖3 PVA纖維水泥土應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of PVA fiber soil-cement

(1)PVA纖維水泥土主要形成了幾個應力-應變階段。階段1：初期壓實階段。初期對纖維水泥土施加豎向荷載的過程中，形成了上凹變化趨勢的應力-應變曲線，其中，應變比應力發生更快增大。采用振蕩成型加工方式無法獲得密實的纖維水泥土塊，從而產生孔隙與微裂紋缺陷，當對試樣施加豎向荷載時則會引起 孔隙與微裂紋達到更密實的擠壓效果[12]。階段2：發生彈性變形。進一步增大豎向荷載時，試樣變形過程主要來自土顆粒和水泥水化產物在載荷作用下出現的彈性變形，滿足胡克定律。階段3：塑性變形。隨著豎向荷載增大至約0.8倍的峰值強度后，水泥土開始發生塑性變形。形成了非線性變化的應力-應變曲線，此時應變比應力表現為更緩慢的增大趨勢[14]。階段4：結構發生破壞。隨著纖維水泥土應力提高至峰值時，裂縫進入快速增長的過程，引起內部組織發生更嚴重的破壞，同時減少了荷載傳輸路線；

(2)測試3、6、9和12 mm這3種長度纖維加入水泥土后峰值強度與摻入量的關系，結果顯示峰值強度發生了先上升再降低的變化規律，其中，纖維長度為12 mm時，水泥土峰值強度相對纖維摻入量呈現線性變化規律；增大至峰值強度時，殘余強度則表現為與纖維加入量的正相關變化趨勢，應力損失也發生了持續降低。當摻入纖維的比例在0.5%以內時，纖維水泥土發生了明顯的應力損失，形成的殘余強度也較小，存在顯著應變軟化現象，最后發生脆性破壞；尤其是在加入一些長度較短纖維的情況下該現象特征明顯。隨著纖維的加入量達到0.5%以上時，對應力損失起到了顯著改善效果，獲得了更高的殘余強度。3、6 mm長度的纖維加入后形成了更緩慢的應力-應變曲線。長度為9、12 mm的PVA纖維加入質量比為0.75%與1%時，還可觀察到應變硬化的現象，當應變提高后，應力并未下降還發生了一定程度的增大。PVA纖維水泥土從塑性破壞轉變至塑性破壞的特點，獲得了更優的延性。

2.2 纖維長度影響

圖4給出了不同長度PVA纖維時對應的無側限抗壓強度。

圖4 不同纖維長度下無側限抗壓強度分布Fig.4 Distribution of unconfined compressive strength under different fiber lengths

從圖4可以看出，加入同樣比例的纖維時，纖維長度將會對無側限抗壓強度產生明顯影響。增加纖維長度時，無側限抗壓強度發生了先上升再降低的變化現象，測試顯示纖維長度等于6 mm時達到了最大無側限抗壓強度；因此6 mm屬于纖維最佳長度。

加入的纖維長度較小的情況下，土體受到纖維的粘接作用也較小，只產生了很低的摩阻，容易造成纖維和土體間的相對滑動，不能充分發揮纖維對水泥土約束作用，不能發揮良好的抗壓增強效果[15-16]。加入更長纖維后，纖維將會和土體間形成了更大接觸面，由此提高了二者粘接和摩阻載荷，進一步改善了纖維對水泥土增強作用。

2.3 纖維摻量影響

圖5給出了對PVA纖維水泥土進行無側限抗壓測試得到的不同PVA纖維加入量條件下的曲線。結果顯示，PVA纖維水泥土保持基本恒定的無側限抗壓強度。其中，PVA添加量在0.75%以內時，3、6和9 mm這3種長度的纖維水泥土都出現了無側限抗壓強度與纖維摻量正相關變化特征，加入量為0.75%時，獲得了峰值無側限抗壓強度；而加入量進一步提高至1%時，則發生了無側限抗壓強度的降低。當纖維長度等于12 mm時，無側限抗壓強度則呈現相反變化規律。根據以上結果可知，需加入一個合適范圍的纖維時才能獲得理想的增強效果，其中，纖維長度在6 mm以內時，0.75%是最優摻入量；長度12 mm時，摻如量最優是1%。

圖5 不同纖維摻量下無側限抗壓強度分布Fig.5 Unconfined compressive strength distribution under different fiber dosage

水泥土試樣受到豎向壓力作用時沿軸向與橫向分別發生壓縮與膨脹。對于素水泥土來說，當軸向上長度縮短時，將會在橫向上出現擴張而引起雙剪切破壞。測試纖維水泥土時，則因為基體內含有PVA纖維，達到一定程度的橫向膨脹時，將會對試塊環向纖維造成拉伸作用，這些處于拉應力狀態的纖維則對試樣產生反作用小郭，限制了其橫向上的變形過程，能夠有效提升水泥土抗壓能力。

2.4 纖維水泥土破壞機理分析

設置較低豎向荷載時，素水泥土與纖維水泥土都發生了彈性變形，隨著載荷增大時試樣發生了更大變形，纖維在此過程并未起到應有的作用。進一步提高豎向荷載時[17]，因為壓力機墊板相對水泥土發生的橫向變形更小，此時墊板可以利用接觸面摩擦載荷對水泥土橫向變形起到限制作用，相當于沿試塊上、下端設置套箍的效果，從而使水泥土破壞階段產生2個對頂分布的破壞面[18]。經測試發現，素水泥土試樣通常是沿剪切面出現剪切破壞。在破壞階段將會形成貫穿裂縫并快速擴展。還有一些試樣發生了蹦碎掉塊，試樣在破壞階段表現出明顯的脆性特征[19-20]。在水泥土中加入一定含量的PVA纖維時，對破壞形式具有顯著改善效果，此時依然保持雙剪切破壞的形式，形成了對頂角錐裂縫，相對素水泥土形成了更小的裂縫，未發生整體掉塊的情況。

3 結語

(1)PVA纖維水泥土主要形成了初期壓實階段，彈性變形，塑性變形，結構發生破壞四個階段。PVA纖維水泥土從塑性破壞轉變至塑性破壞的特點，獲得了更優的延性；

(2)增加纖維長度時，無側限抗壓強度先上升再降低變化，纖維長度等于6 mm時達到了最大無側限抗壓強度；

(3)纖維水泥土出現了無側限抗壓強度與纖維摻量正相關變化特征，纖維長度在6 mm以內時，0.75%是最優摻入量。