聚丙烯纖維改性膨脹土脹縮特性循環測試研究

摘 要：為研究聚丙烯纖維改性膨脹土的脹縮特性，制備聚丙烯纖維摻量為0.2%、0.4%、0.6%的改性膨脹土材料，通過膨脹力試驗、膨脹率測試、以及干濕循環試驗，測試每種改性膨脹土試樣的脹縮特性。試驗結果表明，在吸水膨脹時，丙烯纖維摻量為0.2%的試樣膨脹力較大，易導致試樣變形；丙烯纖維摻量為0.4%的試樣膨脹力、自由膨脹率與無荷膨脹率均保持在較低水平，可以在吸水過程中保持良好的穩定性；在干濕循環測試中，0.4%改性劑摻量的試樣在每一次循環時的徑向線縮率相對較低，不易發生收縮問題。因此，聚丙烯纖維添加量在0.4%時，可以有效強化膨脹土應用效果。

關鍵詞：聚丙烯纖維；膨脹土；脹縮特性；干濕循環

中圖分類號：TU443；TQ432 + .62 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0042-03Study on cyclic testing of swelling and shrinkagecharacteristics of polypropylene fiber modified expansive soilZHAO Jinming（Henan Province No.5 Geological Brigade Co.，Ltd.，Zhengzhou 450003，China）

Abstract：To study the swelling and shrinking characteristics of polypropylene fiber modified expansive soil，modi?fied expansive soil materials with polypropylene fiber content of 0.2%，0.4% and 0.6% were prepared，and the ex?pansion and contraction characteristics of each modified expansive soil sample were tested by swelling force test，ex?pansion rate test and dry-wet cycle test. The experimental results showed that during water absorption expansion，the sample with a 0.2% content of propylene fiber had a greater expansion force，which could easily cause deforma?tion of the sample. The expansion force，Free expansion rate and no-load expansion rate of the sample with 0.4%propylene fiber content were kept at a low level，which can maintain good stability in the process of water absorp?tion. In the dry wet cycle test，the sample with a 0.4% modifier content had a relatively low radial shrinkage rate ateach cycle，making it less prone to shrinkage problems. Therefore，when the addition amount of polypropylene fiberwas 0.4%，it could effectively strengthen the application effect of expansive soil.

Key words：polypropylene fiber；expansive soil；expansion and contraction characteristics；dry and wet cycle

膨脹土又稱為膨潤土或膨脹性粘土，是一種具有特殊物理化學性質的土壤。由于其包含特殊的粘土礦物質，在水分作用下，該材料會發生膨脹和收縮 [1] 。膨脹土主要由膨潤土礦物組成，這些礦物質中包含有水合離子，當膨脹土與水接觸時，使其體積膨脹 [2] 。同時，當膨脹土失去水分時，導致其體積收縮 [3] 。由于膨脹土其具有優異的抗滲能力，且目前廣泛應用于防水工程，在土壤穩定處理中，可以通過添加膨脹土來增強土體的穩定性。但是，由于其膨脹與收縮特性，會導致其應用范圍受到限制，過大的膨脹力會影響外界水體的吸收，為此，需要通過有效的改性材料，對膨脹土性能進行優化 [4] 。已有學者對膨脹土的改性進行研究，如研究粉煤灰-劍麻纖維復合改良膨脹土強度及裂隙發育特性，該方法以素膨脹土為研究對象，并對其進行了抗壓強度與膨脹性能測試 [5] 。研究黃原膠和瓜爾膠改良膨脹土力學特性試驗，該方法通過環保材料對膨脹土進行改性 [6] 。

聚丙烯纖維是一種由聚丙烯物質制成的合成纖維，這種材料屬于熱塑性樹脂，其具有輕質、耐磨、耐腐蝕等特點。本文采用聚丙烯纖維對膨脹土進行改性，進而測得改性材料的脹縮特性，獲取最佳改性劑摻量的膨脹土。

1 改性膨脹土的脹縮特性研究

1. 1 試驗材料準備

試驗用膨脹土取自一工程施工場地，取樣深度為2～4 m，膨脹土取出初期呈土黃色，在正常環境下處于硬塑狀態 [7] 。

試驗采用土壤穩定劑由美國MICAVA公司生產的濃縮型MB-148CA型土壤穩定劑，該穩定劑可以降低粘土顆粒的吸水能力，從而抑制土體內的離子運動，保證土體穩定性。

采用聚丙烯纖維作為試驗用改性劑，本文采用束狀單絲纖維，制作聚丙烯纖維改性膨脹土材料時，需在低溫50 ℃環境下烘干聚丙烯纖維，之后通過鼓風機吹散束狀纖維，均勻撒入膨脹土內。在將聚丙烯纖維摻入膨脹土體時，分別制備聚丙烯纖維摻量為0.2%、0.4%、0.6%3種摻量的試驗原料，每種摻量均制備28個試樣，依次制成T-1組、T-2組、T-3組試樣，制備完成后，將全部試樣放入恒溫、恒濕的養護箱中，進行7 d的養護，完成養護后取出，即可進行試樣的性能測試。

1. 2 試驗方法

1. 2. 1 膨脹力試驗

膨脹力是指土樣在吸水膨脹時生成的最大內應力，對膨脹力進行測試，可有效獲取試樣的脹縮特性 [8-9] 。本文采用平衡法，在杠桿固結儀上測試試樣膨脹力，測試在24 h完成。

1. 2. 2 膨脹率試驗

膨脹率分為自由膨脹率與無荷膨脹率 [10] 。通過量筒測試3組試樣的自由膨脹率，每間隔一段時間對量筒刻度進行記錄，直至試樣體積停止變化。采用膨脹儀對3組試樣進行無荷膨脹率測試，分析每種試樣在24 h時間內的無荷膨脹率。

1. 2. 3 干濕循環試驗

將制備好的試樣放入高壓固結儀中，設置垂直壓力為20 kPa，通過先干燥后浸水方式，將試樣放置在25 ℃環境中干燥，之后在水槽內放水浸泡試樣，記錄試樣浸水膨脹與干燥收縮時的性能變化情況 [11] ，當試樣形態穩固后，排出固結儀中的水分，以此完成單次干濕循環，之后按照這一循環方式，對試樣進行5次干濕循環測試。測試試樣在干濕循環過程中的收縮變形規律，并通過徑向線縮率表示。

2 結果與討論

2. 1 膨脹力測試

測試3組試驗土樣在隨著測試時間變化的膨脹力情況，測試結果如圖1所示。

由圖1可知，隨著試驗時間的增長，每種試樣的膨脹力有所上升，這是由于試樣在不斷吸水過程中，自身干密度會出現下降，導致試樣體積變大，從而引發膨脹力增大；在3組試樣中，添加0.2%聚丙烯纖維的T-1組試樣在24h時膨脹力達到60kPa以上，在3組試樣中膨脹效果最大，而添加0.4%與0.6%聚丙烯纖維的試樣膨脹力上升幅度并不明顯，說明適當加大聚丙烯纖維添加量，可以改善試樣吸水時的膨脹性。同時，0.4%添加量的試樣膨脹力要低于0.6%添加量，說明聚丙烯纖維添加量不宜過大，在0.4%時可以發揮最佳效果。

2. 2 膨脹率測試

測試不同試樣在24 h內的自由膨脹率與無荷膨脹率變化情況，從而驗證試樣在吸水時的膨脹效果，測試結果如圖2所示。

由圖2可知，在試樣測試過程中，每組試樣的膨脹率均呈現上升狀態，且每組試樣的自由膨脹率均要高于無荷膨脹率。其中，T-1組試樣的自由膨脹率最高達到40%以上，在其初始試驗階段自由膨脹率就迅速上升，當試驗時間達到9 h時自由膨脹率已達到35以上，而該組試樣的無荷膨脹率在試驗時間為12 h時開始出現大幅度上升，在12 h之前上升幅度并不大；T-3組試樣的自由膨脹率與無荷膨脹率均高于T-2組，其在試驗15 h后無荷膨脹率才開始迅速增長；T-2組試樣的膨脹率均保持在最低水平，在試驗時間達到18 h后，該組試樣的無荷膨脹率出現一定幅度的上升，但最高也要保持在6.0%以下，說明該添加量下的改性膨脹土膨脹速度明顯變慢，且膨脹效果并不明顯。

2. 3 干濕循環測試

測試3組改性試樣在經過5次干濕循環試驗后的徑向線縮率變化，從而分析試樣在試驗過程中的縮減水平，具體分析結果如圖3所示。

由圖3可知，當循環次數增多，試樣的徑向線縮率就會有所下降，在初次干濕循環過程中，T-1組試樣的徑向線縮率要明顯高于其他兩組，最多高達到13%以上，而T-2組最高僅保持在7%～8%，T-3組最高達到12%，可以看出在初次循環狀態下，T-2組試樣的收縮變化程度最低；當循環次數達到第5次時，每組試樣的徑向線縮率都達到最小狀態，這是由于試樣表面在經歷吸水后會殘留一些水分，當處于收縮過程時，會先蒸發試樣表面的水分，之后逐漸蒸發試樣內部的水分，因此在多次干縮循環測試下，試樣收縮量均有所下降，其中T-2組試樣依然保持最低的徑向線縮率，為此，該組改性膨脹土材料有效避免嚴重干縮問題。

3 結語

研究聚丙烯纖維改性膨脹土的脹縮特性，制備不同改性劑摻量的膨脹土試樣，測試每種試樣在脹縮特性試驗下的應用性能，從而獲取最佳改性劑摻量的試樣，將其作為后續使用材料應用至相關工作中。在未來研究過程中，可以繼續針對該材料進行優化，通過添加不同試劑，強化材料的拉伸、剪切等性能，使其能夠應用到更多的領域。

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