聚丙烯纖維加筋水泥土力學強度和耐久性試驗研究

摘要：為提高水泥土力學強度和耐久性，選用聚丙烯纖維加筋水泥土的方法，基于室內力學強度試驗和凍融循環試驗，研究水泥摻量、纖維摻量及養生齡期對纖維加筋水泥土強度特性和耐久性的影響規律。結果表明，養生前28 d水泥土力學強度增長顯著，水泥摻量增加1%，28 d抗壓強度平均提高19.4%，回彈模量約提高19.3%；聚丙烯纖維摻量為0.3%的水泥土力學強度最大，28 d無側限抗壓強度較素水泥土提高約49.6%，回彈模量較素水泥土提高42.0%以上；室內標準養生環境下水泥土強度優于現場自然環境養生的水泥土；凍融循環前7次的聚丙烯纖維水泥土無側限抗壓強度降低顯著，水泥摻量增加1%，凍融條件下纖維水泥土抗壓強度提高21.5%以上。

關鍵詞：聚丙烯纖維；水泥土；力學強度；耐久性；試驗研究

中圖分類號：U414.1

0 引言

由于水泥穩定土材料具有抗壓強度高、水穩定性良好、施工簡便等優點，故在道路、鐵路等工程中常用作填料。但水泥土在荷載作用下易發生脆性破壞，且抗拉性能較差，對環境溫度和濕度條件較敏感［1-3］。聚丙烯纖維強度及韌性高，抗拉性能好，耐酸堿性優，在水泥土混合料中形成良好的空間網絡結構，可增強混合料結構整體性和穩定性［4-5］。牛雷等［6］研究了纖維及水泥改良長春地區黃土抗壓強度影響因素，發現較長纖維不利于提高水泥土強度。佟鈺等［7］研究表明，低摻量聚丙烯纖維增強水泥土力學強度顯著，后隨摻量增加，水泥土力學強度不斷降低。趙麗君等［8］研究表明，聚丙烯纖維改善水泥膨脹土力學特性的可行性，0.6%摻量的聚丙烯纖維對于改善水泥膨脹土力學特性的效果最優。考慮到土質的區域性較強，而纖維材料對不同土質改良加固效果不一，且不同環境條件下水泥土孔隙結構及力學性質發生變化各異。鑒于此，本文選用聚丙烯纖維加筋水泥改良粉質黏土，通過室內力學強度試驗和凍融循環試驗，研究水泥摻量、纖維摻量及養生齡期對水泥土強度和耐久性影響規律。

1 原材料及研究方案

1.1 原材料

土樣取自博興某取土場，為粉質黏土，取土深度為1.5～2.0 m，其物理力學性質見表 土樣顆粒組成見表2。水泥采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，技術性質見表3。纖維采用6 mm聚丙烯纖維（PLF），直徑為13 μm，技術性質見表4。水采用自來水。

1.2 研究方案

1.2.1 試驗方案

1.2.1.1 力學性能

研究不同養生齡期下水泥摻量、聚丙烯纖維摻量對水泥土力學性能影響規律，探討水泥土強度增長規律，擬定聚丙烯纖維加筋水泥土最優纖維摻量。試驗設計中，水泥摻量擬采用3%、5%、7%、9%，聚丙烯纖維摻量擬采用0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，養生齡期擬采用3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、180 d。

1.2.1.2 耐久性

基于室內聚丙烯纖維加筋水泥土力學性能試驗結果，考慮現場溫度及濕度變化，分析養生方式及凍融循環次數對纖維加筋水泥土強度影響規律。養生方式分為現場自然環境養生和室內標準養生兩種，凍融次數擬采用0次、1次、3次、5次、7次、9次、10次。

1.2.2 性能測試方法

1.2.2.1 力學性能試驗

結合《公路路基施工技術規范》（JTG/T 3610-2019）中的路基質量要求，采用無側限抗壓強度和回彈模量評價纖維加筋水泥土力學性能。

試件達到養生齡期前一天，浸水24 h后，分別選用液壓伺服萬能試驗機WDW-100和路面材料強度試驗儀測定試件無側限抗壓強度和回彈模量，加載速率為1 mm/min。

1.2.2.2 凍融循環試驗

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）中的凍融試驗方法，凍結溫度為（-15±2） ℃，凍結時間為12 h；水融溫度為（20±2） ℃，融化時間8 h。凍融達到規定設計次數后，測定試件無側限抗壓強度，并計算其凍融殘留強度比，見式（1）。

ηR（n）=Rw（n）/Rc×100（1）

式中：ηR（n）——試件凍融n次的殘留強度比（%）；

Rw（n）——試件凍融n次的無側限抗壓強度（MPa）；

Rc——試件初始無側限抗壓強度（MPa）。

1.2.3 試件制備及養護

結合《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）和現場路基壓實水平，根據室內重型擊實試驗結果，采用靜壓法制備壓實度為96%的試件，試件尺寸為100×h100 mm。試件制備完成后，放入溫度為（20±2） ℃、相對濕度gt;95%的標準養生室養護至規定齡期。聚丙烯纖維采用干摻法。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能

2.1.1 無側限抗壓強度及影響因素

2.1.1.1 養生齡期

以水泥摻量5%為例，不同養生齡期聚丙烯纖維加筋水泥土的無側限抗壓強度試驗結果如圖1所示。

根據圖1可知，不同纖維加筋水泥土強度在養生前28 d水泥土強度增長顯著，后隨齡期延長，水泥土強度逐漸趨于穩定。這是因為水泥土強度增長與水泥水化反應速率相關，養生前期水泥水化反應速率較快，會生成較多的硅酸鈣等膠凝物質填充土粒間空隙，增強水泥土的整體密實性，故水泥土在前期強度增長較快；后隨齡期延長，水泥熟料逐漸被消耗，水化反應速率減緩，從而導致水泥土抗壓強度增長速率減緩。

2.1.1.2 外摻劑摻量

結合現場路基養生時間及水泥土強度增長趨勢，以齡期28 d的聚丙烯纖維加筋水泥土無側限抗壓強度為例，分析水泥摻量及聚丙烯纖維摻量對水泥土抗壓強度影響規律，見圖2。

由圖2可知：在聚丙烯纖維摻量一致條件下，隨水泥摻量增加，不同養生齡期的水泥土無側限抗壓強度呈線性趨勢增大，水泥摻量增加1%，水泥土28 d無側限抗壓強度分別平均提高19.4%，原因是水泥熟料與水發生化學反應，生成硅酸鈣等膠凝材料填充土粒間空隙，可增強土粒間連接強度，增大土體結構密實性，故水泥摻量提高水泥土無側限抗壓強度效果較明顯。在水泥摻量一致條件下，隨聚丙烯纖維摻量增加，水泥土無側限抗壓強度先增大后降低，在纖維摻量為0.3%時，水泥土抗壓強度取得峰值，較28 d素水泥土抗壓強度提高約49.6%。這是因為聚丙烯纖維具有良好的抗拉性能，適量的纖維材料在水泥土材料內部形成空間加筋結構，可有效抑制結構裂縫發展，提高水泥土抗壓強度；而隨纖維摻量增加，纖維在土體分布不均勻，呈絮亂狀態，加筋效果減弱，故較高纖維摻量的水泥土抗壓強度降低。

2.1.2 回彈模量及影響因素

2.1.2.1 養生齡期

以水泥摻量5%為例，不同養生齡期下聚丙烯纖維加筋水泥土的回彈模量變化曲線如圖3所示。

由圖3可知，養生前28 d水泥土回彈模量增長較快，后隨養生齡期延長，水泥土回彈模量增速降低顯著，逐漸趨于穩定，其28 d回彈模量約分別達到90 d、180 d回彈模量的89.1%、82.4%，這和水泥熟料與水反應速率相關，養生后期熟料逐漸被消耗，水泥土回彈模量趨于穩定，達到極限穩定值。

2.1.2.2 外摻劑摻量

以28 d聚丙烯纖維加筋水泥土回彈模量為例，分析水泥及聚丙烯纖維摻量對水泥土回彈模量影響規律，見圖4。

由圖4可知，在聚丙烯纖維摻量一致條件下，隨水泥摻量增加，不同養生齡期的水泥土回彈模量呈線性增長，相關系數gt;0.98。水泥摻量增加1%，水泥土回彈模量約提高19.3%，這是因為水泥摻量增加，水化產物硅酸鈣等膠凝材料增多，可提高水泥土密實性，加強土粒間連接強度，致使水泥土抵抗荷載破壞能力增強，水泥土回彈模量增大。在水泥土摻入聚丙烯纖維后，其回彈模量增大，且回彈模量隨纖維摻量增加呈先增大后降低趨勢變化。在纖維摻量0.3%時，水泥土回彈模量取得峰值，較素水泥土回彈模量提高42.0%以上。當纖維摻量≤0.3%時，纖維摻量增加0.1%，水泥土回彈模量分別提高16.2%以上；當纖維摻量由0.3%增加至0.4%時，水泥土回彈模量約分別降低8.5%，這是因為聚丙烯纖維良好的抗拉性能抑制了水泥土結構內部拉應力的發展，而隨著纖維摻量的增加，水泥土內部纖維分布不均勻，纖維加筋作用減弱，導致水泥土回彈模量降低。

鑒于聚丙烯纖維對水泥土無側限抗壓強度和回彈模量影響規律，纖維摻量0.3%的水泥土力學性能最優，故聚丙烯纖維加筋水泥土的最優纖維摻量為0.3%。

2.2 耐久性

2.2.1 養生方式

現場自然環境養生及室內標準養生環境下，聚丙烯纖維加筋水泥土無側限抗壓強度試驗結果見表5。聚丙烯纖維摻量為0.3%，養生齡期分別為7 d、28 d。

由表5可知，同一水泥摻量及養生齡期下，現場自然環境養生的聚丙烯纖維水泥土無側限抗壓強度低于室內標準養生水泥土強度，約為室內標準養生水泥土強度的90.4%，即室內標準養生環境下水泥土強度增長效果較好。這是因為現場較室內環境溫度及濕度變化較大，影響水泥水化反應速率，生成硅酸鈣等膠凝材料較少，從而現場養生水泥土抗壓強度偏低。

2.2.2 凍融循環試驗

聚丙烯纖維加筋水泥土凍融循環試驗結果見圖5。其中，聚丙烯纖維摻量0.3%，養生齡期為28 d。

由圖5可知，在凍融循環條件下，聚丙烯纖維加筋水泥土無側限抗壓強度降低，且凍融循環前7次，水泥土抗壓強度降低顯著，后隨凍融次數增加，水泥土抗壓強度降低速率減緩，凍融7次、10次的水泥土抗壓強度較凍融前約分別降低了49.0%、52.6%。這是因為在凍融循環初期，在孔隙內部凍脹應力作用下，水泥土結構出現裂紋，且發展較快，形成貫通的裂縫，故水泥土抗壓強度降低較大，當凍融達到一定次數后，水泥土材料內部結構趨于穩定，使其抗壓強度逐漸呈緩慢降低趨勢。在凍融次數一致時，隨水泥摻量增加，纖維水泥土無側限抗壓強度呈線性趨勢增長，相關系數在0.96以上，且水泥摻量提高水泥

土抗壓強度效果較明顯，水泥摻量增加1%，纖維加筋水泥土凍融1次、3次、5次、7次、9次、10次后抗壓強度約分別提高21.5%、23.2%、24.8%、25.5%、25.6%。當凍融次數gt;7次時，纖維加筋水泥土抗壓強度與水泥摻量的關系曲線基本重合，說明水泥土抗壓強度逐漸趨于穩定。

3 結語

（1）養生前28 d水泥土無側限抗壓強度及回彈模量增長顯著，后隨齡期延長，水泥土抗壓強度及回彈模量逐漸趨于穩定。

（2）水泥土無側限抗壓強度及回彈模量隨水泥摻量增加呈線性趨勢提高，水泥摻量增加1%，28 d抗壓強度平均提高19.4%，回彈模量約提高19.3%。

（3）聚丙烯纖維摻量為0.3%的水泥土無側限抗壓強度及回彈模量最大，28 d無側限抗壓強度較素水泥土分別約提高49.6%，回彈模量較素水泥土提高gt;42.0%。

（4）室內標準養生環境下水泥土強度增長效果較好，現場自然環境養生的聚丙烯纖維水泥土抗壓強度約為室內標準養生水泥土強度的91.6%。

（5）凍融循環前7次的聚丙烯纖維水泥土無側限抗壓強度降低顯著，后隨凍融次數增加，水泥土抗壓強度降低速率減緩，纖維水泥土抗壓強度隨水泥摻量增加呈線性趨勢增長，水泥摻量增加1%，凍融條件下纖維水泥土抗壓強度提高gt;21.5%。

參考文獻

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［8］趙麗君，李 犇，孫 淦，等.聚丙烯纖維改性水泥膨脹土力學特性研究［J］.工程技術研究，202 6（21）：29-31.

收稿日期：2023-10-20

作者簡介：莫善優（1985—），工程師，主要從事道路、橋梁施工管理工作。