聚丙烯纤维加固软土的无侧限抗压强度试验研究

聚丙烯纤维加固软土的无侧限抗压强度试验研究

1纤维基复合材料在水泥工业中的应用在道路工程、海岸工程和各种基本建设项目中，人们经常会发现土壤的软土。由于其低强度和高压缩性，通常无法满足建设项目的要求。因此，有必要采取适当的改造和加固措施，如将水泥、磨损、碎屑和灰烬作为加固材料，以提高土壤工程的性能。对于一些比较软弱的地基,采用上述这些加固材料固然能改善软土的工程性能,但它们的抗裂性和抗拉强度提高不明显,常呈脆性破坏,有时不能满足工程的实际要求,需要采取进一步的改性措施。目前,纤维作为一种工程材料主要被应用在水泥和混凝土中,并取得了一些重要研究成果。如:甘蔗渣纤维(bagassefibre)能够改善水泥混合的力学性能。Puertas测试了纤维的加量对水泥的抗弯和抗压等力学参数的影响;Xu通过研究发现不同纤维与水泥制品的耐久性存在一定关系。除此之外,也有一些学者将纤维加入土体中,对纤维土的强度、稳定性及变形等方面进行了研究;清华大学的李广信等、介新玉在黏性土中加入聚丙烯纤维,通过试验,指出聚丙烯纤维不仅能够提高土体的抗拉强度,而且还增强了土体的临界断裂韧度。本文针对软土加固中传统加固材料的一些不足和纤维材料自身的特性,在水泥土和生石灰土中掺入适量的聚丙烯纤维,配制了20组试样,通过室内试验,分析和研究了不同纤维掺量以及龄期对纤维石灰土和纤维水泥土强度的影响,并对加固机制和加固效果做了详细地分析和讨论。2样品的选择和制备2.1不同纤维原料的理化性质本次试验所采用的土样取自南京市某基坑,取样深度在地下6m左右,所取土样为的淤泥质黏土,其物理力学性质见表1;试验中采用的纤维为聚丙烯纤维丝,其物理力学参数见表2。生石灰为一般道路工程和城市建设用灰,其氧化钙含量为70.27%,氧化镁含量为3.64%;水泥为市场上销售的32.5级普通硅酸盐水泥。2.2土、纤维石灰土和纤维水土工的制备试样的制备过程如下:将从基坑中取出的土样自然风干,然后粉碎。本次试验中的纤维掺量分别为0.05%,0.15%和0.25%,生石灰和水泥的掺量参考文献,分别选取5%和8%。按上述配比分别配制了素土、纯纤维土、石灰土、水泥土、纤维石灰土和纤维水泥土共20组试样,样品制备均采用压样法,分3层压实,样品高为80mm,直径为39.1mm。其中纯纤维土样的制备过程为:先将定量的纤维与干土搅拌均匀,再加水配制至最佳含水率,在保湿器中静置24h;石灰土样及纤维石灰土的制备过程为:先将生石灰或者生石灰与纤维分别与干土搅拌均匀,再加水配制至最佳含水率;水泥土和纤维水泥土在配制过程中,考虑到水泥的水化反应比较快,先将素土或者纤维土按一定的含水率配制好,在压制土样的前2h内才将水泥加入到土样中搅拌均匀,并及时压样。试验中考虑龄期对强度的影响,其中所有含石灰或水泥的试样均用塑料薄膜密封装好置于养护箱(温度为(20±1)℃,相对湿度为(96±2)%)内分别养护7,14,28d。3试验结果与讨论3.1抗压强度试验试验的主要目的是为了研究纤维对石灰和水泥改性土强度的影响,对所制备的20组试样进行了无侧限抗压强度试验。为了考虑龄期对强度的影响,对掺有生石灰和水泥的试样分别测试了7,14,28d龄期的无侧限抗压强度,并根据规范的要求,在测试前将试样完全浸水24h。试验所用的仪器为南京土壤仪器厂生产的YYW-2型应变控制无侧限抗压仪,控制加载速率为2.4mm/min。3.2纤维掺量对土体力学性质的影响素土及不同纤维、石灰和水泥掺量以及在不同龄期下试样的无侧限抗压强度如表3所示。图1为素土与不同掺量纤维土的无侧限抗压强度曲线,从图可知,纤维土的无侧限强度均比素土高,是素土强度的1.08~1.21倍,且强度随纤维含量的增加呈递增趋势。同时,试样在破坏后,纤维土的强度曲线较素土下降平缓,并以纤维含量最高的F-3表现出最佳的破坏韧性。图2为素土、纤维土、石灰土和水泥土无侧限抗压强度曲线,由图可知,养护7d后的水泥土C-2和石灰土L-2的无侧限抗压强度比素土和纤维掺量为0.25%的F-3均有大幅度增加,且强度值均是素土的2倍以上,而且同样都是8%掺量的水泥土强度要比石灰土强度高29%。C-2和L-2试样在轴向应力达到峰值之后骤然丧失,试样呈现脆性破坏,而加入一定量的纤维之后,其破坏形式和强度值龄期为28d如图3和图4所示。纤维石灰土和纤维水泥土在破坏之后仍然存在一定的残余强度,其大小与纤维掺量成正比,而且在加入纤维后,石灰土和水泥土的强度值上升十分明显,分别比加纤维前平均提高2.2倍和2.8倍,这在图5和图6中显示更为明显,从中可以看出:当纤维掺量从0%增加到0.05%,无论是石灰土还是水泥土,无侧限抗压强度都急剧上升,掺入纤维0.05%后,随着纤维掺量的继续递增,石灰土和水泥土的无侧限抗压强度也呈递增趋势。此外,图5和图6还显示,石灰和水泥土样的无侧限抗压强度随龄期增长而越高,且与石灰和水泥掺量成正比。结合表3,在只加入了0.05%的纤维而石灰掺量为5%的LF-1中,28d的强度分别为未掺纤维而生石灰和水泥掺量均为8%的L-2和C-2的28d强度的1.80倍和1.40倍。在同样的条件下,养护了28d的CF-1的无侧限抗压强度则分别为养护了28d的L-2和C-2的2.08和1.62倍,由此可以看出,在石灰土和水泥土中掺入纤维,为达到某一无侧限强度值可以大大地减少石灰和水泥的用量。图7直观地说明了纤维在改善土样脆性破坏所起的作用,其中图7(a)和图7(b)分别为L-1和C-1纯石灰和水泥掺量为5%的土样;图7(c)和图7(d)分别为LF-2和CF-2石灰和水泥掺量为5%,纤维掺量为0.25%的土样;图7(e)为F-3纯纤维掺量为0.25%的土样;图7(f)为素土。从图上可以看出,未加纤维处理的图7(a)和图7(b),试样呈明显的脆性破坏,破坏裂缝发展较宽较长,而且还出现掉块现象,而在相同石灰和水泥掺量下,在土样中掺入一定量的纤维之后,脆性破坏得到明显的改善,如图7(c)和图7(d)所示,试样的破坏裂缝相对较短、较细,裂而不断。此外,对于图7(e)和图7(f),试样在纤维的作用下,图7(f)的破坏由应变软化的塑性破坏向图7(e)的应变硬化塑性破坏转变。3.3纤维土体的用量和强度在素土中加入纯纤维,能提高土的无侧限抗压强度,这主要是因为试样在轴向压力的作用下,由于纤维的存在,承担了试样发生剪切变形时的部分拉应力,对试样的变形起限制作用,且纤维越多,能够承担的拉应力越大,从而导致纤维土比素土的无侧限抗压强度值高,并且随纤维掺量的增加,试样的无侧限抗压强度呈递增趋势。在土样出现裂缝破坏时,由于纤维的存在,延缓了裂缝的进一步发展,土体所能承受的轴向压力并不会出现骤减的现象,从而使纤维土呈现破坏韧性,如图1所示。这里,纤维所承担的拉应力主要取决于纤维与土颗粒之间的摩擦力以及土体对纤维的凝聚力。由于试验所选用的纤维较细、较短,而且纤维表面光滑,所以纤维所承担的拉应力主要贡献自土体对纤维的凝聚力。试验中纤维土的无侧限抗压强度比素土只有小幅度增加,主要是因为试验选取的土样中没有掺入其他改性剂,缺少凝聚力高的胶结物。目前对生石灰和水泥改性土已有不少研究[9,11,12,13,14,15,16],主要机制是生石灰和水泥的消化和水化作用在土体中形成胶结物,使土颗粒之间的联结方式发生变化,增加了土颗粒之间的联结力,同时胶结物的增加使土中处于分散状态的胶粒聚集成团,孔隙比大大降低,提高了土体的结构强度,如表3所示。此外,生石灰和水泥的加入还改善了土体的水稳性,对于L-1的一组试样在第7d泡水时发生崩解,主要是因为生石灰掺量过低和养护时间较短所造成的,因为养护时间越长、生石灰掺量越多,通过发生化学反应生成的胶结物也越多。因此,石灰土和水泥土试样随着龄期的增长无侧限抗压强度越高。此外,由于生石灰和水泥成分的差异,它们各自的水化产物也不同,水泥水化产物的强度比生石灰高。从表3和图2都可以看出:水泥相对于生石灰来说,对软土有更好的加固效果。但由于生石灰和水泥水化产物的强胶结性,使土样具有较好的板体性和刚性,因此,试样呈现脆性的破坏,强度瞬间丧失(见图2)。在石灰土和水泥土中掺入纤维后,由于生石灰和水泥水化产生的强胶结性,纤维在土体中形成一种空间网状结构,对土颗粒变形和位移产生约束,增加了土体的结构强度,从而使土样的水稳性得到改善,同时也极大地提高了纤维在土体中的抗拉能力,能够承担起土样在复杂应力状态下的很大一部分拉应力,延缓裂缝的发展和防止整个结构的瞬间破坏,从而改善了石灰土和水泥土的脆性破坏模式,并表现出较高的残余强度。此外,由于水泥水化产生的胶结物强度比石灰高,对纤维的凝聚力就越强,因此,在水泥土中加入纤维比在石灰土中加入纤维能起到更好的加固效果(如表3所示)。4聚丙烯纤维改性在试验的基础上分析了纤维、石灰和水泥对软土的加固机制和效果,重点讨论了纤维及其不同掺量对素土、石灰土和水泥土无侧限抗压强度的影响,并对试验结果进行了详细的分析,得到以下几点结论:(1)聚丙烯纤维在土体的摩擦力和凝聚力作用下,在土体当中形成空间网状结构,约束了土颗粒的位移和变形,能够改善软土的水稳性;由于纤维承担了土体发生变形时的