纖維加筋植被混凝土干濕循環(huán)下抗剪強(qiáng)度研究

潘 波 丁 瑜 黃曉樂 高 峰 許文年 劉大翔

(1.三峽庫區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))， 湖北 宜昌 443002；2.防災(zāi)減災(zāi)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(三峽大學(xué))， 湖北 宜昌 443002；3.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌

443002)

工程建設(shè)在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也極易引發(fā)各種環(huán)境地質(zhì)問題.礦山、鐵路、公路及水電工程建設(shè)中不可避免需要開挖山體，不僅破壞原有植被，而且形成大量裸露邊坡，引發(fā)水土流失和生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)等一系列問題.植被混凝土邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)在各領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用，極好地實(shí)現(xiàn)了工程擾動(dòng)區(qū)生態(tài)環(huán)境的快速修復(fù)，促進(jìn)了工程建設(shè)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展[1].

植被混凝土基材由種植土、水泥、有機(jī)質(zhì)、活化添加劑等材料配制而成，是具有一定的強(qiáng)度和抗侵蝕性能，且適宜植物生長(zhǎng)的土壤基質(zhì)[2].目前，針對(duì)植被混凝土基材力學(xué)性能的研究主要從其早期強(qiáng)度、根系固土效應(yīng)及特殊環(huán)境下的穩(wěn)定性方面進(jìn)行研究[3-4].工程實(shí)踐中，植被混凝土基材在初期養(yǎng)護(hù)和自然降雨條件下，不可避免地經(jīng)歷頻繁的干濕循環(huán)作用，由此引起植被混凝土基材的強(qiáng)度損失，進(jìn)而對(duì)基材的整體穩(wěn)定性產(chǎn)生潛在的不利影響.研究表明，纖維加筋能顯著提高土體的強(qiáng)度及穩(wěn)定性.例如，水泥土中加入聚丙烯纖維后強(qiáng)度隨纖維摻量增加而增大，纖維摻入在降低水泥土脆性，提高破壞韌性方面作用明顯[5].而膨脹土中摻入纖維后，纖維土的脹縮性隨著纖維的增加而降低，隨纖維摻量的增加，破壞時(shí)的極限應(yīng)變?cè)龃螅瑲堄鄰?qiáng)度大大提升[6].在凍融循環(huán)下，摻入纖維有助于減輕黏性土的凍融強(qiáng)度損失，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線由應(yīng)變軟化型向應(yīng)變硬化型轉(zhuǎn)化[7].在黏性土中，纖維提高抗剪強(qiáng)度主要表現(xiàn)為有效黏聚力增加，而有效內(nèi)摩擦角變化不大[8].

改良基材配制增強(qiáng)基材強(qiáng)度有助于提高生態(tài)防護(hù)基材長(zhǎng)期穩(wěn)定性，對(duì)于邊坡生態(tài)防護(hù)具有重要的工程實(shí)際意義.為此，本文選取常見的棕纖維、玄武巖纖維作為植被混凝土基材加筋材料，根據(jù)不同的纖維摻入量配置加筋基材，借助三軸試驗(yàn)分析干濕循環(huán)作用下加筋基材抗剪強(qiáng)度特征，探討兩種纖維的加筋效果.

1 試驗(yàn)材料和方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用種植土為宜昌本地的黃棕壤，取回后風(fēng)干碾碎，過2 mm篩備用.土的顆粒級(jí)配曲線如圖1所示，土樣不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc分別為7.6和1.1，土粒相對(duì)密度為2.65，最大干密度為1.7 g·cm-3.試驗(yàn)用水泥為宜昌華新水泥生產(chǎn)制造廠生產(chǎn)的P.C32.5復(fù)合硅酸鹽水泥.有機(jī)質(zhì)為當(dāng)?shù)亟ú氖袌?chǎng)購置的棕樹鋸末，鋸末風(fēng)干后過2 mm篩備用.活化添加劑為三峽大學(xué)的專利產(chǎn)品(CBS)活化添加劑(AB菌).

圖1 土樣顆粒級(jí)配曲線

試驗(yàn)用棕纖維為宜昌五峰深山百寶莊的天然特級(jí)棕絲，玄武巖纖維為浙江海寧安捷復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，兩種纖維的基本物理力學(xué)特性見表1.

表1 纖維的基本物理力學(xué)特性

1.2 試驗(yàn)方案

1)試樣設(shè)計(jì)

根據(jù)工程實(shí)踐，試驗(yàn)中植被混凝土基材各組成成分的質(zhì)量配合比為種植土∶水泥∶鋸末∶活化添加劑=100∶8∶6∶4.棕纖維和玄武巖纖維分別按基材混合料干質(zhì)量的0.2%、0.4%、0.6%和0.8%4個(gè)梯度摻入，以不摻入纖維的基材為空白對(duì)照樣.

2)試樣制備

根據(jù)設(shè)計(jì)配合比將各材料初步混合后，按含水量20%加水入自來水，將基材混合料拌和均勻.按試驗(yàn)設(shè)計(jì)的4種摻入量，分別將兩種纖維加入在基材混合料中，充分?jǐn)嚢柚辽? min，盡量確保纖維在基材混合料中分布均勻.

制樣時(shí)，所有基材試樣的干密度均控制為1.35 g·cm-3.將攪拌均勻的纖維加筋基材混合料平均分為3等份，分批加入到高80 mm、內(nèi)徑39.1 mm的圓柱形模具中，每層擊實(shí)9次，分層擊實(shí)制成試樣.每組試樣制3個(gè)平行樣.試樣脫模后在室內(nèi)溫度約25℃，相對(duì)濕度≥90%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)7d.

3)三軸試驗(yàn)

植被混凝土基材實(shí)施后將經(jīng)歷反復(fù)的干濕循環(huán).在灌溉養(yǎng)護(hù)和自然降雨條件下可接近飽和，自然飽和后含水量約為30%.隨著蒸發(fā)脫濕，基材水分隨之下降，其強(qiáng)度將隨干濕循環(huán)及水分改變而發(fā)生變化.為此，采用15%和25%兩種干濕循環(huán)幅度(脫濕至含水量分別為15%和5%)，以及0次、5次和10次3種干濕循環(huán)次數(shù)，分別模擬基材實(shí)施后隨時(shí)間推移的干濕循環(huán)狀態(tài)，采用三軸試驗(yàn)測(cè)得對(duì)應(yīng)的基材強(qiáng)度.

試驗(yàn)前，將養(yǎng)護(hù)好的試樣在常溫25℃下真空抽氣飽和48h(含水量達(dá)到30%)，然后放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中，在50℃溫度下分別脫濕15%和25%，作為1次干濕循環(huán).當(dāng)試樣達(dá)到預(yù)設(shè)循環(huán)次數(shù)后進(jìn)行飽和，飽和完成后進(jìn)行三軸試驗(yàn).

由于基材坡面淺層的固結(jié)、排水作用不明顯，故本文采用不固結(jié)不排水剪(UU)三軸試驗(yàn)測(cè)試基材強(qiáng)度.此外，由于植被混凝土基材主要用于邊坡表面的淺層防護(hù)，因此，試驗(yàn)圍壓設(shè)置分別為10、30和50 k Pa.試驗(yàn)儀器為通過南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ30-2.0應(yīng)變控制式三軸儀.剪切速率為4.5 mm/min.破壞標(biāo)準(zhǔn)取偏應(yīng)力峰值點(diǎn)；當(dāng)無峰值點(diǎn)時(shí)，取軸向應(yīng)變達(dá)15%時(shí)的偏應(yīng)力.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

根據(jù)三軸剪切試驗(yàn)結(jié)果，繪制各組試樣的不固結(jié)不排水抗剪強(qiáng)度包線，計(jì)算各纖維摻量下纖維加筋基材的抗剪強(qiáng)度參數(shù).

2.1 纖維摻量影響

不同干濕循環(huán)條件下，試樣黏聚力與纖維摻量關(guān)系如圖2所示.未干濕循環(huán)條件下，與空白對(duì)照樣相比，纖維加筋基材的黏聚力隨纖維摻量呈近線性增長(zhǎng)(圖2(a)).纖維摻量為0.8%時(shí)，棕纖維和玄武巖纖維加筋基材的黏聚力增幅最大分別為43.71%和29.13%.測(cè)試結(jié)果表明，未干濕循環(huán)時(shí)，基材與纖維接觸緊密，纖維摻量越大，纖維-基材相互作用越強(qiáng)，纖維加筋效果越好.

在干濕循環(huán)條件下，纖維加筋基材的黏聚力隨摻量變化趨勢(shì)如圖2(b)、(c)、(d)和(e)所示.纖維摻量從0%到0.4%時(shí)，各纖維加筋基材的黏聚力逐漸上升后達(dá)到最大；隨后，加筋基材黏聚力隨纖維摻量增加而逐漸降低.分析認(rèn)為，纖維加筋作用主要取決于纖維-基材相互作用，摻量較少時(shí)，加筋作用會(huì)隨著摻量增加而增加.達(dá)到最佳摻量時(shí)，纖維加筋基材的剪切強(qiáng)度亦達(dá)到極值.當(dāng)摻量繼續(xù)增加時(shí)，纖維在局部位置因過于富聚形成的“隔層”破壞了基材的整體性.在干濕循環(huán)作用下，富聚的纖維會(huì)造成基材內(nèi)部結(jié)構(gòu)破損，進(jìn)而導(dǎo)致基材抗剪強(qiáng)度隨摻量增加而降低[9].

圖2 黏聚力隨纖維摻量的變化

由表2可知，基材的內(nèi)摩擦角隨纖維摻量的變化僅有小幅度的波動(dòng).這是因?yàn)閮?nèi)摩擦角與土顆粒的滑動(dòng)及顆粒重新排列等因素有關(guān)[10].而纖維摻入并未改變基材內(nèi)的顆粒級(jí)配及顆粒表面特性，基材的內(nèi)摩擦角因而無顯著變化.

表2 基材的內(nèi)摩擦角

2.2 干濕循環(huán)影響

圖3為兩種纖維加筋基材的黏聚力與干濕循環(huán)次數(shù)的測(cè)試結(jié)果.由圖可知，纖維黏聚力變化與脫濕幅度、干濕循環(huán)次數(shù)密切相關(guān).

圖3 黏聚力隨干濕循環(huán)的變化

由圖3(a)、(c)可見，在脫濕幅度為15%時(shí)，當(dāng)纖維摻量不超過0.6%，基材黏聚力在5次干濕循環(huán)后均有所提升，經(jīng)歷10次干濕循環(huán)后又發(fā)生顯著下降.空白對(duì)照樣5次干濕循環(huán)后的黏聚力比0次的增大了7.27%，10次后減小了26.40%.0.4%摻量下，棕纖維加筋基材5次干濕循環(huán)后，其黏聚力比0次時(shí)增大了14.31%，10次后增幅為0.85%.相同摻量時(shí)，玄武巖纖維加筋基材5次干濕循環(huán)后的黏聚力比0次時(shí)增大了8.78%，而10次后則減小了27.02%.分析認(rèn)為，在15%脫濕幅度下，早期干濕循環(huán)過程中，基材中水泥的水化反應(yīng)持續(xù)產(chǎn)生增強(qiáng)作用.由于這種增強(qiáng)作用遠(yuǎn)大于干濕循環(huán)對(duì)基材強(qiáng)度的不利影響，因此，5次干濕循環(huán)后的基材黏聚力明顯大于0次.加之摻入纖維與基材的黏結(jié)作用，基材黏聚力進(jìn)一步提升.但隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加，基材中水泥水化的膠結(jié)作用不斷遭到破壞，基材強(qiáng)度明顯下降.

如前所述，纖維超過最優(yōu)含量并不利于基材強(qiáng)度提高.因此，當(dāng)纖維摻量＞0.6%時(shí)，持續(xù)干濕循環(huán)作用下，富聚纖維與基材的粘結(jié)極易遭受干濕循環(huán)破壞，試樣結(jié)構(gòu)不斷裂化，基材黏聚力因而表現(xiàn)出隨干濕循環(huán)次數(shù)增加持續(xù)降低的特征.

在25%脫濕幅度下，纖維加筋基材的黏聚力均隨循環(huán)次數(shù)的增加持續(xù)減小(圖3(b)、(d)).空白對(duì)照樣5次干濕循環(huán)后與0次對(duì)比，黏聚力減小了34.05%，10次后降低了53.99%；而棕纖維和玄武巖纖維加筋基材在0.4%摻量時(shí)，與0次干濕循環(huán)下的試樣相比，5次后黏聚力分別減小了4.07%和21.98%，10次后分別降低了12.70%和36.54%.由試驗(yàn)結(jié)果可知，高幅度的干濕循環(huán)極大地削弱基材內(nèi)顆粒聯(lián)結(jié)、破壞基材結(jié)構(gòu)，基材黏聚力隨干濕循環(huán)進(jìn)行而持續(xù)降低.不過，與空白基材相比，纖維加筋基材強(qiáng)度大大提高，這表明摻入纖維可以大大降低了高幅度干濕循環(huán)的不利影響，顯著改善基材裂化和結(jié)構(gòu)破損.

由表2可知，干濕循環(huán)對(duì)空白對(duì)照樣和纖維加筋試樣的摩擦角影響較小.導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因在于：本試驗(yàn)采用的種植土中黏粒的含量極低，干濕循環(huán)過程對(duì)基材內(nèi)部顆粒物之間的摩擦作用影響較低，故內(nèi)摩擦角變化不大[11].

3 兩種纖維加筋效果對(duì)比及分析

為了比較棕纖維和玄武巖纖維在基材的加筋效果，引入黏聚力加筋效果系數(shù)Rc[12].其定義如下：

式中，cuf為纖維加筋試樣的黏聚力；cus為空白對(duì)照樣的黏聚力.

不同干濕循環(huán)條件下兩種纖維對(duì)基材的加筋效果系數(shù)見表3.由表3可知，纖維加筋基材的加筋效果系數(shù)Rc均大于1.0，即兩種纖維在各干濕循環(huán)條件下均可提高基材的黏聚力.干濕循環(huán)后，兩種纖維的加筋效果系數(shù)Rc均在纖維摻量為0.4%時(shí)達(dá)到最大，可將其作為最優(yōu)加筋效果系數(shù)Rc(max).

表3 不同干濕循環(huán)條件下加筋效果系數(shù)R c

當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，25%脫濕幅度下的Rc(max)均大于15%脫濕幅度下的Rc(max).當(dāng)脫濕幅度相同時(shí)，Rc(max)大體上隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大.在10次脫濕幅度為25%的干濕循環(huán)條件下，兩種纖維的Rc(max)均達(dá)到最大，棕纖維為2.49，玄武巖纖維為1.67.說明脫濕幅度越大、干濕循環(huán)次數(shù)越多，纖維加筋提升基材黏聚力的效果越好.對(duì)比可知，在相同干濕循環(huán)條件下，相同摻量棕纖維的Rc(max)均大于玄武巖纖維，說明棕纖維對(duì)植被混凝土基材的加筋作用優(yōu)于玄武巖纖維.

纖維加筋效果與纖維特征、纖維-土體相互作用密切相關(guān).本文中，摻入的棕纖維單絲直徑約80～300μm，纖維表面凹凸不平，有部分短絨突出(圖4(a)).而玄武巖纖維單絲直徑約12～18μm，纖維順直，表面平滑(圖4(b)).顯然，棕纖維與周圍土體之間接觸面更大，粗糙表面特征使其纖維-基材的機(jī)械咬合力與摩擦力增大[13].因此，相比表面光滑順直的玄武巖纖維，棕纖維的加筋作用明顯更優(yōu)越.

圖4 纖維的表面特征

4 結(jié) 論

考慮不同纖維摻量和干濕循環(huán)條件，開展棕纖維和玄武巖纖維加筋基材不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)摻入纖維能顯著增加基材的黏聚力，但對(duì)其內(nèi)摩擦角影響不大.

2)干濕循環(huán)作用下，棕纖維及玄武巖纖維的最佳摻量均為0.4%；低于最佳摻量時(shí)，黏聚力隨摻量增加而增大，高于最佳摻量時(shí)，黏聚力隨摻量增加而減小.

3)干濕循環(huán)幅度較低時(shí)，纖維加筋基材抗剪強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的特征，但在高幅度干濕循環(huán)下，基材的抗剪強(qiáng)度則表現(xiàn)為隨循環(huán)次數(shù)增加而持續(xù)降低.

4)脫濕幅度越大、干濕循環(huán)次數(shù)越多時(shí)，纖維的加筋效果越突出，相同摻量時(shí)，棕纖維的加筋效果明顯優(yōu)于光滑順直的玄武巖纖維.