聚丙烯纖維改良土抗凍性能研究

李軍發(fā)

(山西省交通科技研發(fā)有限公司 太原 030032)

0 引 言

我國(guó)季凍區(qū)的道路工程質(zhì)量受季節(jié)變化作用明顯.季凍區(qū)路基填料在外界環(huán)境作用下物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，破壞路基結(jié)構(gòu)、影響道路使用年限[1-4]，其路基最常見(jiàn)的病害形式為凍脹融沉.路基填料性質(zhì)是確保路基強(qiáng)度與穩(wěn)定性的主要因素之一，因此，采用科學(xué)合理的改良方法對(duì)季凍區(qū)土壤進(jìn)行改良以保證路基強(qiáng)度與穩(wěn)定耐久性已成為重要的研究?jī)?nèi)容.

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)季凍區(qū)路基填料物理力學(xué)性質(zhì)展開(kāi)了研究.張向東等[5-6]研究了配合比及凍融次數(shù)對(duì)改良土路基填料抗凍性的影響，隨凍融次數(shù)增加黏聚力顯著降低，內(nèi)摩擦角變化不明顯.李長(zhǎng)雨[7]通過(guò)室內(nèi)凍脹試驗(yàn)論證了橡膠顆粒改良粉煤灰土抗凍性能良好.王天亮等[8]研究表明，與素土相比，石灰改良土可明顯改善其動(dòng)力特性，臨界動(dòng)應(yīng)力約提高60%.張淑玲等[9]研究了凍融條件下水泥土與粉煤灰土單軸抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)同一凍融次數(shù)下干凍改良土抗壓強(qiáng)度高于濕凍改良土強(qiáng)度.鎖文韜[10]研究了凍融條件不同石灰劑量改良膨脹土抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)低6次凍融作用后改良土抗剪強(qiáng)度趨向穩(wěn)定.

對(duì)于季凍區(qū)路基填料多采用化學(xué)改良材料，且研究較為充分，而關(guān)于纖維改良土抗凍特性研究較少[11].纖維改良土作為一種新的路基填料，逐步應(yīng)用于公路、鐵路、水利等基礎(chǔ)中，研究其凍融條件下力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律對(duì)指導(dǎo)施工具有重要意義[12].鑒于此，文中以季凍區(qū)軟土為研究對(duì)象，采用聚丙烯纖維改良的方法，對(duì)凍融條件下聚丙烯纖維改良土進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究纖維摻量、長(zhǎng)度及圍壓對(duì)纖維改良土抗剪強(qiáng)度及其參數(shù)的影響規(guī)律，論證聚丙烯纖維改良土在季凍區(qū)路基中應(yīng)用效果.

1 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

1) 土樣 取自松遼平原東部，取土深度為3.5 m.參照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》確定土樣物理性質(zhì)，見(jiàn)表1.室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)選用輕型擊實(shí)試驗(yàn)方法.

表1 軟土物理性質(zhì)

2) 纖維 選用聚丙烯纖維，技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表2.

表2 聚丙烯纖維技術(shù)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1) 試驗(yàn)方案 研究?jī)鋈诖螖?shù)對(duì)對(duì)聚丙烯纖維改良土力學(xué)強(qiáng)度影響規(guī)律，評(píng)價(jià)聚丙烯纖維改良土抗凍性能.擬凍融次數(shù)為0，5，10，15，20次.試驗(yàn)中選用凍融循環(huán)試驗(yàn)箱對(duì)纖維改良土試件進(jìn)行凍融循環(huán).將制備完成的纖維改良土試件放入試驗(yàn)箱，試件先后在-15 ℃下養(yǎng)護(hù)12 h,20 ℃下融化12 h，此為一次凍融循環(huán)周期.

研究纖維摻量及長(zhǎng)度對(duì)凍融作用下聚丙烯纖維改良土力學(xué)強(qiáng)度影響規(guī)律，確定聚丙烯纖維摻量及長(zhǎng)度.試驗(yàn)中擬纖維長(zhǎng)度為6，9，12 mm，纖維摻量為0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%.纖維摻量為纖維質(zhì)量占干土質(zhì)量的百分比.

2) 試件制備 根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，控制最佳含水率，采用擊實(shí)法按壓實(shí)度98%的要求制備三軸壓縮試件和無(wú)側(cè)限抗壓試件，尺寸為直徑×高=39.1 mm×80 mm.每組試驗(yàn)采用6個(gè)平行試件.

3)試驗(yàn)方法 當(dāng)試件達(dá)到規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)后，分別采用GDS三軸儀進(jìn)行不固結(jié)不排水(UU)試驗(yàn)，采用WAW-100液壓伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).三軸壓縮試驗(yàn)中，選用應(yīng)變控制模式，圍壓為50，100，200 kPa，加載速率為0.5 mm/min，設(shè)置試樣最大應(yīng)變?yōu)?5%；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中加載速率為1 mm/min.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融次數(shù)影響

凍融次數(shù)對(duì)纖維改良土力學(xué)強(qiáng)度影響見(jiàn)圖1、圖2.

圖1 凍融次數(shù)-聚丙烯纖維改良土抗剪強(qiáng)度關(guān)系

圖2 凍融次數(shù)-聚丙烯纖維改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

由圖1可知，纖維長(zhǎng)度及摻量一定時(shí)，隨凍融次數(shù)增加，改良土抗剪強(qiáng)度逐漸降低，且凍融作用10次后前期抗剪強(qiáng)度降低速率明顯高于后期.纖維長(zhǎng)度6 mm時(shí)，改良土凍融10次、15次、20次的抗剪強(qiáng)度分別平均降低了7.9%，10.6%，12.0%；纖維長(zhǎng)度9 mm時(shí)，改良土凍融10次、15次、20次的抗剪強(qiáng)度分別平均降低了7.1%，9.4%，10.3%；纖維長(zhǎng)度12 mm時(shí)，改良土凍融10次、15次、20次的抗剪強(qiáng)度分別平均降低了7.6%，12.1%，14.0%.這說(shuō)明凍融作用進(jìn)行到15次后，凍融作用對(duì)纖維改良土抗剪強(qiáng)度影響較小.

由圖2可知，同一纖維摻量和長(zhǎng)度下，纖維改良土抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)增加逐漸減小，且纖維摻量越小，改良土抗壓強(qiáng)度降速越快，各級(jí)纖維摻量改良土平均降速為14.0%，11.4%，10.0%，10.0%和9.7%.另外，纖維改良土抗壓強(qiáng)度降速隨凍融次數(shù)增加先增大后減小，在凍融15次后，抗壓強(qiáng)度基本不再變化.與凍融0次改良土抗壓強(qiáng)度相比，改良土凍融15次、20次抗壓強(qiáng)度分別平均降低了34.5%，38.0%.對(duì)此，建議可以采用纖維改良土凍融作用15次抗壓強(qiáng)度作為路基填料強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo).

2.2 纖維摻量及長(zhǎng)度影響

聚丙烯纖維摻量及長(zhǎng)度對(duì)凍融作用下的改良土抗剪強(qiáng)度影響見(jiàn)圖3、圖4.

圖3 纖維摻量-聚丙烯纖維改良土抗剪強(qiáng)度關(guān)系

圖4 纖維摻量-聚丙烯纖維改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度關(guān)系

由圖3可知：

1) 凍融次數(shù)與圍壓相同時(shí)，一定長(zhǎng)度的聚丙烯纖維改良土抗剪強(qiáng)度隨纖維摻量增加先增加后減小，且0.3%纖維摻量改良土抗剪強(qiáng)度取得峰值.纖維摻量從0.1%增加至0.3%，長(zhǎng)度為6，9，12 mm的纖維改良土在圍壓50 kPa下抗剪強(qiáng)度分別平均提高9.8%，10.6%，23.7%，圍壓100 kPa下分別平均提高6.4%，9.4%，19.9%，圍壓200 kPa下的分別平均提高3.2%，4.0%，12.7%；與纖維改良土凍融0次抗剪強(qiáng)度相比，聚丙烯纖維長(zhǎng)度6和9 mm時(shí)，改良土抗剪強(qiáng)度凍融5次增速最快，分別約為9.8%，11.6%；纖維長(zhǎng)度12 mm時(shí)，凍融10次的改良土抗剪強(qiáng)度增速最快，為24.5%.

2) 凍融試驗(yàn)條件一致時(shí)，聚丙烯纖維長(zhǎng)度對(duì)不同纖維摻量的改良土抗剪強(qiáng)度影響不同.纖維摻量<0.3%時(shí)，纖維改良土抗剪強(qiáng)度先增大后減小，纖維長(zhǎng)度9 mm處抗剪強(qiáng)度最大，當(dāng)纖維長(zhǎng)度從6 mm增加至9 mm，圍壓50，100，200 kPa改良土抗剪強(qiáng)度分別平均提高了14.0%，12.0%，8.9%；纖維摻量≥0.3%時(shí)，纖維改良土抗剪強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度增加逐漸提高；纖維摻量為0.3%，0.4%時(shí)，圍壓50和100 kPa下改良土抗剪強(qiáng)度增速顯著快于圍壓200 kPa下抗剪強(qiáng)度，其抗剪強(qiáng)度分別平均提高12.6%，14.0%，4.7%.另外，相同凍融次數(shù)下，纖維長(zhǎng)度對(duì)0.3%，0.4%纖維摻量改良土影響顯著，各級(jí)纖維摻量下改良土纖維長(zhǎng)度從6增長(zhǎng)至12 mm時(shí)，抗剪強(qiáng)度分別平均提高了4.6%，8.5%，25.8%，18.4%和13.7%.

由圖4可知：

1) 凍融次數(shù)與圍壓相同時(shí)，凍融作用下纖維改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量增加呈拋物線趨勢(shì)變化，其抗壓強(qiáng)度先增大后減小，且0.3%纖維摻量改良土抗壓強(qiáng)度取得峰值，與0.1%纖維摻量改良土抗壓強(qiáng)度相比，纖維長(zhǎng)度6，9，12 mm改良土抗壓強(qiáng)度分別平均提高了136%，82%，79%.另外，纖維長(zhǎng)度6 mm時(shí)，0.3%纖維摻量改良土凍融作用10次、15次、20次的抗壓強(qiáng)度與0.4%纖維摻量改良土凍融作用0次、5次、10次抗壓強(qiáng)度相當(dāng)；纖維長(zhǎng)度9 mm和12 mm時(shí)，0.3%纖維摻量改良土凍融作用10次、15次、20次的抗壓強(qiáng)度均大于0.4%纖維摻量改良土凍融作用5次、10次、15次抗壓強(qiáng)度.同時(shí)，同一凍融次數(shù)和纖維長(zhǎng)度下，0.3%纖維摻量改良土抗壓強(qiáng)度比0.4%纖維摻量改良土抗壓強(qiáng)度平均高9.8%.說(shuō)明一定摻量的纖維可彌補(bǔ)改良土凍融作用下抗壓強(qiáng)度降低量.對(duì)此，建議纖維改良土最佳聚丙烯纖維摻量為0.3%.

2) 相同纖維摻量下，凍融作用下纖維改良土抗壓強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度增加逐漸提高，且纖維長(zhǎng)度從6 mm增加至9 mm時(shí)，各級(jí)纖維摻量改良土抗壓強(qiáng)度分別平均提高了34%，8.1%，5.7%，13%，10%；纖維長(zhǎng)度從9 mm增加至12 mm時(shí)，纖維長(zhǎng)度對(duì)改良土凍融作用下的抗壓強(qiáng)度影響較小，各級(jí)纖維摻量改良土抗壓強(qiáng)度分別平均提高了7.6%，2.9%，4.3%，4.3%，5.4%.對(duì)此，建議纖維改良土聚丙烯纖維長(zhǎng)度為9 mm.

3 結(jié) 論

1) 同一纖維摻量和長(zhǎng)度下，纖維改良土力學(xué)強(qiáng)度隨凍融次數(shù)增加逐漸降低，且凍融作用前期力學(xué)強(qiáng)度降低速率明顯高于后期，凍融作用進(jìn)行到15次后力學(xué)強(qiáng)度基本不再變化.與凍融0次改良土力學(xué)強(qiáng)度相比，纖維改良土凍融15次、20次抗剪強(qiáng)度分別平均降低了10.7%，12.1%，抗壓強(qiáng)度分別平均降低了34.5%，38.0%.建議采用纖維改良土凍融作用15次抗壓強(qiáng)度作為路基填料強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo).

2) 纖維長(zhǎng)度一定時(shí)，凍融作用下纖維改良土力學(xué)強(qiáng)度隨纖維摻量增加先增加后減小，且0.3%纖維摻量改良土力學(xué)強(qiáng)度取得峰值，與0.1%纖維摻量改良土力學(xué)強(qiáng)度相比，各纖維長(zhǎng)度改良土抗剪強(qiáng)度分別至少挺高了3.2%，4.0%，12.7%，抗壓強(qiáng)度分別平均提高了136%，82%，79%.建議纖維改良土最佳聚丙烯纖維摻量為0.3%.

3) 纖維摻量一定時(shí)，凍融作用下纖維改良土抗壓強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度增加逐漸提高，且纖維長(zhǎng)度從9 mm增加至12 mm時(shí)，纖維長(zhǎng)度對(duì)改良土凍融作用下的抗壓強(qiáng)度影響較小.纖維摻量<0.3%，改良土抗剪強(qiáng)度先增大后減小，在纖維長(zhǎng)度9 mm處取得峰值；纖維摻量≥0.3%，改良土抗剪強(qiáng)度隨纖維長(zhǎng)度增加逐漸提高.建議纖維改良土聚丙烯纖維長(zhǎng)度為9 mm.