復摻非等長玄武巖纖維的水泥土抗拉特性分析

沈 晨，章定文，張國龍，宋 濤，徐慧敏

(1. 東南大學 交通學院，江蘇 南京 211189； 2. 東南大學 道路交通工程國家級實驗教學示范中心，江蘇 南京 211189； 3. 安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；4. 中南建筑設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430000)

0 引 言

路堤荷載下水泥土攪拌樁除發(fā)生剪切破壞外，還可能發(fā)生彎折、拉伸等破壞，這都與水泥土受拉特性密切相關(guān)[1-2]。針對水泥土抗拉強度低的局限性，有學者提出采用纖維加筋來增強水泥土的抗拉強度[3-7]。低彈性模量的纖維(尼龍纖維、聚乙烯纖維、聚丙烯纖維等)僅能提升土體的抗沖擊、抗熱爆等物理性能，而高彈性模量的玄武巖纖維徐變小，具有較高的抗拉強度且穩(wěn)定性好，因此可有效提升水泥土的抗拉強度和韌性[8-9]。

纖維水泥土抗拉強度測試方法有直接測定法(單軸拉伸法、三軸拉伸法)和間接測定法(土梁彎曲法、徑向壓裂法、軸向壓裂法等)[10-14]。Consoli等[15]通過水泥土的室內(nèi)劈裂抗拉強度測試得出，孔隙率與水泥含量的比值可有效表征聚丙烯纖維水泥土的抗拉強度。Li等[16]通過單軸拉伸試驗測試發(fā)現(xiàn)，聚丙烯纖維含量(質(zhì)量分數(shù))從0%增加到0.2%，水泥土拉伸強度提高了65.7%，少量纖維即可大幅提升水泥土的抗拉強度，并改善水泥土的脆性破壞。Festugoto等[17]開展了聚丙烯纖維水泥土的無側(cè)限抗壓和劈裂拉伸試驗，結(jié)果表明摻入0.5%的24 mm長的纖維，水泥土無側(cè)限抗壓強度提高了35%，劈裂抗拉強度提高了67%。陳峰[18]進行了劈裂抗拉強度測試，結(jié)果表明，水泥土抗拉強度提升了58.6%，且纖維對抗拉強度的提升效果較抗壓強度更大。蘇紅軍[19]分析了玻璃纖維摻量、水泥摻量、土樣含水率等因素對其劈裂抗拉強度的影響，結(jié)果表明當纖維摻量(質(zhì)量分數(shù))小于2%時，水泥土抗拉強度將得到顯著提高，纖維摻量大于2%時，抗拉強度的增長速率逐漸變小。

目前纖維加筋水泥土抗拉特性的研究通常采用單摻的方式，對不同長度纖維的加固效果研究甚少。本研究采用自主研發(fā)的“領(lǐng)結(jié)”型單軸拉伸設(shè)備，開展不同長度玄武巖纖維復摻的水泥土拉伸試驗，并采用掃描電鏡試驗，旨在明確非等長玄武巖纖維復摻對水泥土抗拉破壞形態(tài)的影響，分析水泥土單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值和殘余強度、韌性等的變化規(guī)律，研究玄武巖纖維增強水泥固化土抗拉性能的機制及主要影響因素。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用土取自合肥白山節(jié)制樞紐船閘引航道邊坡地表下4 m處。經(jīng)烘干、粉碎過2 mm篩后按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)規(guī)定進行土樣的重度、干密度、孔隙比、天然含水率、界限含水率、顆粒級配等測試，測得土體比重為2.71，其基本物理指標見表1，土樣顆粒級配見圖1。

表1 試驗用土的基本物理指標Table 1 Basic Physical Indexes of Experimental Soil

圖1 土樣顆粒級配曲線Fig.1 Grain Distribution Curve of Soil Sample

試驗固化劑采用普通硅酸鹽P.O42.5水泥，相對密度為3.10，其主要化學成分為CaO(含量為66.17%)，SiO2(含量為17.85%)，Al2O3(含量為5.24%)。土樣初始含水率為51.4%(與現(xiàn)場天然含水率一致)，水泥土摻量(水泥與干土質(zhì)量的百分比)為15%。選取直徑為17 μm，長度分別為6，9，12 mm的3種玄武巖纖維進行不同長度復摻的纖維水泥土單軸拉伸試驗。

1.2 試驗方法

通過預試驗發(fā)現(xiàn)，纖維長度(6，9，12 mm)、纖維直徑(13，17，19 μm)及摻量(0%，0.5%，1.0%，1.5%)三因素對水泥土抗拉強度影響程度從大到小依次為纖維長度、纖維摻量、纖維直徑。采用直徑為17 μm和摻量為1.5%的玄武巖纖維，單摻長度分別為6，9，12 mm的纖維，水泥土抗拉峰值強度分別為0.23，0.4，0.19 MPa，殘余強度分別為0.13，0.19，0.11 MPa，韌性分別為2.5×10-3，4.9×10-3，2.7×10-3MPa·m1/2。據(jù)此在最優(yōu)單摻參數(shù)(長度9 mm，摻量1.5%，直徑17 μm)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了纖維總摻量為1.5%，纖維長度分別為6 mm+9 mm，9 mm+12 mm，6 mm+12 mm，且分別按1∶3，1∶1，3∶1的摻入比(質(zhì)量比)混合的復摻試驗，具體配合比見表2。

表2 復摻試驗配合比Table 2 Proportion of Mixed Tests

采用掃描電鏡能譜分析技術(shù)(SEM-EDS)對典型試樣開展微觀測試。

2 測試結(jié)果與分析

2.1 單軸抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

纖維水泥土單軸抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。由圖2(a)可知，纖維長度6 mm+9 mm復摻組的水泥土單軸抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本上介于纖維長度為6，9 mm單摻應(yīng)力-應(yīng)變曲線之間，且抗拉強度隨9 mm纖維摻量的減少而降低。由圖2(b)可知，9 mm+12 mm復摻組按3∶1混合的水泥土試樣的抗拉峰值強度最大，按1∶1和3∶1混合的水泥土試樣抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線均位于纖維長9 mm與12 mm單摻組所圍成的區(qū)域內(nèi)。由圖2(c)可知，6 mm+12 mm復摻組按3∶1混合的水泥土試樣強度在本組內(nèi)最大。按1∶1和3∶1混合的水泥土試樣抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線均位于纖維長6 mm與12 mm單摻組所圍成的區(qū)域內(nèi)。

圖2 復摻纖維水泥土單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Uniaxial Tensile Stress-strain Curves of Cemented Soil with Fiber

纖維水泥土單軸抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線的簡化曲線如圖3所示?？梢钥闯?，單摻和復摻纖維水泥土單軸抗拉的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可分為4個階段：①彈性變形階段(OA)；②損傷破壞階段(AB)；③殘余強度階段(BC)；④最終破壞階段(CD)。OA段纖維水泥土應(yīng)力-應(yīng)變呈線性增長。AB段應(yīng)變略微增大，纖維水泥土達到峰值強度出現(xiàn)脆性斷裂破壞，試件的整體抗拉強度會由峰值驟降為某一數(shù)值。BC段應(yīng)變繼續(xù)增長，裂縫出現(xiàn)后水泥土的拉應(yīng)力驟降而纖維的拉應(yīng)力迅速增大，纖維水泥土存在一定的殘余強度，由于纖維與水泥土相互作用，水泥土的抗拉強度略有增長趨勢。CD段纖維與水泥土間的黏聚力和摩阻力逐漸耗損形成“脫黏”現(xiàn)象，纖維呈緩慢向外拔出的趨勢，導致其有效長度逐漸減小，應(yīng)力逐漸降低，應(yīng)力損失速度較AB段略小?？梢娺m當調(diào)整不同長度玄武巖纖維復摻的比例可有效提升水泥土的強度。

圖3 復摻纖維水泥土單軸抗拉強度應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain Curve of Uniaxial Tensile Strength of Cemented Soil with Fiber

2.2 抗拉強度

非等長纖維復摻組水泥土的抗拉峰值強度和抗拉殘余強度如圖4所示。

圖4 復摻纖維水泥土的抗拉強度Fig.4 Tensile Strength of Cemented Soil with Fiber

由圖4(a)可知：6 mm+9 mm，9 mm+12 mm復摻組水泥土的抗拉峰值強度較高，按1∶3，1∶1和3∶1復摻時6 mm+9 mm復摻組水泥土抗拉峰值強度分別為0.36，0.32，0.27 MPa；9 mm+12 mm復摻組抗拉峰值強度分別為0.26，0.32，0.41 MPa；6 mm+12 mm復摻組抗拉峰值強度分別為0.20，0.22，0.24 MPa。其中9 mm+12 mm復摻組按3∶1混合時抗拉峰值強度為0.41 MPa，較9，12 mm單摻組的抗拉峰值強度0.4 MPa和0.19 MPa分別提升了2.5%和115.79%。測試結(jié)果表明9 mm在3種纖維長度中為最優(yōu)長度。

9 mm+12 mm復摻組按3∶1混合時抗拉峰值強度為0.41 MPa，但6 mm+9 mm復摻組按1∶3復摻時最大抗拉峰值強度為0.36 MPa。此外，12 mm單摻組抗拉峰值強度0.19 MPa低于6 mm單摻組抗拉峰值強度0.23 MPa，但9 mm+12 mm按1∶1復摻時抗拉強度為0.32 MPa，這與6 mm+9 mm復摻組按1∶1復摻的抗拉強度相同?？梢娫谂c9 mm纖維復摻組合中，12 mm纖維復摻效果要略優(yōu)于6 mm纖維。

由圖4(b)可知：6 mm+9 mm，9 mm+12 mm復摻組水泥土的殘余強度較高，按1∶3，1∶1和3∶1復摻時6 mm+9 mm復摻組水泥土殘余強度分別為0.19，0.17，0.15 MPa；9 mm+12 mm復摻組殘余強度分別為0.15，0.17，0.21 MPa；6 mm+12 mm復摻組殘余強度分別為0.10，0.11，0.12 MPa。非等長纖維復摻情況下，纖維對水泥土抗拉殘余強度的影響規(guī)律和抗拉峰值強度的影響規(guī)律一致，即9 mm在3種纖維長度中為最優(yōu)長度，且與9 mm纖維復摻組合中，12 mm纖維復摻效果要略優(yōu)于6 mm纖維。

2.3 抗拉破壞形態(tài)

非等長纖維復摻組水泥土的抗拉破壞形式均表現(xiàn)為脆性斷裂。典型復摻組試樣的破壞形態(tài)如圖5所示。由圖5可知，纖維水泥土試件斷裂縫均位于中部，試件兩端均出現(xiàn)2或3條微小裂紋，局部放大圖顯示裂縫均呈現(xiàn)出較均勻的分布狀態(tài)(基本無集束現(xiàn)象)，纖維在試件拉斷瞬間處于拉緊狀態(tài)，當裂縫增大到3～5 mm時，6 mm纖維多數(shù)被拔出，不再承受拉應(yīng)力，而9 mm纖維仍呈現(xiàn)拉緊狀態(tài)，拉緊狀態(tài)的纖維數(shù)量越多，試件抗拉能力越強，所以9 mm纖維對水泥土抗拉強度提升作用明顯。12 mm的纖維會出現(xiàn)集束現(xiàn)象，試件的抗拉能力下降，因此試樣抗拉強度隨12 mm纖維摻量的增大而降低。這和應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律一致。

圖5 復摻纖維水泥土的抗拉破壞形態(tài)Fig.5 Tensile Failure Patterns of Cement-soil with Fiber

2.4 纖維水泥土的韌性

韌性表示材料在塑性變形和破裂過程中吸收能量的能力，韌性越好越不易發(fā)生脆性斷裂，是材料延性和強度的綜合體現(xiàn)[8]。水泥土韌性T可定義為應(yīng)力-應(yīng)變曲線所圍成的面積，如圖6所示。

圖6 韌性計算示意圖Fig.6 Schematic Diagram of Toughness Calculation

本試驗中試樣單軸拉伸應(yīng)變達到0.8%時試樣全部斷裂，故采用0%～0.8%應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力-應(yīng)變曲線所圍成的面積計算韌性，計算結(jié)果見圖7。

圖7 復摻纖維水泥土的韌性Fig.7 Toughness of Cemented Soil with Fiber

由圖7可知：6 mm+9 mm，9 mm+12 mm復摻組水泥土的韌性較好，按1∶3，1∶1，3∶1復摻時，6 mm+9 mm復摻組水泥土韌性分別為4.8×10-3，4.3×10-3，3.7×10-3MPa·m1/2；9 mm+12 mm復摻組韌性分別為3.7×10-3，4.3×10-3，5.2×10-3MPa·m1/2；6 mm+12 mm復摻組韌性分別為2.5×10-3，2.9×10-3，3.3×10-3MPa·m1/2。其中，9 mm+12 mm復摻組按3∶1復摻水泥土的韌性為5.2×10-3MPa·m1/2，相比于9 mm單摻組水泥土韌性4.9×10-3MPa·m1/2略微提升，比12 mm單摻組水泥土韌性2.7×10-3MPa·m1/2提升了92.6%。復摻纖維對水泥土韌性的影響規(guī)律與抗拉峰值強度及殘余強度的變化規(guī)律一致。

2.5 微觀機制

2.5.1 微觀作用機制

圖8為9 mm+12 mm復摻組水泥土試樣的SEM-EDS分析結(jié)果。由圖8可知，玄武巖纖維的表面、根部以及鄰近纖維之間、纖維根部周圍均有大量絮狀或塊狀的水泥水化產(chǎn)物C—H—S。C—H—S具有很高的黏結(jié)和吸附強度，使得纖維與水泥土之間的黏聚力得到了極大提升。另外，C—H—S填充了纖維與纖維間、纖維與土顆粒間及土顆粒與土顆粒間的孔隙，降低了試樣的孔隙率導致試樣更加密實，增大了纖維與水泥土間的接觸面積和正應(yīng)力，進而提升纖維與水泥土間的摩阻力。圖8(c)中12 mm纖維出現(xiàn)集束或成團現(xiàn)象，纖維之間出現(xiàn)較多孔隙，水泥土無法完全包裹纖維，降低了纖維與水泥土之間的接觸面積。

圖8 玄武巖纖維水泥土SEM-EDS分析結(jié)果Fig.8 Analysis Results of SEM-EDS of Cemented Soil with Basalt Fiber

水泥中纖維受力如圖9所示。由圖9可知，水泥土對玄武巖纖維的黏結(jié)力及摩阻力會在纖維周圍形成錨固區(qū)，試件承受外部荷載時，通過錨固區(qū)荷載傳遞發(fā)揮纖維的高抗拉強度特性，進而提升水泥土的抗拉強度和韌性。

圖9 水泥土中纖維的受力Fig.9 Fiber Force of Cemented Soil

2.5.2 纖維分散形態(tài)

圖10為纖維在水泥土中的分布圖。由圖10可見，纖維在水泥土中呈三維隨機分布，相互搭接交錯形成一定的內(nèi)部空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當某一根纖維受拉與水泥土產(chǎn)生相對運動趨勢時，與之搭接交叉的纖維及內(nèi)部夾雜的水泥土會阻礙其運動，從而約束了試件的變形，提升了纖維水泥土的整體抗拉強度。此外，當試件受外部荷載出現(xiàn)微裂縫時，纖維可有效傳遞和消散應(yīng)力，限制或減緩了裂縫的發(fā)展。

圖10 纖維在水泥土中的分布Fig.10 Fiber Distribution in Cemented Soil

圖11為纖維斷裂口樣貌圖。由圖11可見，纖維在外荷載下拉斷后會留下片狀撕裂口，表明纖維與水泥土間存在優(yōu)良的錨固力。纖維較短時，存在部分纖維與水泥土間黏結(jié)力不足被拔出的現(xiàn)象。

圖11 纖維斷裂口樣貌Fig.11 Appearance of Fiber Fracture

3 結(jié) 語

(1)非等長玄武巖纖維復摻水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可劃分為4個階段：①彈性變形階段；②損傷破壞階段；③殘余強度階段；④最終破壞階段。纖維減緩了試件在破壞階段的應(yīng)力損失速度，使斷裂后的試件具有殘余強度，破壞時表現(xiàn)出明顯的塑性，呈現(xiàn)“裂而不斷”的狀態(tài)。

(2)非等長玄武巖纖維復摻水泥土的最優(yōu)復摻方案為9 mm+12 mm按3∶1復摻，其抗拉峰值強度、殘余強度和韌性均有效提升。

(3)纖維在水泥土中呈三維隨機分布，相互搭接交錯形成一定的內(nèi)部空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可有效傳遞應(yīng)力，提升了纖維水泥土的抗拉強度。

(4)纖維表面與周圍生成的水化產(chǎn)物C—H—S黏結(jié)在纖維表面，或填充水泥土內(nèi)部空隙，增強了纖維與水泥土界面的黏結(jié)性和摩阻力，纖維和水泥土之間形成錨固效應(yīng)。

(5)纖維短時易被拔出，纖維過長會出現(xiàn)集束現(xiàn)象，這將影響纖維對水泥土抗拉強度的增強效果。