纖維摻量對季凍區(qū)改良粉質(zhì)黏土力學(xué)性能的影響分析

李 亮 徐波陽

(1.成都天府國際機(jī)場飛行區(qū)管理中心 簡陽 610000； 2.同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院 上海 201804)

季節(jié)凍土區(qū)在我國分布廣泛，其面積超過我國國土面積的一半，常用粉質(zhì)黏土作為該區(qū)的路基填料[1]，但由于粉質(zhì)黏土存在明顯的毛細(xì)管現(xiàn)象，且吸水保水能力強(qiáng)，滲透性好，可以提供通暢的水源補(bǔ)給通道，因而導(dǎo)致大量自由水聚集，在凍融循環(huán)的作用下，容易形成路基翻漿、路基下沉等現(xiàn)象，造成嚴(yán)重的路基凍害[2]。為防治該病害，可以選擇改良路基土，當(dāng)前最為普遍的做法是采用水泥進(jìn)行改良，將水泥和土充分拌和后進(jìn)行碾壓整平，使得水泥和土中的水分充分反應(yīng)，碾壓成型后水泥開始凝結(jié)形成強(qiáng)度，從而達(dá)到提高土基強(qiáng)度，消除土基濕陷，防止較大變形的目的，但是水泥改良土存在著一些缺陷，如干縮、脆性破壞等特征[3-5]。當(dāng)纖維用于路基土改良時(shí)，可以顯著提升其塑性變形的能力，但是對土體的力學(xué)性能改良效果不明顯。

在水泥改良土中加入纖維即可形成復(fù)合改良土?，F(xiàn)有的文獻(xiàn)大多側(cè)重研究未改良土和單一改良土的力學(xué)特性[6-8]，單一改良下的水泥改良土仍然存在一定的問題，水泥高摻量下易產(chǎn)生收縮裂縫，低摻量下凍脹更加明顯，其次強(qiáng)度受齡期和水灰比的影響較大，在凍融作用下其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均有明顯的下降，存在明顯的脆性破壞現(xiàn)象，而相較于水泥改良土，復(fù)合改良土在強(qiáng)度方面和抵抗塑性收縮開裂方面均有不錯(cuò)的表現(xiàn)。因此復(fù)合改良土具有十分廣闊的研究前景。

基于上文，將纖維用于路基土改良時(shí)，主要用于提升其塑性變形能力和抗壓能力，故本文針對纖維摻量對季凍區(qū)改良粉質(zhì)黏土動(dòng)態(tài)回彈模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響進(jìn)行研究。本試驗(yàn)的復(fù)合改良土先通過預(yù)試驗(yàn)確定合適摻量的水泥，選擇玄武巖纖維，通過改變玄武巖纖維摻量，分析不同摻量下改良土動(dòng)態(tài)回彈模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化。

1 復(fù)合改良土抗凍機(jī)理

在水泥改良土中加入纖維即可形成復(fù)合改良土，復(fù)合改良土能夠在水泥改良土的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度，形成更好的水穩(wěn)定性，并且抵抗塑性收縮開裂的效果也會(huì)明顯提高。這是因?yàn)殡S機(jī)分散于水泥改良土中的纖維能夠有效地提高試樣的壓縮強(qiáng)度、剪切強(qiáng)度、抗拉能力和承載力，減少峰值強(qiáng)度損失，使試樣呈現(xiàn)一定韌性。水泥水化又會(huì)消耗土體中的自由水，形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)土體，降低土體的含水率，減小土體凍結(jié)時(shí)冰晶產(chǎn)生的凍脹作用。所以復(fù)合改良粉質(zhì)黏土的抗凍性能主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：①纖維加固土體；②水泥水化作用增強(qiáng)土體。

2 原材料性能

2.1 粉質(zhì)黏土基本物性參數(shù)

本試驗(yàn)用土為呼倫貝爾市阿里河路路基填土，根據(jù)JTG E40-2007 《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》對其進(jìn)行粒徑分析實(shí)驗(yàn)、界限含水率試驗(yàn)、天然含水率試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn)。得到其液限介于10～17之間，因此判定其為粉質(zhì)黏土；其最大干密度為1.92 g/cm3，最佳含水率為12.4%，其余物理指標(biāo)見表1。

表1 土樣物性參數(shù)

2.2 水泥

水泥是水泥改良土的膠結(jié)料，在改善土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面發(fā)揮重要作用。在水泥改良土中，使用少量即可滿足目標(biāo)強(qiáng)度的要求。目前市場上常見水泥品種有普通硅酸鹽水泥(P·O 32.5)和復(fù)合硅酸鹽水泥(P·C 32.5)等。本試驗(yàn)選用普通硅酸鹽水泥，相較于復(fù)合硅酸鹽水泥，其優(yōu)勢在于可以節(jié)約成本，滿足改良土施工時(shí)需要水泥具有較長的初凝時(shí)間的需求，并且能夠在同等性價(jià)比基礎(chǔ)上增加摻入比例，提高施工質(zhì)量。

2.3 纖維

本試驗(yàn)選擇玄武巖纖維作為復(fù)合改良土的摻入料。玄武巖纖維(BF)是人工合成的高性能纖維，其優(yōu)勢在于綠色環(huán)保、價(jià)格便宜并且抗拉性能和彈性模量等力學(xué)性能相較于其他人工纖維也更有優(yōu)越性。摻入土體時(shí)，玄武巖摻合料能夠很好地提升土體的抗彎拉性能，也不會(huì)出現(xiàn)鋼纖維銹蝕等問題。剛性無機(jī)短切玄武巖纖維目前廣泛應(yīng)用于土木工程等領(lǐng)域，在增加水泥和瀝青混凝土的抗裂性和抗沖擊性方面有良好的表現(xiàn)。目前對玄武巖纖維改性混凝土的研究相對較多。但是將玄武巖纖維應(yīng)用于粉質(zhì)黏土的試驗(yàn)則相對較少，特別是在土體改良力學(xué)性能等方面。

試驗(yàn)采用的玄武巖纖維為束狀單絲壓制而成的條狀纖維，試驗(yàn)前需將其做分散處理然后均勻摻入土體，纖維絲的物理指標(biāo)見表2。

表2 玄武巖纖維的物理力學(xué)參數(shù)

3 試驗(yàn)方案

3.1 試件成型及養(yǎng)護(hù)

從經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，水泥摻量過高導(dǎo)致造價(jià)昂貴，不適用于具體工程，摻量較低則無法實(shí)現(xiàn)對土力學(xué)性能理想的改良效果，通過前期的預(yù)備實(shí)驗(yàn)，將復(fù)合改良粉質(zhì)黏土中水泥摻量確定為6%。本文選擇玄武巖纖維摻量分別為0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。復(fù)合土的最佳含水率和最大干密度采用目標(biāo)水泥摻量下的水泥土的最佳含水率和最大干密度?？紤]到在凍融循環(huán)作用下，最佳含水率左側(cè)的水泥土力學(xué)性能衰變相對較小，因此復(fù)合改良粉質(zhì)黏土中的初始含水率的水平為OMC、OMC+2%、OMC+4%和OMC+6%。

試件成型及養(yǎng)護(hù)過程按下文所述進(jìn)行。首先稱量一定量符合試件重量的烘干至恒重的粉質(zhì)黏土，加入目標(biāo)含水率下的水進(jìn)行充分的拌和，拌和均勻后將其置于保鮮袋中密封靜置24 h，其目的是讓土體中的水分均勻分散。稱量試件所需的濕土質(zhì)量與6%水泥摻量均勻拌和，再將纖維分散加入水泥中均勻拌和，將拌和均勻的復(fù)合改良土均分5層加入直徑×高度為5 cm×10 cm試模中，分層擊實(shí)，加入最后一層后，用壓力機(jī)靜壓成型，位移速率控制在1 mm/min，壓力值迅速上升時(shí)關(guān)閉進(jìn)油閥，靜置2 min后打開出油閥，進(jìn)行試件脫模，稱量成型后每一試件的實(shí)際質(zhì)量，記錄其高度和直徑。復(fù)合改良土的養(yǎng)護(hù)方式與水泥土的養(yǎng)護(hù)方式一致。

3.2 試驗(yàn)方法

3.2.1凍融

凍結(jié)作用的設(shè)備為醫(yī)學(xué)可控低溫冰箱，凍結(jié)溫度設(shè)定為-15 ℃，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為6～9次，融化溫度采用室溫自然融化，室溫設(shè)定為(20±1) ℃。以確保試件內(nèi)部充分凍結(jié)，凍結(jié)1次的時(shí)間設(shè)定為12 h；然后將試件置于室溫下12 h一次性自然融化，完成該2項(xiàng)步驟即完成了1次凍融循環(huán)作用。受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，本次試驗(yàn)采用封閉系統(tǒng)下，相同凍結(jié)速率、三向凍結(jié)的方式。

3.2.2回彈模量試驗(yàn)

考慮不同初始含水率水平和凍融次數(shù)，形成實(shí)驗(yàn)組，對各個(gè)實(shí)驗(yàn)組分別進(jìn)行試驗(yàn)，每組設(shè)3個(gè)平行試件，取其平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果，得到設(shè)定含水率、水泥摻量和圍壓下動(dòng)態(tài)回彈模量與偏應(yīng)力的變化曲線，進(jìn)而得到纖維摻量與動(dòng)態(tài)回彈模量的變化曲線。

3.2.3無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

采用動(dòng)三軸加載系統(tǒng)進(jìn)行無側(cè)限壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)程序遵循JTG 3430-2020 《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》，所有無側(cè)限壓縮試驗(yàn)均在室內(nèi)溫度(23±2) ℃下進(jìn)行。為了減少試樣與加載頭之間的摩擦，試樣頂部和底部均涂抹凡士林。以2 mm/min的恒定位移率加載試樣，直至試樣破壞。

考慮不同初始含水率水平和凍融次數(shù)，形成實(shí)驗(yàn)組，對各個(gè)實(shí)驗(yàn)組分別進(jìn)行試驗(yàn)，每組3個(gè)平行試件，取其平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。得到設(shè)定含水率、水泥摻量下纖維摻量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化曲線。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 回彈模量

圖1反映了6%水泥摻量下不同玄武巖纖維摻量和初始含水率試件在凍融循環(huán)作用下，回彈模量的變化規(guī)律。

圖1 玄武巖纖維+水泥復(fù)合改良土回彈模量與含水率的關(guān)系

由圖1可知，最佳含水率、圍壓41.4 kPa和偏應(yīng)力27.6 kPa下，纖維摻量為0%，0.50%，1.0%和1.50%，非凍融循環(huán)試件的回彈模量分別為247.93，247.09，265.17，260.61和250.07 MPa。當(dāng)玄武巖纖維含量從0%增加到1.0%時(shí)，回彈模量增加7.0%左右，當(dāng)纖維含量繼續(xù)增加至2.0%時(shí)，回彈模量反而下降。含水率OMC+6%、圍壓41.4 kPa和偏應(yīng)力27.6 kPa下，9次凍融循環(huán)后，纖維含量為0，0.5%，1.0%和1.5%的回彈模量分別下降到42.10%，39.11%，35.84%，38.91%和37.65%。水泥摻量為6%，玄武巖纖維摻量為1.0%的試樣回彈模量最高。

4.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2反映了6%水泥摻量下不同玄武巖纖維摻量和初始含水率試件在凍融循環(huán)作用下，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。

圖2 玄武巖纖維+水泥復(fù)合改良土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與纖維摻量的關(guān)系

由圖2可見，隨著玄武巖纖維摻量的增加，復(fù)合改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大后減小，存在一個(gè)最佳摻量。初始含水率為OMC、OMC+2%、OMC+4%和OMC+6%時(shí)，當(dāng)纖維含量從0增加到1.0%，未凍融試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)分別增加2.94%，2.88%，4.83%和5.71%，凍融9次后試件的UCS分別增加6.78%，8.72%，21.05%和48.84%，說明隨著凍融次數(shù)的增加，玄武巖纖維對復(fù)合改良土的抗凍性在逐漸增強(qiáng)；當(dāng)纖維含量從1.0%增加至2.0%時(shí)，未凍融試件UCS分別下降3.57%，3.6%，6.58%和9.01%，凍融9次后試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度UCS分別下降6.90%，9.88%，20.65%和18.75%。與水泥摻量為6%的土體相比，摻加玄武巖纖維復(fù)合改良土試件的UCS一般大于未摻纖維的試件。水泥摻量為6%，玄武巖纖維摻量為1.0%的試樣UCS最高。

5 結(jié)語

根據(jù)目前對改良土抗凍性能的研究總結(jié)，同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)所得出的數(shù)據(jù)，在凍融循環(huán)水泥摻量為6%、初始含水率分別為OMC、OMC+2%、OMC+4%和OMC+6%的條件下，研究纖維摻量對季凍區(qū)改良粉質(zhì)黏土動(dòng)態(tài)回彈模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，得到如下結(jié)論。

適當(dāng)?shù)睦w維摻量能夠明顯提高改良土的動(dòng)態(tài)回彈模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，纖維摻量過高或者過低均不能達(dá)到較好的效果。針對于玄武巖纖維，玄武巖纖維含量為1.0%時(shí)，其回彈模量和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高，可起到較好的改良效果。