不同种类纤维对水泥土力学性质影响试验研究

姚　燕　贺祖浩

(河海大学 土木与交通学院， 南京　210098)



不同种类纤维对水泥土力学性质影响试验研究

姚燕贺祖浩

(河海大学 土木与交通学院， 南京210098)

摘要：将聚乙烯醇、聚丙烯、网状聚丙烯、玻璃纤维这4种纤维掺入水泥土，分别通过无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验、抗折试验、直剪试验研究不同性质的纤维对水泥土性质的影响．结果表明：聚乙烯醇和玻璃的纤维对水泥土强度提高较大；对水泥土延性与塑性的提高效果比较为：聚乙烯醇纤维>聚乙烯纤维>网状聚丙烯纤维>玻璃纤维；纤维的掺入能够明显提高水泥土的粘聚力，其中玻璃纤维在提高粘聚力的同时能够不降低水泥土的内摩擦角．

关键词：纤维；水泥土；强度；粘聚力；内摩擦角

水泥土因为易于施工、造价低、污染少等优点被广泛的应用于软土地基加固、基础防渗、渠岸护坡等实际工程[1]．但水泥土是脆性材料，容易发生断裂破坏，造成工程事故[2]．为改善水泥土的力学性质，许多学者通过加入纤维来改善水泥土的力学性质，殷勇研究了玻璃纤维对改善水泥土力学性质的影响[3]；张雷，张震等研究了聚丙烯纤维对水泥土抗压强度影响[4]．目前纤维水泥土的研究大多从纤维的长度、含量以及形状的角度进行研究分析，较少有从纤维的不同力学性质展开进一步的比较研究．本文主要针对不同种类的4种纤维水泥土进行实验分析，纤维掺量为1%，分别做7 d，14 d，28 d时水泥土无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验、抗折试验与直剪试验，以研究不同性质纤维对水泥土性质的改善效果．

1材料与方法

1.1试验材料

试验土样为粘土，土样进行风干碾碎后并5 mm筛，其物理力学性质如图1、表1所示．

表1　土壤基本物理性质

水泥为市场上销售的海螺牌32.5级复合硅酸盐水泥，其物理性能指标见表2．试验所选用的纤维的物理力学参数见表3．

图1　土样颗粒分析曲线

细度筛余(80μm)初凝时间/min终凝时间/min安定性抗压强度/MPa7d 28d抗折强度/MPa7d 28d氧化镁/%三氧化硫/%氯离子/%2.5≥46≤600合格≥18.9≥32.5≥4.3≥5.50.81.620.010

表3　纤维的主要性能指标

1.2试验方案与装置

本次实验水泥掺量为15%，纤维掺量按与土的质量之比1%掺入．纤维的选择为聚丙烯醇纤维(A)，聚丙烯网状纤维(B)，聚丙烯纤维(C)，与玻璃纤维(D)．对纤维水泥土做了7 d、14 d、28 d的无侧限抗压、劈裂抗拉、抗折和7 d、14 d的直剪试验．其中无侧限抗压、劈裂抗拉试样尺寸是70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的标准正方体，抗折试验用的是40 mm×40 mm×160 mm的小梁试件，直剪试验用的是标准环刀试样．为保证纤维能够均匀的掺入水泥土试块中，把纤维分少量多次加入搅拌机中，当搅拌均匀后，把水泥土装入水泥土试模，24 h后脱模编号，在水中分别养护7 d，14 d，28 d后取出．无侧限抗压、劈裂抗拉与抗折试验在多功能万能试验机上进行．在直剪仪上做水泥土的直剪试验．

2试验结果与分析

2.1纤维水泥土的应力-应变曲线与无侧限强度

图2为纤维水泥土不同龄期的应力-应变曲线，可以看出其中7 d、28 d两个龄期水泥土应力上升段的斜率相差不大，说明纤维的掺入对水泥土加载初期的弹性模量影响不大．从应力-应变曲线的下降段可以看出，掺入纤维的水泥土下降段明显变得平而缓，这是纤维脆性得到改善的一个特征，纤维的掺入能够明显提高水泥土的延性与韧性．本次实验纤维的掺量都为1%，从提高水泥土延性的效果来看，A纤维要优于C纤维优于B纤维优于D纤维．A纤维为聚乙烯醇纤维，结合表2的纤维的性质可以看出，A纤维具有高模量高延伸率的特点；C、D纤维都具有低模量和高延伸率的特点；D纤维则具有高模量低延伸率的特点．所以可以看出掺入高延伸率高模量的纤维可以影响水泥土韧性，其中高延伸率的纤维对水泥土韧性改善更为明显．

图2　不同种类纤维水泥土无侧限抗压实验曲线

由图2(d)3个龄期不同种类纤维水泥土-抗压强度曲线可以看出，其中掺入A纤维和D纤维水泥土强度最高，3个龄期纤维水泥土强度较未掺纤维的有明显的提高．而掺入C纤维的水泥土强度几乎没有提高，掺入B纤维的水泥土强度较未掺纤维的水泥土强度有减小的趋势．A纤维和D纤维都有高弹性模量的特点，B纤维和C纤维弹性模量较小．说明影响纤维水泥土强度的主要因素是水泥土的弹性模量．B纤维为网状聚丙烯，由于网状纤维在水泥土中不能很好的展开，纤维与水泥土不能很好地粘结，在基体中容易形成薄弱区，网状纤维水泥土强度较低．

2.2纤维水泥土的劈裂抗拉、抗折强度与抗压强度的关系

图3为3个龄期纤维水泥土的劈裂抗拉强度曲线，图4为3个龄期纤维水泥土的抗折强度曲线，由图3、图4可以看出，其中A纤维和D纤维都能大幅提高水泥土的劈裂抗拉和抗折强度．其中A纤维水泥土3个龄期的抗拉强度分别提高了171%、162%、108%，抗折强度提高了37.6%、52.3%、51.5%;D纤维水泥土3个龄期的抗拉强度分别提高了114%、140%、92.5%，抗折强度分别增加了47.5%、47.8%、52%；B纤维对水泥土的抗拉强度和抗折强度都没有明显提高；D纤维对水泥土的抗折强度有部分提高．

图3　不同种类纤维水泥土抗拉强度曲线图

图4　不同种类纤维水泥土抗折强度曲线

2.3不同纤维对水泥土抗剪强度的影响

由图5中3个龄期纤维水泥土竖向压力-抗剪强度拟合曲线可以看出，纤维的掺入能够大幅提高水泥土的粘聚力．其中A纤维水泥土7 d纤维水泥土粘聚力从未掺纤维的70kPa提高到了545kPa、14 d纤维水泥土粘聚力从未掺纤维的285kPa提高到了708kPa；B、C、D纤维对水泥土的粘聚力也有明显的提高．7 d素水泥土和掺入A、B、C、D纤维水泥土内摩擦角分别为43.88°、40.80°、26.05°、29.74°、44.8°；14 d分别为50.57°、38.25°、35.23°、47.93°、55.2°．从内摩擦角的角度来看A、B、C三种纤维对水泥土内摩擦角都有不同程度的减小，D纤维水泥土在两个龄期内摩擦角都比素水泥土要大．

图5　不同龄期竖向压力-抗剪强度拟合曲线

3讨论

从理论上讲，控制纤维水泥土复合材料的性能主要因素是纤维及基体的物理性能，以及两者间的粘结强度[5]．粘结强度又受到种种不确定因素的影响，比如纤维表面粗糙程度，水泥土龄期等等．纤维在水泥土中的分散性对水泥土的性质改变也也有明显的影响．一般聚丙烯类纤维断裂时的伸长率比水泥土基体破坏时的应变大两到3个数量级，因此在远未达到纤维强度之前基体便会开裂[6]．玻璃纤维的破坏伸长率与水泥土基体破坏相差不大，基于这一事实分析不同纤维开裂前与开裂后性能．

在水泥土开裂以前，纤维的作用是摩擦加筋，纤维与水泥土之间有很好的粘结，共同承担外部荷载，高模量的纤维掺入水泥土中对水泥土强度影响较大．纤维在水泥土中乱向分布，部分纤维起到类似箍筋的作用，约束水泥土的侧向扩展．在水泥土材料的三轴试验的文献中[7]可以发现，在围压作用下，水泥土的应力-应变曲线也趋向于延性破坏，水泥土粘聚力增加．纤维水泥土的破坏也有类似的现象，所以纤维在水泥土中也起到类似等向围压的作用，约束水泥土的侧向变形，提高水泥土的延性与韧性，粘聚力增加，这也能很好地解释纤维水泥土粘聚力增大的现象．

在水泥土开裂之后，由于纤维和水泥土之间的粘结力，裂缝处的应力主要由纤维承担，传递给水泥土基体．A纤维的弹性模量高，延伸率高，在裂缝出现后能够承担裂缝处应力，阻止裂缝进一步扩展．纤维水泥土会出现多点破坏，水泥土裂缝停止扩展开始增多，裂纹多而密，裂而不断，出现假塑性；B纤维水泥土由于网状的特性，与水泥土中不能很好地粘结与分布，表现为松散破坏；C纤维模量较低，延伸率高，水泥土裂缝扩展导致纤维应变进一步增大，裂缝扩展到一定宽度后，纤维在水泥土中被拉出，裂纹较多，基本呈一个整体，对提高水泥土延性与韧性也有较好的改善效果；D纤维的弹性模量较高，延伸率低，在裂缝刚刚出现时有很好的加固效果，但随着应变的增加，裂缝扩展，玻璃纤维容易断裂，水泥土基体沿着一道裂纹处断裂为两半，应力-应变曲线呈现脆性破坏的现象．

要提高水泥土的强度，掺入高弹性模量的纤维、多加水泥、粉煤灰、硅粉等都能起到很好的效果，但多加水泥、粉煤灰、硅粉的水泥土仍然是脆性材料．要改善水泥土脆性破坏的性质，提高水泥土的延性与韧性，掺入纤维就能起到很好的效果．在纤维的选择上，延伸率较大的纤维对水泥土延性与韧性有很好的改善效果，但延伸率低，容易断裂的纤维(玻璃纤维)对改善水泥土的脆性破坏的性质效果较差．

4结论

1)纤维的掺入能够大大提高水泥土的延性与韧性，其中聚乙烯醇纤维、聚丙烯和网状纤维、聚丙烯纤维对水泥土韧性提高都比较明显，玻璃纤维效果较差．

2)玻璃纤维与聚乙烯醇纤维能够明显提高水泥土的强度，其中对水泥土抗拉强度的提高最为明显．

3)纤维的掺入能够大大提高水泥土的粘聚力，聚乙烯醇纤维、聚丙烯网状纤维、聚丙烯纤维内摩擦角有不同程度的减小；玻璃纤维不仅能够提高水泥土的粘聚力并且能提高水泥土的内摩擦角．

4)在水泥土中纤维的作用不仅有摩擦加筋，还有类似箍筋的作用，约束水泥土侧向变形，起到等效围压的作用．

参考文献：

[1]陈四利，宁宝宽，鲍文博，等．水泥土细观破裂过程的损伤本构模型[J]．岩土力学，2007，28(1)：93-96．

[2]赫文秀，申向东．掺砂水泥土的力学特性研究[J]．岩土力学，2011，32(增刊)：392-396．

[3]殷勇．玻璃纤维改善水泥土力学性能的试验研究[D]．南京：东南大学，2006．

[4]张雷，张振，曹吉庆，郑刚.聚丙烯纤维对水泥土力学性能的影响[J]，地下空间与工程学报，2005，1(Z1)：1129-1131．

[5]张艳美，张旭东，张鸿儒．土工合成纤维土补强机理试验研究及工程应用[J]．岩土力学，2005，26(8)：1323-1326．

[6]Tanyildizi H. Statistical analysis for mechanical properties ofpolypropylene fiber reinforced lightweight concrete containingsilica fume exposed to high temperature[J]， Materials and Design， 2009， 30：3252-3258．

[7]梁仁旺，张明，白晓红．水泥土的力学性能试验研究[J]．岩土力学，2001，22(2)：211-213．

[责任编辑周文凯]

收稿日期：2015-11-10

基金项目：教育部博士点基金(20100094110002)

通信作者：姚燕(1991-)，女，硕士研究生，研究方向为渗流与边坡稳定．E-mail：317195150@qq.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.009

中图分类号：TU432

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)01-0041-04

Experimental Study of Effects of Different Kinds of Fibers on Mechanical Properties of Cement Soils

Yao YanHe Zuhao

(College of Civil & Transportation Engineering, Hohai Univ., Nanjing 210098, China)

AbstractTo find effects of different kinds of fibers on cement soil properties, the paper used unconfined compression test, splitting tensile test, bending test, direct shear test respectively to detect cement soils which were mixed with four different kinds of fibers, i.e. polyvinyl alcohol, polypropylene, reticular polypropylene, glass fiber. The results show that the polyvinyl alcohol and glass fiber have much more effect on the strength of cement soil. The improving efficiencies of ductility and plasticity of cement soils show that: polyvinyl alcohol fiber > polyethylene fibers > reticular polypropylene fiber > glass fiber. Fiber incorporation can significantly improve the cohesion of cement soil; and the glass fiber can improve the cohesive force but can not reduce the internal friction angle of cement soil at the same time.

Keywordsfibers;cement soil;strength;cohesion;interal friction angle