聚丙烯纤维对水泥土抗拉性能探究

胡建林 裴国陆 王 楠

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市公路施工管理处，河北 张家口 075000)

聚丙烯纤维对水泥土抗拉性能探究

胡建林1裴国陆1王 楠2

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000；2.张家口市公路施工管理处，河北 张家口 075000)

研究在水泥土中添加聚丙烯纤维对水泥土抗拉强度的影响，主要对聚丙烯纤维掺量、长度以及养护龄期对水泥土抗拉性能影响进行了试验分析.试验表明：纤维掺量在一定范围内提高了水泥土抗拉强度，1%时出现峰值，强度提高了34%，掺量过多反而对抗拉产生不利影响.在一定纤维掺量下，随着纤维长度的变化，水泥土抗拉强度呈现出先增后减的趋势，最优长度确定为12 mm，试件尺寸为100 mm的立方体.

水泥土；聚丙烯纤维；抗拉强度

0 引 言

水泥复合土[1](简称水泥土)作为一种价格便宜，施工方便的材料，广泛应用与岩土工程.然而从根本上说，水泥土仍然是一种较为特殊的土，具有一些缺点，如抗压强度远低于混凝土，其较低的抗拉强度和较差的抗裂性能易引起塌方滑坡等问题.因此，对水泥土进一步的改良探究吸引了众多学者.结合室内抗拉抗压试验，殷勇[2]等人发现玻璃纤维对水泥土的性能有明显提升.唐朝生[3]等则研究了聚丙烯纤维水泥土，重点分析了纤维对水泥土强度方面的作用效果，并对不同的土体初始含水量、纤维掺入量和长度对水泥土强度的影响进行了研究.杨建慧[4]通过在粉煤灰土中掺入比例为1.0%的聚丙烯纤维进行动三轴和强度试验，得出聚丙烯纤维的加入使土体强度得到了比较明显改善的结论.张雷，张振等[5]分析了聚丙烯纤掺入量和水泥掺入量对水泥土强度和弹性模量影响的机理.赫文秀等[6]采用单轴抗压试验，发现水泥土中添加一定量的粉煤灰和玻璃纤维其抗压强度明显提高.张玉佩，申向东[7]分析了聚丙烯酰胺掺量对水泥土无侧限强度的影响，同时对二者作用机理进行了微观分析.李云峰、李志国等[8]研究了水泥土中添加纤维后对其抗折强度的影响；

聚丙烯纤维作为一种结构整齐的高分子化合物[9]，密度极轻，颜色多为白色或乳白色，并且具有很好的耐热性，不溶于水.聚丙烯纤维分为网状和单丝两种类型.最近几年才开始运用到工程实际当中，混凝土中添加聚丙烯的研究与应用理论较为丰富.而相对于土中添加聚丙烯的相关研究较少，且理论与运用相对来说也不成熟.因此，本文对水泥土中添加聚丙烯纤维的抗拉性能进行了探索研究.

1 试验概况

1.1 试验材料

(1)土料：本试验用土采用张家口地区粘性土，取样深度为地表以下1 m，将现场土样取回过0.5 mm筛后去除土中碎石、树根等杂物留以备用，然后对土样进行试验确定土样部分物理力学指标，其物理力学性能指标见表1：

表1 土样部分物理力学性能指标

(2)聚丙烯纤维：本试验采用的是束状单丝聚丙烯纤维，其截面形状为Y形，且具有分散性好、吸水性小、耐酸碱性极高、导热导电性低、无毒环保等优点.其主要物理力学性能指标见表2.

表2 聚丙烯纤维物理力学性能指标

(3)水泥：本试验采用了普通复合硅酸盐水泥，标号32.5.

1.2 试验方案

在含水率一定的情况下，选择水泥掺入比γ为14%、20%、26%、32%四个含量(γ=水泥质量/干土质量)，长度采用6 mm、12 mm、19 mm三种，纤维添加量γ为0.5%、1%、1.5%、2%四种情况(其中γ=纤维质量/(干土质量+水质量+水泥质量)).采用全排列组合，制作100 mm×100 mm×100 mm的试件.试件质量保证基本相同，每种情况进行三组平行试验，以减少试验误差.试件制作完成后，及时送到标准养护室进行养护，养护龄期为7 d、14 d、28 d三个龄期.最后进行劈裂试验，研究各种因素对抗拉强度的影响.

2 劈裂试验结果分析

本试验主要研究化学纤维的掺入对水泥土抗拉强度的影响，其中的主要观察值为水泥土的劈裂强度Rt，应按下式计算：

Rt=2P/πA

式中Rt—水泥土劈裂强度(MPa)； P—极限荷载(N)； A—试件劈裂面面积(mm2)

2.1 最佳水泥掺量的确定

取水泥掺入比14%、20%、26%、32%四种掺量，经标准养护7 d、14 d、28 d后进行劈裂强度试验，试验结果如下：

图1 水泥掺量对劈裂强度的影响

如图1所示：劈裂强度随着水泥掺入比λ的增加而增加，掺入比14%增长到20%时其抗劈裂强度增长幅度相对较小，掺入比20%增长到32%时其抗劈裂强度增长幅度较大，呈45°直线增长.说明：水泥掺量大于20%时对水泥土抗劈裂强度影响较为显著，因此对于本论文水泥掺量的选择应≥20%.

劈裂强度随着水泥土养护龄期的增长而增大.水泥掺入为14%时，抗劈裂强度随养护龄期的增长其幅度较为缓慢.但随着水泥掺量的增加以及养护龄期的增长，相邻水泥掺量的强度差值逐渐增大.但养护龄期28后，水泥掺量26%增长到32%时，其抗劈裂强度增长趋势变缓，差值减小到0.06 MPa.说明：在较长养护龄期时，水泥掺量32%的抗劈裂强度较26%的增长幅度不明显.

通过对素水泥土不同掺入比的抗劈裂试验以及环境、经济等因素考虑，选择水泥掺入比为26%的水泥土中添加纤维进行试验探究.

2.2 纤维掺量对劈裂强度的影响

在水泥掺量26%的情况下，在不同纤维长度(6 mm、12 mm、19 mm)不同掺量的情况下对三个龄期的试块(7 d、14 d、28 d)进行劈裂抗拉试验，结果如下：

图2 纤维6 mm时劈裂强度与掺量的关系 图3 纤维12 mm时劈裂强度与掺量的关系

图4 纤维19 mm时劈裂强度与掺量的关系

如上图所示，当龄期为7 d和14 d时，水泥土的抗拉强度随着掺量的增加表现为先增大后减小的趋势.掺量1%时，抗劈裂强度出现峰值，较素水泥土提高28%～35%.并且在纤维掺量不大于1%、长度不变的情况下，抗劈裂强度随着养护龄期的增长而增大.掺量1.5%和2%时，抗劈裂强度随养护龄期的增长变化规律不明显.这是由于聚丙烯纤维添加到水泥土中，起到了一定的抗劈裂作用，但随着纤维掺量的增加，使得纤维在水泥土中分散性降低、和易性下降、密实度降低，导致试件中的孔隙率增大，并随着养护龄期的增长，试件产生干缩，进一步扩大空隙，从而导致抗劈裂强度降低，规律不明显.

对于纤维长度19 mm时，如图4所示：养护龄期在前两个阶段(7 d、14 d)抗劈裂强度呈现先增大后减小趋势，掺量1%时出现峰值.但随着养护龄期的增加28 d后，强度随着纤维掺量的增加而下降，并且掺量越大下降幅度也越大.这是由于：对于100 mm×100 mm×100 mm试件，19 mm纤维属于相对较长纤维，其在试件中的分散性较差，随着掺量的增加进一步影响纤维分散性、和易性等，导致劈裂面纤维分散不均匀、密实度下降，并且在较长的养护龄期下产生干缩，进一步增大空隙，从而使其原本起到抗劈裂作用的纤维不能充分发挥作用，不利因素增多、增强，导致抗劈裂强度降低.

2.3 纤维长度对劈裂强度的影响

对于不同纤维长度(6 mm、12 mm、19 mm)，在养护龄期为7 d、14 d、28 d后进行抗劈裂试验.

图5 养护7 d抗劈裂强度与纤维长度关系 图6 养护14 d抗劈裂强度与纤维长度关系

图7 养护28 d抗劈裂强度与纤维长度关系

从图5至图6可以看出：养护龄期7 d、14 d时，抗劈裂强度在各个纤维掺量下随纤维长度增长也是呈现出先增大后减少的趋势，并且在长度12 mm出现达到峰值，较素水泥土增长30%左右.由此可得：水泥土中添加纤维长度过长对试件抗劈裂强度会产生不利影响.由于过长的纤维对水泥土的和易性、密实度产生不利影响，导致抗劈裂强度降低.

随着养护龄期的增长到28 d时，如图7所示，不同纤维掺量的水泥土抗劈裂强度的变化趋势有所不同.掺量0.5%、1%时呈现出先增大后减小的趋势，并且在纤维长度12 mm时出现峰值，与图5、图6变化趋势相同.但掺量1.5%、2%时抗劈裂强度呈下降趋势，且都较素水泥土的低.再次说明：在养护龄期较长时(28 d)，纤维掺量的过大和纤维长度的过长对水泥土抗劈裂强度有不利的影响.因此，对于水泥土中添加聚丙烯纤维长度不宜大于12 mm.

3 结 论

依据试验结果的分析，得出水泥的掺量、聚丙烯纤维的长度、掺量对水泥土抗劈裂强度的影响如下：

(1)水泥土劈裂强度在水泥掺量14%～32%时，随着水泥掺量的增加而增加，也随着养护龄期的增长而增大.但随着养护龄期的增长(7 d～28 d)，劈裂强度随水泥掺量的增加强度增长幅度减缓.

(2)对于水泥掺量26%，养护龄期7 d、14 d时，纤维水泥土劈裂强度随着纤维掺量的增加呈现出：先增大后减小的趋势，在掺量1%时出现峰值，并且较素水泥土提高34%左右.

(3)纤维水泥土劈裂强度受纤维长度的影响，在养护龄期7 d、14 d时，随纤维长度的增长呈现出先增大后减小的趋势.并且长度12 mm时，达到峰值.但随着养护龄期的增长28 d后，纤维掺量较大时(1.5%、2%)，强度呈下降趋势，说明纤维掺量较大，在养护龄较长时，对抗劈裂强度产生不利的影响.

综合考虑，对于水泥掺量26%的水泥土，纤维长12 mm，掺量1%时，为最优配合比，强度提高5%～34%.

[1]赫文秀.玻璃纤维粉煤灰水泥复合土力学性能试验研究[D].内蒙古农业大学,2012

[2]殷勇.玻璃纤维改善水泥土力学性能试验研究[D].东南大学,2006

[3]郑晓广,赵安芳,沈新元,杨庆.化学纤维在建筑领域中的应用—纤维增强、防裂混凝土[J].河南城建高等专科学校学报,1999,02:44～48

[4]安美娣,李华,赵桂芳,梅炎祥.道路软基处理水泥土室内配比试验研究[J].湖北地矿,2000,02:41～44+55

[5]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(7):1129～1132

[6]赫文秀，申向东.玻璃纤维粉煤灰水泥土的力学特性[J].公路交通科技,2012,29(3):12～16

[7]张玉佩，申向东.聚丙烯酰胺对水泥土强度影响的试验研究[J].硅酸盐通报,2012,31(6):1636～1640

[8]李云峰，李志国,郑刚.纤维水泥土力学性能试验研究[J].建筑科学,2004,20(6)

[9]唐朝生,施斌,高玮.聚丙烯纤维和水泥对粘性土强度的影响及机理研究[J].工程地质学报,2007,01:108～113

Study on Tensile Properties of Polypropylene Fiber on Cement Soil

HUJan-lin,PEIGuo-lu,WANGNan

(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei 075000;2.Zhangjiakou Highway Construction Management,Zhangjiakou,Hebei 075000)

In this paper,the effect of adding polypropylene fiber on the tensile strength of cement soil was studied,in which the effect of polypropylene fiber content,length and curing age on tensile properties of cement soil was mainly analyzed.The results show that the fiber content increases the tensile strength of the cement soil in a certain range,the peak content is 1%,the strength is increased by 34%,and the excessive dosage has a negative effect on the tensile.At a certain fiber content,with the fiber length changing,the tensile strength of cement soil showed a trend of increasing first and then decreasing.The optimal length is 12 mm and the specimen size is 100 mm.

cement soil;polypropylene fiber;tensile strength

2016-09-23

河北省教育厅科研项目(ZC2016161)，张家口科技局科研项目(1611068A)，河北建筑工程学院科研项目(QN201408)

胡建林(1986-)，男，讲师.主要从事地基处理、基坑工程等方面的研究工作.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.01.012

TU 5

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