纤维水泥土抗折强度的正交试验研究

阮波，邓林飞，马超，邓威，李方星



纤维水泥土抗折强度的正交试验研究

阮波，邓林飞，马超，邓威，李方星

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

通过正交试验，研究纤维长度、纤维掺量、水泥掺入比和土样含水率等4个主要因素对纤维水泥土抗折强度的影响，采用极差分析和方差分析方法对试验结果进行分析。研究结果表明：纤维水泥土抗折强度影响因素的主次顺序为土样含水 率、纤维掺量、水泥掺入比、纤维长度。

纤维；水泥土；抗折强度；正交试验；影响因素

水泥土搅拌桩在软土地基处理及基坑支护工程中得到了广泛的应用，但是水泥土是一种脆性材料，无侧限抗压强度较高，而抗拉强度和抗折强度较低。在基坑支护工程中，水泥土搅拌桩需承受由侧向土压力产生的弯矩和剪力，若水泥土抗折强度低则可能引起桩体剪切破坏，在水泥土中加入一定量的纤维可以改善水泥土的脆性，提高水泥土的抗拉强度和抗折强度，因此，研究纤维水泥土抗折强度有一定的工程实际意义。阮波等[1]研究了聚丙烯纤维对红黏土抗剪强度的影响规律，结果表明，在红黏土中掺入一定量的聚丙烯纤维，可以明显的提高其抗剪强度。唐朝生等[2]通过研究聚丙烯纤维和水泥加固软土的无侧限抗压强度特性，提出了最优纤维长度。Correia等[3]研究了聚丙烯纤维水泥土无侧限抗压强度与抗拉强度之间的关系。Sukontasukkul等[4]对聚丙烯纤维和钢纤维加筋水泥土的抗折强度特性进行了研究，结果表明随纤维体积掺量增大，抗折强度变大，在改善抗折性能方面聚丙烯纤维优于钢纤维。Fatahi等[5]研究表明，纤维水泥土的无侧限抗压强度随纤维掺量的增加而变大，随水泥掺量的增加而变大。TANG等[6]通过直剪试验研究了聚丙烯纤维加筋水泥土的强度特性，结果表明纤维的加入能提高水泥土的抗剪强度。一些研究人员对纤维加筋水泥土干缩裂隙的抑制效果进行了研究，发现纤维还能有效阻止水泥土的拉伸或收缩裂隙的发育[7−8]。张艳军等[9]研究表明石棉纤维对增强纤维水泥土的抗压强度与抗拉强度效果显著，石棉掺量 6%时，石棉纤维的加筋效果在复合土中能得到很好的发挥。陈峰[10]对玄武岩纤维水泥土的抗拉强度和无侧限抗压强度进行了研究，提出了抗拉强度与抗压强度之间的换算公式。目前国内外学者在纤维加筋水泥土的无侧限抗压强度、抗拉强度和抗剪强度的影响规律方面研究较多，对纤维水泥土抗折强度影响因素研究较少，本文采用正交试验研究纤维长度、纤维掺量、水泥掺入比和土样含水率等4个因素对纤维水泥土抗折强度的影响。

1 试验材料

试验所用土取自湖南某工地，其物理力学性质如表1所示。试验所用聚丙烯纤维(以下简称纤维)的物理力学参数如表2所示，水泥采用P.C 32.5级复合硅酸盐水泥，物理力学指标如表3所示。

表1 试验用土的物理力学性质

表2 聚丙烯纤维的物理力学参数

表3 水泥的物理力学指标

2 试验方案

试验考虑纤维长度、纤维掺量、水泥掺入比和土样含水率等4个因素对纤维水泥土抗折强度的影响，每种因素考虑4个水平。水泥掺入比和纤维掺量的定义见公式(1)和(2)。

式中：c为水泥掺入比，%；c为为水泥的质量，kg；s为为干土的质量，kg；f为为纤维掺量，‰；f为纤维的质量，kg。

试验采用的因素与对应的水平见表4。

表4 正交试验的因素水平表

本试验所选用的正交表为L16(45)，考虑试验误差的影响，不考虑各因素间的交互作用。共需16组试验，每组做3次平行试验。

3 试样制备

将土样风干、碾碎、过2 mm筛，取筛分后的干土进行试验，根据拟定的试验方案分别称取试验所需的干土、水泥、纤维和水，然后按顺序依次在干土中加入水泥、纤维并搅拌均匀，最后加水再搅拌均匀。

试验试模尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，在选定的试模内涂一层矿物油，然后往试模中装入试料，试料分2层插捣，分层装料高度一样，每层应按螺旋方向从边缘向中心均匀插捣15次，之后，把试模放在振动台上振动2 min。注意成型时间不能超过25 min。24 h后拆模，然后放入标准养护室中养护28 d后进行试验。养护条件：温度为(20±2) ℃，相对湿度≥95%。

4 试验过程

抗折强度试验参照水泥胶砂抗折强度试验进行，试验仪器采用型号为WHY-300/10的抗折仪器，具体试验过程如下：

1) 当试样达到相应的养护龄期后，从标准养护室取出后进行试验。试验前将试样表面水分擦试干净。

2) 将试样一个侧面放在试验机支撑圆柱上，试体长轴垂直于支撑圆柱，通过加荷圆柱以50±10 N/s的速率均匀地将荷载垂直地加在棱柱体相对侧面上，直至折断。

3) 抗折强度应按下式计算：

式中：fs为抗折强度，kPa；f为试样破坏荷载，N；为支撑圆柱之间的距离，=100 mm；为棱柱体正方形截面的边长，40 mm。

5 试验结果及分析

5.1 试验结果及极差分析

正交试验结果及极差分析见表5。

表5 正交试验结果及极差分析

Table 5 Results and range analysis of orthogonal test

试验号因素抗折强度/kPa A纤维长度B纤维掺量C水泥掺入比D土样含水率误差 111111252.6 212222405.9 313333511.0 414444503.9 521234144.4 622143140.4 7234121 575.3 8243211 067.6 931342282.8 1032431819.2 1133124516.9 12342131 333.1 1341423506.2 14423141 099.9 1543241615.9

1644132432.9 Kj11 673.41 186.01 342.84 260.92 755.3 Kj22 927.72 465.42 499.32 496.62 696.9 Kj32 952.03 219.12 961.31 907.52 490.7 Kj42 654.93 337.53 404.61 543.02 265.1K=10 208.0 kj1418.4296.5335.71 065.2688.8P=6 512 704.0 kj2731.9616.4624.8624.2674.2QT=9 233 660.5 kj3738.0804.8740.3476.9622.7 kj4663.7834.4851.2385.8566.3 Rj319.7537.9515.5679.5122.6 Qj6 783 623.27 246 576.17 102 552.87 601 921.46 549 803.1 Sj2270 919.2733 872.1589 848.81 089 217.437 099.0=2 720 956.5

从表5可以看出：极差D>B>C>A，说明对纤维水泥土抗折强度影响的主次顺序为土样含水率、纤维掺量、水泥掺入比、纤维长度。试验中，取每个影响因素对应的抗折强度最高的为最优水平，从表5可以看出A因素k3最大B因素k4最大C因素k4最大D因素 k1最大，因此试验的最优水平组合为A3B4C4D1，即最优水平组合为纤维长度为12 mm，纤维掺量为21‰，水泥掺入比为25%，土样含水率为35%。

表6 方差分析表

注：0.9(3,3)=5.39中表示F分布，0.9表示置信度，3表示自由度，0.95(3,3)=9.28和0.99(3,3)=29.46类似

5.2 方差分析

为了区分各因素不同水平对应的试验结果的差异是由于因素水平不同引起的，还是由于试验误差引起的，并对影响纤维水泥土抗折强度的各因素的显著性水平给予精确的数量评估，需要用方差分析法对试验数据分析，分析结果见表6。

从表6可以看出，影响纤维水泥土抗折强度的主次顺序为土样含水率、纤维掺量、水泥掺入比、纤维长度，这与表5中极差分析的结果一致，这也说明了各因素不同水平对应的试验结果的差异是由因素水平不同引起而不是由试验误差引起的。

6 结论

1) 聚丙烯纤维水泥土抗折强度影响因素的主次顺序依次为土样含水率、聚丙烯纤维掺量、水泥掺入比、聚丙烯纤维长度。

2) 试验的最优水平组合为A3B4C4D1，即最优水平组合为纤维长度为12 mm，纤维掺量为21‰，水泥掺入比为25%，土样含水率为35%。

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(编辑 涂鹏)

Orthogonal tests on flexural strength of fiber reinforced cement soil

RUAN Bo, DENG Linfei, MA Chao, DENG Wei, LI Fangxing

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

By orthogonal tests, the influence of fiber length, fiber content, cement ratio and moisture content on flexural strength of fiber reinforced cement soil was studied. The results were analyzed by range analysis and variance analysis. The results show that the above influence factors can be arranged as follows: moisture content, fiber content, cement ratio, fiber length.

fiber; cement soil; flexural strength; orthogonal tests; influence factor

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.10.010

TU411

A

1672 − 7029(2018)10 − 2524 − 05

2017−06−26

中南大学研究生自主探索创新项目

阮波(1972−)，男，湖南新县人，副教授，博士，从事岩土工程方面的研究；E−mail：421084359@qq.com