玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度试验研究

黄敏建



玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度试验研究

黄敏建

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

通过劈裂抗拉试验，研究纤维掺量、水泥掺量、土样含水率和养护龄期等4个主要因素对纤维水泥土劈裂抗拉强度的影响。研究结果表明：纤维水泥土劈裂抗拉强度与纤维掺量、水泥掺量及养护龄期呈正相关关系，与土样含水率呈负相关关系；水泥土破坏模式为脆性破坏，纤维水泥土破坏模式为塑性破坏。

玻璃纤维；水泥土；劈裂抗拉强度；纤维掺量；水泥掺量；含水率；龄期

在基坑支护及地基处理工程中，水泥土桩得到了广泛应用。水泥土桩抗压强度高，但是抗拉和抗裂性能较差。而玻璃纤维作为一种无机高分子材料，抗拉强度高、耐久性强，均匀地分布在桩体中能够起到加筋的作用，从而改善水泥土桩的力学性能。Consoli等[1]研究了孔隙率和水泥掺入比对水泥砂土和纤维加筋水泥砂土劈裂抗拉强度的影响。Festugato等[2]通过劈裂抗拉试验和无侧限抗压试验发现，纤维水泥土的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度随着纤维长度的增大而增大。XIAO等[3]提出了一个预测纤维水泥土抗拉强度的模型，该模型适用于聚丙烯纤维水泥土和聚乙烯醇纤维水泥土，模型的变量包括纤维长度和纤维掺量。Correia等[4]利用聚丙烯纤维、水泥和高炉矿渣加固葡萄牙某地的软土，通过无侧限抗压试验研究了其抗压强度特性，通过直接拉伸试验、劈裂抗拉试验和土梁弯曲试验对其抗拉强度进行了研究。Chore等[5]为了得到合适的纤维掺量和水泥掺入比，对纤维水泥粉煤灰土进行了无侧限抗压试验和劈裂抗拉试验。杨博瀚等[6]研究了聚丙烯纤维水泥黄土在浸水和不浸水条件下的力学特性，对不同水泥掺入比、养护龄期、纤维长度和纤维掺量的试件进行了劈裂抗拉强度试验和无侧限抗压强度试验。陈峰[7]通过劈裂抗拉强度试验研究了玄武岩纤维水泥土的强度特性和破坏模式。张艳军等[8]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，石棉掺量为 6%时，石棉纤维的加筋效果在复合土中能得到很好的发挥。阮波等[9]研究了纤维掺量和纤维长度对纤维水泥土无侧限抗压强度的影响，试验结果表明：纤维的加入能提高水泥土的延性，改善水泥土的脆性，提高水泥土的残余强度。贺祖浩等[10]通过劈裂抗拉强度试验、无侧限抗压强度试验、直接剪切试验和抗折试验研究了聚丙烯腈纤维水泥土的强度特性。水泥土的抗拉强度是其最重要的基本力学性能之一，它既是研究水泥土的强度理论和破坏机理的一个重要依据，又直接影响水泥土结构的开裂、变形和耐久性。目前国内外学者侧重于研究纤维水泥土的无侧限抗压强度和抗剪强度，对纤维水泥土抗拉强度的研究不够全面。本文采用巴西劈裂法来研究纤维掺量、水泥掺量、土样含水率和养护龄期等4个因素对玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度的影响规律。

1 试验材料

试验所用土取自湖南省长沙市某工地，其物理力学指标见表1。试验所用玻璃纤维的物理力学参数见表2，水泥采用P.C 32.5级复合硅酸盐水泥，水泥物理力学指标见表3，试验所用水为自来水。

表1 试验用土的物理力学性质

表2 玻璃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

试验采用控制变量法研究纤维掺量、水泥掺量、土样含水率和龄期等4个影响因素对玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度的影响。纤维掺量和水泥掺量的定义见式(1)和式(2)，具体试验方案见表4。

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

表4 劈裂抗拉强度试验方案

3 试样制备及试验

按照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233—2011)[11]的要求进行制样。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。

试验模具尺寸为70.7 mm×70.7 mm× 70.7 mm，在选定的模具内涂一层矿物油，然后往模具中装入试料，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，然后把试模放在振动台上振动2 min，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到设计龄期后进行试验。养护条件：温度为(20±2) ℃，相对湿度≥95%。

在试件达到养护龄期后将其取出，用毛巾将试件表面水擦试干净。在试件上下表面的中间各放1根长100 mm，直径4 mm的钢条，然后再将试件放在压力机上下压板之间，试验时按照10 mm/min速率施加荷载，试件破坏后记录破坏荷载。劈裂抗拉强度应按下式计算：

式中：ts为劈裂抗拉强度，kPa；为试样破坏荷载，N；为试样劈裂面面积，mm2。

每组试验测试6个试件，如果某个试验值与试验平均值相差达到15%则应舍去该结果，如果超过3个试样的结果不符合误差标准则该组试验重做，试验记录要精确至0.01 kPa。

4 试验结果及分析

4.1 劈裂抗拉强度与纤维掺量的关系

当纤维水泥土的水泥掺量为15%，土样含水率为40%，养护龄期为28 d时，玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度与纤维掺量的关系见图1。

图1 劈裂抗拉强度和纤维掺量的关系

4.2 劈裂抗拉强度与水泥掺入比的关系

当纤维水泥土的纤维掺量为1%，土样含水率为40%，养护龄期为28 d时，纤维水泥土的劈裂抗拉强度与水泥掺量的关系见图2。

从图2可以看出，玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度随着水泥掺量的增大而增大，其增大的趋势呈现出线性增长的规律。水泥掺入比为15%，20%和25%的玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度分别是水泥掺入比为10%的玻璃纤维水泥土抗拉强度的1.525，2.010和2.297倍。

图2 劈裂抗拉强度和水泥掺量的关系

4.3 劈裂抗拉强度与土样含水率的关系

当纤维水泥土的纤维掺量为1%，水泥掺量为15%，养护龄期为28 d时，纤维水泥土的劈裂抗拉强度与土样含水率的关系见图3。

图3 劈裂抗拉强度和土样含水率的关系

从图3可以看出，玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度随着土样含水率的增加而呈现出减小的趋势。土样含水率为40%，45%和50%的玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度比土样含水率35%的玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度分别减少了20.5%，36.4%和48.7%。

4.4 劈裂抗拉强度与龄期的关系

当玻璃纤维水泥土的纤维掺量为1%和2%，水泥掺入比为15%，土样含水率为40%时，玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度与龄期的关系如图4。

图4 纤维水泥土劈裂抗拉强度和龄期的关系

从图4可以看出，玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度随着养护龄期的增大而增大，劈裂抗拉强度增长速率随养护龄期的增大而变小。分别对纤维掺量为1%和2%的玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度和龄期的关系进行公式拟合。纤维掺量为1%的玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度和龄期的关系可用公式ts0.031 9ln()+0.074 3表示，纤维掺量为2%的玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度和龄期的关系可用公式ts=0.037 7ln()+0.089 2表示，拟合系数分别为0.981 7和0.927 5，说明拟合公式的拟合效果较好。

4.5 破坏模式

水泥土及玻璃纤维水泥土破坏模式如图5所示。

(a) 水泥土破坏模式；(b) 纤维水泥土破坏模式；(c) 纤维水泥土裂缝；(d) 纤维水泥土断面

从图5可以看出，水泥土破坏时首先在试样的中间产生裂缝，随后中部的裂缝开始迅速扩展，试件中部立刻产生1条贯通的裂缝，试件直接从中间断裂成2块，破坏时时间非常短，表现出明显的脆性特征。纤维水泥土破坏时首先也是在试件中部产生裂缝，然后裂缝慢慢扩展，裂缝扩展的速度要明显比水泥土裂缝扩展的速度慢，纤维水泥土试件破坏时并不是像水泥土一样直接从中间断裂成2块，而是表现为裂而不断。

5 结论

1) 玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度随着纤维掺量的增加而增加，增加的速率随纤维掺量的增大而减小。与未加纤维的水泥土相比，纤维掺量在0.5%~5%的玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度增大了20.0%~185.5%。

2) 玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度随着水泥掺入比的增大而增大，其增大的趋势呈现出线性增长的规律。与水泥掺量为10%的玻璃纤维水泥土相比，水泥掺量为15%，20%和25%的玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度分别增大了52.5%，101.0%和129.7%。

3) 玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度随着土样含水率的增加而呈现出线性减小的趋势。与土样含水率35%的玻璃纤维水泥土相比，土样含水率为40%，45%和50%的玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度分别减少了20.5%，36.4%和48.7%。

4) 玻璃纤维水泥土的劈裂抗拉强度随着养护龄期的增大而增大，劈裂抗拉强度增长的速率随养护龄期的增大而变小，强度呈现出对数增长趋势。

5) 水泥土破坏模式为脆性破坏，纤维水泥土破坏模式为塑性破坏，表现为裂而不断。

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Experimental study on split tensile strength of glass fiber reinforced cement soil

HUANG Minjian

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China)

By split tensile test, the influence of fiber content, cement content and soil moisture content and curing age on the split tensile strength of fiber reinforced cement soil was studied. The results show that the split tensile strength of fiber reinforced cement soil is positively correlated with fiber content, cement content and curing age, and negatively correlated with soil moisture content. The failure mode of cement soil is brittle failure and the failure mode of fiber reinforced cement soil is plastic failure.

glass fiber; cement soil; split tensile strength; fiber content; cement content; moisture content; curing age

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.04.014

TU411

A

1672 − 7029(2019)04 − 0938 − 05

2018−04−27

黄敏建(1972−)，男，湖南株洲人，高级工程师，从事土木工程施工与管理研究；E−mail：1780619221@qq.com

(编辑 涂鹏)