玻璃纤维加筋水泥土耐久性试验研究

许巍，刘军忠，张俊, 2

玻璃纤维加筋水泥土耐久性试验研究

许巍1，刘军忠1，张俊1, 2

(1. 空军工程大学 航空工程学院，陕西 西安 710038；2. 南京航空航天大学 民航学院，江苏 南京 210016)

水泥土是简易机场建设中道面基层的主要使用材料之一，但在使用中易遭受水的侵蚀，为解决水泥土水稳性和耐久性不良的问题，采用玻璃纤维对水泥土进行加筋，对不同土质、不同纤维掺量和长度的玻璃纤维加筋水泥土开展飞散性和磨耗试验，对其抗飞散性和耐磨耗性进行了研究。研究结果表明：浸水养护后试件的抗飞散性能明显低于常规养护试件，而纤维的加入可以缩小两者差距，有效提高水泥土水稳定性，同时玻璃纤维加筋水泥西安土水稳定性能优于玻璃纤维加筋水泥三亚土；纤维的长度和掺量对水泥土抗飞散性和耐磨耗性有较大影响，在所研究的范围内，当纤维掺量为0.3%，长度为6 mm时纤维对水泥土抗飞散性能增强效果最好，当纤维掺量为0.3%，纤维长度为12 mm时对水泥土耐磨耗性能增强效果最好。综合来看，当玻璃纤维长度为6 mm或12 mm，掺量为0.3%时对水泥土的加筋效果最好。

水泥土；玻璃纤维；耐久性；飞散性试验；磨耗试验

施工简便、经济快捷及原料充足等特点，使水泥土广泛应用于土基和水利等工程当中，同样其在简易机场建设中也有很大的潜力。但实际应用中发现水泥土易受水的侵蚀，从而造成整体稳定性不足和强度降低等问题，一种可行的方法是将纤维引入，对水泥土进行加筋。余晓彦[1]研究发现玄武岩纤维可以有效降低膨胀土的膨胀率而增强其强度；王德银等[2]研究发现聚丙烯纤维加筋可以有效提高土体抗剪强度，且当含水率低压实度高时纤维加筋效果更加明显；宋金岩等[3]开展了玻璃纤维加筋土的单向压缩实验、三轴压缩试验和拉伸试验，对玻璃纤维长度、掺量对加筋土强度的影响进行了分析，并提出了玻璃纤维加筋土的抗剪强度指标经验公式；彭梁等[4]研究发现，玻璃纤维可以有效减缓土体中裂纹的快速扩展，但纤维含量越高，加筋土越容易沿着纤维发生局部破坏，导致其抗压强度降低；TANG等[5−8]采用光纤光栅传感技术对膨胀土和纤维加筋膨胀土抗干缩性能进行对比，结果表明玄武岩纤维可以显著降低膨胀土的收缩系数。Lekha等[9]研究发现槟榔壳纤维可以较好地提高水泥土工程性能，增强其耐久性；Chaduvula等[10]研究发现聚酯纤维可以有效增强膨胀黏土的抗裂性，纤维的加筋作用降低了裂缝的强度因子、裂缝平均宽度、裂缝间距和空隙面积，增加了试样的相对完整性；Benessalah等[11]开展了玻璃纤维加筋砂土的直剪试验，结果表明玻璃纤维显著改善了砂土的力学特性；Lenoir等[12]研究发现纤维的团聚现象会降低纤维在土体中的分布均匀性，纤维对土体的改良效果还与土体的矿物性质有关；Soltani等[13]研究了纤维抑制膨胀土膨胀的特性，结果表明不同长度和纵横比的纤维混掺对膨胀的抑制作用最好，最佳纤维掺量为0.5%。Patel等[14]研究发现含水率和压实度对玻璃纤维加筋作用影响巨大。从上述文献中我们可以看出，通过掺加纤维可以较好地提高土的各项力学性能，但应用背景主要是地基、水利、农业等领域。而对于应急机场，在紧急情况或简单面层受损情况下，纤维加筋水泥土基层需直接承受飞机荷载作用，若纤维加筋水泥土的整体性不强，抗飞散能力弱，抗磨耗能力差，则在机轮荷载重复作用下道面会产生剥落、掉粒、飞散等破坏形态，并在道面表面形成坑槽，严重影响飞机的正常安全运行，而目前对于纤维加筋水泥土整体稳定性和抗磨耗能力的研究很少，因此本文参照沥青混合料肯塔堡飞散试验方法和水泥胶砂耐磨性试验方法设计了相应纤维加筋水泥土抗飞散性试验和耐磨耗试验，对纤维加筋水泥土整体性能和抗磨耗性能进行研究，试验结果可为实际工程应用提供参考。

1 试验概述

1.1 材料

考虑到本文应用背景是应急机场建设，因此研究的土样选择是基于潜在的可能应用地点，土取自三亚和西安地区，分别为高液限黏土和低液限黏土，性质见表1，级配曲线见图1，为方便叙述，下文分别将这2种高液限黏土和低液限黏土简称为三亚土和西安土；水泥为冀东P·O 42.5普通硅酸盐水泥(3.10 g/cm3)，掺量(素土质量百分比计)为8%；试验所用纤维为无碱玻璃纤维，纤维形态如图2所示，性能参数见表2，试验所用纤维长度为6，12和20 mm，掺量以素土质量百分比计，分别为0.1%，0.3%和0.8%。按照最佳含水率和最大干密度制备试件，试件均采用静压成型，飞散性试验和磨耗试验试件均为圆柱体，尺寸分别为100 mm×67 mm和150 mm×50 mm，每个试验组包含3个试件，采用3倍均方差方法剔除异常值，同一组试验的变异系数v(%)应符合v≤6%要求。

表1 试验所用土样物理性质

表2 玻璃纤维性能参数

图1 土样颗粒大小级配曲线

(a) 纤维长度6 mm；(b) 纤维长度12 mm；(c) 纤维长度20 mm

1.2 飞散性试验

目前规范中尚无对水泥加固土整体性评价的要求，而在《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中规定采用沥青混合料肯塔堡飞散试验对沥青试件的抗飞散性进行评价，与本文拟评价的水泥加固土整体性能相似，因此本试验参照此试验方法进行。试验仪器为MH-Ⅱ型自动数显搁板式磨耗试验机(图3(a))，飞散性试验试件分为常规养护和浸水养护2种，龄期均为7 d，其中浸水养护试件用于评价试件的水稳定性能，旨在模拟多雨地区水对土体的影响，具体养护方式为在养护箱中养护6 d，第7 d放入水中养护，试件先放入水槽，使得水面完全淹没试件顶部，之后水槽放入标准养护箱(温度20 ℃，湿度95%)养护24 h。以分级飞散损失ΔS和总飞散损失Δ作为评价指标。

(a) 洛杉矶试验机；(b) 耐磨试验机

1.3 磨耗试验

本文参照《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》(JTG E30—2005)中水泥胶砂耐磨性试验方法，采用水泥胶砂耐磨试验机(图3(b))对玻璃纤维加筋水泥土耐磨耗性能进行了研究。试验所用试件采用常规养护，龄期为7 d；磨耗共进行60转，每10转进行一次称重，以单位面积磨耗量(kg/m2)，分级单位面积磨耗量G(kg/m2)，以及磨耗深度Δ(mm)作为评价指标。

2 试验结果分析与讨论

2.1 飞散性试验结果

所得飞散性试验结果如图4～6所示，从图4和图5中看出，不管是西安土还是三亚土，同等条件下浸水养护后试件的飞散损失均高于未浸水养护的试件，以素土为例，浸水养护试件飞散损失可达常规养护试件飞散损失的1.6倍，而纤维的加入可缩小两者之间的差距，对于纤维加筋水泥西安土来说，当纤维长度为6 mm，掺量为0.3%时，浸水养护试件飞散损失已减小至常规养护试件飞散损失的1.14倍，表明纤维的加入可以有效提高水泥土的水稳定性能。同时还可看出，不论对于西安土还是三亚土，玻璃纤维对水泥土抗飞散性的增强作用具有相似规律，适量的纤维加入土体可以较大地提高水泥土试件的抗飞散性，原因是水泥土主要依靠土体间的黏聚力来保持整体稳定性，而纤维加筋土体中还存在纤维与土体的黏聚作用，纤维与土体的摩擦作用以及纤维之间的拉结作用，而上述3种作用受纤维掺量和纤维长度的影响。当纤维能够得到有效分散时，纤维加筋效果随着掺量的增加而增强，本文试验结果显示，随着纤维掺量的提高，加筋土试件的飞散损失先减小后又增大，表明试件抗飞散性能先增大后又减小，同时表明纤维存在最佳掺量0.3%。原因是纤维掺量过多会增大纤维搅拌均匀的难度，分布不均匀的纤维造成土体中纤维与纤维直接接触的几率增大，而过多的纤维聚集会在土体内产生薄弱面，在洛杉矶试验机中撞击的试件会首先从薄弱面处破裂，造成试件飞散损失增大，甚至大于水泥土试件，因此需控制加入的纤维量。纤维长度可影响纤维与土体间的黏聚作用和摩擦作用，但当纤维长度过短时，受到外来作用时，纤维易与土体发生滑动而失效，当纤维长度较大时，在外力作用下，纤维易发生断裂失效，而本文试验结果显示，在所研究的范围内，大体是玻璃纤维长度越短，纤维对水泥土试件抗飞散性能的增强作用越明显，但在最优掺量时(0.3%)6 mm玻璃纤维和12 mm纤维加筋水泥土试样的飞散损失较为接近。原因是纤维长度越长则其在土体内聚集形成薄弱面的概率越大，从而造成抗飞散性能较差。

图4 玻璃纤维加筋西安水泥土飞散损失

图5 玻璃纤维加筋三亚水泥土飞散损失

玻璃纤维对不同水泥土的抗飞散性能增强不同，常规养护条件下，纤维加筋三亚土的抗飞散性能优于纤维加筋西安土，而浸水养护下则结果相反，表明三亚土的水稳定性弱于西安土，原因是三亚土为高液限黏土，其毛细现象明显，吸水后能长时间保持水分，故其吸水后相比低液限黏土稳定性更差，从而导致飞散损失更大。

图6所示为常规养护条件下相应试件的分级飞散损失，可看出水泥土试件和高掺量纤维加筋水泥土试件的累计飞散损失曲线大致可分为3个阶段：第1阶段为初始阶段，此阶段试件的分级飞散损失处于较低的水平，对应于试件的飞散破坏形态则为剥落物集中于试件断面的周边区域，对于水泥土试件和高掺量纤维加筋水泥土试件此阶段在第3次飞散之前(第60转前)；第2阶段为破碎阶段，随着飞散次数增加，试件受到洛杉矶试验机的撞击次数增加，整体性受损加剧，试件会破碎断裂成较大的数个碎块，飞散损失急剧增加，对于水泥土试件此阶段在第3～4次飞散之间(60～80转)，对于高掺量纤维加筋水泥土试件此阶段在第3～5次飞散之间(第60～100转)；第3阶段为稳定阶段，在此阶段破碎成数个大块碎块进入新的较为稳定的整体，试件的分级飞散损失又重新回到较低水平。对于适量纤维加筋水泥土试件，由于加入的纤维显著增强了水泥土试件的抗飞散性能，在整个飞散试验期间试件一直处于稳定阶段，分级飞散损失处于较低水平，对应于试件飞散破坏形态则是试件的飞散损失主要处于端部周边区域，试件未发生破碎断裂，未出现飞散成数个碎块的情况，而当纤维掺量较大时，纤维不易分散，会在试样中形成薄弱面，当达到一定飞散次数时(不同土体次数不同)，造成飞散损失急剧增大，如纤维掺量为0.8%时。图7～8为未加筋水泥西安土和纤维掺量为0.3%，长度为12 mm的纤维加筋水泥西安土试件飞散破坏形态，从图中可以明显看出，在相同飞散次数下，适量纤维加筋水泥土的完整性好于未加筋水泥土的完整性。

(a) 西安土试件；(b) 三亚土试件

(a) 0转；(b) 40转；(c) 80转；(d) 120转

2.2 磨耗试验结果

所得试验结果如图9～12所示，从图9和图10中可看出：对各个长度规格的纤维和2种土样，随着纤维掺量的提高，玻璃纤维加筋水泥土试件的单位面积磨耗量和磨耗深度都是先减小后又增大，说明适量纤维可以大幅提高水泥土试件的耐磨性能，而过多纤维对耐磨性不利。这是因为适量纤维可以在土体内部交织成网，将土体有效连接在一起增强土体整体性；过多的纤维增加了分散的难度，而聚集在一起的纤维不仅起不到拉筋作用，更会形成薄弱面，在耐磨机磨头作用下会造成薄弱面处崩散，而纤维的拉筋作用还会带动周边的土颗粒崩落，这也是造成高掺量玻璃纤维加筋水泥土试件磨耗损失大于水泥土试件的原因。从纤维长度规格上来看，对于西安土和三亚土试件，12 mm的玻璃纤维加筋水泥土耐磨性整体较好，其原因主要还是纤维分散性问题，过短的纤维加筋作用不如中等长度纤维，可能因为其黏聚力不足，而过长的纤维则会造成分散困难，纤维聚集则对加筋作用起反作用。

(a) 0转；(b) 40转；(c) 80转；(d) 120转

(a) 单位面积磨耗量指标；(b) 磨耗深度指标

(a) 单位面积磨耗量指标；(b) 磨耗深度指标

(a) 西安土试件；(b) 三亚土试件

(a)抗飞散性能；(b)耐磨耗性能

图11为玻璃纤维加筋水泥土试件分级磨耗损失图，可看出试件分级磨耗损失曲线大致分为2个阶段，分别是平稳磨耗阶段和急剧破坏阶段。对于西安土试件，前10转为平稳磨耗阶段，10～20转为急剧破坏阶段，之后20～50转基本又处于平稳磨耗阶段，50～60转有些试件又出现急剧破坏阶段；对于三亚土试件，分级磨耗损失具有相似的规律，只是急剧破坏阶段出现在的转数不严格相同，急剧破坏阶段的破坏幅度也不尽相同。平稳磨耗阶段所对应的破坏形态为试验机磨头作用的范围未达到试件边部，磨耗仅发生在试件边部以内，花轮磨头的作用面为内径约30 mm，外径约130 mm的环形磨损面。而在急剧破坏阶段，磨头会带动边部(130～150 mm)产生剥落，造成磨耗量急剧增大。

在纤维掺量为0.3%，长度为12 mm时，纤维加筋水泥西安土的磨耗深度和磨耗损失为相应水泥土的84.6%和74.8%，而纤维加筋水泥三亚土的磨耗深度和磨耗损失为相应水泥土的50.6%和56.3%，表明适量纤维加筋可以较好地增大水泥土的耐磨耗性能，同时纤维加筋对三亚土的效果更好，同时根据试验结果可以得出，当玻璃纤维掺量为0.3%，长度为12 mm时，纤维加筋水泥土耐磨耗性能最好。图12中的(b)是当纤维长度为12 mm时，不同掺量纤维加筋不同水泥土耐磨耗性能的比较，可以看出，玻璃纤维对三亚土抗磨耗性能的增强优于西安土，原因是三亚土为高液限黏土，其干硬时强度比西安土高，从而导致纤维加筋三亚土耐磨耗性能更优。

3 结论

1) 玻璃纤维的加入可以有效地提高水泥土的抗飞散性和水稳定性，且纤维的加筋作用随着纤维长度和掺量的变化而变化，在所研究的范围内纤维掺量存在最优值，且长度较短时的加筋效果更好，当纤维掺量为0.3%，长度为6 mm时纤维对水泥土抗飞散性能和水稳定性能的增强效果最好。

2) 玻璃纤维的加入可以有效地提高水泥耐磨耗性能，纤维的效果同样随着纤维掺量和纤维长度的变化而变化，在所研究的范围内，当纤维掺量为0.3%，纤维长度为12 mm时对水泥土耐磨耗性能的增强效果最好。

3) 玻璃纤维加筋技术，在土体浸水的情况下，更适宜用于西安地区低液限黏土的改良，而在土体干燥的情况下，更适宜用于三亚地区高液限黏土的改良。

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Experimental study on durability of glass fiber reinforced cemented soil

XU Wei1, LIU Junzhong1, ZHANG Jun1, 2

(1. College of Aeronautical Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;2. College of Civil Aviation, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016, China)

Cemented soil is one of the main materials used in the pavement base of the construction of the airstrip, but it is vulnerable to water erosion in use. In order to solve the problem of poor water stability and durability of cemented soil, glass fiber was used to reinforce the cemented soil. In this paper, the dispersion tests of cemented soil reinforced by glass fiber with different soils, different fiber contents and lengths were carried out, and the dispersion resistances were studied. The results show that the Anti-dispersion performance of the specimens after immersion curing is obviously lower than that of the conventional curing specimens. The addition of fibers can narrow the gap between them and effectively improve the water stability of cemented soil. At the same time, the water stability of glass fiber reinforced cemented Xi’an soil is better than that of Sanya soil. In the range of study, when the fiber content is 0.3% and the length is 6 mm, the Anti-dispersion performance of cement soil is enhanced best. And when the fiber content is 0.3% and the length is 6 mm, the wear resistance of cemented soil is enhanced best. Generally speaking, when the length of glass fiber is 6 mm or 12 mm and the content is 0.3%, the reinforcement effect of cemented soil is the best.

cemented soil; glass fiber; durability; dispersion test; wear test

TU448

A

1672 − 7029(2021)01 − 0104 − 08

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200032

2020−02−26

国家自然科学基金资助项目(51708550)；国家博士后基金资助项目(2020M671485)；陕西省自然科学基金资助项目(2020JQ-474)；江苏省自然科学基金资助项目(BK20200429)；江苏省博士后基金资助项目(2020Z321)

刘军忠(1983−)，男，广东梅州人，副教授，博士，从事机场工程研究；E−mail：tgzydyxy@163.com

(编辑 阳丽霞)