聚丙烯纤维加筋水泥砂浆土三轴压缩试验研究

阮波，丁茴，邓威，郑世龙，阮晨希，孙泽川，张锐

聚丙烯纤维加筋水泥砂浆土三轴压缩试验研究

阮波1，丁茴1，邓威2，郑世龙1，阮晨希1，孙泽川1，张锐1

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

为了研究纤维对水泥砂浆土的加筋效果，开展了聚丙烯纤维水泥砂浆土三轴压缩试验，研究纤维掺量、水泥掺量、掺砂量、养护龄期等因素对纤维水泥砂浆土的应力应变曲线、破坏偏应力、抗剪强度参数的影响。研究结果表明：纤维水泥砂浆土的应力应变曲线为应变硬化型，聚丙烯纤维能有效提升水泥砂浆土的韧性。纤维水泥砂浆土的破坏偏应力随纤维掺量的增大而增大。纤维水泥砂浆土的黏聚力随纤维掺量的增大而增大，未掺纤维的水泥砂浆土的黏聚力为0.06 MPa，4%掺量的纤维水泥砂浆土的黏聚力为0.24 MPa，黏聚力增大了3倍，而纤维掺量对内摩擦角的影响不明显。纤维水泥砂浆土的黏聚力受掺砂量的影响不明显，而内摩擦角随掺砂量先增大后减小，最优掺砂量为0.3。本文成果对纤维水泥砂浆桩的设计和施工具有参考和借鉴意义。

聚丙烯纤维；水泥砂浆土；三轴压缩试验；纤维掺量；掺砂量；黏聚力；内摩擦角

铁路路基工程中，经常遇到软土地基，由于其天然含水率高、孔隙比大、压缩性高、固结系数小、承载力低，一般不能满足地基承载力和路基沉降要求，需要进行地基处理，以避免路基产生严重损坏[1−3]。水泥砂浆桩在我国的津保铁路[4]、向莆铁 路[5]和怀邵衡铁路[6]的软土地基处理工程中得到了一些应用。阮波等[7−9]对水泥砂浆桩的无侧限抗压强度及其影响因素进行了一些研究。由于水泥、砂子是脆性材料，水泥砂浆桩的脆性大、抗拉、抗弯和抗剪强度低。在基坑工程中，水泥砂浆桩受到侧向荷载的影响，桩体容易开裂，造成基坑渗漏，所以有必要增强水泥砂浆桩的延性。在混凝土中掺入纤维可以有效提升其力学性能。彭帅等[10]研究发现不同掺量(1%，2%)的钢纤维对混凝土抗压强度和延性增强效果比较显著；高真等[11]研究了6 mm和12 mm玄武岩纤维对混凝土抗压性能的影响，发现长度为6 mm 的玄武岩纤维对混凝土抗压性能的改善效果更佳；ZHENG等[12]通过扫描电镜试验，研究了玻璃纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维等不同种类的纤维对混凝土抗裂性能的影响，结果表明玻璃纤维对混凝土的裂缝抑制效果最佳；张延年等[13]发现钢纤维的掺入对混凝土劈裂抗拉强度以及抗折强度有显著提高，钢纤维体积掺量为0.9%时，劈裂抗拉强和抗折强度度分别提高37%和18%；周浩等[14]研究发现当玄武岩纤维体积掺量为0.4%时，混凝土的抗折强度和韧性指数的提高幅度最大。本文借鉴纤维增强混凝土材料的研究成果，开展聚丙烯纤维水泥砂浆土三轴压缩试验，研究纤维水泥砂浆土的力学性能，为纤维水泥砂浆桩在路基及基坑工程中的应用，提供一定的参考依据。

1 试验方案设计

1.1 试验材料

试验中使用的土样为粉质黏土，其物理性质指标如表1所示，粒径分布曲线如图1所示。所用水泥的等级为PO42.5，其化学成分组成如表2所示，其中LOI为烧失量。试验选用长度为3mm的聚丙烯纤维，其物理力学参数见表3。试验所用砂子为细砂，其细度模数为1.6。试验所用水为长沙市自来水。

表1 土的物理指标

图1 土的粒径分布曲线

图2 聚丙烯纤维照片

表2 水泥的化学组成

表3 聚丙烯纤维的物理力学指标

1.2 试验方案

本试验考虑纤维掺量(f)、水泥掺量(c)、掺砂量(s)、养护龄期()等参数对纤维水泥砂浆土三轴压缩试验中力学指标的影响，参数计算公式如下：

式中：为干土质量，kg；f为掺入纤维的质量，kg；c为掺入水泥的质量，kg；s为掺入砂子的质量，kg。

试验方案如表4所示，且水灰比为0.5。

1.3 试样制备及试验过程

试样为直径39.1 mm，高度80 mm的圆柱体，制样方法参照规范[15]。将烘干土样过2 mm筛，加入水泥并搅和均匀，加入自来水拌匀，最后将3 mm聚丙烯纤维分散后掺入，边掺纤维边搅拌以保证纤维在试样中分散均匀。将纤维水泥砂浆土浆液倒入试模中，将试模放在振动台上振实2 min以上至气泡全部排出，静置24 h后脱模，在HBY-60B型水泥恒温恒湿标准养护箱中进行养护，养护温度为(20±2) ℃，养护湿度在95%以上。

进行试验前，先对试样进行抽气饱和，待试样饱和后开始试验。采用TSZ全自动三轴仪，进行固结排水试验，剪切速率为0.015 mm/min。

表4 三轴压缩试验方案

2 试验结果及分析

2.1 应力应变曲线及破坏偏应力的影响因素

2.1.1 纤维掺量

未掺纤维的水泥砂浆土和纤维掺量为1%的水泥砂浆土的应力应变曲线如图3所示。水泥砂浆土的应力应变曲线为应变软化型，偏应力随应变增大先增大后减小，最后趋于稳定。纤维水泥砂浆土的应力应变曲线为应变硬化型，偏应力随应变增大逐渐增大，且增长速率不断减小。应力应变曲线规律说明掺入聚丙烯纤维能有效增强水泥砂浆土的韧性。土和水泥基之间的胶结在荷载作用下易产生裂缝，强度降低，掺入适量纤维能抑制裂缝的形成和扩张，随着轴向应变增大，更多纤维与水泥胶体的黏结发挥作用，使应力应变曲线呈现硬化型[16]。

(a) 未掺纤维；(b) 纤维掺量af=1%

规定纤维水泥砂浆土的轴向应变达到15%时所对应的偏应力为破坏偏应力。纤维水泥砂浆土的破坏偏应力随纤维掺量的变化如图4所示。纤维水泥砂浆土的破坏偏应力随纤维掺量的增大而增大，且增长速率逐渐降低。这是由于掺入聚丙烯纤维的作用是增大纤维与水泥胶体的接触面，两者的接触面摩擦系数较大，随纤维掺量增大，纤维与水泥砂浆土的接触面也增大，因此能提供更多的摩阻力，提高纤维水泥砂浆土的破坏偏应力[17]。当纤维掺量继续增大时，水泥砂浆土对纤维的包裹程度逐渐饱和，因此破坏偏应力增长速率减小。

2.1.2 水泥掺量

不同围压下纤维水泥砂浆土破坏偏应力随水泥掺量的变化情况如图5所示。随着水泥掺量的增大，纤维水泥砂浆土的破坏偏应力明显增大。掺入适量水泥可以让纤维水泥砂土的水泥水化物更多，其孔隙被水泥水化物填充，孔隙率减小，整体性更好。另外，水泥水化产物与土体中活性较强的土颗粒发生反应，也起到固化土体的作用。

图4 破坏偏应力随纤维掺量的变化规律

图5 破坏偏应力随水泥掺量的变化规律

2.1.3 掺砂量

图6为不同围压下纤维水泥砂浆土的破坏偏应力随掺砂量的变化情况。随着掺砂量的增大，纤维水泥砂浆土的破坏偏应力呈现先增后减的规律，最优掺砂量为0.3。砂子可以作为纤维水泥砂浆土中的“粗骨料”，当掺砂量较小时，掺入的砂子能分担更多的荷载，因此增大掺砂量会增大破坏偏应力。而砂子与纤维之间的黏结作用较弱，所以当掺砂量过大时，会使纤维的黏结作用降低，纤维水泥砂浆土更容易被破坏，因此破坏偏应力降低。

2.1.4 养护龄期

图7为不同围压下纤维水泥砂浆土的破坏偏应力随养护龄期的变化情况。纤维水泥砂浆土的破坏偏应力随着养护龄期的增大而增大。随着养护龄期的延长，水泥水化程度越高，生成更多的水泥水化产物黏结在纤维表面，从而让聚丙烯纤维分担更多的应力。

图6 破坏偏应力随掺砂量的变化规律

图7 破坏偏应力随养护龄期的变化规律

2.2 抗剪强度参数的影响因素

2.2.1 纤维掺量

纤维掺量对黏聚力和内摩擦角的影响如图8所示。聚丙烯纤维水泥砂浆土的黏聚力随着纤维掺量的增大而增大，而纤维掺量对内摩擦角影响不显著。未掺纤维的水泥砂浆土的黏聚力为0.06 MPa，纤维掺量4%的纤维水泥砂浆土的黏聚力为0.24 MPa，黏聚力提高了3倍，提高效果明显。当纤维掺量超过4%时，纤维掺量对黏聚力的影响不明显。

纤维提高黏聚力的原因主要归结为2个方面。首先，聚丙烯纤维能与水泥水化物形成有效黏结，在纤维水泥砂浆土破坏时，分散其所受应力，在适当范围内增大纤维掺量能增加纤维与水泥砂浆土的黏结。另一方面，纤维在土体中是随机分布的，而且弯曲的纤维相互交织在一起，形成空间网状结构，可以有效抑制裂缝的产生与扩展，产生近似“围压”的作用[18]。而当纤维掺量超过4%时，一些纤维开始聚集成团，导致纤维与水泥砂浆土之间的接触面不再增加，黏聚力提高不明显。

2.2.2 水泥掺量

水泥掺量对黏聚力和内摩擦角的影响如图9所示。增大水泥掺量可以提高聚丙烯纤维水泥砂浆土的黏聚力且提高速率逐渐降低，而水泥掺量对纤维水泥砂浆土的内摩擦角影响不明显。水泥掺量分别为10%和25%时，聚丙烯纤维水泥砂浆土的黏聚力分别为0.12 MPa和0.24 MPa，黏聚力提高了1倍，效果显著。

提高水泥掺量会提高水泥水化物所占比例，可以将更多细小的土体颗粒黏结起来，进而与聚丙烯纤维黏结成具有较好的连续性的絮凝状结构，并导致纤维周围的法向应力以及有效接触面积增加，可以将聚丙烯纤维高抗拉的特性体现出来，从而提高聚丙烯纤维水泥砂浆土的黏聚力。

图8 纤维掺量对抗剪强度参数的影响

图9 水泥掺量对抗剪强度参数的影响

2.2.3 掺砂量

掺砂量对黏聚力和内摩擦角的影响如图10所示。掺砂量对聚丙烯纤维水泥砂浆土的黏聚力影响不显著，纤维水泥砂浆土的内摩擦角随掺砂量先增大后减小，最优掺砂量为0.3，对应的最大内摩擦角为32.7°。

当掺砂量较小时，掺入砂子可以更加充分的填充土颗粒之间的孔隙，使纤维水泥砂浆土更加密实，因此内摩擦角逐渐提高；而掺砂量较大时，过量的砂子会逐渐产生新的孔隙，使纤维水泥砂浆土中固态颗粒之间接触面的摩擦力减小，因此纤维水泥砂浆土的内摩擦角降低。

2.2.4 养护龄期

养护龄期对黏聚力和内摩擦角的影响如图11所示。聚丙烯纤维水泥砂浆土的黏聚力随着养护龄期的延长而提高，而内摩擦角无明显变化。养护龄期从7 d延长至14 d时，聚丙烯纤维水泥砂浆土的黏聚力从0.08 MPa增大到0.15 MPa，相比提高87.5%，黏聚力增长显著。养护龄期大于14 d时，黏聚力增长速率变小。

聚丙烯纤维水泥砂浆土中的水泥水化物随养护龄期的延长不断增多，固相颗粒之间的孔隙不断被填充，凝胶体结构密实性更好，随着网状结构不断扩展，固相颗粒之间的黏结更充分，因此黏聚力不断增大。当养护龄期较短时，水泥水化速率较高，因此黏聚力增长速率较大；而随着养护龄期的延长，水泥水化速率逐渐降低，因此黏聚力的增长速率也逐渐降低。

图10 掺砂量对抗剪强度参数的影响

图11 养护龄期对抗剪强度参数的影响

3 结论

1) 水泥砂浆土的应力应变曲线为应变软化型，而纤维水泥砂浆土的应力应变曲线为应变硬化型。

2) 纤维水泥砂浆土的黏聚力随纤维掺量增大而增大，掺量超过4%后，增长不显著，而纤维掺量对内摩擦角的影响不明显。

3) 掺砂量对纤维水泥砂浆土的黏聚力影响不显著，而纤维水泥砂浆土的内摩擦角随掺砂量先增大后减小，最优掺砂量为0.3。

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Experimental study on triaxial compression of polypropylene fiber reinforced cement mortar soil

RUAN Bo1, DING Hui1, DENG Wei2, ZHENG Shilong1, RUAN Chenxi1, SUN Zechuan1, ZHANG Rui1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. Power China Zhongnan Engineering Co., Ltd., Changsha 410014, China)

In order to study the reinforcement effect of fibers on cement mortar soil, a series of triaxial compression tests were carried out. The effects of fiber content, cement content, sand content, and curing time on the stress-strain curve, deviatoric stress at failure and shear strength parameters of fiber reinforced cement mortar soil (FRCMS) were investigated. The results show that the stress-strain curve of FRCMS exhibits typical strain hardening behavior, and polypropylene fiber can effectively improve the toughness of cement mortar soil. The deviatoric stress at failure of FRCMS and the cohesion of FRCMS both increases with increasing fiber content. The cohesion values of cement mortar soil without fiber and cement mortar soil with 4% fiber are 0.06 MPa and 0.24 MPa, respectively. However, the influence of fiber on internal friction angle of FRCMS is not obvious. The influence of sand on the cohesion of FRCMS is inapparent, but the internal friction angle increases first and then decreases with sand content, and the optimal sand content is 0.3. The results of this research study can provide reference for the design and construction of fiber reinforced cement mortar mixing pile.

polypropylene fiber; cement mortar soil; triaxial compression test; fiber content; sand content; cohesion; internal friction angle

TU447

A

1672 − 7029(2021)02 − 0359 − 07

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200900

2020−09−24

国家自然科学基金资助项目(51878666)；中南大学实验室开放专项资金资助项目(160160001)

阮波(1972−)，男，河南新县人，副教授，博士，从事岩土工程方面的教学、科研工作；E−mail：ruanbo@csu.edu.cn

(编辑 蒋学东)