废弃纤维改良水泥固化土力学特性及破坏模式研究

仇安兵

（北京科技大学，北京 100083）

0 引言

纤维改良水泥固化砂土是由纤维、砂土、水泥、水按比例配制，经压实、养护形成的一种拌和物。因其解决了水泥固化砂土强度低、脆性大的问题，被广泛地应用在软土地基处理、边坡加固和基坑防渗等重要岩土工程中[1-3]。纤维作为纤维加筋水泥固化砂土的增强单元，对其力学性质具有重要影响。目前，在工程中应用的纤维主要包括聚丙烯纤维和玄武岩纤维[4-8]，虽取得了较好的改良效果，但增加了工程成本。另外，聚丙纤维作为一种化学纤维，其生产必然伴随一定的环境污染和原材料的浪费[9]。因此开展水泥固化砂土的低成本、无害化改良的研究具有重要意义。

无害化改良的本质是通过生活中产生的废弃材料代替现有工业生产的纤维材料，其目的是既实现土体改良，又实现废物回收利用。目前，关于土体无害化改良已有相关研究。Consol 等[10]使用废弃塑料瓶制备的塑料碎片对水泥固化砂土进行改良，基于三轴压缩试验，研究塑料碎片含量、尺寸、水泥含量对水泥固化砂土变形特性和强度特性的影响。Chen 等[11]利用废弃聚丙烯纤维袋制备的纤维块体对水泥固化砂土进行改良，得到了纤维含量、纤维长度、养护龄期对无侧限抗压强度的影响。Foose 和Hataf[12-13]使用废弃轮胎碎片对砂土进行改良。Foose 基于直接剪切试验结果，指出轮胎碎片含量、砂土初始密度和正应力是影响抗剪强度的关键因素。Hataf 基于CBR 试验结果，指出在最优含量和最优长度下，承载力达到峰值。Cao 等[14]利用废弃衣物制备的棉纤维块体和化学纤维块体对黏土进行改良。基于环刀贯入试验结果、加州承载比试验结果和直接剪切试验结果，发现废弃衣物制备的棉纤维块体和化学纤维块体均可明显提高黏土的抗剪强度和承载力，化学纤维改良效果优于棉纤维。Mirzababaei[15]利用废弃地毯制备纤维对黏土进行改良，通过开展无侧限抗压强度试验，研究纤维对黏土力学特性的影响。研究结果表明，废弃地毯制备的纤维可明显提高黏土的无侧限抗压强度、降低峰后强度的衰减速度，增大黏土的延性。Estabragh[16]使用尼龙纤维对水泥固化黏土进行改良，研究纤维含量、水泥含量、养护龄期对无侧线抗压强度的影响。周静海等[17-19]采用压汞试验及快速碳化试验等方法，探讨了废弃纤维再生混凝土的孔结构、碳化性能的分形特征以及两者之间的关系以及废弃纤维再生混凝土框架中柱节点抗震性能试验研究。结果表明，废弃纤维再生混凝土孔结构具有显著的分形特征，废弃纤维的加入可阻止结构中有害孔的形成,改善废弃纤维再生混凝土内部的孔结构；纤维的加入可以提高再生混凝土的碳化性能，碳化边界轮廓线的分形维数越小，对应的碳化深度越大；废弃纤维再生混凝土的碳化深度与孔隙体积分形维数之间存在相关性。

通过对已有文献的统计及分析可以得到，废弃材料用于土体改良是可行的。废弃材料的含量和尺寸对废弃材料的改良效果具有重要影响，在评价改良效果时，改良前后土体的破坏模式是关键评价指标。由Cao 等[14]研究可知，废弃纺织品原料来源广泛，具有较高的抗拉强度和较好的抗变形能力，将其应用在土体无害化改良中是十分合适的。但目前关于废弃纺织品改良土体的研究鲜有报道，关于废弃纺织品改良水泥固化砂土的研究尚属空白。此外，已有研究成果只说明纤维可改变水泥固化砂土的破坏模式，尚未说明如何准确区分不同初始条件下的纤维改良水泥固化砂土破坏模式，也未说明如何定性、定量评价不同初始条件下的纤维改良水泥固化砂土由脆性破坏向延性破坏的转变程度。

本研究利用废弃服装制备的涤纶纤维对水泥固化砂土进行改良。通过开展无侧限抗压强度试验，研究纤维含量和纤维长度对水泥固化砂土无侧限抗压强度、峰值应变、残余强度、残余应变的影响。利用试样的宏观破坏形貌和脆性指数，从定性和定量两个角度研究纤维含量、纤维长度影响下水泥固化砂土破坏模式和破坏模式间的转变规律。既实现水泥固化砂土的无害化改良，又为废弃纺织纤维的回收利用和纤维改良土的破坏模式分析提供科学方法。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验用砂土取自北京市延庆区某综合管廊施工现场。根据ASTM1998[20]标准，测试砂土基本物理指标。采用X 射线荧光分析技术分析砂土组成。砂土颗粒分布曲线如图1所示，基本物理指标如表1所示，砂土组分如表2所示。

表1 砂土基本物理指标

表2 砂土基本组分

图1 砂土级配曲线图

由ASTM C150[21]判定试验用水泥为2 号硅酸盐水泥，其主要成分包括：3CaO·SiO2，2CaO·SiO2，3CaO·Al2O3和4CaO·Al2O3·Fe2O3[22-23]。由ASTM C 187[24],测得水泥的相对重度为3.08，水灰质量比0.485。参照ASTM C 109-08 和ASTM C 190-85[25-26]，测得该水泥7 d 抗压强度19.2 MPa，抗拉强度1.6 MPa，28 d 抗压强度42.5 MPa，抗拉强度2.22 MPa。

由于废弃涤纶纤维纺织品材质均匀，具有弹性高和拉力大的优点。因此，本研究把由纤维切割机加工得到的废弃涤纶纤维碎块作为增强材料。废弃涤纶纤维的单丝直径0.75 mm，相对密度1.15，吸水率14.1%，伸长率6.4%。参照ASTM D 2256 和ASTM D 2101[27-28]确定单丝抗拉强度355 MPa，单丝弹性模量2250 MPa。废弃涤纶纤维如图2所示。

图2 废弃涤纶纤维细观形貌

1.2 试验方法

1.2.1 试验变量和试样参数

本研究中，选取废弃涤纶纤维含量和纤维长度作为试验变量。试验时，纤维含量分别为0.0%、0.5%、1.0%、1.5%，纤维的长度分别为6 mm、9 mm、12 mm。参照Hamidi[29]的研究，确定纤维改良水泥固化砂土的水泥含量为3.0%，含水率为15.2%，压实度为0.70。试验变量和试样参数如表3所示。

表3 试验变量和试样参数

1.2.2 试样制备

本研究中试样直径为38.1 mm，高度为80 mm。制备试样前，采用Hamidi 等[29]提出的方法确定砂土质量，水泥含量、纤维含量和水质量。制备废弃涤纶纤维加筋水泥固化砂土时，先用搅拌器将一定质量的水泥和砂土搅拌均匀，搅拌时间5 min。然后向其中加入定量清水，再使用搅拌器将水泥、砂土、水搅拌均匀，搅拌时间3 min。为确保废弃涤纶纤维随机分布在水泥固化砂土中，分五次将废弃涤纶纤维加入到水泥固化砂土中，每次搅拌2 min。为控制试样的干密度，分8 次将废弃涤纶纤维加筋水泥固化砂土填充至直径39.1 mm、高80 mm 的金属模具中。每次填充后，用金属锤锤击25～30 次，直到试样高度达到10±0.2 mm。试样制备完成后，在温度25±2 ℃、湿度90%以上的条件下，使用混凝土养护箱养护7 d。养护结束后，在干燥温度为50 ℃的条件下，使用干燥箱干燥，当试样质量变化小于0.01 g 时，停止干燥。由于干燥温度(50 ℃)小于涤纶纤维软化温度(200～210 ℃)，因此，干燥不会改变废弃涤纶纤维的物理力学性质。废弃涤纶纤维加筋水泥固化砂土和试验试样分别如图3(a)和图3(b)所示。

图3 废弃涤纶纤维改良水泥固化砂土和试验试样

1.2.3 试验参数

本研究中，使用应变控制式全自动单轴试验仪进行无侧限抗压强度试验。参照文献[30]，确定试验机的加载速率为0.8 mm/min。由于单次试验结果具有偶然性，取3 次试验结果的平均值作为最终值。

2 纤维水泥固化砂土力学特性与破坏模式分析

2.1 全应力应变曲线特征

图4 为水泥固化砂土废弃涤纶纤维改良水泥固化砂土的全应力应变关系曲线。由图4 可知，改良前后水泥固化砂土的应力应变曲线均包括四个主要阶段，分别是压密阶段、线弹性变形阶段、应力快速跌落阶段、残余强度阶段。加入废弃涤纶纤维后，水泥固化砂土的峰值强度和峰值应变明显增大，峰后应力跌落速率明显降低，残余强度和残余应变显著提高。废弃涤纶纤维可明显改善水泥固化砂土的力学特性，纤维含量和纤维尺寸对改良效果影响显著。

图4 纤维含量、纤维长度影响下水泥固化砂土的全应力应变关系曲线图

2.2 纤维含量、长度影响下纤维改良水泥固化砂土强度参数变化规律

2.2.1 纤维含量影响下无侧限抗压强度和峰值应变变化规律

图5 给出纤维含量影响下无侧限抗压强度和峰值应变变化规律。由图5 可知，当水泥含量、压实度、含水率、养护时间，纤维长度一定时，随着纤维含量增加，无侧限抗压强度先增加后减小。当纤维含量为1.0%时，三种纤维长度条件下的无侧限抗压强度均达到最大值，分别是1190.12 kPa、1282.91 kPa、999.45 kPa，相比于未加筋水泥固化砂土的无侧限抗压强度830.30 kPa，无侧限抗压强度增长幅度分别为43.3%、54.5%、19.3%。采用已有研究中判断最优纤维含量的方法，可判定本研究中废弃涤纶纤维的最优含量为1.0%。由图5 还可以看出，当纤维长度为6 mm 和12 mm 时，随着纤维含量增加，废弃涤纶纤维改良水泥固化砂土的峰值应变先增加后减小，在纤维含量为1.0%时，峰值应变分别达到最大值2.0625%和2.8125%，相较于未加筋水泥固化砂土峰值应变1.375%，增长幅度分别为50%和104.5%。当纤维长度为9 mm 时，随着纤维含量增高，峰值应变无明显变化。上述现象的原因在于，当纤维含量较小时，适当地增加纤维含量可以提高水泥固化砂土中纤维的分布量，增大纤维与水泥固化砂土间的黏结力和摩擦力，表现为无侧限抗压强度增大。但当纤维含量超过最优含量时，纤维与纤维之间的间距减小，甚至互相接触，不仅影响纤维与水泥固化砂土的接触，还在纤维与纤维接触的界面形成“弱结合面”，导致纤维和水泥固化砂土间的黏结力和摩擦力降低，表现为无侧限抗压强度减小。

图5 纤维含量影响下无侧限抗压强度和峰值应变变化规律

2.2.2 纤维长度影响下无侧限抗压强度和峰值应变变化规律

由2.2.1 节可知，废弃涤纶纤维的最优含量为1.0%。因此，本部分重点分析纤维含量1.0%时纤维长度对废弃涤纶纤维改良水泥固化砂土的无侧限抗压强度和峰值应变的影响。由图6 可知，纤维含量为1.0%时，随着纤维长度增加，无侧限抗压强度先增加后减小。当纤维长度为9 mm 时，无侧限抗压强度达到最大值，当纤维长度为12 mm 时，峰值应变达到最大值2.8125%。采用已有研究中判断纤维最优长度的方法，得到本研究中废弃涤纶纤维的最优长度为9 mm。上述现象的原因如下：当纤维较短时，纤维与水泥固化砂土之间的黏结力较小，在荷载的作用下，纤维在水泥固化砂土内部容易发生相对滑动，适当增加纤维的长度可以增大纤维与土体之间的黏结力，从而增强纤维的改良效果。但当纤维的长度过长时，纤维在水泥固化砂土内容易发生折叠和缠绕，纤维折叠会使纤维的“有效受力长度”变短，纤维缠绕会使纤维与水泥固化砂土之间的接触面积变小，这两者会导致纤维与水泥固化砂土之间的黏结力减小，导致无侧限抗压强度降低[13]。

图6 纤维长度影响下无侧限抗压强度和峰值应变变化规律

2.2.3 残余强度和残余应变变化规律

纤维含量、长度影响下残余强度和残余应变变化规律如图7所示。由图7(a)可知，当水泥含量、压实度、含水率、养护时间、纤维长度一定时，随着纤维含量增加，残余强度先增加后减小。由图7(b)可知，当纤维含量一定时，随着纤维长度增加，残余强度也先增加后减小。综合图7(a)、7(b)可知，当纤维含量为1.0%、纤维长度为9 mm 时，废弃涤纶纤维加进水泥固化砂土残余强度由改良前的69.05 kPa 增长到最大值260.23 kPa，增长幅度为276.9%。水泥固化砂土改良后，残余应变均有明显提高，在最优纤维含量、最优纤维长度条件下，残余应变由改良前的1.375%增长到4.0%，增长幅度190.9%。

图7 纤维含量、长度影响下残余强度和残余应变变化规律

2.3 废弃涤纶纤维影响下水泥固化砂土脆-延转化规律

2.3.1 脆-延转化定性分析

引入史贵才[31]、王绳祖[32]提出的脆性材料的脆-延性转化评价方法，使用试验后试样的破坏形貌对水泥固化砂土的脆-延转化进行定性分析。水泥固化砂土和废弃涤纶纤维加筋水泥固化砂土试验后的宏观破坏形貌分别如图8(a)、8(b)所示。由图8(a)可知，未加筋水泥固化砂土试样破坏后，表面产生纵向贯通、相互独立的裂隙，具有明显的脆性破坏特征。由图8(b)可以看出，废弃涤纶纤维加筋水泥固化砂土破坏后，表面出现单斜或稀疏的共轭破裂裂纹或稠密的网状共轭裂纹，具有明显的半延性、延性破坏特征。在最优纤维含量1.0%，最优纤维长度9 mm 条件下，试样破坏后表面共轭裂纹数量最多，延性破坏特征最明显，在非最优纤维含量、最优纤维长度条件下，半延性破坏特征明显。需要指出的是，采用上述方法评价废弃涤纶纤维加筋水泥固化砂土的脆-延转化时，若外界扰动改变了试样的真实破坏形貌，上述方法不再适用。

图8 水泥固化砂土和废弃涤纶纤维加筋水泥固化砂土宏观破坏形貌

2.3.2 脆-延转化定量分析

由2.3.1 节分析可知，利用试样的宏观破坏形貌可定性评价水泥固化砂土的脆-延转化特征，但无法定量评价纤维掺入对水泥固化砂土脆-延转化的影响。引入脆性指标IB，定量评价纤维含量和纤维长度对水泥固化砂土脆-延特性转化的影响。

式中：IB为脆性指标；qmax为无侧限抗压强度；qres为残余强度。

纤维含量、纤维长度影响下水泥固化砂土的脆性指标及脆性指标的变化规律如图9所示。由图9(a)和图9(b)可知，纤维掺入后，水泥固化砂土的脆性指标明显降低。当纤维长度一定时，随着纤维含量增加，脆性指标先降低后增加，当纤维含量为1.0%时，脆性指标达到最小值，当纤维含量一定时，随着纤维长度增加，脆性指标也先降低后增加，当纤维长度为9 mm 时，脆性指标达到最小值。说明在最优纤维含量1.0%、最优纤维长度9 mm 条件下，废弃涤纶纤维对水泥固化砂土脆-延转化的影响程度最大。综合2.3.1 节可知，脆-延转化定量评价结果与定性评价结果一致，说明使用脆性指标IB可以定量评价纤维含量和纤维尺寸对水泥固化砂土脆-延转化的影响程度。此外，由于计算脆性指标时使用试样无侧限抗压强度和残余强度，上述两参量数值不受试验后扰动的影响，因此，解决了定性评价在外界扰动大的条件下失效的问题。

图9 纤维含量、纤维长度影响下水泥固化砂土的脆性指标统计及脆性指标变化规律

3 结论

利用废弃纺织品制备的涤纶纤维对水泥固化砂土进行改良，试验研究废弃涤纶纤维改良水泥固化砂土的无侧限抗压强度特性和破坏模式，得到以下结论：

(1)废弃涤纶纤维可明显提高水泥固化砂土的无侧限抗压强度、残余强度，增大峰值应变和残余应变，为水泥固化砂土无害化改良及废弃纺织纤维回收利用提供新方法。

(2)本研究中，废弃涤纶纤维的最优含量1.0%，最优纤维长度9 mm。在最优纤维含量、最优纤维长度条件下，水泥固化砂土的无侧限抗压强度、峰值应变、残余强度、残余应变的增长幅度分别为43.3%、

18.2%、276.9%、190.9%。

(3)水泥固化砂土改良后，其破坏模式由改良前的脆性破坏向半延性、延性破坏转变。宏观破坏形貌由脆性破坏时纵向贯通相互独立的裂隙向半延性破坏时单斜或稀疏的共轭破裂裂纹、延性破坏时稠密的网状共轭裂纹转变。在最优纤维含量、最优纤维长度条件下，废弃涤纶纤维改良固化砂土的延性破坏特征明显；在非最优纤维含量、非最优纤维长度条件下，半延性破坏特征明显。

(4)破坏模式转化的定量分析结果与定性分析结果吻合。水泥固化砂土由脆性破坏向半延性、延性破坏转变过程中，脆性指数不断减小。在最优纤维含量、最优纤维长度条件下，脆性指数最小，废弃涤纶纤维对水泥固化砂土脆-延转化的影响程度最高。

(5)本研究只考虑废弃涤纶纤维含量、长度对改良效果的影响。为实现废弃涤纶纤维在实际工程中的应用，未来将深入研究砂土干密度、含水率、水泥含量、养护龄期对改良效果的影响。