纤维和纳米材料改良花岗岩残积土的力学试验及机理研究

王志兵， 刘金明， 顾 翔

(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院， 广西 桂林 541004； 2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西 桂林 541004； 3.西南有色昆明勘测设计(院) 股份有限公司， 云南 昆明 650217)

1 研究背景

在中国南方一些省份广泛分布着花岗岩残积土，其为花岗岩在经历长时间的物理、化学风化作用后残留的特殊土体，常常用于公路和高速铁路建设项目的填料或各类堤坝边坡等。然而，花岗岩残积土是具有高液性、结构性、遇水软化、易崩解性等特性的区域性特殊土[1]，在降雨和外力的作用下常常会导致其填筑的路基变形、塌陷，或边坡破坏甚至形成灾难性滑坡，因此，使用花岗岩残积土作为建筑材料需要进行特别处理来改善其性能(渗透性、强度、模量等)以满足工程需要，常用的土体处理方式包括物理压实(使土体变得致密)和土壤添加剂(稳定土体，改善其工程性能)。而花岗岩残积土的天然含水率一般情况下均大于其最佳含水率，施工时若不进行晾晒，天然条件下花岗岩残积土的物理压实将变得更困难，甚至不能保证其施工质量，因此使用土壤添加剂来改善其工程性能是一种有效手段。有许多学者对粉煤灰、石灰、水泥、煤矸石粉等传统土壤添加剂改良土体进行了研究，发现传统土壤添加剂与土颗粒发生水化反应后产生的凝胶物质可以有效改善土体强度、压缩性和崩解性，使土体最佳含水率发生变化，还有研究表明混合使用传统土壤添加剂改良土体可以进一步改善土体性能[2-9]。在使用传统土壤添加剂改良土体时，会改变土体pH值从而影响植被生长[10-11]，因此为符合可持续发展的理念，采用高性能、环保、廉价材料作为土体改良剂是非常有必要的。

近年来，人工合成纤维和纳米材料这两类新型土壤添加剂在岩土加固方面表现出了优势，引起了众多学者的关注和进一步研究。人工合成类纤维用于土体改良具有生物降解速度慢、强度可靠、成本低等优点。用于土体加固的人工合成纤维的种类有玻璃纤维[12-13]、聚丙烯纤维[14-15]、玄武岩纤维[16-17]等，能加固砂土、黏土、黄土，甚至砂浆等工程材料，被加固土体的一些工程性质均有相应的改善，并具有随掺量变化的岩土体力学性质和最优纤维掺量等规律，其加固机理常常以纤维的加筋机理[18-19]来解释。另一类土壤添加剂纳米材料常常具有较小的颗粒尺寸和较高的表面活性，使用其改良土体后，土体能够表现出更优的力学性能[20]。常用的纳米材料包括纳米二氧化硅[21-22]、纳米氧化铝[23]、纳米硅酸钠[24-25]、纳米碳酸钙粉[26]等，对改善粉土、软土、砂土的物理力学性质具有良好的效果，改良机理主要是因为纳米材料能在颗粒粒径尺度上与岩土体颗粒产生相互作用。此外，使用纤维和纳米材料复合[27-28]改良土的性质也逐渐被关注，其复合改良机理仍需要进一步研究。

上述研究成果表明，不同的土壤添加剂对土体的影响是有差异的，其中针对纤维和纳米材料混合改良土性质的研究较少，需进一步探讨其作用效果和机理。本文选取玄武岩纤维和纳米氧化铁作为加固材料，对广西壮族自治区玉林市某地的花岗岩残积土进行改良试验，控制纤维和纳米材料掺量，开展固结不排水三轴剪切试验和扫描电镜试验，研究玄武岩纤维、纳米氧化铁和玄武岩纤维与纳米氧化铁共同作用对花岗岩残积土力学性能的影响，并从微观结构分析其作用机理。

2 材料与试验方法

2.1 花岗岩残积土的基本性质

花岗岩残积土土样取自广西壮族自治区玉林市容县某花岗岩残积土边坡填料。按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[29]测试了其颗粒粒径分布及基本物理性质，分别见图1和表1。

图1 花岗岩残积土土样颗粒分析曲线

由图1可知，花岗岩残积土土样中粒径小于0.075 mm的土粒含量超过60%，粒径在0.075～2 mm之间的土粒含量接近40%，说明花岗岩残积土粒径主要分布在砂粒组和细粒组中。按照《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)[29]对土样进行分类，结合表1中土样的液限值，容县花岗岩残积土属于含砂低液限粉质土。该地区残积土中原生矿物主要为石英，次生矿物主要为高岭石，是花岗岩高度风化后的产物[30]。

由表1可知，容县花岗岩残积土的最佳含水率为19%，最大干密度为1.65 g/cm3，天然含水率为26.2%，花岗岩残积土的天然含水率比最佳含水率高7.2%，在施工过程中需要晾晒土体，否则天然土体难以压实或需要额外提高压实能量，这将不利于花岗岩残积土在工程中的应用[31]。

表1 花岗岩残积土土样的基本物理参数

2.2 玄武岩纤维和纳米氧化铁

本文所采用的短切玄武岩纤维材料采购自山东森泓工程材料有限公司，玄武岩纤维的长度和直径分别为6 mm和7 μm，有耐酸耐碱、耐压性好、不易断裂、抗拉力强等优点，具有加固土体的潜能，外观如图2(a)所示；纳米氧化铁材料采购自宁波极微纳新材料科技有限公司，颗粒的平均粒径为20 nm，且其性质较稳定，不溶于水，在常温条件下不易分解，在空气中呈红色，外观如图2(b)所示。纳米氧化铁的X射线衍射图谱如图2(c)所示，由图2(c)可以看出，纳米氧化铁的衍射峰值与Fe2O3标准卡片所指示峰值的吻合度较高，表明所购的纳米氧化铁材料纯度高，无其他杂质。

图2 玄武岩纤维和纳米氧化铁的外观形态及纳米氧化铁X射线衍射图谱

2.3 样品制备

为了探究玄武岩纤维和纳米氧化铁对花岗岩残积土剪切特性的影响，采用自然风干的花岗岩残积土过2 mm筛且烘干，用烘干土样制备含水率为19%和压实度为95%(配置土样的干密度为1.57 g/cm3)的10组试样，分为以下4种处理：(1)未做处理的对照土样(素土)；(2)分别加入干土质量分数为0.5%、0.7%、1.0%、1.5%的玄武岩纤维处理土样；(3)分别加入质量分数为1%、2%、3%、5%的纳米氧化铁处理土样；(4)在1%的玄武岩纤维中分别掺入质量分数为1%、3%、5%的纳米氧化铁处理土样。玄武岩纤维为压制而成的条状纤维，需先将纤维散布在土中，再不断地拌合，使纤维均匀分散于土中，最后加入蒸馏水配置最佳含水率的土样；为使纳米氧化铁能均匀分散在土中，先将纳米氧化铁粉末加入土中不断搅拌至均匀，再加入蒸馏水配置最佳含水率土样；素土则只需加蒸馏水配置成目标含水率土样即可，将配置好的土样装入密封袋中，再放入保湿缸中保湿24 h后备用。采用静压方式制样，分4层制备高为80 mm，直径为39.1 mm的三轴试验试样。将制备好的试样进行抽真空处理并静置2 h，然后注入蒸馏水，饱和8 h后进行三轴试验。

2.4 试验方法

采用固结不排水三轴压缩试验研究素土和改良土样的剪切特性，设置3个围压(100、200、300 kPa)，即每组3个试样，以0.08 mm/min的剪切速率进行试验，剪切结束条件为轴向应变达到15%。将剪切完后的试样用小刀切成边长为2 cm左右的土块，再将土块自然风干后进行喷金处理，然后用扫描电镜观察土块试样的微观结构。

3 试验结果与分析

3.1 玄武岩纤维对花岗岩残积土的改良效果

不同围压下玄武岩纤维改良花岗岩残积土试样的应力-应变关系曲线如图3所示。由图3可知，应力-应变曲线为应变软化型，即试样的应力先随应变的增加而增加，当应变达到某一值后，应力不再增长；在100、200和300 kPa的围压条件下，1.0%的玄武岩纤维改良土试样的偏应力峰值均为最大值。在3个围压下对应1.0%掺量试样的偏应力峰值与素土相比分别提升了89%、75%和61%。玄武岩纤维改良土样的抗剪强度均大于素土试样，且随围压的增加而增加。

图3 不同围压下玄武岩纤维改良花岗岩残积土试样的应力-应变曲线

由玄武岩纤维改良土样的应力-应变曲线可得到试样的内摩擦角和黏聚力随玄武岩纤维掺量的变化规律，如图4所示。

由图4可知，当玄武岩纤维掺量小于1%时，玄武岩纤维改良土试样的黏聚力和内摩擦角随玄武岩纤维掺量的增加而增大，且黏聚力的增幅大于内摩擦角的增幅；当玄武岩纤维掺量超过1%后，试样的黏聚力和内摩擦角随玄武岩纤维掺量的增加而减小。玄武岩纤维改良土试样的黏聚力和内摩擦角在0.5%～1.0%玄武岩纤维掺量区间的增速相对最快，且在玄武岩纤维掺量为1.0%时，试样的黏聚力和内摩擦角达到最大值，分别为24.3 kPa和28.3°。与素土相比，其黏聚力增加了605%，内摩擦角增加了25%，表明玄武岩纤维改良土试样抗剪强度的增大主要由黏聚力提供。

3.2 纳米氧化铁对花岗岩残积土的改良效果

不同围压下纳米氧化铁改良花岗岩残积土试样的应力-应变关系曲线如图5所示。由图5可知，所有纳米氧化铁改良土试样的应力出现峰值后，随着应变的增加，应力均出现小幅度下降，下降幅度随着氧化铁掺量的增加而减小，应力-应变曲线仍属于应变软化型；纳米氧化铁改良土试样的偏应力峰值均比素土试样高，且随纳米氧化铁掺量的增加而增大；在100、200、300 kPa的围压条件下，5%掺量纳米氧化铁改良土样的偏应力峰值比素土样分别提高了35%、31%和22%。

图4 玄武岩纤维改良花岗岩残积土试样黏聚力和内摩擦角的变化规律

图5 不同围压下纳米氧化铁改良花岗岩残积土试样的应力-应变曲线

由纳米氧化铁改良土样的应力-应变曲线可得到试样的内摩擦角和黏聚力随纳米氧化铁掺量的变化规律，如图6所示。由图6可知，随着纳米氧化铁掺量的增加，土样的黏聚力和内摩擦角呈单调增大的趋势。在纳米氧化铁掺入量为5%时，与素土样相比，其黏聚力增加了318%，内摩擦角增加了8.8%，黏聚力的增长比内摩擦角要显著得多。5%掺量的纳米氧化铁改良土样在改善剪切特性方面与3%掺量的水泥改良土[32]的效果基本相同。

图6 纳米氧化铁改良花岗岩残积土试样黏聚力和内摩擦角的变化规律

3.3 玄武岩纤维和纳米氧化铁复合作用对花岗岩残积土的改良效果

1%掺量的玄武岩纤维和不同纳米氧化铁掺量的花岗岩残积土试样的应力-应变关系曲线如图7所示。由图7可知，复合改良土的应力-应变曲线也属于应变软化型，最大偏应力随着掺量和围压的增加而增大。通过对比可知1%的玄武岩纤维与5%的纳米氧化铁的改良效果最好，在不同围压下与1%的玄武岩纤维改良土相比偏应力峰值增加了26%、9%、10%，与素土相比增加了138%、92%和77%。将图7与图3、5对比可知，复合改良对提高土体抗剪强度的效果比单掺改良效果更好。

图7 不同围压下1%玄武岩纤维和纳米氧化铁改良花岗岩残积土试样的应力-应变曲线

复合改良花岗岩残积土试样的抗剪强度指标随纳米氧化铁掺量的变化规律如图8所示。由图8可知，随着纳米氧化铁掺量的增加，土样的黏聚力单调增加，即纳米氧化铁掺量越高，土样黏聚力越大，与对照组(即1%玄武岩纤维改良土)相比，试样的黏聚力增加了77%。土体内摩擦角随着纳米氧化铁掺量的增加变化很小，与单独加入纳米氧化铁的变化规律类似。这一结果与文献[28]得出的纤维和纳米材料对提高上海黏土的黏聚力比内摩擦角要显著的结论相一致。

图8 复合改良土试样抗剪强度指标随纳米氧化铁掺量的变化规律

3.4 玄武岩纤维和纳米氧化铁改良花岗岩残积土的机理分析

为了探究玄武岩纤维与纳米氧化铁对提高花岗岩残积土抗剪强度指标的作用机理，分别对花岗岩残积土的素土样、1%玄武岩纤维改良土样、1.5%玄武岩纤维改良土样及5%纳米氧化铁改良土样进行微观结构观察，如图9所示。

图9 花岗岩残积土及其改良土的扫描电镜照片

由图9可以看出，花岗岩残积土素土土样的土颗粒表面比较光滑(图9(a))；而经过纳米氧化铁改良后的土体颗粒表面有明显的纳米级大小的颗粒附着物(图9(b))，这表明纳米氧化铁主要吸附在土颗粒表面，使土颗粒间接触点变得更多，此过程会增加颗粒间的静电引力或土颗粒间接触点的化学键键能[33]，从而提高土样的黏聚力。此外，纳米氧化铁还能起到填充土体孔隙的作用，使土颗粒表面变得更粗糙，从而增大了改良土的内摩擦角。然而，由图6和8可知纳米氧化铁改良土的内摩擦角并没有得到大幅度改善，可能是因为花岗岩残积土是花岗岩高度风化后的产物，其土体主要以高岭石为主，纳米氧化铁颗粒不易进入高岭石夹层内部，改善效果有限。当玄武岩纤维与土充分搅拌后，纤维主要呈分散的单丝状，并以不同的角度随机地、较均匀地分布于土样中，纤维之间形成连锁网，能限制土颗粒移动的空间(图9(c))，同时也能增加土颗粒与纤维的接触面及其摩擦力，使得纤维与土颗粒之间的相互作用增强，从而在剪切过程中提高了土体抵抗破坏的能力，改善了土体的黏聚力和内摩擦角。当纤维掺量过多时，容易形成纤维团(图9(d))，纤维团的存在会使土颗粒之间的有效接触面减少，反而降低土体的黏聚力和内摩擦角。

在单掺改良方法中，1%的玄武岩纤维和5%的纳米氧化铁改良花岗岩残积土试样的抗剪强度效果最佳，在100、200和300 kPa的围压下，改良土的抗剪强度分别增加了74%、53%、45%和34%、18%、18%；在复合改良土样中，1%的玄武岩纤维和5%的纳米氧化铁组合改良的效果最佳，不同围压下其土样抗剪强度分别增加了114%、73%和58%。这表明掺入玄武岩纤维和纳米氧化铁均能提升花岗岩残积土的抗剪强度，其中玄武岩纤维改良土样存在最佳掺量，且两种材料混合使用时，改善土体抗剪强度的效果最佳。这是因为玄武岩纤维以随机的角度分散在土体中，在土体内部起到加筋作用；纳米氧化铁吸附在土颗粒表面，增强颗粒间联结，并可以填充到土颗粒之间的大孔隙中，玄武岩纤维和纳米氧化铁共同使用能更显著提高土体的力学性能。

4 结 论

使用玄武岩纤维和纳米氧化铁改良花岗岩残积土的抗剪强度，通过对改良土进行固结不排水三轴剪切试验及微观结构观测，得到的结论如下：

(1)单独使用玄武岩纤维改良花岗岩残积土，土样的黏聚力和内摩擦角随着玄武岩纤维的掺量呈先增大后减小的趋势，即存在一个最佳的玄武岩纤维掺量值(1%)，此时改良土的黏聚力和内摩擦角分别为24.3 kPa和28.3°，相对于素土样分别增加了605%和25%。

(2)单独使用纳米氧化铁改善花岗岩残积土，土样的黏聚力和内摩擦角随纳米氧化铁掺量呈单调增加趋势，氧化铁掺量越高(5%)，改良效果越好。与素土样相比，5%纳米氧化铁改良土样的黏聚力增加了318%，内摩擦角增加了8.8%。

(3)使用玄武岩纤维和纳米氧化铁复合改良花岗岩残积土时，其改善效果比单独改良的效果好，1%的玄武岩纤维和5%的纳米氧化铁的复合改良效果最佳，与素土样相比，不同围压下抗剪强度分别提升了114%、73%和58%。

(4)玄武岩纤维改良花岗岩残积土的作用机理是适当掺量的玄武岩纤维能以不同的角度均匀分散在土中，形成互锁网，通过加筋作用增强土颗粒之间的相互作用来提高土体抗剪强度；纳米氧化铁改良花岗岩残积土的作用机理是纳米氧化铁增加了颗粒间的静电引力或土颗粒间接触点的化学键键能，并填充了土体中的大孔隙，从而提高了土体的抗剪强度。玄武岩纤维与纳米氧化铁复合改良则同时存在上述效应，改良效果更佳。此外，玄武岩纤维和纳米氧化铁对花岗岩残积土黏聚力的改善效果比内摩擦角要明显得多，黏聚力的增强是改良土样抗剪强度提升的主要原因。