PVA纤维参数对改性水泥土粘接摩阻载荷及抗压强度影响试验

赵 伟，李 峰

(1.西安交通工程学院土 木工程学院，陕西 西安 7103002.西北工业大学 力学与土木建筑学院，陕西 西安 710300)

水泥土在边坡建设、软土地基优化与制造水帷幕方面发挥了重要作用，可以显著提高工程建设项目的经济收益，并达到理想的环境效益[1-3]。但进行工程应用期间，水泥土缺乏足够的强度并且存在延性较差的问题容易引起严重安全隐患。考虑到聚乙烯醇(PVA)可以实现高断裂强度、易于分散、高模量的多项优势，因此可以通过在水泥土内添加一定比例的聚乙烯醇纤维实现提升力学强度并改善变形能力的效果[4-6]。

有学者研究了PVA 纤维长队对混凝土的增强作用，通过设计室内实验进行测试可知，加入PVA后混凝土获得更高拉伸强度并提升了抗折性能，但引起抗压能力下降的结果[7]；在水泥基体中加入PVA纤维作为增强体制备得到复合材料，之后对其进行弯曲与拉伸测试表明上述处理方式促进了水泥基复合材料抗压能力的小幅提高，而抗弯和抗折能力都获得了显著增强，而材料在变形过程中表现出了明显硬化的特点，获得了17%的最高拉应变[8]；还有主要研究了PVA纤维对抗裂能力的提升作用，经过试验测试可知，当19 mm长度的 PVA纤维加入量达到0.85 kg/m3时获得了最优增强效果，可以达到80%裂缝控制率，此外还发现不同长度的纤维对裂缝的控制性能也存在较大差异，从总体上看长纤维具备比短纤维更优增强性能[9]。

研究选择P·O42.5硅酸盐水泥作为测试材料，按照与干图重量比为15%的条件加入水泥。控制固定配合比条件下，掺入PVA纤维的质量比按照每次与干土比例为0.25%的条件由0%提高至1%。

1 实验材料与方法

1.1 试样制备

选用YZ-PVA-12种类的纤维，PVA纤维的具体结构如图1所示；其性能如表1所示。

图1 PVA纤维照片Fig.1 PVA fiber photo

表1 PVA纤维性能Tab.1 Properties of PVA fiber

采用自然干燥方式处理得到土样，再将其置于颚式破碎机内充分粉碎，利用规格为2 mm的筛筛选出特定尺寸的土颗粒作为备用。按照与总量为1.1倍的条件称量每种组分，对纤维进行分散；再把纤维和水泥、干土充分搅拌选出均匀混合物，接着将其倒入QJ-20搅拌机内并在加水后进行2 min湿拌。搅拌结束之后，再将混合物转移至表面涂覆了脱模剂的模具内，根据GB/T 50123—2019《土工测试标准》，利用振动台实现均匀振捣状态[10]。无侧限抗压强度测试模具采用尺寸70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方结构铁模具。通过振捣方式实现均匀状态后，采用塑料薄膜进行封处理24 h并拆模[11]，再利用温度为20 ℃的标准养护箱进行保温，同时在相对湿度95%条件下达到测试龄期为止[12]；制备的试样的宏观和微观照片如图2所示。

图2 试样宏观和微观照片Fig.2 Macroscopic and microscopic photos of the sample

1.2 无侧限抗压强度实验

无侧限抗压强度指的是试块各方向都不存在约束的情况下可以承受的最大轴向压力，该指标也成为了判断水泥土力学特性的关键指标。测试过程在YHS-229WJ-50KN万能测试机上进行[13]，测试设备由上海益环仪器科技有限公司提供。

本实验以纤维长度与掺量作为变量，控制纤维长度依次等于3、6、9和12 mm，掺入纤维质量比为0%、0.25%、0.5%、0.75%和1%。为有效控制测试误差，保证测试结果可靠度，对试样参数与均值之间进行作差的结果大于均值15%时，则以其余2个试样均值作为测试结果。测试期间设定位移速度为1 mm/min，持续加载直到轴向的变形幅度增大至10%为止。

2 实验结果分析

2.1 应力-应变曲线

从图3中可以看出，在加入不同含量与不同长度的纤维条件下制得的纤维水泥土进行无侧限抗压测试形成的曲线，结果表明：

图3 PVA纤维水泥土应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of PVA fiber soil-cement

(1)PVA纤维水泥土主要形成了几个应力-应变阶段。阶段1：初期压实阶段。初期对纤维水泥土施加竖向荷载的过程中，形成了上凹变化趋势的应力-应变曲线，其中，应变比应力发生更快增大。采用振荡成型加工方式无法获得密实的纤维水泥土块，从而产生孔隙与微裂纹缺陷，当对试样施加竖向荷载时则会引起 孔隙与微裂纹达到更密实的挤压效果[12]。阶段2：发生弹性变形。进一步增大竖向荷载时，试样变形过程主要来自土颗粒和水泥水化产物在载荷作用下出现的弹性变形，满足胡克定律。阶段3：塑性变形。随着竖向荷载增大至约0.8倍的峰值强度后，水泥土开始发生塑性变形。形成了非线性变化的应力-应变曲线，此时应变比应力表现为更缓慢的增大趋势[14]。阶段4：结构发生破坏。随着纤维水泥土应力提高至峰值时，裂缝进入快速增长的过程，引起内部组织发生更严重的破坏，同时减少了荷载传输路线；

(2)测试3、6、9和12 mm这3种长度纤维加入水泥土后峰值强度与掺入量的关系，结果显示峰值强度发生了先上升再降低的变化规律，其中，纤维长度为12 mm时，水泥土峰值强度相对纤维掺入量呈现线性变化规律；增大至峰值强度时，残余强度则表现为与纤维加入量的正相关变化趋势，应力损失也发生了持续降低。当掺入纤维的比例在0.5%以内时，纤维水泥土发生了明显的应力损失，形成的残余强度也较小，存在显著应变软化现象，最后发生脆性破坏；尤其是在加入一些长度较短纤维的情况下该现象特征明显。随着纤维的加入量达到0.5%以上时，对应力损失起到了显著改善效果，获得了更高的残余强度。3、6 mm长度的纤维加入后形成了更缓慢的应力-应变曲线。长度为9、12 mm的PVA纤维加入质量比为0.75%与1%时，还可观察到应变硬化的现象，当应变提高后，应力并未下降还发生了一定程度的增大。PVA纤维水泥土从塑性破坏转变至塑性破坏的特点，获得了更优的延性。

2.2 纤维长度影响

图4给出了不同长度PVA纤维时对应的无侧限抗压强度。

图4 不同纤维长度下无侧限抗压强度分布Fig.4 Distribution of unconfined compressive strength under different fiber lengths

从图4可以看出，加入同样比例的纤维时，纤维长度将会对无侧限抗压强度产生明显影响。增加纤维长度时，无侧限抗压强度发生了先上升再降低的变化现象，测试显示纤维长度等于6 mm时达到了最大无侧限抗压强度；因此6 mm属于纤维最佳长度。

加入的纤维长度较小的情况下，土体受到纤维的粘接作用也较小，只产生了很低的摩阻，容易造成纤维和土体间的相对滑动，不能充分发挥纤维对水泥土约束作用，不能发挥良好的抗压增强效果[15-16]。加入更长纤维后，纤维将会和土体间形成了更大接触面，由此提高了二者粘接和摩阻载荷，进一步改善了纤维对水泥土增强作用。

2.3 纤维掺量影响

图5给出了对PVA纤维水泥土进行无侧限抗压测试得到的不同PVA纤维加入量条件下的曲线。结果显示，PVA纤维水泥土保持基本恒定的无侧限抗压强度。其中，PVA添加量在0.75%以内时，3、6和9 mm这3种长度的纤维水泥土都出现了无侧限抗压强度与纤维掺量正相关变化特征，加入量为0.75%时，获得了峰值无侧限抗压强度；而加入量进一步提高至1%时，则发生了无侧限抗压强度的降低。当纤维长度等于12 mm时，无侧限抗压强度则呈现相反变化规律。根据以上结果可知，需加入一个合适范围的纤维时才能获得理想的增强效果，其中，纤维长度在6 mm以内时，0.75%是最优掺入量；长度12 mm时，掺如量最优是1%。

图5 不同纤维掺量下无侧限抗压强度分布Fig.5 Unconfined compressive strength distribution under different fiber dosage

水泥土试样受到竖向压力作用时沿轴向与横向分别发生压缩与膨胀。对于素水泥土来说，当轴向上长度缩短时，将会在横向上出现扩张而引起双剪切破坏。测试纤维水泥土时，则因为基体内含有PVA纤维，达到一定程度的横向膨胀时，将会对试块环向纤维造成拉伸作用，这些处于拉应力状态的纤维则对试样产生反作用小郭，限制了其横向上的变形过程，能够有效提升水泥土抗压能力。

2.4 纤维水泥土破坏机理分析

设置较低竖向荷载时，素水泥土与纤维水泥土都发生了弹性变形，随着载荷增大时试样发生了更大变形，纤维在此过程并未起到应有的作用。进一步提高竖向荷载时[17]，因为压力机垫板相对水泥土发生的横向变形更小，此时垫板可以利用接触面摩擦载荷对水泥土横向变形起到限制作用，相当于沿试块上、下端设置套箍的效果，从而使水泥土破坏阶段产生2个对顶分布的破坏面[18]。经测试发现，素水泥土试样通常是沿剪切面出现剪切破坏。在破坏阶段将会形成贯穿裂缝并快速扩展。还有一些试样发生了蹦碎掉块，试样在破坏阶段表现出明显的脆性特征[19-20]。在水泥土中加入一定含量的PVA纤维时，对破坏形式具有显著改善效果，此时依然保持双剪切破坏的形式，形成了对顶角锥裂缝，相对素水泥土形成了更小的裂缝，未发生整体掉块的情况。

3 结语

(1)PVA纤维水泥土主要形成了初期压实阶段，弹性变形，塑性变形，结构发生破坏四个阶段。PVA纤维水泥土从塑性破坏转变至塑性破坏的特点，获得了更优的延性；

(2)增加纤维长度时，无侧限抗压强度先上升再降低变化，纤维长度等于6 mm时达到了最大无侧限抗压强度；

(3)纤维水泥土出现了无侧限抗压强度与纤维掺量正相关变化特征，纤维长度在6 mm以内时，0.75%是最优掺入量。