不同纤维掺量风积沙水泥基材料三轴试验研究

雷佳，程建军，丁泊淞，马奔腾，高丽，李宇鹏，程曜森

(石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003)

沙漠戈壁地区具有丰富的风积沙资源，在沙漠铁路路基及防护工程的建设过程中，由于河砂和碎石资源的匮乏，部分国家和地区采用风积沙代替传统的建筑用砂制作水泥基材料运用到实际工程中[1-4]。风积沙具有结构松散、孔隙率大、强度较低、水稳定性好、受不利季节影响小等特点，并且储量丰富，分布广泛[5]。目前针对风积沙工程材料特性的研究广泛集中在物理化学性质、力学性质、压实特征、性能改良等方面。银英姿等[6]对风积沙混凝土进行SEM 和NMR分析，研究其内部形态和孔结构特征，认为风积沙的掺入使混凝土硬化后的孔隙由大向小发展；MARÍA 等[7]根据不同标准中风积沙的特点和性能对其进行了分类，推动了风积沙的工程应用；阮波等[8]研究了水泥改良风积沙在70 ℃高温养护条件下的力学特性，利用无侧限抗压强度试验得出了掺量4%的水泥改良风积沙能满足基床底层填料设计要求；DONG 等[9]通过超声脉冲速度和共振频率检测风积砂轻骨料混凝土冻融损伤变量，得出风积沙替代河沙的最佳替代率为20%～30%，建立了预测风积沙轻骨料混凝土冻融损伤的本构模型；张宏等[10]对风积沙的压实特征展开研究，提出了风积沙击实曲线与振动压实曲线多峰特征；胡三喜[11]通过掺入不同配比的粉土改良风积沙铁路路基填料，根据室内试验与现场施工数据对比，认为风积沙与粉土掺配比为1:1. 5 时可以用于路堤填筑。风积沙水泥基材料与传统建筑用砂制作的混凝土相比强度偏低，达不到实际工程的应用标准，若以风积沙简单替代细骨料直接运用，其效果不佳，在铁路路基及防护工程中使用受到各种环境应力及吊装、自重等荷载易破坏开裂，所以有必要通过添加筋材增加其韧性和受力性能。研究表明，在混凝土中加入纤维可以有效提升其韧性[12]及力学性能[13-15]。ZHU等[16]研究发现掺加玻璃纤维可对由风积沙、矿物掺合料、水泥等组成的改性喷射混凝土的抗拉强度和抗剪强度分别提高310%和596%；杨正宏等[17]对多组聚丙烯纤维掺量不同的配合比进行研究，发现纤维掺量为1.3 kg/m3时风积沙砂浆的干缩、抗裂性能最佳；解国梁等[18]发现加入适量玄武岩纤维时，风积沙混凝土的终裂次数、延性比和韧性系数分别为普通风积沙混凝土的1.75 倍，4.41 倍和2.75倍。KACHOUH等[19]发现钢纤维对可再生混凝土的峰前斜率、抗弯强度、挠度、韧性和等效抗弯比有改善作用，体积分数为3%时最明显。纤维的加入使风积沙水泥基材料克服了自身强度不足的缺点，结合风积沙能够就地取材这一天然优势，非常适用于沙漠铁路及公路沿线风沙防治工程的建设，既节约了原材料成本及运输成本，又将线路沿线的风积沙充分利用，同时减轻了其对线路本身的沙害威胁，而且利用风积沙进行沙障的制作和构建不会对环境造成二次污染，进而通过这种方式实现“以沙治沙”。为了进一步探究风积沙作为直接建筑材料应用于沙漠铁路路基及防护工程建设的可行性，采用风积沙全比例代替传统意义上的建筑用砂作为水泥基材料的细骨料，并通过加入聚丙烯纤维对材料整体性能进行改良与提升，研究该材料在三向应力状态下的破坏形态和力学性能，研究结果为纤维增强风积沙水泥基材料在沙漠铁路建设中的工程应用提供了参考与依据。

1 试验概况

1.1 原材料

风积沙取自位于沙漠戈壁地区的额哈铁路沿线，其主要化学成分为SiO2，Al2O3，CaO 和MgO等。电子显微镜下观察砂粒特征，其粒径主要集中在60～300 μm 范围内，放大1 600倍后观察砂砾表观特征显示其表面特征呈凹凸不平状，棱角较为圆润(如图1)。通过激光粒度仪对砂样的粒径分布进行测试，得出试验所用风积沙最大占比粒径和平均粒径依次为161.4 μm 和139.6 μm，属于极细砂(如图2)，相对于普通建筑用砂，其粒径分布相对集中，基本物理性能见表1。

图1 风积沙扫描电镜图像Fig. 1 Aeolian sand under scanning electron microscope

图2 粒径分布对比Fig. 2 Comparison of grain size allocation

表1 风积沙主要物理性能Table 1 Main physical properties of aeolian sand

本研究选用聚丙烯纤维(Polypropylene Fiber，简称PP Fiber)作为加筋材料，其主要物理性能如表2 所示。具有轻质高强、弹性好、耐磨等特点，与水泥基材料结合其粗糙的表面可以提供较强的握裹力。

表2 聚丙烯纤维主要物理性能Table 2 Main physical properties of polypropylene fiber

试验水泥为P·O 42.5 级普通硅酸盐水泥，其相关基础参数见表3。

表3 研究所用水泥力学性能参数Table 3 Mechanical properties of the cement used in this study

1.2 试验方案设计

试验首先制作聚丙烯纤维增强风积沙水泥砂浆圆柱体三轴试验试件。试件属于纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)，试验尺寸R=50 mm，L=100 mm，通过6 种不同纤维掺量af和7 种不同侧向围压σw交叉设计42 组试验方案，其中包括af和σw均为0 用于对照参考的基准组，另额外采用基准组配合比制作1组标准立方体试件以便确定设计强度等级。试验编号及具体方案如表4 所示，基准配合比如表5 所示，聚丙烯纤维增强风积沙水泥砂浆设计强度等级为M20。

上述试件设计参数中所用纤维掺量af用式(1)表示：

式中：mf为纤维质量，kg；mc为水泥质量，kg。上述表4 中的试件设计参数按照表5 的配合比进行，只需改变纤维掺量即可。

表4 试件设计参数Table 4 Specimen design parameters

表5 基准组配合比Table 5 Mix proportion of the basic group

1.3 试验加载方式

加载装置采用图3(a)所示的YJS600 三轴试验机，该设备主要包括试验机、主机箱、油压系统等部分。试验轴向加载前通过油压系统向试验机压力室内提供的侧向围压。待围压稳定后，通过电液伺服系统控制试验机上部钢压力头进行轴向加载。该装置通过引伸计输出试样对应的变形响应，自动记录轴向荷载、围压、变形等参数，并生成应力应变曲线。

图3 三轴试验机与试件受力示意图Fig. 3 Schematic diagram of triaxial testing machine and specimen loading

试件的整个加载过程首先是通过荷载控制进行预加载使试件达到图3(b)所示的静水压力状态，此时σ1=σ2=σ3，预加载的过程主要是通过调整围压来实现，并且最终将围压值保持在目标大小直至试验结束。完成预加载后调整加载模式至位移控制开始正式加载，这一过程主要通过移动三轴试验机的横梁主动对试件施加轴向荷载，横梁移动速度为1 mm/min，当试件轴向荷载大幅度降低或轴向压缩变形超过15 mm时停止试验。

2 试验结果及分析

2.1 破坏形态

在围压相同的情况下，不同纤维掺量的试件裂纹发展演化规律相同，但纤维量增加具有约束裂纹发展的趋势，如图4所示。与之相比，围压的改变对试件的破坏形态起控制性作用，图5给出了纤维掺量为0.5%时不同围压下试件的破坏特征及裂缝分布。

图4 不同纤维掺量的试件破坏形态Fig. 4 Failure morphology of specimens with different fiber content

图5 不同围压下试件破坏特征及裂缝分布(af=0.5%)Fig. 5 Failure characteristics and crack distribution of specimens

图5展示了在不同围压作用下聚丙烯纤维增强风积沙水泥基试件的破坏特征及裂缝分布(以FRP-0.5 组别为例)。对比可见，不同试验环境下纤维增强风积沙水泥基材料的破坏形态有显著差异。具体外在表现为试件完全失稳时裂缝发展方向与轴向的夹角随围压值的增大由0°到90°逐渐转变，这意味着其破坏形式由轴向劈裂破坏逐渐过渡为斜向或横向剪切破坏。当围压为0时，试件仅受轴向荷载的作用，到达一定程度后试件内部的纤维延伸处或各材料连接界面会出现裂缝并沿加载方向开展，如图5(a)所示。当试件所受围压较小时，试件的受力状态发生了改变，围压对试件内部轴向裂缝的开展起到了抑制作用，随着轴压不断施加，超出材料自身强度的那部分应力仍然主要以裂缝的形式抵消，此时会出现数量更多的斜向裂缝，试件也受到剪切破坏并且其剪切破坏面与轴向夹角大多处于30°至60°之间，如图5(b)～5(e)。当围压提升至25 MPa，此时围压水平已超过材料自身强度等级，仅有少量纵向裂缝存在，试件破坏的主裂缝方向转变为横向裂缝，这是由于随围压的增大试件表现出一定的延性流动状态，垂直于主裂缝破坏面处的聚丙烯纤维丝大部分被剪断，部分试件破坏时出现骨料断裂现象，而轴向裂缝并不明显，如图5(f)～5(g)。

2.2 应力应变全过程曲线

图6为不同纤维掺量下各组试件在不同围压作用下的应力应变全程曲线，由图可见，不同纤维掺量增强下的风积沙水泥基材料随着围压增大，其强度及塑性变形能力呈现增大的趋势。当不施加围压时，试件的应力应变全程曲线主要包含上升段和下降段2部分，符合常规混凝土单轴抗压试验测试规律。当σw=2.5 MPa 时，由于侧向围压的出现对试件产生了约束作用，曲线的峰值应力明显提升，试件的塑性延展也提升，当纤维掺量达到5%时，峰值点后的曲线接近水平。当σw≥5 MPa时，随着试件侧向围压的增大，曲线的峰值点变得逐渐模糊，曲线峰部趋于水平，试件的破坏形式呈现塑性破坏的特点；直至围压达到15 MPa时，除了不加纤维的基准组，其余组别试件的变形能力得到强化，其应力应变曲线峰值点消失，整条曲线呈现缓慢上升趋势；围压达到自身强度等级之后，曲线后期的上升趋势更加明显，且这种上升趋势在不同纤维掺量作用下并未表现出明显差异，这说明围压大小的改变对试件受力及塑性延展的影响要比纤维掺量的改变更加显著。对比卵石混凝土三向应力状态下的应力应曲线[20]，当围压达到24 MPa 时，曲线在达到峰值后仅趋于水平未出现上升趋势，说明风积沙水泥基这种内部结构堆积密度更大的材料能够显著改善材料脆性，在三向应力状态下其受力和变形适应性更佳。

图6 聚丙烯纤维增强风积沙水泥基材料应力应变全过程曲线Fig. 6 Stress-strain curves of different groups of specimens

2.3 典型特征参数

表6为各组聚丙烯纤维增强风积沙水泥基试件在三向应力状态下的极限峰值应力σv，峰值应变εv，以及初始模量E等典型特征参数，各参数为该组实测数据的平均值。

表6 典型特征参数Table 6 Typical characteristic parameters.

3 影响因素分析

3.1 纤维掺量对峰值应力的影响

如图7所示在不同围压值作用下试件的峰值应力均随纤维掺量的增多先升后降，且掺量为0.5%时最大，与不掺纤维的对照组相比提升了17.3%～27.4%，当纤维掺量超过3%时，风积沙水泥基材料的峰值应力呈现出小于基准组(不加纤维)的趋势，此时纤维对于峰值应力的提升起到了负增长作用，这是由于高纤维掺量导致试件在制作过程中浆体和易性明显降低，各材料之间混合不均匀，纤维在试件内部结团，影响了整体密实度，进而试件强度下降。根据试验数据拟合得出纤维增强风积沙水泥基材料在三向应力状态下的峰值应力σv与纤维掺量af的关系曲线，如图8所示。

图7 纤维掺量与峰值应力的关系Fig. 7 Relationship between fiber content and peak stress

图8 纤维掺量-峰值应力关系拟合曲线Fig. 8 Fitting curve of fiber content-peak stress

由于材料在峰值应力前后的变化规律有所差异，所以采用分段式方程进行处理，如公式(2)所示：

式中：σ0表示af=0时的轴向峰值应力。

水泥基材料作为脆性材料其内部存在大量微观裂缝，由于风积沙的细度模数远小于普通建筑用砂，这使得风积沙水泥基材料中的微观裂缝更加充分，在外力作用下这些微观裂缝逐渐扩展形成宏观裂缝导致材料破坏。聚丙烯纤维与水泥基材料结合为其粗糙的表面提供了极强的握裹力，所以当加入适量的聚丙烯纤维可以控制水泥基材料中结晶体的位移，裂缝延伸至临近的纤维时被阻挡，从而对微观裂缝的扩展起阻止和抑制作用。但过度的掺入纤维会导致在试件的制备过程中出现纤维结团现象，结团数量也会随着纤维掺量的增加而增加，这会导致风积沙水泥基材料的密实度降低，从而影响其力学性能。

3.2 围压对峰值应力的影响

如图9所示，随着侧向围压的增大，纤维增强风积沙水泥基材料的峰值应力也在不断提高，但峰值应力的增长速率并不均匀且呈减慢的趋势，不符合线性增长的特点。拟合试验数据，得出纤维增强风积沙水泥基材料在三向应力状态下的峰值应力σv与侧向围压σw的关系曲线，如式(3)所示：

图9 围压-峰值应力关系拟合曲线Fig. 9 Fitting curve of confining pressure-peak stress

式中：σ0表示σw=0时的轴向峰值应力。

峰值应力不断增大且增长速率逐渐减缓的原因是由于侧向围压抑制了试件横向裂缝的发展，阻碍了横向变形，使内部存在应力集中薄弱部位得到缓冲，从而提高了试件的轴向承压能力，使得纤维增强水泥基材料的峰值应力快速增长，但随着围压的增大，试件在进行轴向加载之前就需要承受很大荷载，导致很多微裂缝提前开展，并且较大的围压使试件在加载时产生超出材料自身能力的变形，这部分变形将会以裂缝的形式补足，导致围压对裂缝的抑制能力降低，峰值应力的增长速率逐渐减缓。

3.3 围压对峰值应变的影响

当轴向荷载进行至试验停止条件时，部分组别的试件应力应变曲线呈现持续上升的趋势，因此选取存在峰值的曲线来分析围压与峰值应变之间的关系，如图10 所示。随着侧向围压的增大，纤维增强风积沙水泥基材料的峰值应变持续稳定上升。拟合试验数据得出二者之间关系，如式(4)所示：

式中：σ0同式(3)，ε0表示围压为0 时的轴向峰值应变。

由图10 可知，峰值应变随侧向围压的增大而增大。由于表面光滑且棱角圆润导致风积沙与水泥基体的黏结力较弱，当试件无侧限压缩时，试件沿主裂缝发展方向迅速破坏形成破坏界面，使试件其余部位的变形能力难以发挥，随着侧向围压的出现并不断增大，在一定程度上增强了风积沙与水泥基体之间的黏结力，同时提升了纤维限制风积沙水泥基体变形的能力，裂缝由单一主裂缝迅速发展转变为多裂缝共同缓慢发展，使试件各部位的变形能力得到充分发挥。

图10 围压-峰值应变关系拟合曲线Fig. 10 Fitting curve of confining pressure-peak strain

4 本构关系模型

4.1 参数化本构方程

为深入揭示纤维增强风积沙水泥基材料在环境应力及工程服役荷载作用下的应力应变性能，以ε/εv为横坐标，σ/σv为纵坐标，给出归一化处理后的本构关系曲线，如图11 所示。由图可见：纤维增强风积沙水泥基材料本构关系曲线分为上升段和下降段2部分，当侧向围压较大时，试件加载至轴向变形超过试件总长度15%停止试验，此时应力应变关系曲线会存在无峰值点并平缓持续上升的情况，说明侧向围压作用于纤维增强风积沙水泥基材料可以提升其刚度并延缓峰值应力点的出现。

图11 本构关系曲线Fig. 11 Constitutive relation curves

借鉴LOKUGE 等 的研究方法，提出纤维增强风积沙水泥基材料的分段式应力应变本构方程，见公式(5)，其拟合结果的典型特征参数如表7所示。

式中：x为ε/εv；y为σ/σv；A，B均为拟合参数。

图12 为表7 中的典型特征参数散点图，由图可知，单轴和三轴试验的拟合特征参数差异较大，单轴试验时的拟合参数A和B分为0.324 7 和10.998 8，三轴试验时的拟合参数A和B均值分别为3.333 2 和0.261 4。三轴试验所得出的拟合参数具有一定的离散型，但整体波动不大，将所得到的拟合特征参数代入式(5)得到聚丙烯纤维增强风积沙水泥基材料的参数化本构方程，如式(6)所示：

图12 拟合特征参数Fig. 12 Fitting characteristic parameters

表7 本构方程拟合结果典型特征参数Table 7 Typical characteristic parameters of constitutive equation fitting results

4.2 拟合—试验对照

为验证聚丙烯纤维增强风积沙水泥基材料参数化本构方程的可靠性，代入式(6)，给出了不同围压状态下实测曲线与本构方程拟合曲线二者间的对比，拟合程度较高，如图13所示。

图13 实测拟合对比Fig. 13 Comparative diagram of measured and fitted

5 结论

1) 试件破坏时的裂缝发展方向与轴向的夹角随围压的增大由0°到90°逐渐过渡。

2) 与无围压作用下试件的应力应变曲线存在明显峰值点这一特点相比，三向应力共同作用时曲线的下降段变得舒缓，当围压超过15 MPa 时，曲线会一直上升至试验结束。

3) 随纤维掺量的提升，试件的峰值应力先升后降，掺量为0.5%时达到最大，与不掺纤维的对照组相比其峰值应力提升了17.3%～27.4%。

4) 随着围压的增加，试件的峰值应力、峰值应变都呈现逐渐增长的趋势，增长速度随着围压的增加逐渐变缓，拟合得出了围压—峰值应力/峰值应变的关系曲线。

5) 推演出的聚丙烯纤维增强风积沙水泥基材料的参数化本构方程与实测结果相比较吻合，可为相关研究提供参考，为进一步工程应用提供理论基础。