周 琳 姜 屏 張偉清 楊建冬

(紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000)

近年來，隨著社會經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，公路基礎(chǔ)設(shè)施面臨著高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)、高要求的形勢.一些地區(qū)原有公路路基填料難以滿足路基強(qiáng)度設(shè)計(jì)的要求，需對其進(jìn)行改性處理.由于生石灰在處治路基土方面有較高的應(yīng)用價值，很多學(xué)者對其做了大量的研究工作，并取得了豐富的研究成果.

Lemaire、Tran、Khoury研究證明石灰可以提高土體的UCS和抗剪強(qiáng)度，但對土體的STS改善不明顯[1-3].周葆春研究了石灰改良土的變形特性和破壞機(jī)制，在單軸壓縮狀態(tài)下，石灰土的破壞無論是濕飽和還是非飽和狀態(tài)，都是典型的脆性破壞[4].以上研究表明，采用石灰改性土作為路基填料具有一定的實(shí)用性，但石灰土的STS、水穩(wěn)性、脆性破壞模式仍需進(jìn)一步得到改善，以提高路基的耐久性.在土中添加纖維材料能夠有效提高土的延性以改善其工程性能[5-8].王德銀等通過直剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在土中摻入纖維能夠減小強(qiáng)度損失及改善土體的破壞模式[9].李其軒等研究發(fā)現(xiàn)纖維既能提高水泥土的強(qiáng)度，還能改良水泥土的破壞模式[10].曾軍等研究發(fā)現(xiàn)纖維不僅能顯著提高土體的UCS，還能增強(qiáng)土體的韌性[11].阮波等研究了玻璃纖維和石灰對紅黏土UCS的影響，在紅黏土中摻入玻璃纖維可顯著提高紅黏土的UCS，使其具有較好的水穩(wěn)定性[12].彭梁等的研究表明，纖維摻量高的土體承受的損傷越小，UCS就越大[13].李巖等研究發(fā)現(xiàn)纖維摻入土體中可以加快應(yīng)力在路基深度方向的擴(kuò)散速度，對控制路基的沉降有幫助[14].因此，纖維對土體強(qiáng)度的提高有著積極的作用，在路基改良中具有實(shí)用價值.

上述研究側(cè)重于纖維對土體抗壓和抗剪強(qiáng)度的影響，但在纖維對石灰土STS和水穩(wěn)性方面的研究甚少.因此，本文通過UCS試驗(yàn)和STS試驗(yàn)，研究聚丙烯纖維對石灰土UCS、STS、水穩(wěn)性、脆性的影響，并建立UCS與STS的關(guān)系，為工程應(yīng)用提供有益的參考.

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)用土取自浙江紹興地區(qū)某高速公路段挖方路基土，土體呈灰褐色，主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1.試驗(yàn)所用石灰是江西新余亮亮貿(mào)易有限公司生產(chǎn)的生石灰粉，如圖1所示，其主要化學(xué)成分見表2.試驗(yàn)所用纖維均為短絲狀的聚丙烯纖維，如圖2所示，其主要物理力學(xué)技術(shù)指標(biāo)見表3.

圖1 生石灰粉 圖2 聚丙烯纖維

表1 紹興地區(qū)路基土力學(xué)性能基本指標(biāo)

表2 石灰的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表3 聚丙烯纖維主要物理力學(xué)技術(shù)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)以聚丙烯纖維對石灰土UCS、STS、水穩(wěn)性、脆性的影響為研究目的，其配合比見表4.表中各材料摻入比均為與干土的質(zhì)量之比.最大干密度和最優(yōu)含水率通過擊實(shí)試驗(yàn)得到.養(yǎng)護(hù)條件分別為7 d和6 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)加1 d浸水養(yǎng)護(hù)，達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期后對各配合比試樣進(jìn)行UCS和STS試驗(yàn).

表4 試驗(yàn)方案

1.3 試樣制備與測試

選取具有代表性的土樣進(jìn)行烘干、粉碎，過2 mm的篩，試樣壓實(shí)度為98%.依據(jù)試驗(yàn)方案，稱取相應(yīng)的干土、生石灰粉、聚丙烯纖維和水的質(zhì)量后攪拌均勻，并使聚丙烯纖維不聚團(tuán).通過靜力壓實(shí)法將所拌和后的混合料制成直徑50 mm、高50 mm的圓柱體試樣.UCS通過全自動壓力試驗(yàn)機(jī)測試獲得，利用計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)可得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖3為UCS試驗(yàn)加載過程，加載速率為1 mm/min.STS采用劈裂夾具配合壓力試驗(yàn)機(jī)測得，圖4顯示了STS試驗(yàn)加載過程，加載速率為1 mm/min.

圖3 UCS試驗(yàn)加載過程 圖4 STS試驗(yàn)加載過程

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 UCS試驗(yàn)

圖5是不同養(yǎng)護(hù)條件下各纖維摻量石灰土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線.本文以應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力作為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS).土的殘余強(qiáng)度是衡量土的力學(xué)性質(zhì)的一個重要指標(biāo)，準(zhǔn)確描述土的殘余強(qiáng)度具有重要意義.根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)，UCS試驗(yàn)達(dá)到峰值應(yīng)力后再繼續(xù)剪3%～5%應(yīng)變值即可停止試驗(yàn)[15]，因此本文殘余強(qiáng)度定義為：峰值應(yīng)變加上5%所對應(yīng)的應(yīng)力即為殘余強(qiáng)度.

圖5 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為了對殘余強(qiáng)度做定性判斷，Consoli[16]通過對纖維改性水泥土進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，并定義了脆性指數(shù)：

(1)

式中：qu為UCS；qr為殘余強(qiáng)度.脆性指數(shù)越大說明石灰土的脆性越強(qiáng)，延性越弱.

通過以上定義及公式，可以得到不同纖維摻量石灰土UCS、殘余強(qiáng)度、脆性指數(shù)和水穩(wěn)定性系數(shù)(浸水養(yǎng)護(hù)UCS與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)UCS之比)，計(jì)算結(jié)果見表5.

表5 纖維石灰土UCS試驗(yàn)結(jié)果

圖6顯示了UCS隨纖維摻量的變化規(guī)律.由圖6可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，纖維摻量越多石灰土UCS越大.當(dāng)纖維摻量由0.25%增加到1%時，石灰土UCS分別達(dá)到了2.938、4.102、4.357和4.916 MPa，較純石灰土分別提高了19.5%、66.8%、77.1%和99.8%.在浸水養(yǎng)護(hù)條件下，當(dāng)纖維摻量不斷增多時，石灰土UCS呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢.當(dāng)纖維摻量為0.5%時，UCS達(dá)到最大值，是純石灰土的2.08倍.說明纖維可以顯著提高石灰土UCS，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下纖維最佳摻量為1%，在浸水養(yǎng)護(hù)條件下纖維最佳摻量為0.5%.

圖6 纖維摻量對UCS的影響

圖7顯示了纖維摻量對殘余強(qiáng)度的影響規(guī)律，石灰土殘余強(qiáng)度隨纖維摻量的變化規(guī)律與UCS一致.在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，石灰土中摻入纖維越多殘余強(qiáng)度就越大，且纖維摻量為1%時效果提高最為顯著，相比于純石灰土提高了2.090 MPa.在浸水養(yǎng)護(hù)條件下，隨纖維摻入量不斷增多，石灰土殘余強(qiáng)度呈現(xiàn)出先增大后減小的變化趨勢，纖維摻量為0.5%時殘余強(qiáng)度最大，是純石灰土的5.84倍.說明纖維可以顯著提高石灰土殘余強(qiáng)度，且纖維最優(yōu)摻量和UCS的最優(yōu)摻量相同.

圖7 纖維摻量對殘余強(qiáng)度的影響

不同纖維摻量石灰土在不同養(yǎng)護(hù)條件下的脆性指數(shù)如圖8所示.從圖中可以清晰地看出，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，脆性指數(shù)隨著纖維的摻量增加而減小.在浸水養(yǎng)護(hù)條件下，脆性指數(shù)隨著纖維摻量增加先減小后增大，且摻量為0.5%時達(dá)到最小值.說明纖維的摻加可以減小石灰土的脆性指數(shù)，使得石灰土的脆性減弱，延性增強(qiáng).在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，纖維摻量為1%時改善效果最優(yōu)，在浸水養(yǎng)護(hù)條件下，纖維摻量為0.5%時改善效果最佳.

圖8 纖維摻量對脆性指數(shù)的影響

圖9反映了石灰土水穩(wěn)性系數(shù)隨纖維摻量的變化規(guī)律.從圖中可知，在石灰土中摻入纖維為0.25%、0.75%和1%時會使得石灰土水穩(wěn)性系數(shù)減小，而纖維摻量為0.5%時可提高石灰土的水穩(wěn)性系數(shù).說明在石灰土中摻入0.5%纖維可以提高石灰土的水穩(wěn)性，從而改善石灰土的工程性能.

圖9 纖維摻量對水穩(wěn)性系數(shù)的影響

2.2 STS試驗(yàn)

通過壓力試驗(yàn)機(jī)和劈裂夾具測得試樣破壞時最大壓力p，STS值通過式(2)計(jì)算得到，試驗(yàn)結(jié)果見表6，纖維摻量對STS的影響如圖10所示.

圖10 纖維摻量對STS的影響

表6 纖維石灰土STS試驗(yàn)結(jié)果

(2)

式中：F為劈裂抗拉強(qiáng)度(MPa)；p為試件破壞時的最大壓力(N)；H為試樣的高度(mm).

從表6和圖10可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，石灰土中摻入纖維越多STS越高，當(dāng)纖維摻量由0.25%增加到1%時，纖維石灰土STS分別達(dá)到了0.260、0.367、0.441和0.538 MPa，較純石灰土分別提高了43.6%、102.7%、143.6%和197.2%.在浸水養(yǎng)護(hù)條件下，纖維石灰土STS隨著纖維摻量增加先增大后減小，纖維摻量為0.5%時達(dá)到最大值，是純石灰土的2.1倍.說明纖維可以明顯提高石灰土的STS，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下纖維最佳摻量為1%，在浸水養(yǎng)護(hù)條件下最佳摻量為0.5%.

2.3 STS與UCS的關(guān)系

根據(jù)UCS結(jié)果和STS結(jié)果計(jì)算得到不同纖維摻量的UCS增量及STS增量，見表7.

表7 不同纖維摻量的UCS及STS增量 (單位：%)

由表7可知，不管在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件還是在浸水養(yǎng)護(hù)條件下，纖維石灰土UCS增量和STS增量隨纖維摻量變化的規(guī)律一致，且STS的增量都大于UCS增量.說明纖維對石灰土STS的貢獻(xiàn)要大于對石灰土UCS的貢獻(xiàn).

通過對UCS和STS進(jìn)行擬合，建立了UCS與STS的關(guān)系，關(guān)系式見公式(3)和(4)，擬合結(jié)果如圖11所示.

圖11 UCS與STS的關(guān)系

在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下：

F=0.106 8qu，R2=0.97

(3)

在浸水養(yǎng)護(hù)條件下：

F=0.096 5qu，R2=0.96

(4)

從式(3)和式(4)可得，纖維石灰土UCS與STS存在線性關(guān)系，可通過UCS預(yù)測STS.

3 微觀作用機(jī)理分析

為了解釋聚丙烯纖維改性石灰土的作用機(jī)理，通過SEM試驗(yàn)進(jìn)行了分析.圖12是石灰土的SEM圖，圖13是纖維石灰土的SEM圖，圖14是纖維在不同狀態(tài)下的SEM圖.

圖12 石灰土SEM圖

圖13 纖維石灰土SEM圖

圖14 纖維在不同狀態(tài)下的SEM圖

從圖12和圖13可以清晰地看出：

1)SEM圖放大倍數(shù)為500時，石灰土的微結(jié)構(gòu)面有較多的孔隙和裂縫，如圖12(a)所示.當(dāng)纖維石灰土SEM圖放大120倍數(shù)時，可以清晰地看出聚丙烯纖維與石灰土能夠很好地膠結(jié)在一起，且周圍沒有孔隙為密實(shí)結(jié)構(gòu)，如圖13(a)所示.

2)SEM圖放大倍數(shù)為2 000時，石灰土的微結(jié)構(gòu)面上有少量片狀的大顆粒骨料聚集和C-S-H膠凝物質(zhì)，但仍然有很多微小孔隙，如圖12(b)所示.隨著聚丙烯纖維的摻加，石灰土微結(jié)構(gòu)面上聚集了更多的片狀結(jié)構(gòu)骨料和C-H-S膠凝物質(zhì)，且孔隙也較少，如圖13(b)所示.

綜上微觀結(jié)構(gòu)分析，聚丙烯纖維改性石灰土的作用主要表現(xiàn)為與土顆粒間膠結(jié)的作用.聚丙烯纖維的微觀結(jié)構(gòu)本身表面光滑，如圖14(b)所示，如果沒有石灰土反應(yīng)生成的水化產(chǎn)物C-S-H凝膠附著在聚丙烯纖維表面，那么聚丙烯纖維與土顆粒間的膠結(jié)作用將被減弱.由圖14(a)可以看出聚丙烯纖維表面附著了大量的乳白色膠凝物質(zhì)C-S-H.聚丙烯纖維在石灰土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中承擔(dān)骨架的作用，石灰土水化反應(yīng)生成的C-S-H膠凝物質(zhì)填充了聚丙烯纖維和石灰土之間的孔隙，使石灰土結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，增強(qiáng)了土顆粒和聚丙烯纖維表面之間的膠結(jié)力.

結(jié)合宏觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，隨著聚丙烯纖維摻量的增加，聚丙烯纖維在石灰土中的骨架作用更為明顯，且C-S-H膠凝物質(zhì)填充了聚丙烯纖維和石灰土之間的孔隙，從而在宏觀力學(xué)上表現(xiàn)為石灰土UCS、殘余強(qiáng)度、STS都隨之增大.在浸水養(yǎng)護(hù)條件下，由于聚丙烯纖維具有毛細(xì)吸水作用，導(dǎo)致石灰土與聚丙烯纖維界面自由水分增多，潤滑作用加強(qiáng)，界面摩擦作用降低[17]；另外，水分會溶解石灰土與聚丙烯纖維界面中的C-S-H膠凝物質(zhì)，使其結(jié)構(gòu)更為松散，密實(shí)度降低，在宏觀力學(xué)上表現(xiàn)為：隨著聚丙烯纖維摻量的增加，石灰土UCS和STS先增加后減小，摻量為0.5%時達(dá)到最佳值.

4 結(jié) 論

通過對不同聚丙烯纖維摻量石灰土在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和浸水養(yǎng)護(hù)條件下的UCS、STS和SEM試驗(yàn)，可得到如下結(jié)論：

1)在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和浸水養(yǎng)護(hù)條件下，聚丙烯纖維都可顯著提高石灰土UCS和STS.在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，聚丙烯纖維最佳摻量為1%，在浸水養(yǎng)護(hù)條件下，聚丙烯纖維最佳摻量為0.5%，且聚丙烯纖維對STS的貢獻(xiàn)要大于UCS.

2)聚丙烯纖維能改善石灰土的脆性，增強(qiáng)延性.在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，聚丙烯纖維摻量為1%時效果最好，在浸水養(yǎng)護(hù)條件下，纖維摻量為0.5%時效果最好，且聚丙烯纖維摻量為0.5%時可提高石灰土的水穩(wěn)定性.

3)聚丙烯纖維石灰土UCS和STS的線性關(guān)系為：在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下F=0.106 8qu；在浸水養(yǎng)護(hù)條件下F=0.096 5qu.

4)從SEM圖可知，聚丙烯纖維表面附著了大量的乳白色膠凝物質(zhì)C-S-H，從而提高了聚丙烯纖維與石灰土顆粒間的膠結(jié)力和密實(shí)度，宏觀表現(xiàn)為石灰土的強(qiáng)度得到明顯提升.