PVA纤维参数对改性水泥土...摩阻载荷及抗压强度影响试验_赵伟.pdf

工程技术优化2023 年 2 月第 50 卷第 2 期doi:10.3969/j.issn.1001-5922.2023.02.037Vol.50 No.02，Feb.2023收稿日期:2022-05-13;修回日期:2023-01-26作者简介:赵伟(1988-)，男，讲师，主要从事隧道工程与施工等研究;E-mail:zhaowei210927163 com。基金项目:西安交通工程学院中青年基金项目(项目编号:21KY 22)。引文格式:赵伟，李峰 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 J 粘接，2023，50(2):158-161PVA 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1，李峰2(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)摘要:为了提高隧道用水泥土的力学性能，选择 PO42 5 硅酸盐水泥作为测试材料，掺入不同质量和直径参数的聚乙烯醇(PVA)纤维对其性能进行加强，并进行 PVA 纤维水泥土无侧限抗压强度实验。研究结果表明，PVA 纤维水泥土主要形成了初期压实阶段、弹性变形、塑性变形和结构发生破坏 4 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。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 时改善了二者的粘接摩阻载荷，达到了最大无侧限抗压强度。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。研究开发了一种新的改性水泥土，对加强水泥土综合性能具有很好的应用价值。关键词:水泥土;聚乙烯醇纤维;无侧限抗压强度;机理分析中图分类号:TQ172 71+4文献标志码:A文章编号:1001-5922(2023)02-0158-04Effect of PVA fiber parameters on the adhesive friction loadand compressive strength of modified cement soilZHAO Wei1，LI Feng2(1 School of Civil Engineering，Xi an Jiaotong University，Xi an 710300，China;2 School of Mechanics，Civil Engineering and Architecture，Northwestern Polytechnical University，Xi an 710300，China)Abstract:In order to improve the mechanical properties of cement for tunnel，PO42 5 Portland cement was se-lected as the test material，and polyvinyl alcohol(PVA)fiber with different weight and diameter parameters wasadded to enhance its properties The unconfined compressive strength test of PVA fiber cement was carried out Theresults show that PVA fiber soil-cement mainly forms four stages:initial compaction stage，elastic deformation，plasticdeformation and structural damage PVA fiber soil-cement has the characteristic of changing from plastic failure toplastic failure，and has better ductility When the fiber length is increased，the unconfined compressive strength in-creases first and then decreases The adhesive friction load is improved and the maximum unconfined compressivestrength is reached when the fiber length is equal to 6mm The unconfined compressive strength of fibrous soil-ce-ment is positively correlated with the fiber content When the fiber length is less than 6mm，0 75%is the optimalcontent A new type of fibrous soil-cement was developed，which has good application value to enhance the compre-hensive properties of soil-cementKey words:soil-cement;polyvinyl alcohol fiber;unconfined compressive strength;mechanism analysis851工程技术优化水泥土在边坡建设、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 PO42 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025%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 1PVA 纤维照片Fig 1PVA fiber photo表 1PVA 纤维性能Tab 1Properties of PVA fiber项目直径/m断裂伸长率/%抗拉强度/MPa弹性模量/GPa密度/(gcm3)YZ PVA 1220 181 250351 3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 501232019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 mm70 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 2Macroscopic and microscopic photos of the sample1 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%、025%、05%、075%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:(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。951工程技术优化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。图 3PVA 纤维水泥土应力 应变曲线Fig 3Stress-strain curve of PVA fiber soil-cement2 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 4Distribution of unconfined compressivestrength under different