干湿循环下纤维改良膨胀土强度与微观结构特征研究_张伟刚.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb.2023岩土力学干湿循环下纤维改良膨胀土强度与微观结构特征研究esearch on Strength and Microstructure Characteristics of Expansive Soil Modified with Fiber under Drywet Cycle张伟刚1，王瑞虎1，吴家铭2，丁强1(1.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019;2.华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210014)摘要:为了改善膨胀土的胀缩特性，提高膨胀土抵抗干湿循环的能力，本文以江苏南京原始膨胀土为研究对象，研究了在水泥单独作用和玻璃纤维与水泥联合作用两种改良方式下膨胀土的胀缩特性和抵抗干湿循环作用的能力，并结合微观结构分析探索其改良机理。研究发现:两种改良方式均能降低膨胀土的自由膨胀率和收缩率，提高膨胀土的抗压强度、黏聚力和内摩擦角等参数，并显著提高膨胀土抵抗干湿循环作用的能力;玻璃纤维与水泥联合改良比水泥单独改良效果更好，综合实验结果得出玻璃纤维的最佳掺量为 0.6%;微观结构表明水泥和纤维能分别以化学作用和物理作用的方式增强土颗粒之间的黏结性能。上述研究成果能为膨胀土的有效治理提供理论依据。关键词:膨胀土;胀缩特性;干湿循环;玻璃纤维;微观结构中图分类号:TU43文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01003205DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301006ZHANG Weigang1，WANG uihu1，WU Jiaming2，DING Qiang1(1.JSTI GOUP，Nanjing 210019 China;2.Design Group Co.，Ltd.，Nanjing 210014，China)Abstract:In order to improve the shrinkage characteristics and the resistance to drywet cycle of expansive soil，the original expansivesoil in Nanjing was taken as the research object to study the shrinkage characteristics and the resistance to drywet cycle of expansive soilmodified with cement alone and glass fibercement together.The improvement mechanism was explored by microstructure analysis.Theresults show that both of the two improved ways can reduce the free expansion rate and shrinkage rate of expansive soil.The compressivestrength，cohesion and internal friction angle of improved expansive soil and its resistance to drywet cycle are all improved.Theimprovement effect of glass fiber and cement together is better than that of cement alone and the optimal dosage of glass fiber is0.6%.The microstructure shows that cement and fiber can enhance the bond of soil particles by chemical and physical interaction，respectively.The above research results can provide theoretical basis for the effective management of expansive soil.Keywords:expansive soil;expansion and contraction characteristics;drywet cycle;glass fiber;microstructure作者简介:张伟刚(1985)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向:岩土工程勘察、设计及咨询等。收稿日期:202111080引言膨胀土在遇水时体积会膨胀，从而导致其上覆既有工程产生破坏，如轻量化结构和公路路面等12。目前，工程上增强膨胀土性能已经较多相对成熟的技术，如土壤更换或土壤改良。土壤改良可以采用机械加固、化学改性或两种技术的1 期张伟刚等:干湿循环下纤维改良膨胀土强度与微观结构特征研究33岩土力学结合34。化学改良能改善膨胀土的胀缩特性，增加其耐久性、强度和应力应变行为5。水泥、石灰、沥青等是膨胀土化学改良应用较为成熟的典范，使用这些物质改良后的膨胀土能够为上覆结构提供足够的支撑，以较小的变形承受上覆荷载。但是，化学改良也存在一些相关的负面影响，如高能耗、温室气体、碳排放和经济成本较高等，因此，寻找更环保和经济有效的材料进行膨胀土的改良成为了研究人员的重点研究对象6。近年来，纤维加固土越来越受到国内外学者的关注，添加合成纤维或天然纤维可以增强土壤的机械和物理特性，纤维在土壤中的随机分布可以增强土壤剪切面的抗剪切强度，同时还能增加土壤的延性，降低黏性土的膨胀潜力 和 压 缩性78。玻璃短纤维施工便捷、环境适应能力强和易于修复的特点得到了广泛研究，并在工程建设中得到了一定的应用。研究表明:在粉砂土中掺入玻璃纤维能有效地提高其峰值强度9;在水泥处理土中加入 1%4%的玻璃纤维，其抗拉强度比未掺纤维时提高了 50%10;此外，在无黏性土中添加粗砂和玻璃纤维丝可使土的黏聚力最高增加300 kN/m2 11;Hejazi 等12 对纤维在土壤中的使用进行了广泛的综述，得到纤维能增加土壤的峰值抗剪强度，减少应变软化，并阻碍受压变形过程。目前纤维改善膨胀土的性能研究已经取得了一定的成果，但是在特殊工况下，如干湿循环、冻融循环和离子侵蚀等，纤维改良膨胀土的性能研究还存在一定的不足。为此，本文将以原始膨胀土为研究对象，通过水泥和玻璃纤维水泥联合改良的两种方式，研究不同水泥和玻璃纤维掺量下的膨胀土的胀缩特性和抵抗干湿循环的能力，并结合微观结构分析探索改良机理等。1原材料及试验方法1.1原材料试验用的膨胀土来源于江苏省南京市近郊某工地，土样呈黄褐色，其基本物理力学参数见表1;玻璃纤维的基本物理力学参数见表 2;水泥为传统的 PO 32.5 硅酸盐水泥。表 1试验用土基本物理力学参数Table 1Basic physical and mechanical parameters of test soil密度/(g/cm3)自由膨胀率/%液限/%塑限/%塑性指数/%黏聚力/kPa内摩擦角/孔隙率最优含水率/%最大干密度/(g/cm3)2.56522.755.232.516512.50.9228.501.410表 2试验用玻璃纤维基本物理力学参数Table 2Basic physical and mechanical parameters ofglass fiber for test直径/m长度/mm断裂伸长率/%抗拉强度/GPa吸水率/%1420303.81.611.2试验方案依据 土工试验方法标准进行试验设计，首先将膨胀土进行烘干和研磨，研磨结束后将土壤过 2 mm 筛，随后与不同掺量的水泥和玻璃纤维进行混合制样，利用环刀一次性压实进行制备，试件尺寸为 39.1 mm80 mm，制样完成后用保鲜膜将试件进行包裹，放置在养护箱(221)，65%相对湿度)中养护28 d。通过击实试验获取原始膨胀土和改良膨胀土的最优含水率等相关参数，具体试验配比见表 3。表 3试验配比及控制参数Table 3Test ratio and control parameters编号材料质量比/%膨胀土水泥纤维最优含水率/%最大干密度/(g/cm3)Es1000028.501.410EsC11005028.851.400EsC210010029.201.385EsCF110050.228.951.395EsCF210050.429.051.385EsCF310050.629.201.370EsCF410050.829.401.355对完成养护的试件首先进行胀缩特性试验研究，利用量筒和收缩仪分别测试不同组别试件的自由膨胀率和收缩率;然后进行干湿循环试验，一次干湿循环包括喷洒吸水，吸水至最优含水率上下 3%时停止，然后放置在养护箱中养护，总时间控制在 12 h;随后在 40 左右的探照灯下进行34粉煤灰综合利用37 卷岩土力学烘干，烘干时间为 12 h。对不同干湿循环次数下的试件的强度特征等参数进行测试;最后通过扫描电镜对试件的微观结构进行测试。2胀缩试验结果分析2.1自由膨胀率不同试件的自由膨胀率随时间的变化曲线如图 1 所示。从图中可以看出，所有试件的膨胀率均呈现出先增大后稳定的变化趋势，原始膨胀土在第 24 h 左右达到最大膨胀率 55.8%，膨胀土的自由膨胀率会随着水泥或者玻璃纤维的加入而降低;随着纤维掺量的增加，纤维水泥改良膨胀土的自由膨胀率呈现出先减小后增大的趋势，当纤维掺量为 0.6%、水泥掺量为 5%时，自由膨胀率最低为 15.7%，相比于纯膨胀土而言，降低了71.86%。产生上述试验现象的原因是，水泥能将膨胀土颗粒进行胶结，而纤维能给土颗粒和水泥浆体等提供附着点，并且能贯穿土颗粒之间的孔隙，从而减小膨胀土的吸水膨胀率。但是，当纤维掺量过高时，会导致纤维在土壤中的分布不均匀，甚至出现成团现象，反而会增加土壤内部的孔隙率，所以导致土壤的膨胀率上升17。图 1不同试件自由膨胀率随时间变化规律Fig.1Variation of free expansion rate of different samples with time2.2收缩率不同试件的收缩率在48 h 内的变化曲线如图2所示。从图中可以看出，所有试件的收缩率均与含水率呈负相关的变化趋势，纯膨胀土在干燥状态下具有最大收缩率，为 9.7%;无论是添加水泥还是玻璃纤维，均能在一定程度上降低膨胀土的收缩率;在相同含水率情况下，随着纤维掺量的增加，纤维水泥改良膨胀土的收缩率呈现出先减小后增大的趋势，当纤维掺量为 0.6%、水泥掺量为 5%时，收缩率在干燥状态下最高为 4.5%，相比于纯膨胀土而言，降低了 53.6%，说明纤维和水泥作用能有效地降低膨胀土的收缩性。这是因为膨胀土具有较高的孔隙率，易导致干燥收缩，但是添加水泥能使土颗粒相互胶结，添加纤维能起到骨架的作用，两者均能对土壤的收缩变形起抑制作用。图 2不同试件收缩率随含水率变化规律Fig.2Shrinkage of different samples varies with water content3干湿循环结果分析3.1抗压强度在不同干湿循环次数下，不同试件的无侧限图 3不同干湿循环次数下试件的抗压强度变化规律Fig.3Variation rule of compressive strength of samples underdifferent drywet cycles抗压强度变化规律如图 3 所示。从图中可以看出，原始膨胀土的抗压强度为 0.38 MPa，经过水泥或纤维水泥改良后，强度均有不同程度的提升，纤维水泥联合改良膨胀土中，纤维掺量为 0.6%时改良 效 果 最