(河北建筑工程学院 河北 张家口 075000)

聚丙烯纤维水泥土的基本性能预测研究

刘卫涛杨鑫

(河北建筑工程学院河北张家口075000)

聚丙烯纤维是一种强度高、弹性好、耐腐蚀性的合成纤维，加筋技术的兴起，为水泥土加固提供了新的发展契机，由于水泥土本身存在的一些问题，聚丙烯纤维作为一种优质加筋材料，因此本实验研究将聚丙烯纤维作为加筋材料。本文通过在水泥土中添加聚丙烯纤维，以纤维长度、添加量、灰土比、养护龄期等变量对水泥土的基本性能进行试验探究。

聚丙烯纤维；水泥土；基本性能；效应预测

一、引言

水泥复合土是指以水泥充当主料，水和外添剂按比例混合充当辅料，具有一定整体强度和水稳定性以及耐久性的混合土体，简称水泥土[1]。水泥土是一种较为特殊的土，当然也具有土的一些缺点，如抗压强度远低于混凝土。

李金和、刘宝生等[2]人根据国内外的科研成果，对纤维加筋土作用机理和工程应用进展方面的内容进行了综述。陈绍剑[3]利用聚丙烯纤维和聚酯纤维，研究了纤维水泥土在道路底基层方面的应用效果。陆元鹏[4]则系统研究了玻璃纤维复掺粉煤灰后水泥土的耐久性能。殷勇[5]等人发现玻璃纤维对水泥土的性能有明显提升。王德银、唐朝生等[6]人通过控制含水率和干密度，用聚丙烯纤维作为加筋材料，进行了不同的直剪试验，并利用扫描电镜研究了其微观作用机理。

二、试验概况

(一)试验材料

1.土料：本试验用土采用张家口地区粘性土，取样深度为地表以下1m，将现场土样取回过0.5mm筛后去除土中碎石、树根等杂物留以备用，然后对土样进行试验确定土样部分物理力学指标，其物理力学性能指标见下表1：

2.聚丙烯纤维：本试验采用的是束状单丝聚丙烯纤维，其截面形状为Y形，且具有分散性好、吸水性小、耐酸碱性极高、导热导电性低、无毒环保等优点。其主要物理力学性能指标见下表2。

表1 土样部分物理力学性能指标

表2 聚丙烯纤维物理力学性能指标

(二)试验方案。本试验选用聚丙烯纤维。聚丙烯纤维为白色、半透明、束状单丝。纤维长度选定6mm、12mm、19mm三种长度，纤维添加量为0.5%、1%、1.5%、2%四种情况。灰土比为14%、20%、26%、32%四个含灰量，养护龄期7d、14d、28d，含水量为一定值W=26%(W=m水/m总)。试模选用100mm×100mm。每一种情况进行四组平行试验，以减少试验误差。

(三)试验过程

1.备料。根据所需土料取距地表一米以下处土料。土料均需风干粉碎成细土，过5mm筛，清除土料中碎石、树根等杂物，留存足够土料在室内备用。

2.拌和。采用湿拌法，在添加水和水泥后搅拌大约半分钟使水泥在水中搅拌开，然后再添加纤维搅拌使纤维在水泥和水的混合液中分散开直至分散均匀。最后再添加土料，土料分为两次添加，最后使土、水泥和纤维混合均匀。

3.装模。将搅拌好的混合料装填已称好质量100mm×100mm×100mm的试模。每次装填试模分为多次装入，用调土刀进行插捣，每层插捣次数不应小于12次。然后称其质量。

4.脱模与养护。待试件具有一定的强度后，用脱模机将试块从试模中脱出，对脱出的试块及时进行编号，再放在标准养护室进行养护。

三、试验结果预测分析

(一)抗拉强度机理分析。纤维越长与土体之间的粘聚越复杂，与更多的土体颗粒之间缠绕摩擦发生相互作用，纤维也更易在土体内部发生类似“打结”的现象影响土体的强度变化。摩擦力的来源主要是土体颗粒与纤维之间的摩擦，纤维表面的毛丝或突起与颗粒之间相互作用而产生力。在实验的龄期变化中，开始由于时间的延长，纤维与土体颗粒之间的粘聚力不断增强，即抗拉强度不断增强，随着实验的不断进行，聚丙烯纤维与土体颗粒的粘结力不再增强，反而开始下降，也就是可能出现后期抗拉强度增强缓慢甚至降低的现象。

(二)抗压强度机理分析。在对聚丙烯纤维掺入后提高抗拉强度的同时也发现纤维的掺入可以提高土体的抗压强度。水泥土在水泥的作用下相互联结从而形成一个整体，那么在这些颗粒在受到压力的时候，就产生了一个相反方向的作用力，除了相反作用力之外，还存在一个由纤维与土体颗粒之间的作用而产生的第二个作用力。另一方面，聚丙烯纤维与土体颗粒之间的相互作用可以理解纤维在土体内部产生了一个空间纤维网络结构，这个网络结构在外力作用力起到了缓冲空间。

(三)抗折强度机理分析。土体强度变化中预测除了抗拉强度、抗压强度还包括抗折强度，添加聚丙烯纤维之后土体的抗折强度也应该会明显得到增强。纤维维系在土体之间，起着“骨架”的桥梁作用。有别于抗拉强度的是会出现“藕断丝连”现象，即当抗折试样已经断裂时，纤维却还维系在两个土体内部。这种现象在抗折中经常出现，同时这也是有别于抗拉强度的，因为抗拉强度的是在水平方向的检测。纤维发生位移之后，有的纤维还保留在土体内部，而有的纤维一端却被拉出，这是由于纤维在土体内部的摩擦力小于抗折作用时的力，由于力的方向不同，因此抗折强度的变化不如抗拉强度的变化那么显著。

四、总结

聚丙烯纤维与水泥具有良好的粘结力和分散性,在土中掺入聚丙烯纤维则可能提高土的力学性能和抗裂能力。研究掺入聚丙烯纤维水泥土强度的变化规律,采用聚丙烯纤维加筋水泥土是合理可行的,较水泥土有更高的效益。

其次在水泥土中掺入聚丙烯纤维之后，土体的膨胀得到了有效抑制，在纤维掺入方面，存在一个最适宜添加量，即在一个土体试样中，纤维的掺入比例×纤维长度存在一个最佳点。

在水泥土中掺入聚丙烯纤维可以较大幅度地提高土体的抗拉强度，有效提高土体的抗压强度和一定程度上提高土体的抗折强度，且强度的变化与纤维的长度和纤维掺入比例有关。最后纤维与土体颗粒之间的相互作用反映出添加聚丙烯纤维后整个土体强度的宏观变化，正是由于纤维抗拉强度有着先上升后下降的变化趋势，才导致土体宏观上具有先上升后下降的变化趋势从微观结构分析，水泥土强度变化与纤维在内部的变化有关，而后期增大幅度减弱甚至后期强度下降则可能与后期土体与纤维之间的黏连度和紧密度下降后导致的摩擦力减小有关。

[1]赫文秀.玻璃纤维粉煤灰水泥复合土力学性能试验研究[D].内蒙古农业大学,2012.

[2]李金和,郝建斌,陈文玲.纤维加筋土技术国内外研究进展[J].世界科技研究与发展,2015,03:319-325.

[3]陈绍剑,王东权.纤维水泥土用于道路底基层的试验研究[J].路基工程,2009,02:143-144.

[4]陆元鹏.玻璃纤维复掺粉煤灰水泥复合土耐久性研究[D].内蒙古农业大学,2014.

刘卫涛(1992.05-)，男，汉族，河北霸州人，河北建筑工程学院在读研究生，研究方向：岩土工程；杨鑫(1993.08-)，男，汉族，河北张家口，河北建筑工程学院在读研究生，研究方向：岩土工程。