二次纖維水泥土力學(xué)特性研究

　　摘 要：為彌補(bǔ)水泥土材料受壓破壞后承載能力迅速衰減的缺陷，借鑒纖維改善水泥基材料性能的方法，以廢紙降解獲得二次纖維制成的二次纖維水泥土為研究對(duì)象，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)分析其抗壓強(qiáng)度、變形特征和破壞形態(tài)，提出考慮纖維摻量的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，探索水泥土改良新措施及廢紙資源利用新途徑。結(jié)果表明，1)養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)，同樣產(chǎn)生1.42%應(yīng)變時(shí)，水泥土強(qiáng)度下降39%，而摻量為2%的二次纖維水泥土強(qiáng)度下降僅為27%，摻入2%二次纖維不僅可以提高水泥土強(qiáng)度0.42%，也可使水泥土達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)變延后1.82%;2)纖維摻量存在一個(gè)閾值，當(dāng)摻量高于閾值時(shí)纖維水泥土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加而降低，當(dāng)摻量低于閾值時(shí)變化規(guī)律則相反;3)摻入2%和4%的二次纖維使水泥土由中部劈裂破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橥馏w典型的剪切破壞，破壞時(shí)保留了水泥土產(chǎn)生裂紋較少，無(wú)明顯擠壓變形等優(yōu)點(diǎn)。添加二次纖維可以在保持強(qiáng)度的同時(shí)減少水泥土工程缺陷，研究結(jié)果豐富了纖維水泥土理論，可為水泥土工程應(yīng)用及基礎(chǔ)研究提供參考。

　　關(guān)鍵詞：復(fù)合建筑材料;二次纖維;水泥土;無(wú)側(cè)限抗壓;破壞形式;應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

　　水泥土廣泛應(yīng)用于水利工程、建筑工程、道路運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域[1-3]。然而在壓力作用下水泥土自身易呈脆性破壞，對(duì)塑性指數(shù)較高的黏土、有機(jī)土等土體的固化效果不明顯，導(dǎo)致材料破壞后承載能力迅速衰減，這些都限制了對(duì)水泥土的進(jìn)一步應(yīng)用[4]。另一方面中國(guó)是紙張制造及消耗大國(guó)，僅2017年紙及紙板的生產(chǎn)量就達(dá)到了 11 130 萬(wàn)t，與此同時(shí)消耗量達(dá)到了10 897萬(wàn)t[5]，但廢紙回收利用率卻在50%以下，不及日本、韓國(guó)、泰國(guó)等國(guó)家，造成了一定的資源浪費(fèi)，加大力度開(kāi)發(fā)利用廢紙資源勢(shì)在必行。

　　借鑒纖維改善混凝土等水泥基材料性能的方法[6-9]，可將廢紙降解獲得的二次纖維作為添加劑用于彌補(bǔ)水泥土的缺陷，探究提高水泥土性能及廢紙資源有效利用的新方法。吳亞明[4]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)二次纖維水泥土強(qiáng)度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)雖然養(yǎng)護(hù)7 d和14 d時(shí)纖維水泥土強(qiáng)度隨纖維摻量增加而減少，但在養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)添加1%和3%的二次纖維可以對(duì)普通水泥土強(qiáng)度提高10%和8%，同時(shí)1%～5%的二次纖維皆對(duì)水泥土的韌性起到增益作用。張璐等[10]通過(guò)氫氧化鈉溶液制備廢紙漿，將其加入到脫硫石膏中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)雖然加入廢紙漿后石膏的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，但可以有效提高抗折強(qiáng)度，隨摻入廢紙量增加，石膏的壓折比不斷減小。COUTTS[11]對(duì)比了木質(zhì)纖維水泥基材料與二次纖維水泥基材料的性能，發(fā)現(xiàn)兩者的密度和吸水性接近，前者的彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性較后者大，但是廢紙的價(jià)格僅是木質(zhì)纖維價(jià)格的15%～25%，在同時(shí)滿足強(qiáng)度和韌性的要求下二次纖維更具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。ASHORI等[12]利用回收的廢舊報(bào)紙，經(jīng)處理后與氯化鈣共同加入到水泥板中，研究發(fā)現(xiàn)摻量為10%的二次纖維將水泥板的斷裂強(qiáng)度提高11.7%～44%，將水泥板彈性模量提高了2.9～3.3倍，但當(dāng)纖維摻量增加到15%和20%時(shí)雖然能對(duì)水泥板彈性模量小幅提高，但斷裂強(qiáng)度卻降低了10.34%～31.03%和51.72%～55.17%。一定摻量范圍內(nèi)的二次纖維可以提高水泥基材料的強(qiáng)度，并且對(duì)材料韌性及彈性模量有所增益，同時(shí)二次纖維相對(duì)與其他添加劑更具有經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性。

　　筆者通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)研究不同摻量二次纖維水泥土在養(yǎng)護(hù)7，14，28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度、變形特性及破壞形態(tài)，提出一種考慮二次纖維摻量的數(shù)學(xué)模型描述其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

　　1 試 驗(yàn)

　　1.1 試驗(yàn)材料及試件制備

　　試驗(yàn)所需土樣取自昆明市盤(pán)龍區(qū)內(nèi)的紅黏土，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得其風(fēng)干含水率為2%。選用C32.5礦渣硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料，二次纖維是由普通辦公廢棄紙張經(jīng)碎紙機(jī)(見(jiàn)圖1)處理后，泡水降解(見(jiàn)圖2)，再經(jīng)過(guò)攪拌、晾曬獲得，如圖3所示。

　　在制作試件過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，試樣含水率較低時(shí)，制作試件土樣很難成型，因此設(shè)定土體目標(biāo)含水率為38%，水泥的摻量為15%，二次纖維摻量分別為2%，4%，6%，水泥及纖維摻量計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。

　　參考吳亞明[4]的試驗(yàn)方法和《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123-1999)，將土樣風(fēng)干過(guò)篩，并將稱量好的土樣與水泥均勻攪拌，加入纖維并進(jìn)行第1次加水?dāng)嚢柚晾w維均勻的分散在混合料中，再將剩余水倒入混合料中攪拌至混合料中無(wú)呈干粉狀的顆粒結(jié)束。以PVC管為模具控制試件成型尺寸為直徑50 mm高度100 mm。試件制作完畢靜置24 h后脫膜，脫膜后將試件密封放入標(biāo)準(zhǔn)混凝土養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，直至試驗(yàn)設(shè)計(jì)養(yǎng)護(hù)齡期取出，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)。

　　1.2 試驗(yàn)方案

　　采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)，設(shè)定加載速率為2 mm/min，直至試樣出現(xiàn)破壞或軸向應(yīng)變達(dá)到20%時(shí)停止加載。試驗(yàn)前用砂紙進(jìn)行打磨并涂抹凡士林，每組試驗(yàn)測(cè)試不少于3個(gè)試樣，試驗(yàn)分組如表1所示。

　　2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

　　2.1 不同養(yǎng)護(hù)齡期下二次纖維水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

　　取3個(gè)平行試件強(qiáng)度結(jié)果平均值作圖，各組試件無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間關(guān)系見(jiàn)圖4。

　　素土試件與水泥土試件養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)強(qiáng)度分別是養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的1.51倍和1.36倍，表明隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加土顆粒和水泥材料都對(duì)試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有增益效果。觀察3組二次纖維水泥土強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)：纖維摻量為2%時(shí)試件從養(yǎng)護(hù)7 d增加到 28 d 后強(qiáng)度提高了47.3%;纖維摻量為4%時(shí)試件從養(yǎng)護(hù)7 d增加到28 d后強(qiáng)度僅變化5.2%;纖維摻量為6%時(shí)試件從養(yǎng)護(hù)7 d增加到28 d后強(qiáng)度減少32.5%;其中纖維摻量為4%時(shí)試件強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化較小。對(duì)比各組水泥土早期強(qiáng)度(7 d)添加6%二次纖維摻量可以對(duì)水泥土強(qiáng)度提升10.83%;養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)二次纖維摻量為2%的試件強(qiáng)度在所有試件表現(xiàn)出來(lái)的強(qiáng)度范圍內(nèi)最高。試驗(yàn)結(jié)果與吳亞明[4]的結(jié)果類似，即在養(yǎng)護(hù)28 d情況下加入1%和3%二次纖維皆對(duì)水泥土強(qiáng)度有所提高，而加5%的二次纖維后強(qiáng)度較普通水泥土強(qiáng)度有所降低，具體強(qiáng)度提升不同是由于所用土體及水泥類型不同導(dǎo)致。

　　2.2 不同纖維摻量下二次纖維水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

　　無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與纖維摻量的關(guān)系如圖5所示。

　　養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)水泥土中加入2%二次纖維可以提高0.42%的強(qiáng)度，但隨纖維摻量增加，強(qiáng)度呈減少的趨勢(shì);養(yǎng)護(hù)7 d和14 d時(shí)試件強(qiáng)度均隨纖維摻量的增加呈先減小后增大的趨勢(shì);纖維摻量為4%時(shí)，水泥土試件強(qiáng)度最低，并且自此開(kāi)始同樣纖維摻量下試件強(qiáng)度不再隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間延長(zhǎng)而增大。養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)加入6%二次纖維可以提高水泥土10.83%的強(qiáng)度，但隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加強(qiáng)度減少，這主要是因?yàn)樵嚰尚统跗诙卫w維與土顆粒和水泥形成完整的受力骨架，隨著養(yǎng)護(hù)齡期增加二次纖維在堿性環(huán)境下受到侵蝕極易分解因此骨架將受到影響，當(dāng)二次纖維摻量較大時(shí)，這種影響較為顯著，對(duì)土體強(qiáng)度的影響程度超過(guò)水泥水化帶來(lái)的增益，因此加入6%的二次纖維后，纖維水泥土表現(xiàn)出強(qiáng)度逐漸降低的趨勢(shì)。

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