摘  要：為了分析復(fù)摻粉煤灰和劍麻纖維對膨脹土膨脹率和力學(xué)特性的影響變化規(guī)律，制備了不同粉煤灰和劍麻纖維復(fù)合摻量的膨脹土樣品，開展了自由膨脹率、無側(cè)限抗壓強度、劈裂抗拉和直剪實驗，分析了無荷膨脹率、單軸抗壓強度、劈裂抗拉強度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角隨粉煤灰和劍麻纖維復(fù)合摻量的變化規(guī)律。結(jié)果表明：膨脹土的無荷膨脹率隨著粉煤灰和劍麻纖維復(fù)合摻量的增大而減小；摻加粉煤灰與劍麻纖維對膨脹土的抗壓性能、抗拉性能和抗剪性能具有明顯的提升作用；隨著粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量的提高，膨脹土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角將逐漸變大，但增大幅度相對越來越小，當粉煤灰與劍麻纖維總摻量保持不變時，隨著劍麻纖維占比的提高，膨脹土的黏聚力逐漸增大而內(nèi)摩擦角則基本保持不變；最佳的粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合質(zhì)量比為30，復(fù)合后兩者在膨脹土中的總摻量不宜超過 12%。

關(guān)鍵詞：粉煤灰；劍麻纖維；膨脹土；力學(xué)特性

膨脹土被稱為“工程癌癥”，在我國山東、廣西、湖北、云南、河南等20多個地區(qū)均有分布，其影響區(qū)域居住人口超過3億。膨脹土因具有膨脹性、裂隙性、超固結(jié)性的特點引發(fā)了大量工程地質(zhì)問題，造成了嚴重的經(jīng)濟損失^[1-3]。路面隆起、沉陷或開裂以及路堤和路塹滑塌是膨脹土引發(fā)的主要路基問題^[4-6]。物理化學(xué)改性方法是解決膨脹土區(qū)域路基問題的重要手段^[7]。其中，在膨脹土中添加纖維材料改善其使用性能方面大量學(xué)者開展了研究工作，郝建斌等^[8]對比分析了素土和劍麻纖維加筋膨脹土的干濕循環(huán)性能，研究了劍麻纖維摻加后的抗裂機理，給出了最佳劍麻纖維摻量；黃芙蓉等^[9]制備了聚丙烯纖維膨脹土樣品，分析了聚丙烯纖維材料對膨脹土裂縫的抑制作用，研究了聚丙烯纖維對膨脹土裂縫的抑制機理；郭一鵬等^[10]制備了新型土工織物膨脹土樣品，開展了新型土工織物排水及不排水一維土柱對比實驗，探索新型土工織物對膨脹土的含水率、膨脹率及不排水強度的影響規(guī)律；李文東^[11]采用水泥和黃麻纖維材料對膨脹土進行改良，分析了改良性膨脹土的物理力學(xué)性能，并開展了數(shù)值模擬研究。在上述研究的基礎(chǔ)上，利用摻加粉煤灰和劍麻纖維對膨脹土性能進行改良，制備了不同摻加粉煤灰和劍麻纖維比例以及總摻加量的改良性膨脹土樣品，開展了膨脹率和力學(xué)性能測試，給出了最優(yōu)的粉煤灰和劍麻纖維摻量。研究成果可為粉煤灰和劍麻纖維改良性膨脹土的工程應(yīng)用提供強有力的理論基礎(chǔ)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗材料主要包括膨脹土、粉煤灰和劍麻纖維。膨脹土取自山東濟南某路基工地，膨脹土的基本物理力學(xué)指標如表1所示。

表1 膨脹土的基本物理力學(xué)指標

粉煤灰來自濟南平陰鑫源粉煤灰有限公司，粉煤灰的基本物理力學(xué)指標如表2所示。

表2 粉煤灰的基本物理力學(xué)指標

劍麻纖維來自濟南麥森新材料有限公司，劍麻纖維具有價格低廉、可再生、抗拉力強、抗撕裂、耐磨、耐腐蝕、耐低溫等特點。劍麻纖維的基本物理力學(xué)指標如表3所示。

表3 劍麻纖維的基本物理力學(xué)指標

1.2 實驗方法

粉煤灰、劍麻纖維復(fù)摻膨脹土樣品的制備流程如下：

（1）將膨脹土樣品烘干后進行篩分（篩孔直徑2 mm）。

（2）將一定比例的粉煤灰和劍麻纖維摻入膨脹土中，加入蒸餾水后攪拌均勻。

（3）在密封袋中放置48 h后制備成高125 mm、直徑61.8 mm的圓柱形實驗樣品。

共制備了16組不同粉煤灰、劍麻纖維復(fù)摻膨脹土樣品，其中粉煤灰（F）與劍麻纖維（S）摻量（質(zhì)量分數(shù)，下同）比分別為20、30、40，膨脹土中粉煤灰與劍麻纖維總復(fù)合摻量為4%、8%、12%、16%、20%，共計15組粉煤灰、劍麻纖維復(fù)摻膨脹土樣品以及實驗結(jié)果對比參照的素土樣品。

樣品制備完成后分別開展自由膨脹率實驗、無側(cè)限抗壓實驗、劈裂抗拉實驗以及直剪實驗，用于分析粉煤灰、劍麻纖維復(fù)摻膨脹土樣品的無荷膨脹率、單軸抗壓強度、劈裂抗拉強度、內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角隨粉煤灰與劍麻纖維摻量比以及粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量的變化規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 自由膨脹率實驗結(jié)果分析

胡不同粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量條件下膨脹土的無載荷膨脹率變化曲線如圖1所示。

圖1 不同粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量條件下膨脹土的無載荷膨脹率變化曲線

由圖1可知，不摻加粉煤灰與劍麻纖維條件下，膨脹土的無荷膨脹率高達21.9%。而摻加粉煤灰和劍麻纖維后，一方面由于粉煤灰能夠與膨脹土中的膨脹物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進而減少其中的膨脹物質(zhì)含量，另一方面粉煤灰自身能夠與水發(fā)生一定的水化反應(yīng)而生成硬性物質(zhì)附著在膨脹土顆粒間，提高膨脹土之間的摩擦力，抑制膨脹土向自由面發(fā)生膨脹；劍麻纖維雜亂分布在膨脹土中則能起到類似錨桿的作用，抵消膨脹土內(nèi)部的部分膨脹力影響。因此，隨著粉煤灰和劍麻纖維復(fù)合摻量的逐步增大，膨脹土的無荷膨脹率也就逐漸減小，但粉煤灰和劍麻纖維復(fù)合摻量超過16%后，膨脹土的無荷膨脹率減小幅度將大大變小，此時再增加粉煤灰和劍麻纖維復(fù)合摻量對膨脹土無荷膨脹率影響很小，膨脹土的無荷膨脹率大體穩(wěn)定在9%左右。此外，由圖1還可知，在粉煤灰和劍麻復(fù)合總摻量不變的情況下，即使增加劍麻纖維的摻合量，膨脹土的無荷膨脹率整體上雖然有所降低，但降低幅度卻并不明顯，說明劍麻纖維對膨脹土的膨脹性改良效果十分有限。

2.2  無側(cè)限抗壓實驗結(jié)果分析

膨脹土的無側(cè)限抗壓強度隨粉煤灰與劍麻纖維摻量的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，素土的無側(cè)限抗壓強度約為86.7kPa。而摻加粉煤灰與劍麻纖維后，由于粉煤灰具有活性效應(yīng)和充填效應(yīng)，能夠提升膨脹土的黏結(jié)性和密實性，而劍麻纖維則能起到抑制膨脹土微裂隙擴展延伸的作用，雖然隨著粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量的增大，膨脹土的無側(cè)限抗壓強度也成逐漸增大趨勢，但一旦劍麻纖維摻量過大，劍麻纖維則會發(fā)生團聚而導(dǎo)致膨脹土均質(zhì)性變差，其抗壓強度反而降低。由圖2還可以看出，ω（F）/ω（S）=20條件下，兩者總摻量為4%、8%、12%、16%和20%時，膨脹土的無側(cè)限抗壓強度分別為195.2、266.1、310.9、327.8、344.6kPa；ω（F）/ω（S）=30條件下，兩者總摻量為4%、8%、12%、16%和20%時，膨脹土的無側(cè)限抗壓強度分別為176.2、230.6、300.5、321.3、330.0kPa；ω（F）/ω（S）=40條件下，兩者總摻量為4%、8%、12%、16%和20%時，膨脹土的無側(cè)限抗壓強度分別為152.2、210.3、255.4、287.8、319.9kPa。從性價比的角度考慮，建議粉煤灰與劍麻纖維總摻量在膨脹土中不宜超過12%，而粉煤灰與劍麻纖維的質(zhì)量比則取30較為合適。

圖2 膨脹土的無側(cè)限抗壓強度隨粉煤灰與劍麻纖維摻量的變化曲線

2.3  劈裂抗拉實驗結(jié)果分析

不同粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量條件下膨脹土的劈裂抗拉強度變化曲線如圖3所示。由圖3可知，不摻加粉煤灰與劍麻纖維時膨脹土的劈裂抗拉強度約為26.9 kPa。ω（F）/ω（S）=20條件下，粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量為4%、8%、12%、16%和20%時，膨脹土的劈裂抗拉強度分別為57.7、78.5、89.8、95.6、100.1 kPa，相比素土分別提高了114.5%、191.8%、233.8%、255.4%和272.1%；ω（F）/ω（S）=30條件下，粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量為4%、8%、12%、16%和20%時，膨脹土的劈裂抗拉強度分別為51.3、69.2、77.5、85.9、90.6 kPa，相比素土分別提高了90.7%、157.2%、188.1%、219.3%和236.8%；ω（F）/ω（S）=40條件下，粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量為4%、8%、12%、16%和20%時，膨脹土的劈裂抗拉強度分別為48.7、61.2、68.1、72.0、73.9 kPa，相比素土分別提高了81.0%、127.5%、153.2%、167.7%和174.7%。由此可見，摻加了一定量的粉煤灰和劍麻纖維對膨脹土的抗拉性能提升具有顯著的作用，尤其是煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量小于12%時。當粉煤灰與劍麻纖維總摻量保持不變時，劍麻纖維占比相對越大，膨脹土的抗拉強度也越高。

圖3 不同粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量條件下膨脹土的劈裂抗拉強度變化曲線

2.4 直剪實驗結(jié)果分析

2.4.1 內(nèi)聚力

不同粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量條件下膨脹土的內(nèi)聚力變化曲線如圖4所示。由圖4可知，素膨脹土的內(nèi)聚力約為32.8 kPa。隨著粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量的提高，膨脹土的內(nèi)聚力逐漸變大但增大幅度相對越來越??；當粉煤灰與劍麻纖維總摻量保持不變時，隨著劍麻纖維占比的提高，膨脹土的內(nèi)聚力逐漸增大。ω（F）/ω（S）=20條件下，粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量分別為4%、8%、12%、16%和20%時，膨脹土的內(nèi)聚力分別為59.7、79.2、93.0、105.3、113.7 kPa，相比素土分別提高了82.0%、141.5%、183.5%、221.0%和246.7%。由此可見，粉煤灰與劍麻纖維對膨脹土抗剪性能的提升具有十分明顯的效果。

圖4 不同粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量條件下膨脹土的內(nèi)聚力變化曲線

2.4.2 內(nèi)摩擦角

不同粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量條件下膨脹土的內(nèi)摩擦角變化曲線如圖5所示。

圖5 不同粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量條件下膨脹土的內(nèi)摩擦角變化曲線

由圖5可以看出，素膨脹土的內(nèi)摩擦角約為19.2°。隨著粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量的提高，膨脹土的內(nèi)摩擦角逐漸變大但增大幅度卻越來越小，當粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量超過12%后，膨脹土的內(nèi)摩擦角基本保持在27°左右。當粉煤灰與劍麻纖維總摻量保持不變時，隨著劍麻纖維占比的提高，膨脹土的內(nèi)摩擦角變化不大，說明劍麻纖維對改良膨脹土的內(nèi)摩擦角影響很小。因此，綜合內(nèi)聚力變化規(guī)律，建議粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合質(zhì)量比取30，復(fù)合后兩者在膨脹土中的總摻量低于12%。

3 結(jié)論

（1）氮隨著粉煤灰和劍麻纖維復(fù)合摻量的增大，膨脹土的無載荷膨脹率將逐步減小，但粉煤灰和劍麻纖維復(fù)合摻量超過16%之后，膨脹土的無載荷膨脹率減小幅度將大大變小，最終穩(wěn)定在9%左右。

（2）摻加粉煤灰與劍麻纖維對膨脹土的抗拉性能提升具有非常顯著的作用，尤其是煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量小于 12%時；當粉煤灰與劍麻纖維總摻量保持不變，劍麻纖維占比相對越大，膨脹土的抗拉強度也越高。

（3）隨著粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合摻量的提高，膨脹土的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角將逐漸變大，但增大幅度相對越來越小；當粉煤灰與劍麻纖維總摻量保持不變時，隨著劍麻纖維占比的提高，膨脹土的黏聚力逐漸增大而內(nèi)摩擦角則基本保持不變。

（4）從性價比的角度考慮，建議粉煤灰與劍麻纖維復(fù)合質(zhì)量比取 30，復(fù)合后兩者在膨脹土中的總摻量不宜超過 12%。

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