纖維水泥土力學(xué)性能與微觀機(jī)理研究論文
摘要:水泥土是水泥、土和水等物體混合，經(jīng)壓實(shí)和養(yǎng)護(hù)后形成的一種硬化材料，但是水泥土存在抗拉性能差等缺點(diǎn)，需對(duì)其進(jìn)行改性。纖維作為一種增強(qiáng)性能的材料，將其加入水泥土中，能有效改善水泥土的缺點(diǎn)，受到了廣大學(xué)者們的關(guān)注。本文分別從宏觀和微觀的角度對(duì)纖維水泥土的宏觀力學(xué)性能和微觀機(jī)理進(jìn)行總結(jié)，并指出當(dāng)前存在的問(wèn)題，為廣大學(xué)者研究纖維水泥土提供參考。
關(guān)鍵詞:纖維水泥土;力學(xué)性能;微觀機(jī)理
水泥土是水泥、土和水等物體混合，經(jīng)壓實(shí)和養(yǎng)護(hù)后形成的一種硬化材料，具有堅(jiān)硬性、水穩(wěn)性、低壓縮性、低滲透性等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有費(fèi)用低、施工方便等優(yōu)越性，在地基處理、基坑圍護(hù)、斜坡加固、渠道防滲襯砌、預(yù)制建筑材料等工程領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用［1］。但是，水泥土仍被劃分為脆性材料的行列，因?yàn)樗目估瓘?qiáng)度和抗折強(qiáng)度都很低，這些弊端阻礙了水泥土的推廣，不少學(xué)者采用一些強(qiáng)度補(bǔ)強(qiáng)措施來(lái)改善水泥土的缺點(diǎn)。其中，纖維具有高的抗拉性、耐久性強(qiáng)等特點(diǎn)，被應(yīng)用于改善水泥土的工程環(huán)境中。通過(guò)摻入纖維，水泥土各個(gè)方向都受力，是一種均勻復(fù)合的可以看成各向同性的材料，不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了力學(xué)試驗(yàn)分析，其中包括無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)、抗拉試驗(yàn)以及剪切試驗(yàn)，都認(rèn)為摻入纖維能有效提高水泥土的強(qiáng)度和改善水泥土的破壞韌性。本文從纖維水泥土力學(xué)特性和微觀機(jī)理兩個(gè)方面進(jìn)行概述，對(duì)近年來(lái)學(xué)者們關(guān)于纖維水泥土的研究進(jìn)行概括總結(jié)，并指出當(dāng)前纖維水泥土存在的問(wèn)題，為今后廣大學(xué)者對(duì)纖維水泥土提供參考。
1纖維水泥土工程力學(xué)特性
1．1纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度
無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是目前較為直接測(cè)試土體抗壓強(qiáng)度的測(cè)試方法。唐朝生等［2］通過(guò)將聚丙烯纖維摻入至軟土中，發(fā)現(xiàn)在水泥土中摻入少量的纖維能有效提高水泥土的抗壓強(qiáng)度，且抗壓強(qiáng)度隨著纖維的摻入量增加而成正比;張鵬遠(yuǎn)等［3］通過(guò)摻砂量和聚丙烯酰胺纖維對(duì)土體進(jìn)行加固，結(jié)果表明摻砂量和聚丙烯酰胺纖維能明顯的影響纖維水泥土的強(qiáng)度，在摻砂量為12%和聚丙烯酰胺纖維摻量為6%時(shí)，其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大;Tang等［4］通過(guò)對(duì)纖維水泥土進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維水泥土的'殘余、峰值強(qiáng)度都隨著纖維摻量的增加而增加。
1．2纖維水泥土的抗拉強(qiáng)度
由于存在抗拉性能差等缺點(diǎn)，采用纖維加筋技術(shù)彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)成為近些年來(lái)學(xué)者的研究重點(diǎn)。Sobhan和Mash-nad［5］研究了試樣抗拉強(qiáng)度，分析了纖維摻入量、纖維長(zhǎng)度和水泥摻入量對(duì)試樣的抗拉強(qiáng)度的影響，表明在試樣中摻入纖維后，其抗拉強(qiáng)度和撓曲強(qiáng)度得到了較大程度的提高，且通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)纖維長(zhǎng)度對(duì)試樣強(qiáng)度的影響較大;陳峰［6］對(duì)不同配比的玄武巖纖維水泥土進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，研究結(jié)果表明，玄武巖纖維的摻入能提高水泥土試件的抗拉強(qiáng)度，但并非纖維的摻入量越多越高，而是存在一個(gè)纖維最優(yōu)摻入比的問(wèn)題;Alrashidi等［7］通過(guò)對(duì)纖維水泥土開(kāi)展一系列試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維加筋能有效限制水泥土的裂隙發(fā)展，因而能阻止水泥土的拉伸。
1．3纖維水泥土的抗剪強(qiáng)度
Tang等［4］通過(guò)直剪試驗(yàn)研究纖維水泥土的抗剪強(qiáng)度時(shí)，發(fā)現(xiàn)在水泥土中摻入纖維能夠更好的發(fā)揮纖維加筋作用;張艷軍等［8］通過(guò)將不同纖維摻量的石棉纖維摻入到粉煤水泥復(fù)合土中，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)石棉纖維摻量為3%～6%時(shí)，石棉纖維水泥復(fù)合土的粘聚力與內(nèi)摩擦角均有不同程度的增加，纖維摻量存在最優(yōu)摻量;殷勇［9］通過(guò)將玻璃纖維摻入水泥土環(huán)境中，通過(guò)三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在水泥土中摻入玻璃纖維可顯著提高水泥土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。
2纖維水泥土的加筋機(jī)制
在水泥土環(huán)境中摻入纖維，能顯著提高水泥土的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性能。目前，不少學(xué)者認(rèn)為在素土中摻入纖維存在交織機(jī)理和彎曲機(jī)理，因而能顯著提高土體的強(qiáng)度和改善土體的破壞韌性。而相對(duì)于在纖維加筋素土，纖維加筋水泥土的加筋機(jī)制的研究較少。唐朝生［10］采用微觀測(cè)試手段從纖維水泥土中的筋/土界面相互作用角度出發(fā)，研究其加筋效果，認(rèn)為筋/土界面作用力以黏結(jié)力為主，主要是纖維與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生作用。唐朝生研發(fā)了單根纖維拉拔試驗(yàn)裝置，開(kāi)展了一系列拉拔試驗(yàn)，對(duì)不同水泥摻量及養(yǎng)護(hù)齡期下的單根纖維加筋土試樣進(jìn)行研究，結(jié)果表明，在水泥土中加入纖維能明顯的提高筋/土界面剪切強(qiáng)度，隨水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增加，且水泥土中的界面剪切強(qiáng)度相對(duì)于素土來(lái)說(shuō)得到了極大地提高［11－12］。
3結(jié)語(yǔ)
在水泥土環(huán)境中摻入纖維，能有效提高水泥土的力學(xué)特性和改善水泥土的破壞形式。同時(shí)也有學(xué)者針對(duì)這方面的機(jī)制進(jìn)行了探索，認(rèn)為水泥和土體形成的水化晶體能增加水泥土的密實(shí)度，使土樣的孔隙比減少，顯著增加纖維和水泥土之間的摩擦力和粘聚力，因而水泥土的力學(xué)性能得到明顯提高。但是，就目前的研究現(xiàn)狀而言，還存在以下問(wèn)題。1)目前關(guān)于纖維加筋水泥土中的加筋材料主要是人工合成纖維，例如聚丙乙烯、玻璃纖維、鋼纖維等，但是關(guān)于植物纖維水泥土的研究較少。植物纖維具有成本低廉，生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在臨時(shí)加筋工程中可以發(fā)揮較好的作用，值得工程推廣。2)纖維加筋水泥土是一種復(fù)雜的混合材料，關(guān)于纖維加筋水泥土的研究機(jī)制的報(bào)道較少。主要集中在學(xué)者通過(guò)微觀測(cè)試手段以及對(duì)單根纖維的拉拔試驗(yàn)進(jìn)行了探索，得到一些結(jié)論，還需繼續(xù)探索該方面的內(nèi)容。3)對(duì)于纖維加筋水泥土的研究，主要研究各種因素對(duì)其強(qiáng)度的影響，如纖維摻量、長(zhǎng)度、水泥摻量等，對(duì)干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等外部環(huán)境對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響研究較少，關(guān)于這方面的研究仍需要探索。
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