纤维加筋改良土的研究进展_张灿印.pdf

NORTHERN ARCHITECTURE北方建筑工程科技第 8 卷第 1 期 2023 年 2 月收稿日期：2022-10-24基金项目：吉林省预算内基本建设基金（创新能力建设项目）（2022C040-5）；吉林省长春市科技局科技创新与研发项目（21QC08）作者简介：张灿印（1995），男，黑龙江省哈尔滨市人，在读硕士研究生，研究方向：建筑材料。*通讯作者：张学建（1975），男，吉林省长春市人，教授，博士，研究方向：建筑功能材料，E-mail：zxj_0引言在很长一段时间内，很多公路建设者秉承“重路面、轻路基”的错误建设理念1，使得路基病害经常发生，其中未经改良的原状土作为各等级路基填料时会存在缺陷，如：水稳定性不良、抗冻性差、膨胀率较高等问题2，致使路基的无侧限抗压强度和加州承载比（California bearing ratio，CBR）难以满足规范要求3-4。因此，路基土使用时有必要进行改良。土体改良（Soil Modification）是一种有效可靠的加固土体的技术5。土体中主要的改良手段有化学改良和物理改良。化学改良指在路基土料中掺入胶凝材料，加水翻拌后通过压实机械碾压促使土体密实成型，可是仅使用胶凝材料会增大土体的脆性，并造成一定程度的土地污染。物理改良指运用土工纤维加筋改良土的研究进展张灿印1，张学建1*，张云龙2（1：吉林建筑大学材料科学与工程学院，吉林长春130118；2：吉林建筑大学交通科学与工程学院，吉林长春130118）摘要：近年来，为解决路基强度不足的问题，以纤维为基础的土体改良与加固技术在已有工程中彰显出巨大的优势与潜力。为了解无机结合料与纤维基体对土体性质的改善效果，本文介绍了土体化学改良的形成机理，采用文献研究法分别归纳、总结了聚丙烯纤维与玄武岩纤维在土体改良中的特点与改良机理，并展望了基于纤维在土体加固与改良方面的应用，最终得出以下结论：纤维改良后的土体力学性质得以提升，由于土质不同，在最佳掺量下纤维“增韧”效果明显，为各类纤维土改良与加固研究提供借鉴与参考。关键词：道路工程；改良土；改良手段中图分类号：TU521.3文献标识码：A文章编号：2096-2118（2023）01-0006-04Study on Fiber Modified and Reinforced Subgrade Soil：OverviewZHANG Canyin1，ZHANG Xuejian1*，ZHANG Yunlong2（1：School of Materials Science and Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin130118，China；2：School of Transportation Science and Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun Jilin130118，China）Abstract：In recent years，in order to solve the problem of insufficient subgrade strength，fiber based soil modification and reinforcement technology has shown great advantages and potential in existing projects.In order to understand the modification effect of inorganic binder and fiber matrix on soil properties，this paper introduces theformation mechanism of soil chemical modification，and summarizes the characteristics and modification mechanism of polypropylene fiber and basalt fiber in soil modification by literature research method，and looks forwardto the application of fiber in soil reinforcement and modification.Finally，the following conclusions are drawn：themechanical properties of the soil after fiber modified are improved，due to the different soil texture，the effect offiber“toughening”is obvious under the optimal dosage，which provides reference for the modification and reinforcement of various types of fiber soil.Keywords：road engineering；modified soil；modification means6NORTHERN ARCHITECTURE图 1无水泥填充试样图 2含水泥填充试样（7 d 养护）合成材料或各种纤维对土体加筋处理。以上两种手段都可以提升土体的承载力。尤其在土体中掺入纤维，能明显提升无侧限抗压强度和抗剪强度，绝大多数纤维能在土中良好的分散形成交织的网络，在减少水泥等胶凝材料用量的同时，也能使土体由脆性破坏转变成塑性破坏6。交织形成的网格结构限制了土颗粒的错动，彰显出了“桥接”效应7。目前，纤维的应用已经成为路基土体改良研究的一大趋势，不同的纤维类型、长度、掺量及土质类型产生的改良效果也不尽相同，有待深入研究和探索。1化学改良路基土的作用机理路基土化学改良中可用添加剂有水泥、石灰、粉煤灰、土体固化剂等。它们均可在有水的条件下生成火山灰物质，并包裹、附着在土体颗粒表面从而改善土体的结构。水泥会增加簇间胶结和减少孔隙形成蜂窝结；石灰使土体脱水，增大黏聚力8。其中，黏性土首选石灰，无黏性土首选水泥9，它们的固化机理主要是由以下四个方面构成。1）水化反应。水泥熟料成分遇水能快速发生水化反应及火山灰反应生成一系列硅酸钙产物（CaO与 SiO2），它们在孔隙中相互交织，进而包裹土颗粒，见表 1。2）离子吸附。土颗粒与水接触后，在土颗粒周围形成电场，在水泥水化产物Ca（OH）2溶液的强烈吸附作用下，使大土团形成链条结构，降低土团间的孔隙，形成坚固致密稳定的结构。3）硬化反应。土体所含矿物当中的 SiO2与Al2O3的活性被 Ca（OH）2激发出来，与钙离子发生化学反应生成硅酸钙和铝酸钙，它们与水泥有类似的胶结能力，并将黏土颗粒凝结成一个整体，进而提升强度和水稳定性。熟料矿物硅酸三钙3CaO SiO2硅酸二钙2CaO SiO2铝酸三钙3CaO Al2O3铁铝酸四钙4CaO Al2O3 FeO3含量占比/%636721244724反应速度快慢最快中水化生成物Ca（OH）2含水硅酸钙含水铝酸钙含水铁酸钙4）碳酸化作用。生石灰熟化后会产生大量的Ca（OH）2，与 H2O 和 CO2发生化学反应，使土颗粒中的固体颗粒质量增加，更进一步填充土壤颗粒内部的空隙。此外，根据微观研究分析更能看出胶凝产物所带来的影响10，压实作用会减小孔隙（如图 1）。这时，土体存在一定的强度和抗变形能力，但此时仍十分的薄弱。需经过胶凝材料填充后，土团及孔隙被水化凝胶（见图 2）覆盖填充。7 d 养护时，孔隙中的水化产物 Ca（OH）2生成比例可达到 6.25%，并且土-水泥团簇趋向于更大，这是因为随着时间的推移，胶凝产物的增长逐渐变多的缘故。表 1水泥熟料水化反应的贡献情况2纤维改良路基土的国内外研究成果及应用2.1聚丙烯纤维聚丙烯纤维（Polypropylene Fiber）是高温拉丝而成，具有较高的拉伸强度和抗变形能力。近年来逐渐被土工领域所采用。聚丙烯纤维改良路基土体第1期张灿印，等：纤维加筋改良土的研究进展7NORTHERN ARCHITECTURE图 3玄武岩纤维 SEM 分析仍属于物理改良的“加筋作用”。聚丙烯纤维增强土样方式有两种，一种是采用连续的长丝纤维加固非黏性土颗粒，长纤维可以与土颗粒混合增加黏聚力。另一种是短切纤维，研究较为集中，短切纤维可以增强土体的韧性和变形性能，减少结团现象的发生。聚丙烯纤维在土中虽然是随机分布的，但是在水泥或石灰等胶凝材料的较小间隙中，利用纤维表面摩擦可以提升强度。在胶凝产物的凝结硬化过程中，土和聚丙烯纤维的黏结力也会增大，同时也会增大摩擦力。当荷载施加在土样上时，土样先开裂，而在裂缝处聚丙烯纤维受拉，但是由于纤维长度与摩擦力的作用下，裂缝的发展会减弱，土体并不会急速断裂，从而改良土体的脆性破坏。聚丙烯纤维应用于土体改良方面取得了较多的成果。主要集中在聚丙烯纤维掺量对改善土体力学强度方面的影响。Estabragh A R 等11研究聚丙烯纤维加筋改良水泥土的抗拉强度发现，拉伸强度随纤维含量与水泥含量的增多而升高。纤维主要起到增韧的效果。胡成等12通过研究粗细聚丙烯纤维改良水泥土的 7 d 无侧限抗压强度发现，无纤维的水泥改良土表现出明显的脆性破坏，粗细纤维的联合使用对于脆性破坏改善的效果更佳。Tang C 等13研究了聚丙烯纤维改良黏性土的力学影响，聚丙烯纤维使土体由脆性破坏转变成韧性破坏，抗压强度峰值后的强度损失较低。此外，聚丙烯纤维还会造成土的黏聚力和内摩擦角产生变化。Abdi M R 等14采用掺量 0.1%的聚丙烯纤维改良黏性土三轴试验中发现，黏聚力提升了 150%，内摩擦角降低了 55%，纤维整体上还是提升了抗剪强度。这主要是由于胶凝材料和纤维加筋共同作用的结果。赵安平等15在水泥改良土中掺入 1%的聚丙烯纤维研究对抗冻性的影响，试验表明，即使经历多次冻融循环，黏聚力和内摩擦角变化幅度均较小，说明聚丙烯纤维明显改善了土体的抗冻性。2.2玄武岩纤维玄武岩纤维（Basalt Fiber），一种非晶态无机纤维16，扫描电镜下为光滑的圆柱形实体（见图 3），抗拉强度可达 4 000 MPa 以上。主要成分是 SiO2和Al2O3。所以，它与水泥等无机原料具有良好的相容性17。玄武岩纤维会对抗剪强度及其参数产生积极影响。Ayothiraman R 等18与陈锋等19研究证明了玄武岩纤维的掺入在一定程度上可提升塑性变形能力，玄武岩纤维能够使破坏行为从脆性转变为韧性，抗剪强度提升 17%。李飞20探求不同纤维掺量对黏性土的改良效果，玄武岩纤维能提升黏性土的黏聚力，Gao L 等21通过扫描电镜（SEM）等手段进而分析玄武岩纤维改良黏性土的机理，观察到玄武岩纤维可更好的发挥出“残余”特性，即玄武岩纤维不仅提升了土体的破坏断裂强度，而且具有更好的残余强度。牛巍崴22在试验中也获得了与 Gao L 相似的结论。3结论与展望1）聚丙烯纤维与玄武岩纤维改良路基土的作用机理极为相似，即通过纤维与土颗粒的摩擦作用抑制土颗粒的滑动，已达到加固和增强土体的目的。纤维对土体的改良受到纤维长度、表面预处理等影响。有必要建立这些因素对于抗剪强度影响的对应关系。2）纤维改良路基土是一种多相复合材料，除了研究改良土体的孔隙与生成水化产物之外，纤维与水泥基体接触构成的界面是具有一定厚度的界面层，运用扫描电镜观察微观形貌及结构形态，研究界面层性质，界面结合，应力的传递行为从而获得高性能复合材料。3）混掺纤维改良土体比单掺一种纤维更有优势，将成为今后研究的重点。参考文献1 中国公路学报 编辑部.中国路基工程学术研究综述 2021J.中国公路学报，2021，34（3）：1-49.2史卫国，阮高，陈风光，等.水泥在改良黏性土路基中的应用研究J.铁道建筑，2012（2）：53-55.3Elkady T Y.The effect of curing conditions on the unconfinedcompression strength of lime treated expansive soils J.Road Materialsand Pavement Design，2016，17（1）：52-69.4Talukdar D K.A study of correlation between California Bearing北方建筑第8卷8NORTHERN ARCHITECTURE改良土土与工程建筑物直接相关的工程地质性质，主要为透水性和力学性能（可压缩性和抗破坏性），而它们则取决于土的物质成分和结构特点。因此，土质改良实质上是通过改变土的成分和结构，达到改善性质的目的。改良土分为物理改良土和化学改良土，物理改良是通过掺入碎石等，改变其粒径大小的改良；化学改良是通过掺入石灰、水泥、粉煤灰等固化剂材料以提高工程性能的土体。土质根据对土体处理的方式，可将人工土质改良方法概括为 4 类：机械致密；排水；掺加材料；冻结。各种土质改良方法的效果，适用范围及成本和技术条件等方面各不相同，应根据工程建设的要求、土的类型、场地的水文地质条件（对灌注法、冻结法尤其重要），以及技术可能性和经济合理性进行选择。（有修改）来源：百度百科Ratio value with other properties of soil J.International Journal ofEmerging Technology and Advanced Engineering，2014，4（1）：559-562.5Wang W，Zhang C，Guo J，et al.Investigation on the triaxialmechanical characteristics of cement treated subgrade soil admixed withpolypropylene fiberJ.Applied 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