二次纖維水泥土力學特性研究

　　摘 要：為彌補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象，通過無側限抗壓試驗分析其抗壓強度、變形特征和破壞形態，提出考慮纖維摻量的應力-應變關系，探索水泥土改良新措施及廢紙資源利用新途徑。結果表明，1)養護28 d時，同樣產生1.42%應變時，水泥土強度下降39%，而摻量為2%的二次纖維水泥土強度下降僅為27%，摻入2%二次纖維不僅可以提高水泥土強度0.42%，也可使水泥土達到峰值應力時產生的應變延后1.82%;2)纖維摻量存在一個閾值，當摻量高于閾值時纖維水泥土強度隨養護時間的增加而降低，當摻量低于閾值時變化規律則相反;3)摻入2%和4%的二次纖維使水泥土由中部劈裂破壞轉變為土體典型的剪切破壞，破壞時保留了水泥土產生裂紋較少，無明顯擠壓變形等優點。添加二次纖維可以在保持強度的同時減少水泥土工程缺陷，研究結果豐富了纖維水泥土理論，可為水泥土工程應用及基礎研究提供參考。

　　關鍵詞：復合建筑材料;二次纖維;水泥土;無側限抗壓;破壞形式;應力-應變關系

　　水泥土廣泛應用于水利工程、建筑工程、道路運輸等領域[1-3]。然而在壓力作用下水泥土自身易呈脆性破壞，對塑性指數較高的黏土、有機土等土體的固化效果不明顯，導致材料破壞后承載能力迅速衰減，這些都限制了對水泥土的進一步應用[4]。另一方面中國是紙張制造及消耗大國，僅2017年紙及紙板的生產量就達到了 11 130 萬t，與此同時消耗量達到了10 897萬t[5]，但廢紙回收利用率卻在50%以下，不及日本、韓國、泰國等國家，造成了一定的資源浪費，加大力度開發利用廢紙資源勢在必行。

　　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]通過無側限抗壓強度試驗對二次纖維水泥土強度進行研究，發現雖然養護7 d和14 d時纖維水泥土強度隨纖維摻量增加而減少，但在養護28 d時添加1%和3%的二次纖維可以對普通水泥土強度提高10%和8%，同時1%～5%的二次纖維皆對水泥土的韌性起到增益作用。張璐等[10]通過氫氧化鈉溶液制備廢紙漿，將其加入到脫硫石膏中，試驗發現雖然加入廢紙漿后石膏的抗壓強度逐漸降低，但可以有效提高抗折強度，隨摻入廢紙量增加，石膏的壓折比不斷減小。COUTTS[11]對比了木質纖維水泥基材料與二次纖維水泥基材料的性能，發現兩者的密度和吸水性接近，前者的彎曲強度和斷裂韌性較后者大，但是廢紙的價格僅是木質纖維價格的15%～25%，在同時滿足強度和韌性的要求下二次纖維更具有價格優勢。ASHORI等[12]利用回收的廢舊報紙，經處理后與氯化鈣共同加入到水泥板中，研究發現摻量為10%的二次纖維將水泥板的斷裂強度提高11.7%～44%，將水泥板彈性模量提高了2.9～3.3倍，但當纖維摻量增加到15%和20%時雖然能對水泥板彈性模量小幅提高，但斷裂強度卻降低了10.34%～31.03%和51.72%～55.17%。一定摻量范圍內的二次纖維可以提高水泥基材料的強度，并且對材料韌性及彈性模量有所增益，同時二次纖維相對與其他添加劑更具有經濟性和環保性。

　　筆者通過無側限抗壓試驗研究不同摻量二次纖維水泥土在養護7，14，28 d時的抗壓強度、變形特性及破壞形態，提出一種考慮二次纖維摻量的數學模型描述其應力-應變關系。

　　1 試 驗

　　1.1 試驗材料及試件制備

　　試驗所需土樣取自昆明市盤龍區內的紅黏土，經試驗測得其風干含水率為2%。選用C32.5礦渣硅酸鹽水泥作為膠結材料，二次纖維是由普通辦公廢棄紙張經碎紙機(見圖1)處理后，泡水降解(見圖2)，再經過攪拌、晾曬獲得，如圖3所示。

　　在制作試件過程中發現，試樣含水率較低時，制作試件土樣很難成型，因此設定土體目標含水率為38%，水泥的摻量為15%，二次纖維摻量分別為2%，4%，6%，水泥及纖維摻量計算公式見式(1)。

　　參考吳亞明[4]的試驗方法和《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)，將土樣風干過篩，并將稱量好的土樣與水泥均勻攪拌，加入纖維并進行第1次加水攪拌至纖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呈干粉狀的顆粒結束。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準混凝土養護室進行養護，直至試驗設計養護齡期取出，進行無側限抗壓試驗。

　　1.2 試驗方案

　　采用電子萬能試驗機進行無側限抗壓試驗，設定加載速率為2 mm/min，直至試樣出現破壞或軸向應變達到20%時停止加載。試驗前用砂紙進行打磨并涂抹凡士林，每組試驗測試不少于3個試樣，試驗分組如表1所示。

　　2 無側限抗壓強度

　　2.1 不同養護齡期下二次纖維水泥土無側限抗壓強度

　　取3個平行試件強度結果平均值作圖，各組試件無側限抗壓強度與養護時間關系見圖4。

　　素土試件與水泥土試件養護28 d時強度分別是養護7 d時的1.51倍和1.36倍，表明隨養護齡期的增加土顆粒和水泥材料都對試件的無側限抗壓強度有增益效果。觀察3組二次纖維水泥土強度隨養護時間的變化規律可以發現：纖維摻量為2%時試件從養護7 d增加到 28 d 后強度提高了47.3%;纖維摻量為4%時試件從養護7 d增加到28 d后強度僅變化5.2%;纖維摻量為6%時試件從養護7 d增加到28 d后強度減少32.5%;其中纖維摻量為4%時試件強度隨養護時間變化較小。對比各組水泥土早期強度(7 d)添加6%二次纖維摻量可以對水泥土強度提升10.83%;養護28 d時二次纖維摻量為2%的試件強度在所有試件表現出來的強度范圍內最高。試驗結果與吳亞明[4]的結果類似，即在養護28 d情況下加入1%和3%二次纖維皆對水泥土強度有所提高，而加5%的二次纖維后強度較普通水泥土強度有所降低，具體強度提升不同是由于所用土體及水泥類型不同導致。

　　2.2 不同纖維摻量下二次纖維水泥土無側限抗壓強度

　　無側限抗壓強度與纖維摻量的關系如圖5所示。

　　養護28 d時水泥土中加入2%二次纖維可以提高0.42%的強度，但隨纖維摻量增加，強度呈減少的趨勢;養護7 d和14 d時試件強度均隨纖維摻量的增加呈先減小后增大的趨勢;纖維摻量為4%時，水泥土試件強度最低，并且自此開始同樣纖維摻量下試件強度不再隨養護時間延長而增大。養護7 d時加入6%二次纖維可以提高水泥土10.83%的強度，但隨養護齡期的增加強度減少，這主要是因為試件成型初期二次纖維與土顆粒和水泥形成完整的受力骨架，隨著養護齡期增加二次纖維在堿性環境下受到侵蝕極易分解因此骨架將受到影響，當二次纖維摻量較大時，這種影響較為顯著，對土體強度的影響程度超過水泥水化帶來的增益，因此加入6%的二次纖維后，纖維水泥土表現出強度逐漸降低的趨勢。

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