廢棄纖維改良水泥固化土力學特性及破壞模式研究

仇安兵

（北京科技大學，北京 100083）

0 引言

纖維改良水泥固化砂土是由纖維、砂土、水泥、水按比例配制，經(jīng)壓實、養(yǎng)護形成的一種拌和物。因其解決了水泥固化砂土強度低、脆性大的問題，被廣泛地應用在軟土地基處理、邊坡加固和基坑防滲等重要巖土工程中[1-3]。纖維作為纖維加筋水泥固化砂土的增強單元，對其力學性質(zhì)具有重要影響。目前，在工程中應用的纖維主要包括聚丙烯纖維和玄武巖纖維[4-8]，雖取得了較好的改良效果，但增加了工程成本。另外，聚丙纖維作為一種化學纖維，其生產(chǎn)必然伴隨一定的環(huán)境污染和原材料的浪費[9]。因此開展水泥固化砂土的低成本、無害化改良的研究具有重要意義。

無害化改良的本質(zhì)是通過生活中產(chǎn)生的廢棄材料代替現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)的纖維材料，其目的是既實現(xiàn)土體改良，又實現(xiàn)廢物回收利用。目前，關于土體無害化改良已有相關研究。Consol 等[10]使用廢棄塑料瓶制備的塑料碎片對水泥固化砂土進行改良，基于三軸壓縮試驗，研究塑料碎片含量、尺寸、水泥含量對水泥固化砂土變形特性和強度特性的影響。Chen 等[11]利用廢棄聚丙烯纖維袋制備的纖維塊體對水泥固化砂土進行改良，得到了纖維含量、纖維長度、養(yǎng)護齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響。Foose 和Hataf[12-13]使用廢棄輪胎碎片對砂土進行改良。Foose 基于直接剪切試驗結(jié)果，指出輪胎碎片含量、砂土初始密度和正應力是影響抗剪強度的關鍵因素。Hataf 基于CBR 試驗結(jié)果，指出在最優(yōu)含量和最優(yōu)長度下，承載力達到峰值。Cao 等[14]利用廢棄衣物制備的棉纖維塊體和化學纖維塊體對黏土進行改良?；诃h(huán)刀貫入試驗結(jié)果、加州承載比試驗結(jié)果和直接剪切試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)廢棄衣物制備的棉纖維塊體和化學纖維塊體均可明顯提高黏土的抗剪強度和承載力，化學纖維改良效果優(yōu)于棉纖維。Mirzababaei[15]利用廢棄地毯制備纖維對黏土進行改良，通過開展無側(cè)限抗壓強度試驗，研究纖維對黏土力學特性的影響。研究結(jié)果表明，廢棄地毯制備的纖維可明顯提高黏土的無側(cè)限抗壓強度、降低峰后強度的衰減速度，增大黏土的延性。Estabragh[16]使用尼龍纖維對水泥固化黏土進行改良，研究纖維含量、水泥含量、養(yǎng)護齡期對無側(cè)線抗壓強度的影響。周靜海等[17-19]采用壓汞試驗及快速碳化試驗等方法，探討了廢棄纖維再生混凝土的孔結(jié)構、碳化性能的分形特征以及兩者之間的關系以及廢棄纖維再生混凝土框架中柱節(jié)點抗震性能試驗研究。結(jié)果表明，廢棄纖維再生混凝土孔結(jié)構具有顯著的分形特征，廢棄纖維的加入可阻止結(jié)構中有害孔的形成,改善廢棄纖維再生混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構；纖維的加入可以提高再生混凝土的碳化性能，碳化邊界輪廓線的分形維數(shù)越小，對應的碳化深度越大；廢棄纖維再生混凝土的碳化深度與孔隙體積分形維數(shù)之間存在相關性。

通過對已有文獻的統(tǒng)計及分析可以得到，廢棄材料用于土體改良是可行的。廢棄材料的含量和尺寸對廢棄材料的改良效果具有重要影響，在評價改良效果時，改良前后土體的破壞模式是關鍵評價指標。由Cao 等[14]研究可知，廢棄紡織品原料來源廣泛，具有較高的抗拉強度和較好的抗變形能力，將其應用在土體無害化改良中是十分合適的。但目前關于廢棄紡織品改良土體的研究鮮有報道，關于廢棄紡織品改良水泥固化砂土的研究尚屬空白。此外，已有研究成果只說明纖維可改變水泥固化砂土的破壞模式，尚未說明如何準確區(qū)分不同初始條件下的纖維改良水泥固化砂土破壞模式，也未說明如何定性、定量評價不同初始條件下的纖維改良水泥固化砂土由脆性破壞向延性破壞的轉(zhuǎn)變程度。

本研究利用廢棄服裝制備的滌綸纖維對水泥固化砂土進行改良。通過開展無側(cè)限抗壓強度試驗，研究纖維含量和纖維長度對水泥固化砂土無側(cè)限抗壓強度、峰值應變、殘余強度、殘余應變的影響。利用試樣的宏觀破壞形貌和脆性指數(shù)，從定性和定量兩個角度研究纖維含量、纖維長度影響下水泥固化砂土破壞模式和破壞模式間的轉(zhuǎn)變規(guī)律。既實現(xiàn)水泥固化砂土的無害化改良，又為廢棄紡織纖維的回收利用和纖維改良土的破壞模式分析提供科學方法。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用砂土取自北京市延慶區(qū)某綜合管廊施工現(xiàn)場。根據(jù)ASTM1998[20]標準，測試砂土基本物理指標。采用X 射線熒光分析技術分析砂土組成。砂土顆粒分布曲線如圖1所示，基本物理指標如表1所示，砂土組分如表2所示。

表1 砂土基本物理指標

表2 砂土基本組分

圖1 砂土級配曲線圖

由ASTM C150[21]判定試驗用水泥為2 號硅酸鹽水泥，其主要成分包括：3CaO·SiO2，2CaO·SiO2，3CaO·Al2O3和4CaO·Al2O3·Fe2O3[22-23]。由ASTM C 187[24],測得水泥的相對重度為3.08，水灰質(zhì)量比0.485。參照ASTM C 109-08 和ASTM C 190-85[25-26]，測得該水泥7 d 抗壓強度19.2 MPa，抗拉強度1.6 MPa，28 d 抗壓強度42.5 MPa，抗拉強度2.22 MPa。

由于廢棄滌綸纖維紡織品材質(zhì)均勻，具有彈性高和拉力大的優(yōu)點。因此，本研究把由纖維切割機加工得到的廢棄滌綸纖維碎塊作為增強材料。廢棄滌綸纖維的單絲直徑0.75 mm，相對密度1.15，吸水率14.1%，伸長率6.4%。參照ASTM D 2256 和ASTM D 2101[27-28]確定單絲抗拉強度355 MPa，單絲彈性模量2250 MPa。廢棄滌綸纖維如圖2所示。

圖2 廢棄滌綸纖維細觀形貌

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗變量和試樣參數(shù)

本研究中，選取廢棄滌綸纖維含量和纖維長度作為試驗變量。試驗時，纖維含量分別為0.0%、0.5%、1.0%、1.5%，纖維的長度分別為6 mm、9 mm、12 mm。參照Hamidi[29]的研究，確定纖維改良水泥固化砂土的水泥含量為3.0%，含水率為15.2%，壓實度為0.70。試驗變量和試樣參數(shù)如表3所示。

表3 試驗變量和試樣參數(shù)

1.2.2 試樣制備

本研究中試樣直徑為38.1 mm，高度為80 mm。制備試樣前，采用Hamidi 等[29]提出的方法確定砂土質(zhì)量，水泥含量、纖維含量和水質(zhì)量。制備廢棄滌綸纖維加筋水泥固化砂土時，先用攪拌器將一定質(zhì)量的水泥和砂土攪拌均勻，攪拌時間5 min。然后向其中加入定量清水，再使用攪拌器將水泥、砂土、水攪拌均勻，攪拌時間3 min。為確保廢棄滌綸纖維隨機分布在水泥固化砂土中，分五次將廢棄滌綸纖維加入到水泥固化砂土中，每次攪拌2 min。為控制試樣的干密度，分8 次將廢棄滌綸纖維加筋水泥固化砂土填充至直徑39.1 mm、高80 mm 的金屬模具中。每次填充后，用金屬錘錘擊25～30 次，直到試樣高度達到10±0.2 mm。試樣制備完成后，在溫度25±2 ℃、濕度90%以上的條件下，使用混凝土養(yǎng)護箱養(yǎng)護7 d。養(yǎng)護結(jié)束后，在干燥溫度為50 ℃的條件下，使用干燥箱干燥，當試樣質(zhì)量變化小于0.01 g 時，停止干燥。由于干燥溫度(50 ℃)小于滌綸纖維軟化溫度(200～210 ℃)，因此，干燥不會改變廢棄滌綸纖維的物理力學性質(zhì)。廢棄滌綸纖維加筋水泥固化砂土和試驗試樣分別如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖3 廢棄滌綸纖維改良水泥固化砂土和試驗試樣

1.2.3 試驗參數(shù)

本研究中，使用應變控制式全自動單軸試驗儀進行無側(cè)限抗壓強度試驗。參照文獻[30]，確定試驗機的加載速率為0.8 mm/min。由于單次試驗結(jié)果具有偶然性，取3 次試驗結(jié)果的平均值作為最終值。

2 纖維水泥固化砂土力學特性與破壞模式分析

2.1 全應力應變曲線特征

圖4 為水泥固化砂土廢棄滌綸纖維改良水泥固化砂土的全應力應變關系曲線。由圖4 可知，改良前后水泥固化砂土的應力應變曲線均包括四個主要階段，分別是壓密階段、線彈性變形階段、應力快速跌落階段、殘余強度階段。加入廢棄滌綸纖維后，水泥固化砂土的峰值強度和峰值應變明顯增大，峰后應力跌落速率明顯降低，殘余強度和殘余應變顯著提高。廢棄滌綸纖維可明顯改善水泥固化砂土的力學特性，纖維含量和纖維尺寸對改良效果影響顯著。

圖4 纖維含量、纖維長度影響下水泥固化砂土的全應力應變關系曲線圖

2.2 纖維含量、長度影響下纖維改良水泥固化砂土強度參數(shù)變化規(guī)律

2.2.1 纖維含量影響下無側(cè)限抗壓強度和峰值應變變化規(guī)律

圖5 給出纖維含量影響下無側(cè)限抗壓強度和峰值應變變化規(guī)律。由圖5 可知，當水泥含量、壓實度、含水率、養(yǎng)護時間，纖維長度一定時，隨著纖維含量增加，無側(cè)限抗壓強度先增加后減小。當纖維含量為1.0%時，三種纖維長度條件下的無側(cè)限抗壓強度均達到最大值，分別是1190.12 kPa、1282.91 kPa、999.45 kPa，相比于未加筋水泥固化砂土的無側(cè)限抗壓強度830.30 kPa，無側(cè)限抗壓強度增長幅度分別為43.3%、54.5%、19.3%。采用已有研究中判斷最優(yōu)纖維含量的方法，可判定本研究中廢棄滌綸纖維的最優(yōu)含量為1.0%。由圖5 還可以看出，當纖維長度為6 mm 和12 mm 時，隨著纖維含量增加，廢棄滌綸纖維改良水泥固化砂土的峰值應變先增加后減小，在纖維含量為1.0%時，峰值應變分別達到最大值2.0625%和2.8125%，相較于未加筋水泥固化砂土峰值應變1.375%，增長幅度分別為50%和104.5%。當纖維長度為9 mm 時，隨著纖維含量增高，峰值應變無明顯變化。上述現(xiàn)象的原因在于，當纖維含量較小時，適當?shù)卦黾永w維含量可以提高水泥固化砂土中纖維的分布量，增大纖維與水泥固化砂土間的黏結(jié)力和摩擦力，表現(xiàn)為無側(cè)限抗壓強度增大。但當纖維含量超過最優(yōu)含量時，纖維與纖維之間的間距減小，甚至互相接觸，不僅影響纖維與水泥固化砂土的接觸，還在纖維與纖維接觸的界面形成“弱結(jié)合面”，導致纖維和水泥固化砂土間的黏結(jié)力和摩擦力降低，表現(xiàn)為無側(cè)限抗壓強度減小。

圖5 纖維含量影響下無側(cè)限抗壓強度和峰值應變變化規(guī)律

2.2.2 纖維長度影響下無側(cè)限抗壓強度和峰值應變變化規(guī)律

由2.2.1 節(jié)可知，廢棄滌綸纖維的最優(yōu)含量為1.0%。因此，本部分重點分析纖維含量1.0%時纖維長度對廢棄滌綸纖維改良水泥固化砂土的無側(cè)限抗壓強度和峰值應變的影響。由圖6 可知，纖維含量為1.0%時，隨著纖維長度增加，無側(cè)限抗壓強度先增加后減小。當纖維長度為9 mm 時，無側(cè)限抗壓強度達到最大值，當纖維長度為12 mm 時，峰值應變達到最大值2.8125%。采用已有研究中判斷纖維最優(yōu)長度的方法，得到本研究中廢棄滌綸纖維的最優(yōu)長度為9 mm。上述現(xiàn)象的原因如下：當纖維較短時，纖維與水泥固化砂土之間的黏結(jié)力較小，在荷載的作用下，纖維在水泥固化砂土內(nèi)部容易發(fā)生相對滑動，適當增加纖維的長度可以增大纖維與土體之間的黏結(jié)力，從而增強纖維的改良效果。但當纖維的長度過長時，纖維在水泥固化砂土內(nèi)容易發(fā)生折疊和纏繞，纖維折疊會使纖維的“有效受力長度”變短，纖維纏繞會使纖維與水泥固化砂土之間的接觸面積變小，這兩者會導致纖維與水泥固化砂土之間的黏結(jié)力減小，導致無側(cè)限抗壓強度降低[13]。

圖6 纖維長度影響下無側(cè)限抗壓強度和峰值應變變化規(guī)律

2.2.3 殘余強度和殘余應變變化規(guī)律

纖維含量、長度影響下殘余強度和殘余應變變化規(guī)律如圖7所示。由圖7(a)可知，當水泥含量、壓實度、含水率、養(yǎng)護時間、纖維長度一定時，隨著纖維含量增加，殘余強度先增加后減小。由圖7(b)可知，當纖維含量一定時，隨著纖維長度增加，殘余強度也先增加后減小。綜合圖7(a)、7(b)可知，當纖維含量為1.0%、纖維長度為9 mm 時，廢棄滌綸纖維加進水泥固化砂土殘余強度由改良前的69.05 kPa 增長到最大值260.23 kPa，增長幅度為276.9%。水泥固化砂土改良后，殘余應變均有明顯提高，在最優(yōu)纖維含量、最優(yōu)纖維長度條件下，殘余應變由改良前的1.375%增長到4.0%，增長幅度190.9%。

圖7 纖維含量、長度影響下殘余強度和殘余應變變化規(guī)律

2.3 廢棄滌綸纖維影響下水泥固化砂土脆-延轉(zhuǎn)化規(guī)律

2.3.1 脆-延轉(zhuǎn)化定性分析

引入史貴才[31]、王繩祖[32]提出的脆性材料的脆-延性轉(zhuǎn)化評價方法，使用試驗后試樣的破壞形貌對水泥固化砂土的脆-延轉(zhuǎn)化進行定性分析。水泥固化砂土和廢棄滌綸纖維加筋水泥固化砂土試驗后的宏觀破壞形貌分別如圖8(a)、8(b)所示。由圖8(a)可知，未加筋水泥固化砂土試樣破壞后，表面產(chǎn)生縱向貫通、相互獨立的裂隙，具有明顯的脆性破壞特征。由圖8(b)可以看出，廢棄滌綸纖維加筋水泥固化砂土破壞后，表面出現(xiàn)單斜或稀疏的共軛破裂裂紋或稠密的網(wǎng)狀共軛裂紋，具有明顯的半延性、延性破壞特征。在最優(yōu)纖維含量1.0%，最優(yōu)纖維長度9 mm 條件下，試樣破壞后表面共軛裂紋數(shù)量最多，延性破壞特征最明顯，在非最優(yōu)纖維含量、最優(yōu)纖維長度條件下，半延性破壞特征明顯。需要指出的是，采用上述方法評價廢棄滌綸纖維加筋水泥固化砂土的脆-延轉(zhuǎn)化時，若外界擾動改變了試樣的真實破壞形貌，上述方法不再適用。

圖8 水泥固化砂土和廢棄滌綸纖維加筋水泥固化砂土宏觀破壞形貌

2.3.2 脆-延轉(zhuǎn)化定量分析

由2.3.1 節(jié)分析可知，利用試樣的宏觀破壞形貌可定性評價水泥固化砂土的脆-延轉(zhuǎn)化特征，但無法定量評價纖維摻入對水泥固化砂土脆-延轉(zhuǎn)化的影響。引入脆性指標IB，定量評價纖維含量和纖維長度對水泥固化砂土脆-延特性轉(zhuǎn)化的影響。

式中：IB為脆性指標；qmax為無側(cè)限抗壓強度；qres為殘余強度。

纖維含量、纖維長度影響下水泥固化砂土的脆性指標及脆性指標的變化規(guī)律如圖9所示。由圖9(a)和圖9(b)可知，纖維摻入后，水泥固化砂土的脆性指標明顯降低。當纖維長度一定時，隨著纖維含量增加，脆性指標先降低后增加，當纖維含量為1.0%時，脆性指標達到最小值，當纖維含量一定時，隨著纖維長度增加，脆性指標也先降低后增加，當纖維長度為9 mm 時，脆性指標達到最小值。說明在最優(yōu)纖維含量1.0%、最優(yōu)纖維長度9 mm 條件下，廢棄滌綸纖維對水泥固化砂土脆-延轉(zhuǎn)化的影響程度最大。綜合2.3.1 節(jié)可知，脆-延轉(zhuǎn)化定量評價結(jié)果與定性評價結(jié)果一致，說明使用脆性指標IB可以定量評價纖維含量和纖維尺寸對水泥固化砂土脆-延轉(zhuǎn)化的影響程度。此外，由于計算脆性指標時使用試樣無側(cè)限抗壓強度和殘余強度，上述兩參量數(shù)值不受試驗后擾動的影響，因此，解決了定性評價在外界擾動大的條件下失效的問題。

圖9 纖維含量、纖維長度影響下水泥固化砂土的脆性指標統(tǒng)計及脆性指標變化規(guī)律

3 結(jié)論

利用廢棄紡織品制備的滌綸纖維對水泥固化砂土進行改良，試驗研究廢棄滌綸纖維改良水泥固化砂土的無側(cè)限抗壓強度特性和破壞模式，得到以下結(jié)論：

(1)廢棄滌綸纖維可明顯提高水泥固化砂土的無側(cè)限抗壓強度、殘余強度，增大峰值應變和殘余應變，為水泥固化砂土無害化改良及廢棄紡織纖維回收利用提供新方法。

(2)本研究中，廢棄滌綸纖維的最優(yōu)含量1.0%，最優(yōu)纖維長度9 mm。在最優(yōu)纖維含量、最優(yōu)纖維長度條件下，水泥固化砂土的無側(cè)限抗壓強度、峰值應變、殘余強度、殘余應變的增長幅度分別為43.3%、

18.2%、276.9%、190.9%。

(3)水泥固化砂土改良后，其破壞模式由改良前的脆性破壞向半延性、延性破壞轉(zhuǎn)變。宏觀破壞形貌由脆性破壞時縱向貫通相互獨立的裂隙向半延性破壞時單斜或稀疏的共軛破裂裂紋、延性破壞時稠密的網(wǎng)狀共軛裂紋轉(zhuǎn)變。在最優(yōu)纖維含量、最優(yōu)纖維長度條件下，廢棄滌綸纖維改良固化砂土的延性破壞特征明顯；在非最優(yōu)纖維含量、非最優(yōu)纖維長度條件下，半延性破壞特征明顯。

(4)破壞模式轉(zhuǎn)化的定量分析結(jié)果與定性分析結(jié)果吻合。水泥固化砂土由脆性破壞向半延性、延性破壞轉(zhuǎn)變過程中，脆性指數(shù)不斷減小。在最優(yōu)纖維含量、最優(yōu)纖維長度條件下，脆性指數(shù)最小，廢棄滌綸纖維對水泥固化砂土脆-延轉(zhuǎn)化的影響程度最高。

(5)本研究只考慮廢棄滌綸纖維含量、長度對改良效果的影響。為實現(xiàn)廢棄滌綸纖維在實際工程中的應用，未來將深入研究砂土干密度、含水率、水泥含量、養(yǎng)護齡期對改良效果的影響。