纖維和納米材料改良花崗巖殘積土的力學(xué)試驗(yàn)及機(jī)理研究

王志兵， 劉金明， 顧 翔

(1.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院， 廣西 桂林 541004； 2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004； 3.西南有色昆明勘測設(shè)計(jì)(院) 股份有限公司， 云南 昆明 650217)

1 研究背景

在中國南方一些省份廣泛分布著花崗巖殘積土，其為花崗巖在經(jīng)歷長時(shí)間的物理、化學(xué)風(fēng)化作用后殘留的特殊土體，常常用于公路和高速鐵路建設(shè)項(xiàng)目的填料或各類堤壩邊坡等。然而，花崗巖殘積土是具有高液性、結(jié)構(gòu)性、遇水軟化、易崩解性等特性的區(qū)域性特殊土[1]，在降雨和外力的作用下常常會(huì)導(dǎo)致其填筑的路基變形、塌陷，或邊坡破壞甚至形成災(zāi)難性滑坡，因此，使用花崗巖殘積土作為建筑材料需要進(jìn)行特別處理來改善其性能(滲透性、強(qiáng)度、模量等)以滿足工程需要，常用的土體處理方式包括物理壓實(shí)(使土體變得致密)和土壤添加劑(穩(wěn)定土體，改善其工程性能)。而花崗巖殘積土的天然含水率一般情況下均大于其最佳含水率，施工時(shí)若不進(jìn)行晾曬，天然條件下花崗巖殘積土的物理壓實(shí)將變得更困難，甚至不能保證其施工質(zhì)量，因此使用土壤添加劑來改善其工程性能是一種有效手段。有許多學(xué)者對粉煤灰、石灰、水泥、煤矸石粉等傳統(tǒng)土壤添加劑改良土體進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)土壤添加劑與土顆粒發(fā)生水化反應(yīng)后產(chǎn)生的凝膠物質(zhì)可以有效改善土體強(qiáng)度、壓縮性和崩解性，使土體最佳含水率發(fā)生變化，還有研究表明混合使用傳統(tǒng)土壤添加劑改良土體可以進(jìn)一步改善土體性能[2-9]。在使用傳統(tǒng)土壤添加劑改良土體時(shí)，會(huì)改變土體pH值從而影響植被生長[10-11]，因此為符合可持續(xù)發(fā)展的理念，采用高性能、環(huán)保、廉價(jià)材料作為土體改良劑是非常有必要的。

近年來，人工合成纖維和納米材料這兩類新型土壤添加劑在巖土加固方面表現(xiàn)出了優(yōu)勢，引起了眾多學(xué)者的關(guān)注和進(jìn)一步研究。人工合成類纖維用于土體改良具有生物降解速度慢、強(qiáng)度可靠、成本低等優(yōu)點(diǎn)。用于土體加固的人工合成纖維的種類有玻璃纖維[12-13]、聚丙烯纖維[14-15]、玄武巖纖維[16-17]等，能加固砂土、黏土、黃土，甚至砂漿等工程材料，被加固土體的一些工程性質(zhì)均有相應(yīng)的改善，并具有隨摻量變化的巖土體力學(xué)性質(zhì)和最優(yōu)纖維摻量等規(guī)律，其加固機(jī)理常常以纖維的加筋機(jī)理[18-19]來解釋。另一類土壤添加劑納米材料常常具有較小的顆粒尺寸和較高的表面活性，使用其改良土體后，土體能夠表現(xiàn)出更優(yōu)的力學(xué)性能[20]。常用的納米材料包括納米二氧化硅[21-22]、納米氧化鋁[23]、納米硅酸鈉[24-25]、納米碳酸鈣粉[26]等，對改善粉土、軟土、砂土的物理力學(xué)性質(zhì)具有良好的效果，改良機(jī)理主要是因?yàn)榧{米材料能在顆粒粒徑尺度上與巖土體顆粒產(chǎn)生相互作用。此外，使用纖維和納米材料復(fù)合[27-28]改良土的性質(zhì)也逐漸被關(guān)注，其復(fù)合改良機(jī)理仍需要進(jìn)一步研究。

上述研究成果表明，不同的土壤添加劑對土體的影響是有差異的，其中針對纖維和納米材料混合改良土性質(zhì)的研究較少，需進(jìn)一步探討其作用效果和機(jī)理。本文選取玄武巖纖維和納米氧化鐵作為加固材料，對廣西壯族自治區(qū)玉林市某地的花崗巖殘積土進(jìn)行改良試驗(yàn)，控制纖維和納米材料摻量，開展固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)和掃描電鏡試驗(yàn)，研究玄武巖纖維、納米氧化鐵和玄武巖纖維與納米氧化鐵共同作用對花崗巖殘積土力學(xué)性能的影響，并從微觀結(jié)構(gòu)分析其作用機(jī)理。

2 材料與試驗(yàn)方法

2.1 花崗巖殘積土的基本性質(zhì)

花崗巖殘積土土樣取自廣西壯族自治區(qū)玉林市容縣某花崗巖殘積土邊坡填料。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[29]測試了其顆粒粒徑分布及基本物理性質(zhì)，分別見圖1和表1。

圖1 花崗巖殘積土土樣顆粒分析曲線

由圖1可知，花崗巖殘積土土樣中粒徑小于0.075 mm的土粒含量超過60%，粒徑在0.075～2 mm之間的土粒含量接近40%，說明花崗巖殘積土粒徑主要分布在砂粒組和細(xì)粒組中。按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG 3430—2020)[29]對土樣進(jìn)行分類，結(jié)合表1中土樣的液限值，容縣花崗巖殘積土屬于含砂低液限粉質(zhì)土。該地區(qū)殘積土中原生礦物主要為石英，次生礦物主要為高嶺石，是花崗巖高度風(fēng)化后的產(chǎn)物[30]。

由表1可知，容縣花崗巖殘積土的最佳含水率為19%，最大干密度為1.65 g/cm3，天然含水率為26.2%，花崗巖殘積土的天然含水率比最佳含水率高7.2%，在施工過程中需要晾曬土體，否則天然土體難以壓實(shí)或需要額外提高壓實(shí)能量，這將不利于花崗巖殘積土在工程中的應(yīng)用[31]。

表1 花崗巖殘積土土樣的基本物理參數(shù)

2.2 玄武巖纖維和納米氧化鐵

本文所采用的短切玄武巖纖維材料采購自山東森泓工程材料有限公司，玄武巖纖維的長度和直徑分別為6 mm和7 μm，有耐酸耐堿、耐壓性好、不易斷裂、抗拉力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有加固土體的潛能，外觀如圖2(a)所示；納米氧化鐵材料采購自寧波極微納新材料科技有限公司，顆粒的平均粒徑為20 nm，且其性質(zhì)較穩(wěn)定，不溶于水，在常溫條件下不易分解，在空氣中呈紅色，外觀如圖2(b)所示。納米氧化鐵的X射線衍射圖譜如圖2(c)所示，由圖2(c)可以看出，納米氧化鐵的衍射峰值與Fe2O3標(biāo)準(zhǔn)卡片所指示峰值的吻合度較高，表明所購的納米氧化鐵材料純度高，無其他雜質(zhì)。

圖2 玄武巖纖維和納米氧化鐵的外觀形態(tài)及納米氧化鐵X射線衍射圖譜

2.3 樣品制備

為了探究玄武巖纖維和納米氧化鐵對花崗巖殘積土剪切特性的影響，采用自然風(fēng)干的花崗巖殘積土過2 mm篩且烘干，用烘干土樣制備含水率為19%和壓實(shí)度為95%(配置土樣的干密度為1.57 g/cm3)的10組試樣，分為以下4種處理：(1)未做處理的對照土樣(素土)；(2)分別加入干土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、0.7%、1.0%、1.5%的玄武巖纖維處理土樣；(3)分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、2%、3%、5%的納米氧化鐵處理土樣；(4)在1%的玄武巖纖維中分別摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%、5%的納米氧化鐵處理土樣。玄武巖纖維為壓制而成的條狀纖維，需先將纖維散布在土中，再不斷地拌合，使纖維均勻分散于土中，最后加入蒸餾水配置最佳含水率的土樣；為使納米氧化鐵能均勻分散在土中，先將納米氧化鐵粉末加入土中不斷攪拌至均勻，再加入蒸餾水配置最佳含水率土樣；素土則只需加蒸餾水配置成目標(biāo)含水率土樣即可，將配置好的土樣裝入密封袋中，再放入保濕缸中保濕24 h后備用。采用靜壓方式制樣，分4層制備高為80 mm，直徑為39.1 mm的三軸試驗(yàn)試樣。將制備好的試樣進(jìn)行抽真空處理并靜置2 h，然后注入蒸餾水，飽和8 h后進(jìn)行三軸試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)方法

采用固結(jié)不排水三軸壓縮試驗(yàn)研究素土和改良土樣的剪切特性，設(shè)置3個(gè)圍壓(100、200、300 kPa)，即每組3個(gè)試樣，以0.08 mm/min的剪切速率進(jìn)行試驗(yàn)，剪切結(jié)束條件為軸向應(yīng)變達(dá)到15%。將剪切完后的試樣用小刀切成邊長為2 cm左右的土塊，再將土塊自然風(fēng)干后進(jìn)行噴金處理，然后用掃描電鏡觀察土塊試樣的微觀結(jié)構(gòu)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 玄武巖纖維對花崗巖殘積土的改良效果

不同圍壓下玄武巖纖維改良花崗巖殘積土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知，應(yīng)力-應(yīng)變曲線為應(yīng)變軟化型，即試樣的應(yīng)力先隨應(yīng)變的增加而增加，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到某一值后，應(yīng)力不再增長；在100、200和300 kPa的圍壓條件下，1.0%的玄武巖纖維改良土試樣的偏應(yīng)力峰值均為最大值。在3個(gè)圍壓下對應(yīng)1.0%摻量試樣的偏應(yīng)力峰值與素土相比分別提升了89%、75%和61%。玄武巖纖維改良土樣的抗剪強(qiáng)度均大于素土試樣，且隨圍壓的增加而增加。

圖3 不同圍壓下玄武巖纖維改良花崗巖殘積土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由玄武巖纖維改良土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得到試樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力隨玄武巖纖維摻量的變化規(guī)律，如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)玄武巖纖維摻量小于1%時(shí)，玄武巖纖維改良土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨玄武巖纖維摻量的增加而增大，且黏聚力的增幅大于內(nèi)摩擦角的增幅；當(dāng)玄武巖纖維摻量超過1%后，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨玄武巖纖維摻量的增加而減小。玄武巖纖維改良土試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角在0.5%～1.0%玄武巖纖維摻量區(qū)間的增速相對最快，且在玄武巖纖維摻量為1.0%時(shí)，試樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角達(dá)到最大值，分別為24.3 kPa和28.3°。與素土相比，其黏聚力增加了605%，內(nèi)摩擦角增加了25%，表明玄武巖纖維改良土試樣抗剪強(qiáng)度的增大主要由黏聚力提供。

3.2 納米氧化鐵對花崗巖殘積土的改良效果

不同圍壓下納米氧化鐵改良花崗巖殘積土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可知，所有納米氧化鐵改良土試樣的應(yīng)力出現(xiàn)峰值后，隨著應(yīng)變的增加，應(yīng)力均出現(xiàn)小幅度下降，下降幅度隨著氧化鐵摻量的增加而減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍屬于應(yīng)變軟化型；納米氧化鐵改良土試樣的偏應(yīng)力峰值均比素土試樣高，且隨納米氧化鐵摻量的增加而增大；在100、200、300 kPa的圍壓條件下，5%摻量納米氧化鐵改良土樣的偏應(yīng)力峰值比素土樣分別提高了35%、31%和22%。

圖4 玄武巖纖維改良花崗巖殘積土試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律

圖5 不同圍壓下納米氧化鐵改良花崗巖殘積土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由納米氧化鐵改良土樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可得到試樣的內(nèi)摩擦角和黏聚力隨納米氧化鐵摻量的變化規(guī)律，如圖6所示。由圖6可知，隨著納米氧化鐵摻量的增加，土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角呈單調(diào)增大的趨勢。在納米氧化鐵摻入量為5%時(shí)，與素土樣相比，其黏聚力增加了318%，內(nèi)摩擦角增加了8.8%，黏聚力的增長比內(nèi)摩擦角要顯著得多。5%摻量的納米氧化鐵改良土樣在改善剪切特性方面與3%摻量的水泥改良土[32]的效果基本相同。

圖6 納米氧化鐵改良花崗巖殘積土試樣黏聚力和內(nèi)摩擦角的變化規(guī)律

3.3 玄武巖纖維和納米氧化鐵復(fù)合作用對花崗巖殘積土的改良效果

1%摻量的玄武巖纖維和不同納米氧化鐵摻量的花崗巖殘積土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖7所示。由圖7可知，復(fù)合改良土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線也屬于應(yīng)變軟化型，最大偏應(yīng)力隨著摻量和圍壓的增加而增大。通過對比可知1%的玄武巖纖維與5%的納米氧化鐵的改良效果最好，在不同圍壓下與1%的玄武巖纖維改良土相比偏應(yīng)力峰值增加了26%、9%、10%，與素土相比增加了138%、92%和77%。將圖7與圖3、5對比可知，復(fù)合改良對提高土體抗剪強(qiáng)度的效果比單摻改良效果更好。

圖7 不同圍壓下1%玄武巖纖維和納米氧化鐵改良花崗巖殘積土試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

復(fù)合改良花崗巖殘積土試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨納米氧化鐵摻量的變化規(guī)律如圖8所示。由圖8可知，隨著納米氧化鐵摻量的增加，土樣的黏聚力單調(diào)增加，即納米氧化鐵摻量越高，土樣黏聚力越大，與對照組(即1%玄武巖纖維改良土)相比，試樣的黏聚力增加了77%。土體內(nèi)摩擦角隨著納米氧化鐵摻量的增加變化很小，與單獨(dú)加入納米氧化鐵的變化規(guī)律類似。這一結(jié)果與文獻(xiàn)[28]得出的纖維和納米材料對提高上海黏土的黏聚力比內(nèi)摩擦角要顯著的結(jié)論相一致。

圖8 復(fù)合改良土試樣抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨納米氧化鐵摻量的變化規(guī)律

3.4 玄武巖纖維和納米氧化鐵改良花崗巖殘積土的機(jī)理分析

為了探究玄武巖纖維與納米氧化鐵對提高花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的作用機(jī)理，分別對花崗巖殘積土的素土樣、1%玄武巖纖維改良土樣、1.5%玄武巖纖維改良土樣及5%納米氧化鐵改良土樣進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察，如圖9所示。

圖9 花崗巖殘積土及其改良土的掃描電鏡照片

由圖9可以看出，花崗巖殘積土素土土樣的土顆粒表面比較光滑(圖9(a))；而經(jīng)過納米氧化鐵改良后的土體顆粒表面有明顯的納米級(jí)大小的顆粒附著物(圖9(b))，這表明納米氧化鐵主要吸附在土顆粒表面，使土顆粒間接觸點(diǎn)變得更多，此過程會(huì)增加顆粒間的靜電引力或土顆粒間接觸點(diǎn)的化學(xué)鍵鍵能[33]，從而提高土樣的黏聚力。此外，納米氧化鐵還能起到填充土體孔隙的作用，使土顆粒表面變得更粗糙，從而增大了改良土的內(nèi)摩擦角。然而，由圖6和8可知納米氧化鐵改良土的內(nèi)摩擦角并沒有得到大幅度改善，可能是因?yàn)榛◢弾r殘積土是花崗巖高度風(fēng)化后的產(chǎn)物，其土體主要以高嶺石為主，納米氧化鐵顆粒不易進(jìn)入高嶺石夾層內(nèi)部，改善效果有限。當(dāng)玄武巖纖維與土充分?jǐn)嚢韬螅w維主要呈分散的單絲狀，并以不同的角度隨機(jī)地、較均勻地分布于土樣中，纖維之間形成連鎖網(wǎng)，能限制土顆粒移動(dòng)的空間(圖9(c))，同時(shí)也能增加土顆粒與纖維的接觸面及其摩擦力，使得纖維與土顆粒之間的相互作用增強(qiáng)，從而在剪切過程中提高了土體抵抗破壞的能力，改善了土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。當(dāng)纖維摻量過多時(shí)，容易形成纖維團(tuán)(圖9(d))，纖維團(tuán)的存在會(huì)使土顆粒之間的有效接觸面減少，反而降低土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

在單摻改良方法中，1%的玄武巖纖維和5%的納米氧化鐵改良花崗巖殘積土試樣的抗剪強(qiáng)度效果最佳，在100、200和300 kPa的圍壓下，改良土的抗剪強(qiáng)度分別增加了74%、53%、45%和34%、18%、18%；在復(fù)合改良土樣中，1%的玄武巖纖維和5%的納米氧化鐵組合改良的效果最佳，不同圍壓下其土樣抗剪強(qiáng)度分別增加了114%、73%和58%。這表明摻入玄武巖纖維和納米氧化鐵均能提升花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度，其中玄武巖纖維改良土樣存在最佳摻量，且兩種材料混合使用時(shí)，改善土體抗剪強(qiáng)度的效果最佳。這是因?yàn)樾鋷r纖維以隨機(jī)的角度分散在土體中，在土體內(nèi)部起到加筋作用；納米氧化鐵吸附在土顆粒表面，增強(qiáng)顆粒間聯(lián)結(jié)，并可以填充到土顆粒之間的大孔隙中，玄武巖纖維和納米氧化鐵共同使用能更顯著提高土體的力學(xué)性能。

4 結(jié) 論

使用玄武巖纖維和納米氧化鐵改良花崗巖殘積土的抗剪強(qiáng)度，通過對改良土進(jìn)行固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)及微觀結(jié)構(gòu)觀測，得到的結(jié)論如下：

(1)單獨(dú)使用玄武巖纖維改良花崗巖殘積土，土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨著玄武巖纖維的摻量呈先增大后減小的趨勢，即存在一個(gè)最佳的玄武巖纖維摻量值(1%)，此時(shí)改良土的黏聚力和內(nèi)摩擦角分別為24.3 kPa和28.3°，相對于素土樣分別增加了605%和25%。

(2)單獨(dú)使用納米氧化鐵改善花崗巖殘積土，土樣的黏聚力和內(nèi)摩擦角隨納米氧化鐵摻量呈單調(diào)增加趨勢，氧化鐵摻量越高(5%)，改良效果越好。與素土樣相比，5%納米氧化鐵改良土樣的黏聚力增加了318%，內(nèi)摩擦角增加了8.8%。

(3)使用玄武巖纖維和納米氧化鐵復(fù)合改良花崗巖殘積土?xí)r，其改善效果比單獨(dú)改良的效果好，1%的玄武巖纖維和5%的納米氧化鐵的復(fù)合改良效果最佳，與素土樣相比，不同圍壓下抗剪強(qiáng)度分別提升了114%、73%和58%。

(4)玄武巖纖維改良花崗巖殘積土的作用機(jī)理是適當(dāng)摻量的玄武巖纖維能以不同的角度均勻分散在土中，形成互鎖網(wǎng)，通過加筋作用增強(qiáng)土顆粒之間的相互作用來提高土體抗剪強(qiáng)度；納米氧化鐵改良花崗巖殘積土的作用機(jī)理是納米氧化鐵增加了顆粒間的靜電引力或土顆粒間接觸點(diǎn)的化學(xué)鍵鍵能，并填充了土體中的大孔隙，從而提高了土體的抗剪強(qiáng)度。玄武巖纖維與納米氧化鐵復(fù)合改良則同時(shí)存在上述效應(yīng)，改良效果更佳。此外，玄武巖纖維和納米氧化鐵對花崗巖殘積土黏聚力的改善效果比內(nèi)摩擦角要明顯得多，黏聚力的增強(qiáng)是改良土樣抗剪強(qiáng)度提升的主要原因。