二次纤维水泥土力学特性研究

张明飞 王立娜 徐永浩 饶碧玉 熊凯 郭延辉

摘 要：為弥补水泥土材料受压破坏后承载能力迅速衰减的缺陷，借鉴纤维改善水泥基材料性能的方法，以废纸降解获得二次纤维制成的二次纤维水泥土为研究对象，通过无侧限抗压试验分析其抗压强度、变形特征和破坏形态，提出考虑纤维掺量的应力-应变关系，探索水泥土改良新措施及废纸资源利用新途径。结果表明，1）养护28 d时，同样产生1.42%应变时，水泥土强度下降39%，而掺量为2%的二次纤维水泥土强度下降仅为27%，掺入2%二次纤维不仅可以提高水泥土强度0.42%，也可使水泥土达到峰值应力时产生的应变延后1.82%;2）纤维掺量存在一个阈值，当掺量高于阈值时纤维水泥土强度随养护时间的增加而降低，当掺量低于阈值时变化规律则相反;3）掺入2%和4%的二次纤维使水泥土由中部劈裂破坏转变为土体典型的剪切破坏，破坏时保留了水泥土产生裂纹较少，无明显挤压变形等优点。添加二次纤维可以在保持强度的同时减少水泥土工程缺陷，研究结果丰富了纤维水泥土理论，可为水泥土工程应用及基础研究提供参考。

关键词：复合建筑材料;二次纤维;水泥土;无侧限抗压;破坏形式;应力-应变关系

中图分类号：TU46 文献标识码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx04002

文章编号：1008-1534（2020）04-0218-07

Abstract：In order to remedy the rapid decline of bearing capacity of cement-soil materials after compression failure， learning from the method for improving the properties of cement-based materials by fiber， the secondary fiber cement soil made from waste paper degradation was taken as the research object. Through unconfined compression test， the compressive strength， deformation characteristic and failure mode were analyzed， and the stress-strain relationship considering fiber content was proposed to explore new measures for improvement of cement-soil and new ways for utilization of waste paper resources. The results show that： 1） After 28 days of curing， both two kinds of cement-soil produce the strain of 1.42%， the strength of cement-soil decreases 39%， while the strength of cement-soil with 2% fiber decreases 27%， and the strength of cement-soil with 2% secondary fiber can be increased by 0.42% and the strain， produced when the peak stress is reached， can be delayed by 1.82%. 2） There is a threshold value for fiber content. When the content is higher than the threshold value， the strength of fiber cement-soil decreases with the increase of curing time， while when the content is lower than the threshold value， the change rule is opposite. 3） Adding 2% and 4% of secondary fiber makes the cement-soil change from the middle split failure to the typical shear failure of the soil， which retains the advantages of less cracks and no obvious extrusion deformation. Adding secondary fiber can not only maintain the strength but also improve the defects of cement-soil engineering. The research content enriches the theory of fiber cement-soil and provides reference for the application and basic research of cement-soil engineering.

Keywords：composite building materials; secondary fiber; cement-soil; unconfined compression; failure form; stress strain relationship

水泥土广泛应用于水利工程、建筑工程、道路运输等领域[1-3]。然而在压力作用下水泥土自身易呈脆性破坏，对塑性指数较高的黏土、有机土等土体的固化效果不明显，导致材料破坏后承载能力迅速衰减，这些都限制了对水泥土的进一步应用[4]。另一方面中国是纸张制造及消耗大国，仅2017年纸及纸板的生产量就达到了 11 130 万t，与此同时消耗量达到了10 897万t[5]，但废纸回收利用率却在50%以下，不及日本、韩国、泰国等国家，造成了一定的资源浪费，加大力度开发利用废纸资源势在必行。

借鉴纤维改善混凝土等水泥基材料性能的方法[6-9]，可将废纸降解获得的二次纤维作为添加剂用于弥补水泥土的缺陷，探究提高水泥土性能及废纸资源有效利用的新方法。吴亚明[4]通过无侧限抗压强度试验对二次纤维水泥土强度进行研究，发现虽然养护7 d和14 d时纤维水泥土强度随纤维掺量增加而减少，但在养护28 d时添加1%和3%的二次纤维可以对普通水泥土强度提高10%和8%，同时1%～5%的二次纤维皆对水泥土的韧性起到增益作用。张璐等[10]通过氢氧化钠溶液制备废纸浆，将其加入到脱硫石膏中，试验发现虽然加入废纸浆后石膏的抗压强度逐渐降低，但可以有效提高抗折强度，随掺入废纸量增加，石膏的压折比不断减小。COUTTS[11]对比了木质纤维水泥基材料与二次纤维水泥基材料的性能，发现两者的密度和吸水性接近，前者的弯曲强度和断裂韧性较后者大，但是废纸的价格仅是木质纤维价格的15%～25%，在同时满足强度和韧性的要求下二次纤维更具有价格优势。ASHORI等[12]利用回收的废旧报纸，经处理后与氯化钙共同加入到水泥板中，研究发现掺量为10%的二次纤维将水泥板的断裂强度提高11.7%～44%，將水泥板弹性模量提高了2.9～3.3倍，但当纤维掺量增加到15%和20%时虽然能对水泥板弹性模量小幅提高，但断裂强度却降低了10.34%～31.03%和51.72%～55.17%。一定掺量范围内的二次纤维可以提高水泥基材料的强度，并且对材料韧性及弹性模量有所增益，同时二次纤维相对与其他添加剂更具有经济性和环保性。

笔者通过无侧限抗压试验研究不同掺量二次纤维水泥土在养护7，14，28 d时的抗压强度、变形特性及破坏形态，提出一种考虑二次纤维掺量的数学模型描述其应力-应变关系。

1 试 验

1.1 试验材料及试件制备

试验所需土样取自昆明市盘龙区内的红黏土，经试验测得其风干含水率为2%。选用C32.5矿渣硅酸盐水泥作为胶结材料，二次纤维是由普通办公废弃纸张经碎纸机（见图1）处理后，泡水降解（见图2），再经过搅拌、晾晒获得，如图3所示。

在制作试件过程中发现，试样含水率较低时，制作试件土样很难成型，因此设定土体目标含水率为38%，水泥的掺量为15%，二次纤维掺量分别为2%，4%，6%，水泥及纤维掺量计算公式见式（1）。

参考吴亚明[4]的试验方法和《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999），将土样风干过筛，并将称量好的土样与水泥均匀搅拌，加入纤维并进行第1次加水搅拌至纤维均匀的分散在混合料中，再将剩余水倒入混合料中搅拌至混合料中无呈干粉状的颗粒结束。以PVC管为模具控制试件成型尺寸为直径50 mm高度100 mm。试件制作完毕静置24 h后脱膜，脱膜后将试件密封放入标准混凝土养护室进行养护，直至试验设计养护龄期取出，进行无侧限抗压试验。

1.2 试验方案

采用电子万能试验机进行无侧限抗压试验，设定加载速率为2 mm/min，直至试样出现破坏或轴向应变达到20%时停止加载。试验前用砂纸进行打磨并涂抹凡士林，每组试验测试不少于3个试样，试验分组如表1所示。

2 无侧限抗压强度

2.1 不同养护龄期下二次纤维水泥土无侧限抗压强度

取3个平行试件强度结果平均值作图，各组试件无侧限抗压强度与养护时间关系见图4。

素土试件与水泥土试件养护28 d时强度分别是养护7 d时的1.51倍和1.36倍，表明随养护龄期的增加土颗粒和水泥材料都对试件的无侧限抗压强度有增益效果。观察3组二次纤维水泥土强度随养护时间的变化规律可以发现：纤维掺量为2%时试件从养护7 d增加到 28 d 后强度提高了47.3%;纤维掺量为4%时试件从养护7 d增加到28 d后强度仅变化5.2%;纤维掺量为6%时试件从养护7 d增加到28 d后强度减少32.5%;其中纤维掺量为4%时试件强度随养护时间变化较小。对比各组水泥土早期强度（7 d）添加6%二次纤维掺量可以对水泥土强度提升10.83%;养护28 d时二次纤维掺量为2%的试件强度在所有试件表现出来的强度范围内最高。试验结果与吴亚明[4]的结果类似，即在养护28 d情况下加入1%和3%二次纤维皆对水泥土强度有所提高，而加5%的二次纤维后强度较普通水泥土强度有所降低，具体强度提升不同是由于所用土体及水泥类型不同导致。

2.2 不同纤维掺量下二次纤维水泥土无侧限抗压强度

无侧限抗压强度与纤维掺量的关系如图5所示。

养护28 d时水泥土中加入2%二次纤维可以提高0.42%的强度，但随纤维掺量增加，强度呈减少的趋势;养护7 d和14 d时试件强度均随纤维掺量的增加呈先减小后增大的趋势;纤维掺量为4%时，水泥土试件强度最低，并且自此开始同样纤维掺量下试件强度不再随养护时间延长而增大。养护7 d时加入6%二次纤维可以提高水泥土10.83%的强度，但随养护龄期的增加强度减少，这主要是因为试件成型初期二次纤维与土颗粒和水泥形成完整的受力骨架，随着养护龄期增加二次纤维在碱性环境下受到侵蚀极易分解因此骨架将受到影响，当二次纤维掺量较大时，这种影响较为显著，对土体强度的影响程度超过水泥水化带来的增益，因此加入6%的二次纤维后，纤维水泥土表现出强度逐渐降低的趋势。

3 破坏形态及变形

3.1 破坏形态

郭尧顺[13]研究发现水泥土在单轴受压状态下会出现单剪切带脆性破坏形、双剪切带脆性破坏形及挤压剪切破坏形情况。张振等[14]研究发现路堤下水泥土桩受压破坏时，芯桩端部出现挤胀，桩身未出现错位现象。

图6为本试验养护28 d时素土、水泥土和二次纤维水泥土受压破坏的形态，A组素土出现典型剪切破坏且下部出现挤压变形，在加载初始阶段整体产生明显变形，到达应力峰值前下部出现挤压鼓胀并产生裂纹，随加载进行中部产生裂纹，达到峰值应力后裂纹发展贯通，部分颗粒脱落，表面酥松。B组水泥土破坏形式为中部劈裂，当应力达到峰值时，水泥土出现细微声响，出现竖向裂纹并迅速发展，应力下降迅速，破坏后整体并未出现明显压缩变形，产生裂纹数量较少，表面完整度高。

二次纤维水泥土皆为剪切破坏，加载过程中C组水泥土未出现挤压鼓胀现象，而D组和E组分别出现上部和下部的挤压鼓胀。C组和D组水泥土的初始裂纹多发生在到达峰值应力前很短时间内，达到峰值应力后表面裂缝发展延伸但并未贯通，裂缝宽度较B组小，土体表面相对A组完整，C组裂纹延伸方向接近垂直90°，D组裂纹延伸方向接近斜向45°。E组水泥土在加载初期伴随挤压变形出现裂纹，随加载进行中部裂纹发展迅速，应力达到峰值时，土体表面形成斜向贯穿裂缝，继续加载土体出现错位现象，变形明显，土体表面颗粒剥落，破坏后裂纹宽度大，表面不完整。

3.2 应力-应变曲线

根据强度试验结果和破坏形态，选定养护28 d下B组、C组、D组试件的应力-应变曲线进行分析（选取3个平行試件中无侧限抗压强度接近平均值的试件作图，见图7）。

纤维水泥土与水泥土应力应变曲线都分为4个阶段，压密阶段（OA段），弹性阶段（AB段），塑性上升阶段（BC段），破坏下降阶段（CD段）。纤维水泥土压密阶段较水泥土压密阶段时间长是因为试件内部未水化的水泥、土体颗粒、二次纤维得到压密曲线呈现上凹趋势刚度逐渐增大，而水泥土中不含有二次纤维，所以压密阶段迅速完成进入弹性阶段;进入塑性上升时水泥土软化现象较纤维水泥土明显;表2为应力-应变曲线关键节点试验值，纤维掺量为2%时试件达到峰值应力时的应变为0.99%与水泥土0.97%接近，而纤维掺量为4%时纤维水泥土达到峰值应力时产生的应变1.45%较水泥土增长明显;当水泥土应力-应变曲线结束时，水泥土产生了1.42%的应变，强度下降39%，而掺量为2%二次纤维水泥土产生1.42%的应变时强度仅下降27%。

4 应力-应变关系模型

近年来许多学者尝试将混凝土的本构模型引入到水泥土及其复合材料当中[15-16]，但周海龙等[17]研究发现水泥土应力-应变曲线上升段由于土体受压时存在压密阶段曲线呈倒“S”型，用混凝土本构模型上升段描述水泥土的应力-应变曲线会出现偏差，并且二次纤维水泥土中纤维掺量越多曲线呈倒“S”现象越明显，笔者采用周海龙等[17]提出的水泥土本构模型（分为上升段和下降段）描述二次纤维水泥土的应力-应变关系，如式（2）和式（3）所示。

表3表明模型可以较好的描述B组，C组和D组应力-应变关系，但由于模型上升段参数较多，要对模型进行简化。由前文分析可知水泥土、掺量为2%和4%的二次纤维水泥土的应力-应变曲线都可以分为4个阶段且曲线形状相似，可以将B组、C组、D组的应力-应变曲线关系进行归一化处理见式（4）。

表3显示使用周海龙等[17]模型拟合3组水泥土试件得到a和b参数值与纤维掺量呈抛物线关系，c和n参数值与纤维掺量呈线性关系和指数关系，分别采用二次多项式、线性函数和指数函数将a，b和c，n与纤维掺量建立联系，得到的关系式见式（6）-式（9）。

将式（6）、式（7）和式（8）、式（9）分别代入式（5）和式（3）中得到二次纤维掺量在0～4%范围内考虑二次纤维掺量的水泥土应力-应变关系模型，见式（10）和式（11）。

5 结 语

试验结果表明，水泥土中加入2%的二次纤维可以略微提升养护28 d的水泥土材料强度，同时能有效弥补水泥土破坏后承载能力迅速衰减的缺陷，因此，可以将添加二次纤维作为降低水泥土缺陷的一种手段。

1）养护28 d时，掺入2%的二次纤维可以使水泥土强度提高0.42%;纤维掺量存在一个阈值，当掺量高于阈值时，二次纤维水泥土抗压强度随养护时间的增加呈减少趋势，当掺量低于阈值时二次纤维水泥土抗压强度随时间的增加呈增大趋势。

2）二次纤维水泥土的应力-应变曲线分为4个阶段，加入2%和4%的二次纤维可以使水泥土达到峰值应力时产生的应变延后1.82%和49.05%。当水泥土产生1.42%的应变时强度较峰值应力下降了39%，而掺量为2%的二次纤维水泥土在产生同样应变时强度仅下降27%。

3）掺量为2%和4%的二次纤维水泥土破坏时保留了水泥土破坏后产生裂纹较少，完整度高，未产生明显挤压变形，同时由水泥土中部劈裂破坏转变为土体典型的剪切破坏。

4）二次纤维水泥的力学特性受纤维掺量和养护龄期的共同作用，养护28 d后掺量为2%的二次纤维水泥土力学性能最优。

5）试验结果表明养护龄期对不同掺量二次纤维水泥土性能的影响规律不同，初步分析原因是随养护龄期的增长二次纤维在水泥土内部发生分解导致水泥土力学性能发生改变，目前尚未系统开展养护龄期对水泥土力性能影响的机理研究。

在将来的研究中，可借助扫描电镜和原子力显微镜对不同养护龄期下不同纤维掺量的水泥土内部孔隙结构和二次纤维赋存状态进行研究，选取合适的状态变量建立养护龄期与微观状态、微观状态与宏观力学的关系模型。

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