纤维加强作用对泡沫轻质土设计性能改善研究*

许江波 王元直 晏长根 包 含 裘友强 张留俊 尹利华 杨晓华

(长安大学公路学院1) 西安 710064) (中交第一公路勘察设计研究院有限公司2) 西安 710065)

0 引 言

泡沫轻质土作为路基填料时通常采用整体浇铸的工艺，因此路基的整体性更好，且材料强度足以承担交通荷载.其强度主要是由水泥硬化产生的，另一方面泡沫轻质土缺陷也十分明显，由于缺乏延性，泡沫轻质土在受力变形过程中呈现的是脆性破坏，在达到极限强度后承载能力急剧下降.加入纤维材料改善其力学特性是行之有效的手段.

苏谦等[1-5]对泡沫轻质土力学特性开展了全面研究，着重研究了湿密度和养护龄期对材料力学性能的影响.在加筋泡沫轻质土方面，主要研究了玻璃纤维和聚丙烯纤维对泡沫轻质土物理力学性能和长期性能的影响.胡汶晗[6]发现掺入纤维和聚合物能显著提高泡沫轻质土的力学性能，同时还具有较好的热绝缘性.小林洋文等[7]发现加入短纤维后泡沫轻质土延性得到了显著改良并且得到了短纤维直径-长度-设计单轴抗压强度之间关系.古河幸雄等[8]在未改变轻质土流值和密度的条件下提高了泡沫轻质土的延性及强度.本文重点开展加筋效应对泡沫轻质土湿重度、流值，以及材料的7 d无侧限抗压强度影响的研究，分析材料性能的变化规律.

1 试验材料选择及配合比设计

试验选取的主要原料包括：水泥、水、泡沫、聚丙烯纤维.材料各项性能均符合文献[9-10]中的规定.试验材料选择见表1.

表1 试验原材料信息表

2 基准配合比选定

2.1 基准配合比设计计算

试验采用设计施工湿密度为600 kg/m3进行配合比设计，配合比设计及计算过程按照文献[10]中的规定进行，计算所得设计配合比见表2，并按照规范中的规定方法进行泡沫轻质土的配合比试验.

表2 泡沫轻质土配合比试配统计表 kg

2.2 基准配合比确定试验

2.2.1流值试验

流值是衡量泡沫轻质土流动性的指标，本次试验采用圆筒法进行测量.将泡沫轻质土流值保证为160～190 mm.试验后测得数据见图1.

图1 泡沫轻质土流值随水灰比变化曲线

由图1可知，泡沫轻质土的流值受水灰比的影响较大.随着水灰比的减小，泡沫轻质土的流值呈现逐渐减小的趋势.随水灰比减小，水泥浆料中水泥所占质量比越来越大，含水量逐渐减小，会造成泡沫轻质土的流动性降低.综合试验数据及实体工程中对泡沫轻质土流值的要求，符合合理流值设计的配合比为1∶1.75～1∶1.85水灰比对应的配合比.

2.2.2湿重度试验

参照规范中的试验方法，对所有配合比试配的材料逐一试验.泡沫轻质土的湿重度要控制在5.5～6.5 kN/m3范围内.试验结果见图2.

图2 泡沫轻质土湿重度随水灰比变化曲线

由图2可知，随着水灰比的变化，泡沫轻质土的湿重度会显著增加.由于泡沫轻质土中水泥的密度远大于水，当材料中水泥所占比例逐渐增多.因此，泡沫轻质土湿重度随着水灰比减小，表现出了明显增长的趋势.综合试验数据及工程实际中对泡沫轻质土湿重度的要求发现，1∶1.65～1∶1.8水灰比对应的配合比，符合合理施工湿重度要求.

2.2.3无侧限抗压强度

试验采用100 mm×100 mm×100 mm标准试模制作试样并进行试验.试验中所有配合比泡沫轻质土对应7 d无侧限抗压强度见图3.

图3 7 d无侧限抗压强度随水灰比变化曲线

由图3可知，随着水灰比的减小，泡沫轻质土的无侧限抗压强度快速增大.水灰比减小，意味着固体材料增多，同时水泥水化产生的强度是材料强度的主要来源，水泥量的增加相当于直接增加了材料内在黏结力，从而显著使其强度显著提升.泡沫轻质土的7 d无侧限抗压强度不宜小于300 kPa.发现当设计水灰比为1∶1.7～1∶1.9时，其对应7 d无侧限抗压强度均符合规范的规定.

通过三项设计性能指标试验，统计所有试验数据后可以发现，水灰比为1∶1.75～1∶1.80时，试验用基本设计配合比所有物理力学性能符合规范要求.后续试验中选用单方泡沫轻质土各类材料配合比为m(水)∶m(水泥)∶m(泡沫)=209.644∶366.877∶23.479.

3 加筋效应对泡沫轻质土使用性能影响研究

由于聚丙烯纤维材料直径是微米级，比表面积较大，有利于与泡沫轻质土的接触，增加反应面积，为水泥水化反应过程中结晶的产生提供附着点.聚丙烯纤维良好的分散性可以均匀地分散在泡沫轻质土中，与泡沫轻质土结合形成整体性良好的复合材料.另一方面纤维表面可以为水泥水化反应过程中产生的各类结晶提供附着点，产生的结晶会直接提高水泥本身强度.本试验通过对不同加筋率条件下，泡沫轻质土的湿重度、流值，以及无侧限抗压强度试验来研究加筋效应对泡沫轻质土的物理力学性能的影响.

3.1 加筋效应对泡沫轻质土的设计性能指标影响研究

本文通过不同加筋率下泡沫轻质土的流值、湿重度和无侧限抗压强度试验，来研究加筋效应对泡沫轻质土的影响效果.试验结果见表3和图4.

表3 不同加筋率条件下泡沫轻质土设计性能指标汇总

图4 流值和湿重度随加筋率变化曲线

通过数据分析可知，加入纤维材料的湿重度略有变化但不明显，这是由于材料中泡沫的形成是以发泡剂的液面张力为基础的，在纤维加入后，纤维会以附着于泡沫表面的形式分散于泡沫轻质土中，纤维与泡沫直接接触，会使得纤维与泡沫接触的表面产生应力集中现象，使泡沫表面张力不均匀，造成部分直接接触纤维的泡沫破裂，这对于泡沫轻质土的成型是不利的.

加筋效应对材料的流动性影响显著，随加筋率的增加显著下降.这是由于聚丙烯纤维与液态的泡沫轻质土接触后会在二者接触面上产生强大的吸附力，在吸附力的作用下，泡沫轻质土会更加紧密的结合在一起而使得材料流动性下降，从而提高了材料的自立性，当然流动性的下降对于某些特殊要求下的施工(如地下空穴填充等)是不利的.

3.2 加筋效应对泡沫轻质土强度的影响

目前纤维间距理论[11]是解释纤维增强泡沫轻质土机理较为合理的理论.这一理论主要源于20世纪70年代纤维混凝土技术的发展与应用.纤维间距理论是由美国学者Romualdi在线弹性断裂力学基础上提出的，认为混凝土破坏是由于其内部先天的微裂纹、微孔洞等初始缺陷在外力作用下产生应力集中造成的.当纤维均匀分布于材料内部时，裂缝会被限制在纤维之间，当裂缝发展至纤维间距长度时必定会在其发展方向上受到纤维的约束.所以纤维间距s直接影响到纤维增强材料的效果.晏长根等[12]探究了筋材的加固作用机理，阐明了加筋作用对黄土强度影响规律.

图5 不同因素随加筋率变化曲线

图6 不同加筋率泡沫轻质土应力-应变曲线

将制作好的加筋泡沫轻质土试样在标准养护条件下养护28 d，再进行无侧限抗压试验，试验步骤与前文配合比设计时提到的试验步骤一致.在试验过程中发现加筋后泡沫轻质土的力学性质发生了明显变化，见图5.图6为不同加筋率泡沫轻质土应力-应变曲线，由图6可知，从加载到破坏对应的应变明显增加.Liu等[13]研究了弹性模量与材料应用效果之间的关系，弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，同时可以表征材料的刚度.随着材料加筋率的提高，加筋泡沫轻质土的弹性模量出现了下降趋势.表明材料的刚度有所下降.在材料有第一次明显破坏后强度发生明显下降，但是在后续加载中材料的强度均出现小幅度的回升，强度回升的程度与材料的加筋率有一定关系，强度回升后会再次出现强度下降的情况，但强度降低并不明显，并会在下降到一定强度后保持不变，材料残余强度也有了明显提高.本文将材料强度降低率定义为

不同加筋率下材料强度降低率见表4.由表4可知，材料强度降低率明显下降.从未加筋的45.24%最小可降低至16.32%.

表4 加筋效应对泡沫轻质土的强度降低率以及弹性模量的影响

试样在受压破坏之后的裂缝情况也与上述规律相吻合.纤维均匀地分布于裂缝中，纤维对已开展的裂缝起到了一定限制作用，并出现了一部分纤维被拔出的现象，见图7.随着加筋率的增加，材料在破坏后裂缝的宽度明显变小，破坏裂缝也由原先的受压变形导致的竖向劈裂逐步变为斜向45°的剪切破坏形成的裂缝，材料也由原先的受压破坏变为剪切变形破坏，见图8.泡沫轻质土主要承担压应力，纤维材料主要承担由于受压变形产生裂缝时出现的横向拉应力.当加筋率超过0.75%之后试样破坏后不再有贯通整个试件的竖向裂缝出现，裂缝逐渐从贯通试件的整体劈裂裂缝逐渐向试件边角转移，试样的整体性逐渐变好，且由于纤维的存在，本应脱落的泡沫轻质土碎块依靠纤维的连接依然保持了良好的整体性.由图7～8可知，泡沫轻质土结构类似于岩石，因此一些岩石力学方法同样适用于泡沫轻质土.国内外很多学者探究了岩土体力学特性，研究了岩体强度特征.Xu等[14-16]的研究对泡沫轻质土物理力学性能研究起到了重要作用.

图7 无侧限抗压试验后试件裂缝细观

图8 无侧限抗压试验结束后不同加筋率裂缝开展情况对比

使用高斯函数对极限强度随加筋率变化曲线进行拟合，R2达到了0.916 98，材料的极限强度与加筋率的相关性极强.极限强度先随加筋率的增加而增大，加筋率达到0.5%时达到最大值，之后随加筋率增加而减小.当加筋率超过0.75%后，加筋效应对材料强度的加强作用有所降低，当加筋率超过1.25%之后，加筋对材料强度将失去加强作用，并可能造成强度的降低.但极限强度对应的应变仍然在增加，说明加筋率大于1.25%时虽然纤维对材料的强度没有贡献，但仍可以极大程度延缓破坏的发生.同时随加筋率增加材料刚度也有明显的下降.通过观察不同加筋率条件下试样的破坏面，发现加筋率低于0.75%时，纤维均匀分散于试样之中，对裂缝的发展起到了很好的限制作用.在已经出现的裂缝上可以明显看到纤维对泡沫轻质土的约束作用，且裂缝处的纤维也是较为均匀分布的.

3.3 加筋泡沫轻质土加固机理分析

文献[11]认为，材料裂纹的产生主要源于水泥材料在硬化过程中产生的天然内部微裂纹.这些微裂纹在荷载作用下要继续扩展，裂缝尖端处的纤维由于与基体的黏结作用，在泡沫轻质土与纤维的黏结界面处会产生剪应力，同时会对裂缝尖端产生了一个反向的应力场，若假设拉应力引起裂缝的端部应力强度因子为kσ，由裂缝端部相邻近的黏结应力产生的反向应力场的应力强度因子为kf，则总的应力强度因子kl就将减小，为

kl=kσ-kf

(1)

从这里可以看出纤维会对裂纹尖端的应力集中起到延缓作用.复合材料的强度由纤维的平均间距决定.单位体积材料中纤维根数计算为

(2)

式中：Vf为纤维体积率；lf为纤维长度；ηθ为方向有效系数，通常ηθ取0.41.

纤维平均间距为

(3)

式中：d为纤维直径，本试验中d=0.033 mm.

表5 不同加筋率对应Vf及s汇总表

随纤维间距的减小加筋泡沫轻质土的强度明显的增强了，当聚丙烯纤维加筋率超过1%之后，纤维间距的减小逐渐不明显，说明加筋对泡沫轻质土的强度提升逐渐变弱.同时从试件制作以及试验开展过程可以发现，当加筋率超过1%之后纤维开始出现明显的结团现象，尤其在试件边角部分结团现象尤为明显.在纤维间距理论中，当纤维出现搭接时，搭接纤维视为一根进行分析，随着加筋率的升高，结团现象越来越明显，见图9.结团现象意味着筋材长度和数量都与理论计算结果不符，相当于直接减少了纤维的总根数，这对于材料的受力是不利的.因此，当加筋率超过0.75%时，材料的极限强度呈现出下降趋势.

图9 试验后试件边角纤维结团现象

4 结 论

1) 在聚丙烯纤维的影响下，泡沫轻质土的流动性和强度性能均发生了明显变化，流动性随加筋率的增加而明显降低，在一定加筋率范围内材料的强度可以得到明显提升，在加筋率达到0.5%～0.75%时无侧限抗压强度峰值提升最高.当泡沫轻质土中加筋率超过0.75%后，加筋泡沫轻质土的无侧限抗压强度出现下降趋势.

2) 纤维加筋效应可以有效增强材料的延性，随着加筋率的升高，材料出现极限强度对应的应变明显增加.在未加筋时，材料破坏后强度出现了40%以上的降低，若在破坏后继续施加荷载，材料的会迅速破碎失去完整性和承载能力.纤维增强后的材料在出现应力峰值之后材料强度的降低比例明显减少，材料的受力变形特性变得更加稳定.

3) 随加筋率的提高弹性模量表现为下降趋势.加筋泡沫轻质土在达到极限强度之后继续加载，材料的强度均出现小幅度的回升，强度回升的程度与材料的加筋率有一定关系.

4) 在加筋率较低的条件下，聚丙烯纤维可以很好的分散在材料之中，从而在微观层面上限制裂缝的发育.随着加筋率的提高，聚丙烯纤维开始出现结团现象，伴随结团现象的加剧，纤维对泡沫轻质土裂缝的限制作用迅速变差，但仍可以极大程度延缓破坏的发生.