纖維水泥土力學性能與微觀機理研究論文
摘要:水泥土是水泥、土和水等物體混合，經壓實和養(yǎng)護后形成的一種硬化材料，但是水泥土存在抗拉性能差等缺點，需對其進行改性。纖維作為一種增強性能的材料，將其加入水泥土中，能有效改善水泥土的缺點，受到了廣大學者們的關注。本文分別從宏觀和微觀的角度對纖維水泥土的宏觀力學性能和微觀機理進行總結，并指出當前存在的問題，為廣大學者研究纖維水泥土提供參考。
關鍵詞:纖維水泥土;力學性能;微觀機理
水泥土是水泥、土和水等物體混合，經壓實和養(yǎng)護后形成的一種硬化材料，具有堅硬性、水穩(wěn)性、低壓縮性、低滲透性等優(yōu)點，同時又具有費用低、施工方便等優(yōu)越性，在地基處理、基坑圍護、斜坡加固、渠道防滲襯砌、預制建筑材料等工程領域中得到廣泛應用［1］。但是，水泥土仍被劃分為脆性材料的行列，因為它的抗拉強度和抗折強度都很低，這些弊端阻礙了水泥土的推廣，不少學者采用一些強度補強措施來改善水泥土的缺點。其中，纖維具有高的抗拉性、耐久性強等特點，被應用于改善水泥土的工程環(huán)境中。通過摻入纖維，水泥土各個方向都受力，是一種均勻復合的可以看成各向同性的材料，不少學者對其進行了力學試驗分析，其中包括無側限抗壓試驗、抗拉試驗以及剪切試驗，都認為摻入纖維能有效提高水泥土的強度和改善水泥土的破壞韌性。本文從纖維水泥土力學特性和微觀機理兩個方面進行概述，對近年來學者們關于纖維水泥土的研究進行概括總結，并指出當前纖維水泥土存在的問題，為今后廣大學者對纖維水泥土提供參考。
1纖維水泥土工程力學特性
1．1纖維水泥土的抗壓強度
無側限抗壓強度試驗是目前較為直接測試土體抗壓強度的測試方法。唐朝生等［2］通過將聚丙烯纖維摻入至軟土中，發(fā)現在水泥土中摻入少量的纖維能有效提高水泥土的抗壓強度，且抗壓強度隨著纖維的摻入量增加而成正比;張鵬遠等［3］通過摻砂量和聚丙烯酰胺纖維對土體進行加固，結果表明摻砂量和聚丙烯酰胺纖維能明顯的影響纖維水泥土的強度，在摻砂量為12%和聚丙烯酰胺纖維摻量為6%時，其無側限抗壓強度最大;Tang等［4］通過對纖維水泥土進行試驗，發(fā)現纖維水泥土的'殘余、峰值強度都隨著纖維摻量的增加而增加。
1．2纖維水泥土的抗拉強度
由于存在抗拉性能差等缺點，采用纖維加筋技術彌補這些缺點成為近些年來學者的研究重點。Sobhan和Mash-nad［5］研究了試樣抗拉強度，分析了纖維摻入量、纖維長度和水泥摻入量對試樣的抗拉強度的影響，表明在試樣中摻入纖維后，其抗拉強度和撓曲強度得到了較大程度的提高，且通過試驗發(fā)現纖維長度對試樣強度的影響較大;陳峰［6］對不同配比的玄武巖纖維水泥土進行劈拉試驗，研究結果表明，玄武巖纖維的摻入能提高水泥土試件的抗拉強度，但并非纖維的摻入量越多越高，而是存在一個纖維最優(yōu)摻入比的問題;Alrashidi等［7］通過對纖維水泥土開展一系列試驗，發(fā)現纖維加筋能有效限制水泥土的裂隙發(fā)展，因而能阻止水泥土的拉伸。
1．3纖維水泥土的抗剪強度
Tang等［4］通過直剪試驗研究纖維水泥土的抗剪強度時，發(fā)現在水泥土中摻入纖維能夠更好的發(fā)揮纖維加筋作用;張艷軍等［8］通過將不同纖維摻量的石棉纖維摻入到粉煤水泥復合土中，同時對其進行直剪試驗，試驗結果表明當石棉纖維摻量為3%～6%時，石棉纖維水泥復合土的粘聚力與內摩擦角均有不同程度的增加，纖維摻量存在最優(yōu)摻量;殷勇［9］通過將玻璃纖維摻入水泥土環(huán)境中，通過三軸試驗發(fā)現在水泥土中摻入玻璃纖維可顯著提高水泥土的抗剪強度參數。
2纖維水泥土的加筋機制
在水泥土環(huán)境中摻入纖維，能顯著提高水泥土的抗壓強度、抗拉強度以及抗剪強度等力學性能。目前，不少學者認為在素土中摻入纖維存在交織機理和彎曲機理，因而能顯著提高土體的強度和改善土體的破壞韌性。而相對于在纖維加筋素土，纖維加筋水泥土的加筋機制的研究較少。唐朝生［10］采用微觀測試手段從纖維水泥土中的筋/土界面相互作用角度出發(fā)，研究其加筋效果，認為筋/土界面作用力以黏結力為主，主要是纖維與水泥水化產物發(fā)生作用。唐朝生研發(fā)了單根纖維拉拔試驗裝置，開展了一系列拉拔試驗，對不同水泥摻量及養(yǎng)護齡期下的單根纖維加筋土試樣進行研究，結果表明，在水泥土中加入纖維能明顯的提高筋/土界面剪切強度，隨水泥摻量和養(yǎng)護齡期的增加而增加，且水泥土中的界面剪切強度相對于素土來說得到了極大地提高［11－12］。
3結語
在水泥土環(huán)境中摻入纖維，能有效提高水泥土的力學特性和改善水泥土的破壞形式。同時也有學者針對這方面的機制進行了探索，認為水泥和土體形成的水化晶體能增加水泥土的密實度，使土樣的孔隙比減少，顯著增加纖維和水泥土之間的摩擦力和粘聚力，因而水泥土的力學性能得到明顯提高。但是，就目前的研究現狀而言，還存在以下問題。1)目前關于纖維加筋水泥土中的加筋材料主要是人工合成纖維，例如聚丙乙烯、玻璃纖維、鋼纖維等，但是關于植物纖維水泥土的研究較少。植物纖維具有成本低廉，生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢，在臨時加筋工程中可以發(fā)揮較好的作用，值得工程推廣。2)纖維加筋水泥土是一種復雜的混合材料，關于纖維加筋水泥土的研究機制的報道較少。主要集中在學者通過微觀測試手段以及對單根纖維的拉拔試驗進行了探索，得到一些結論，還需繼續(xù)探索該方面的內容。3)對于纖維加筋水泥土的研究，主要研究各種因素對其強度的影響，如纖維摻量、長度、水泥摻量等，對干濕循環(huán)、凍融循環(huán)等外部環(huán)境對水泥土強度的影響研究較少，關于這方面的研究仍需要探索。
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