二次纤维水泥土力学特性研究

　　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

　　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。

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