纤维与纳米粘土改性石灰土劈裂强度特性研究_张伟清.pdf
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1、广东土木与建筑GUANGDONG ARCHITECTURE CIVIL ENGINEERING2023年7月第30卷 第7期JUL 2023Vol.30 No.7DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.07.027作者简介:张伟清(1995-),男,硕士,助理工程师,主要从事建筑结构设计工作。E-mail:0引言随着经济发展与城市化进程的推进,道路基础建设的需求与质量要求逐年攀升。将石灰固化建筑废弃土并应用于道路基层是减少建筑废料的一项有效措施,国内外许多学者已在石灰土的应用上做了大量的研究,并取得丰硕的成果。石灰土应用于道路基层可显著改善原有道路填料的力学性能1-3。LEMA
2、IRE等人4对改性石灰土的力学性能及微观机理进行研究,发现石灰可使土形成“蜂窝状”结构,可改善土的力学性能;但石灰的掺入会增加土的脆性破坏,影响道路基层稳定5-6。因此,在进一步研究中掺入纳米粘土和聚丙烯纤维,可提高改性石灰土的力学性能,增强土的延性。纳米粘土由于其物理化学性质,可与石灰土发生火山灰反应生成C-S-H和C-A-H等胶凝材料,明显改善土体强度,有效提高石灰土的劈裂抗拉性能,改善石灰土的压缩特性,已经成为建筑领域一种新型材料7-8。在改性石灰土中掺入纤维可改善石灰土的脆性破坏模式,提高其残余强度。周琳等人9利用聚丙烯纤维对石灰土进行改性,发现聚丙烯纤维可显著提高石灰土的劈裂抗拉强度
3、和水稳定性,纤维可增加石灰土颗粒间的胶结力和密实度;刘永翔等人10用聚丙烯纤维对水泥土进行改性,并用能量耗散的角度解释水泥土破坏以及裂缝发展演化规律。因此,可通过能量的角度分析改性石灰土抵抗破坏的能力,进而阐述强度变化机理。本文采用聚丙烯纤维和纳米粘土对石灰土进行改性,通过劈裂抗拉试验对纤维改性石灰土(FLS)、纳米粘土改性石灰土(NLS)和纤维纳米粘土复合改性石灰土(NFLS)的力学性能进行分析,并从能量的角度进一步阐述改性石灰土强度变化作用机理。1材料和方法1.1试验材料实验所用材料为土、生石灰粉、纳米粘土和聚丙烯纤维。所用土为广东地区某施工项目基坑土,土体纤维与纳米粘土改性石灰土劈裂强度
4、特性研究张伟清(广东省建筑设计研究院有限公司广州510010)摘要:利用聚丙烯纤维和纳米粘土改性石灰土,对纤维改性石灰土(FLS)、纳米粘土改性石灰土(NLS)和纤维纳米粘土复合改性石灰土(NFLS)的力学性能进行研究。通过对FLS、NLS和NFLS进行劈裂试验,探究其28 d龄期下的劈裂抗拉强度特征,并用能量耗散理论进一步说明纤维和纳米粘土对NFLS劈裂抗拉破坏的作用机理。研究结果表明:聚丙烯纤维和纳米粘土能够显著提高石灰土的劈裂抗拉强度。NLS和 FLS的劈裂抗拉强度在纳米粘土掺量为 8%和纤维掺量为 1%条件下较 LS提升 129%和169%。纳米粘土可促进石灰土发生火山灰反应生成C-S
5、-H和C-A-H等胶凝材料,纤维通过拉结界面作用提高其延性,两者复合改性进一步提高石灰土的劈裂抗拉强度。NFLS的耗散能与其劈裂抗拉强度基本一致,可进一步说明在劈裂过程裂缝发展的损伤破坏对NFLS的影响。聚丙烯纤维和纳米粘土复合改性可提高改性石灰土的延性和劈裂抗拉强度。关键词:石灰土;聚丙烯纤维;纳米粘土;劈裂抗拉强度;耗散能中图分类号:TU432文献标志码:A文章编号:1671-4563(2023)07-115-04Splitting Strength of Fiber and Nano-clay Modified Lime Soil Characteristic ResearchSplit
6、ting Strength of Fiber and Nano-clay Modified Lime Soil Characteristic ResearchZHANG Weiqing(Guangdong Architectural Design&Research Institute Co.,Ltd.Guangzhou 510010,China)AbstractAbstract:The mechanical properties of fiber modified lime soil(FLS),nanoclay modified lime soil(NLS)and fiber nanoclay
7、 composite modified lime soil(NFLS)were studied by using polypropylene fiber and nanoclay modified lime soil.Through splitting tests of FLS,NLS and NFLS,the splitting tensile strength characteristics at 28 d age were investigated,and the mechanism of fiber and nanoclay on splitting tensile failure o
8、f NFLS was further explained by energy dissipation theory.The results show that:Polypropylene fiber and nanoclaycan significantly improve the splitting tensile strength of lime soil.The splitting tensile strength of NLS and FLS is 129%and 169%higherthan that of LS with 8%nano-clay and 1%fiber.Nano-c
9、lay can promote the formation of C-S-H and C-A-H by pozzolanic reaction oflimestone soil.The ductility of nano-clay fiber is improved by pulling the interface,and the splitting tensile strength of limestone soil is further improved by the composite modification.The dissipated energy of NFLS is basic
10、ally consistent with its splitting tensile strength,which can further illustrate the influence of damage and failure of crack development on NFLS during splitting process.The composite modification of polypropylene fiber and nano-clay can improve the ductility and splitting tensile strength of modif
11、ied lime soil.Key wordsKey words:lime soil;polypropylene fiber;nano-clay;splitting tensile strength;dissipation energy115张伟清:纤维与纳米粘土改性石灰土劈裂强度特性研究JUL 2023 Vol.30 No.72023年7月 第30卷 第7期呈灰褐色,主要物理力学性能如下:天然含水率为33%,相对密度为2.53,不均匀系数Cu=12.2,曲率系数Cc=1.24,液限为 37.8%,塑限为 17.2%,塑性指数为20.6。所用生石灰粉 CaO 含量为 89%,纯度为 97%。所
12、用纳米粘土为湖北某公司生产,99.9%可过200目筛网,蒙脱石含量为 96%98%,呈米色粉末状,聚丙烯纤维为6 mm束状单丝。1.2制样方法劈裂抗拉强度试验所用试样为直径50mm、高50mm的圆柱体。试验根据 公路工程无机结合料稳定材料试验规程:JTG E51200911将原状土晒干粉碎后过2 mm 筛,筛取过筛后的土放入 105的烘箱进行烘干。根据试验方案,称取相应质量的试验材料,根据最优含水率加水进行搅拌,各掺料分散均匀后放入密封袋中闷料24 h,并通过静力压实法进行试验。脱模后养护28 d,前27 d在标准养护箱进行养护,最后1 d将试样从养护箱取出,浸泡于202 的水中进行养护,水面
13、需在试样顶部2.5 cm处。养护完成后,将试样放至在压力机升降台的劈裂夹具下进行测试,如图1所示。劈裂夹具由上下两块压条组成,压条宽度为6.35 mm。试验时将试样放置上下压条间并保持对中状态,试验加载速率为1 mm/min。通过压力试验机数据采集系统得到力-位移曲线,取试样劈开时的最大压力P。劈裂抗拉强度计算公式如下:R=15.526 P/H式中:R为劈裂抗拉强度(kPa);P为破坏时的压力(N);H为泡水后试样的高度(mm)。1.3试验方案试验以单掺纳米粘土,单掺聚丙烯纤维以及复掺纳米粘土和聚丙烯纤维的方式改性石灰土,通过劈裂抗拉试验水改性石灰土的劈裂抗拉性能进行研究。其中石灰土掺量为 6
14、%,在此基础上掺入 0%、2%、4%、6%、8%的 纳 米 粘 土 和 0%、0.25%、0.5%、0.75%、1%的聚丙烯纤维进行复合改性,探究28 d龄期下 LS、NLS、FLS、NFLS 的劈裂抗拉强度性能,试验配合比如表1所示。2结果与讨论2.1纳米黏土对劈裂强度的影响NLS的劈裂抗拉强度随纳米粘土掺量变化曲线如图2所示。NLS的28 d劈裂抗拉强度随纳米粘土掺量的增加而逐渐增大,L6-N2、L6-N4、L6-N6、L6-N8的劈裂抗拉强度分别为 139、187、216、309kPa,较 LS提升3%、39%、60%和129%。不同纳米粘土掺量NLS的劈裂抗拉强度较LS都有一定程度的提
15、升,且增长率随着纳米粘土掺量的增加而增大,说明纳米粘土掺量的增加对石灰土的劈裂抗拉能力的提升有显著效果。2.2纤维对劈裂强度的影响图3为FLS的28d劈裂抗拉强度随聚丙烯纤维掺量变化的曲线。L6-F0.25、L6-F0.5、L6-F0.75、L6-F1的劈裂抗拉强度分别为 226、256、316、363kPa,较 LS分别提升 67%、90%、134%、169%。掺入聚丙烯纤维后,FLS中纤维与土颗粒间存在一定的界面作用,促使图1劈裂抗拉试验加载过程Fig.1Loading Process of Splitting Tensile Test表1试验配合比设计Tab.1Design of Tes
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