工程中常会遇到低强度、高孔隙比和高压缩性的软土, 不能满足工程建设条件, 需要采取加固处理。一般加固分为3类:物理加固、化学加固及综合加固^[1]。国内外常利用水泥、石灰、粉煤灰及其他固化剂等提高软土强度^[2,3,4,5,6], 多数为化学加固。化学加固主要是通过加固材料与土颗粒之间发生化学反应生成新物质, 以提高土体的强度和稳定性。由于化学加固后会减弱土体的抗裂性并增加脆性, 为弥补该缺陷, 在化学加固中增加纤维, 通常将这类材料加固称为物理加固。物理加固主要是利用加固材料本身的力学性质和特点, 通过与土颗粒间的物理作用达到改善土体结构和工程性质的目的, 如在土体中加入土工织物和纤维等。相关研究^[7,8]均表明, 在水泥土中掺入一定量的纤维可增加水泥土的峰值强度, 将水泥土脆性破坏方式转变为韧性破坏, 极大地改善水泥土的受力特性。N.C.Consoli等^[9]研究表明, 纤维掺量为0.5%时, 其对水泥土脆性指数几乎无影响, 当掺量达1%时才会降低脆性指数, 而C.S.Tang等^[10]研究则表明, 纤维掺量在0.05%～0.2%时, 水泥土延性大幅提高, 这与N.C.Consoli等的研究结果相差较大。造成上述现象的原因是土质、水泥掺量、纤维种类及尺寸等的不同。上述研究均针对单一纤维, D.J.Kim等^[11]对不同纤维在水泥基体中的力学特性进行比较, 表明聚乙烯纤维在承载和抵抗变形能力均优于PVA纤维。R.Mattone^[12]对掺入剑麻纤维及聚丙烯纤维的水泥土进行4种不同类型的试验, 结果表明, 在控制裂缝和延性方面, 聚丙烯纤维优于剑麻纤维, 而剑麻纤维在耐磨性及抗压方面优于聚丙烯纤维。H.D.Yun^[13]研究认为, PVA纤维和PE纤维混杂后掺入水泥基体能更好地抵抗冻融循环破坏。这说明, 不同纤维间的力学性能可以优势互补。

研究表明, 聚乙烯醇 (PVA) 具有改善水泥基体微观结构和微粒界面性质的双重作用, 常被少量添加到水泥基体中改善其强度特性^[14,15], 并且其存在最佳掺量。

综合加固是物理加固和化学加固的综合, 目前对这类加固技术的报道较少, 特别是混杂纤维水泥土的力学性能及PVA对纤维水泥土强度的影响机理很少有报道。因此, 本文就此开展了相关试验研究并探索聚乙烯醇 (PVA) 对纤维水泥土的强度影响规律。

该纤维水泥土具有强度高、防渗性好、抵抗变形能力好、抵抗冻融循环能力强的特点, 成本低廉、绿色环保, 具有良好的推广和应用前景, 可用于路基工程、护坡工程、渠道衬砌和地基加固等相关领域。

土样采用内蒙古河套平原普遍分布的粉质黏土, 黏土经过冬季充分风干放在干燥处。物理测试表明, 土样密度2.65g/cm³, 液限28.61%, 塑限17.28%, 塑性指数11.33, 最优含水率16.2%, 击实最大干密度1.764g/cm³。土样颗粒组成如表1所示。其他材料为P·O42.5硅酸盐水泥、聚乙烯醇1799, 聚乙烯醇性能如表2所示。聚乙烯醇 (PVA) 是由聚醋酸乙烯酯水解而成的一种水溶性聚合物, 分子主链为碳链, 每个重复单元上含有1个羟基。羟基尺寸小、极性强, 容易形成氢键, 具有较强的活性, 在土体中易发生化学作用。研究^[15,16]表明, PVA的掺入使水泥净浆标准稠度需水量明显增大, 水泥的初、终凝时间略有延长, 增加了泥浆体黏度, 同时改善了水泥浆体的经时损失。本试验采用的玻璃纤维 (GF) 及聚丙烯纤维 (PF) 长度均为 (10±2) mm。玻璃纤维与聚丙烯纤维的性能如表3所示。

将取回的土样风干粉碎, 将总量分别为0.5%干土重的聚丙烯纤维 (PF) 和玻璃纤维 (GF) 及二者按比例1∶1混杂的混杂纤维 (HZ) 手工充分拌合均匀, 再掺入5%干土重水泥, 然后掺入水泥含量为2%, 5%, 10%的聚乙烯醇 (PVA) 。按击实试验所确定的最佳含水量为16.2%, 共配制16组土样, 每组试样各有6个土样, 取其平均值作为最后的强度值。各组土样配合比如表4所示。依据JTG E51—2009《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》, 试件为静力压实成型的95%密实度、直径50mm、高50mm的圆柱体。成型试件在标准养护箱内养护28d后, 测试土样无侧限抗压强度。试验仪器采用WDW-50型万能试验机, 加载速率为2mm/min。

对表4中配制的水泥土土样进行无侧限抗压强度试验, 结果如表5、图1所示。由图1可知, 2种纤维掺入水泥土中可以明显提高水泥土无侧限抗压强度。纤维的形态特征及界面之间的相互作用综合分析如图2所示。由图2可知: (1) 黏土矿物、水泥水化物及PVA会附着在纤维上改变纤维表面的粗糙度, 从而增加纤维与土体之间的胶结力和摩擦力; (2) 离散分布的纤维形成空间网状结构, 使土颗粒和水泥水化物连锁形成一个有机整体, 从而限制土体位移, 使黏土颗粒间的抗拉能力及强度得到改善。由表5及图1可知, 纯水泥土的无侧限抗压强度最低, 为0.87MPa;在水泥土中分别掺入0.5%的PF和GF及二者混杂纤维后, 无侧限抗压强度分别为1.38, 1.29, 1.35MPa, 分别提高58.6%, 48.3%, 55.1%。同时, 纤维水泥土的无侧限抗压强度随着PVA掺量的增加先增大后减小, 各组试样在PVA为5%时达到峰值, S组纯水泥土的峰值强度为1.12MPa, 较未掺PVA组增加28.7%;PF组的峰值强度为1.67MPa, 较未掺PVA的PF-0组增加了21%;GF组的峰值强度为1.78MPa, 较未掺PVA的GF-0组增加37.9%;HZ组的峰值强度为1.91MPa, 较未掺PVA的HZ-0组增加41.5%。PVA掺量>5%时, HZ组的无侧限抗压强度要高于其他3组, 说明2种纤维混杂存在一定的混杂效应。对于同一组试样, PVA存在最优掺量, 各组最优PVA掺量均为5%, 这与已有研究^[17,18]结果不同, 其原因除了所采用的水泥种类不同外, 主要是PVA单独和水泥基体作用与有纤维参与时有较大区别。此外, 掺纤维的PF, GF, HZ组随PVA掺量增加, 强度增加的斜率大于纯水泥土S组, 说明PVA的掺入有助于改善纤维与土体之间的界面特性, 从而更有利于强度的增加;同时, 掺纤维各组的强度曲线下降段斜率也均大于纯水泥土组, 说明随着PVA掺量达到最佳, 纤维与土体界面加筋作用达到最优后, 随着PVA的增加, 纤维与土体间的界面强度下降较快。而对于掺纤维组, PVA掺量>5%时, PVA掺量对GF及HZ组强度增长率大于PF组, 这说明PVA对GF纤维界面特性的改善优于PF纤维。由此可见, PVA对纤维水泥土强度的改善作用与纤维种类有关。

由图1可知, 随着PVA掺量的增加, 各组水泥土的无侧限抗压强度均表现出先增长后降低的趋势, PVA对各组试样的直接作用表现为PVA对水泥基体的影响作用, 文献[18]表明, 掺少量PVA可以获得宏观无缺陷水泥, 可使水泥基体强度及弹性模量大幅度增加, 并可改变水泥颗粒的界面特性, 使水泥颗粒之间通过PVA黏结变得更加密实。同时, PVA对各组试样的影响还表现为:PVA会改变纤维的界面黏结强度。

水泥土试件放大3 000倍时的SEM照片如图3所示, 水泥浆体中的水泥颗粒如图4所示。

未掺PVA水泥土的微观形貌如图3a所示, 水泥土的骨架颗粒仍以粒状为主, 各颗粒之间镶嵌接触, 结构属于欠密实结构, 颗粒间的孔隙较明显, 但大多以小孔隙为主, 有较大微裂纹出现。

PVA掺量为5%的水泥土试样如图3b所示。由图3b可知, 微观形貌比纯水泥土更加致密, 水化颗粒和凝胶结构聚合为体积较大的土颗粒团, 表明土壤颗粒表面已吸附一定量的PVA, 形成网状聚合物膜从而更好地将土颗粒镶嵌胶结, 形成的聚合物团与土颗粒及水泥水化物相互胶结成空间网状结构, 使强度提高。

PVA掺量为10%的水泥土试样如图3c所示, 其表面出现较明显褶皱, 这些褶皱彼此交联, 将土颗粒层层包裹, 表明土壤颗粒表面已吸附较多的PVA。断面上出现没有牢固镶嵌在断面中的土颗粒团, 呈现出较多的细小裂纹, 从而使试样密实度降低, 导致强度下降。此外, 高掺量PVA会降低水泥土强度的原因为: (1) 较多的PVA形成的网状聚合物膜会覆盖包裹水泥颗粒从而阻碍水泥的水化^[19], 进而抑制水泥土强度的发展; (2) 土颗粒表面吸附过多的PVA, 无法形成良好的空间网状结构, 削弱土颗粒之间的相互作用力, 对水泥土结构体系起到分散作用^[20]。

PVA作为水溶性高分子, 其分子链上有亲水性基团羟基 (—OH) ^[21]。当水泥土中掺入少量PVA后, PVA与土颗粒之间发生一系列复杂的物理化学作用。结合图3, 4, PVA改善纤维水泥土强度主要表现为: (1) 氢键作用PVA分子上的—OH与土颗粒表面的—OH形成氢键, 使土颗粒处于稳定聚集态, 进而提高水泥土强度; (2) 改善了土颗粒和水泥水化物之间的连接作用PVA吸附在土颗粒表面形成网状聚合物膜, 从而更好地将土颗粒镶嵌胶结, 形成的聚合物团与土颗粒及水泥水化物相互胶结成空间网状结构, 使强度增加。此外, PVA在软土中与碱金属离子发生置换反应^[22], 置换出土粒表面的阳离子, 减少土粒表面双电层厚度, 增加土颗粒之间的吸引能, 促进土颗粒间的聚集; (3) 填充作用PVA使水泥土体的密实度增加, 填充土颗粒间的微孔隙, 水泥土体结构更加致密, 使水泥土强度提高; (4) 促进水泥水化作用SEM, XRD、红外光谱试验^[14,23]表明, PVA参与水泥水化并在土颗粒及水泥浆体界面形成新的化合物, 改变了水泥土的界面黏结特性, 同时PVA增加了C-S-H水化物的厚度; (5) 改变纤维界面黏结特性的作用^[24]PVA的掺入改善了纤维与水泥土基体的界面黏结特性, 聚乙烯醇的存在使纤维表面聚集更多的水化物, 从而提高纤维水泥土的强度。

纤维掺入水泥土中相对于基准水泥土的强度增强系数为^[25]:

式中:f, f_m分别为纤维增强水泥土和基准水泥土的强度。分别记聚丙烯纤维 (PF) 、玻璃纤维 (GF) 、混杂纤维 (P-G) 增强水泥土的无侧限抗压强度指标为β_P, β_G, β_{P, G}, 2种纤维掺在一起后, 纤维水泥土无侧限抗压强度混杂系数定义如下:

当α_P-G≥1时, 为正混杂效应;α_P-G<1时, 为负混杂效应, 由式 (2) 计算的混杂系数:HZ-0为1.02, HZ-2为1.01, HZ-5为1.23, HZ-10为1.34。

计算可知, 绝大多数试样组均表现出正混杂效应, 说明玻璃纤维和聚丙烯纤维的混杂能够更有效地提高水泥土的无侧限抗压强度, 这是由玻璃纤维和聚丙烯纤维各自具有的物理特性决定的。玻璃纤维强度、脆性较聚丙烯纤维高, 考虑纤维混杂效应主要体现在高弹性模量纤维在宏观层次上增强, 表现为承受拉压应力能力增强, 高延性纤维在微观层次上增韧表现为延缓或阻止裂纹的扩展, 从而产生协同作用的效果^[26]。混杂纤维水泥土的破坏主要表现在纤维被拔断及纤维和土颗粒黏结界面破坏。试样受力过程中, 试样在开裂前, 玻璃纤维起骨架作用, 承担应力大于聚丙烯纤维, 当有裂纹出现时, 较多的应力平稳地转移到聚丙烯纤维上, 聚丙烯纤维开始承担更多应力, 二者优势互补, 使整体效果优于单掺纤维的作用, 不同性质的纤维混杂在不同结构层次上抑制了裂缝的引发与扩展。但混杂效果相对于未掺PVA及低掺量 (2%) PVA组效果不明显, PVA掺量为5%～10%时的混杂效应较好, 最大混杂系数出现在PVA-10组, 为1.34。这说明PVA掺量为10%时, 纤维混杂效果较好, 这也说明PVA的掺入有助于提高2种纤维的混杂效应。同时, 在较高掺量 (10%) PVA时, 强度较5%掺量PVA组强度反而下降, 这与在PVA掺量为10%时的正混杂效应的效果相反, 这说明PVA单独用于水泥土和有纤维共同作用时有较大区别。同时说明高掺量PVA可能有利于2种纤维在力学特性上的互补, 能够将两者各自的优势发挥到最佳, 使纤维的加筋效果达到最佳。

1) 2种纤维掺入到水泥土中, 在水泥水化物及土颗粒的黏聚力和摩擦力作用下, 极大地提高了水泥土无侧限抗压强度, 2种纤维的混杂表现出一定的混杂效应, 混杂系数受PVA掺量的影响较大。

2) 随着PVA掺量的增加, 纤维水泥土的无侧限抗压强度先增加后减小, 最优掺量为5%。

3) PVA的存在对水泥土具有双重作用: (1) PVA的掺入减少了水泥土基体的孔隙, 使其更加密实, 从而增大了纤维水泥土无侧限抗压强度; (2) 其参与了水泥土的水化, 形成新的化合物, 改善了水泥土体的界面特性。

4) 混杂系数的计算表明, 未掺PVA及掺量仅为2%时的纤维水泥土的混杂系数较小, 在PVA为10%时混杂系数取得最大值1.34。