摘 要：为了分析复掺粉煤灰和剑麻纤维对膨胀土膨胀率和力学特性的影响变化规律，制备了不同粉煤灰和剑麻纤维复合掺量的膨胀土样品，开展了自由膨胀率、无侧限抗压强度、劈裂抗拉和直剪实验，分析了无荷膨胀率、单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、内聚力、内摩擦角随粉煤灰和剑麻纤维复合掺量的变化规律。结果表明：膨胀土的无荷膨胀率随着粉煤灰和剑麻纤维复合掺量的增大而减小；掺加粉煤灰与剑麻纤维对膨胀土的抗压性能、抗拉性能和抗剪性能具有明显的提升作用；随着粉煤灰与剑麻纤维复合掺量的提高，膨胀土的内聚力和内摩擦角将逐渐变大，但增大幅度相对越来越小，当粉煤灰与剑麻纤维总掺量保持不变时，随着剑麻纤维占比的提高，膨胀土的黏聚力逐渐增大而内摩擦角则基本保持不变；最佳的粉煤灰与剑麻纤维复合质量比为30，复合后两者在膨胀土中的总掺量不宜超过 12%。
关键词：粉煤灰；剑麻纤维；膨胀土；力学特性
膨胀土被称为“工程癌症”，在我国山东、广西、湖北、云南、河南等20多个地区均有分布，其影响区域居住人口超过3亿。膨胀土因具有膨胀性、裂隙性、超固结性的特点引发了大量工程地质问题，造成了严重的经济损失[1-3]。路面隆起、沉陷或开裂以及路堤和路堑滑塌是膨胀土引发的主要路基问题[4-6]。物理化学改性方法是解决膨胀土区域路基问题的重要手段[7]。其中，在膨胀土中添加纤维材料改善其使用性能方面大量学者开展了研究工作，郝建斌等[8]对比分析了素土和剑麻纤维加筋膨胀土的干湿循环性能，研究了剑麻纤维掺加后的抗裂机理，给出了最佳剑麻纤维掺量；黄芙蓉等[9]制备了聚丙烯纤维膨胀土样品，分析了聚丙烯纤维材料对膨胀土裂缝的抑制作用，研究了聚丙烯纤维对膨胀土裂缝的抑制机理；郭一鹏等[10]制备了新型土工织物膨胀土样品，开展了新型土工织物排水及不排水一维土柱对比实验，探索新型土工织物对膨胀土的含水率、膨胀率及不排水强度的影响规律；李文东[11]采用水泥和黄麻纤维材料对膨胀土进行改良，分析了改良性膨胀土的物理力学性能，并开展了数值模拟研究。在上述研究的基础上，利用掺加粉煤灰和剑麻纤维对膨胀土性能进行改良，制备了不同掺加粉煤灰和剑麻纤维比例以及总掺加量的改良性膨胀土样品，开展了膨胀率和力学性能测试，给出了最优的粉煤灰和剑麻纤维掺量。研究成果可为粉煤灰和剑麻纤维改良性膨胀土的工程应用提供强有力的理论基础。
1 实验部分
1.1 实验材料
实验材料主要包括膨胀土、粉煤灰和剑麻纤维。膨胀土取自山东济南某路基工地，膨胀土的基本物理力学指标如表1所示。
表1 膨胀土的基本物理力学指标
粉煤灰来自济南平阴鑫源粉煤灰有限公司，粉煤灰的基本物理力学指标如表2所示。
表2 粉煤灰的基本物理力学指标
剑麻纤维来自济南麦森新材料有限公司，剑麻纤维具有价格低廉、可再生、抗拉力强、抗撕裂、耐磨、耐腐蚀、耐低温等特点。剑麻纤维的基本物理力学指标如表3所示。
表3 剑麻纤维的基本物理力学指标
1.2 实验方法
粉煤灰、剑麻纤维复掺膨胀土样品的制备流程如下：
（1）将膨胀土样品烘干后进行筛分（筛孔直径2 mm）。
（2）将一定比例的粉煤灰和剑麻纤维掺入膨胀土中，加入蒸馏水后搅拌均匀。
（3）在密封袋中放置48 h后制备成高125 mm、直径61.8 mm的圆柱形实验样品。
共制备了16组不同粉煤灰、剑麻纤维复掺膨胀土样品，其中粉煤灰（F）与剑麻纤维（S）掺量（质量分数，下同）比分别为20、30、40，膨胀土中粉煤灰与剑麻纤维总复合掺量为4%、8%、12%、16%、20%，共计15组粉煤灰、剑麻纤维复掺膨胀土样品以及实验结果对比参照的素土样品。
样品制备完成后分别开展自由膨胀率实验、无侧限抗压实验、劈裂抗拉实验以及直剪实验，用于分析粉煤灰、剑麻纤维复掺膨胀土样品的无荷膨胀率、单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、内聚力、内摩擦角随粉煤灰与剑麻纤维掺量比以及粉煤灰与剑麻纤维复合掺量的变化规律。
2 结果与分析
2.1 自由膨胀率实验结果分析
胡不同粉煤灰与剑麻纤维复合掺量条件下膨胀土的无载荷膨胀率变化曲线如图1所示。
图1 不同粉煤灰与剑麻纤维复合掺量条件下膨胀土的无载荷膨胀率变化曲线
由图1可知，不掺加粉煤灰与剑麻纤维条件下，膨胀土的无荷膨胀率高达21.9%。而掺加粉煤灰和剑麻纤维后，一方面由于粉煤灰能够与膨胀土中的膨胀物质发生化学反应进而减少其中的膨胀物质含量，另一方面粉煤灰自身能够与水发生一定的水化反应而生成硬性物质附着在膨胀土颗粒间，提高膨胀土之间的摩擦力，抑制膨胀土向自由面发生膨胀；剑麻纤维杂乱分布在膨胀土中则能起到类似锚杆的作用，抵消膨胀土内部的部分膨胀力影响。因此，随着粉煤灰和剑麻纤维复合掺量的逐步增大，膨胀土的无荷膨胀率也就逐渐减小，但粉煤灰和剑麻纤维复合掺量超过16%后，膨胀土的无荷膨胀率减小幅度将大大变小，此时再增加粉煤灰和剑麻纤维复合掺量对膨胀土无荷膨胀率影响很小，膨胀土的无荷膨胀率大体稳定在9%左右。此外，由图1还可知，在粉煤灰和剑麻复合总掺量不变的情况下，即使增加剑麻纤维的掺合量，膨胀土的无荷膨胀率整体上虽然有所降低，但降低幅度却并不明显，说明剑麻纤维对膨胀土的膨胀性改良效果十分有限。
2.2 无侧限抗压实验结果分析
膨胀土的无侧限抗压强度随粉煤灰与剑麻纤维掺量的变化曲线如图2所示。由图2可知，素土的无侧限抗压强度约为86.7kPa。而掺加粉煤灰与剑麻纤维后，由于粉煤灰具有活性效应和充填效应，能够提升膨胀土的黏结性和密实性，而剑麻纤维则能起到抑制膨胀土微裂隙扩展延伸的作用，虽然随着粉煤灰与剑麻纤维复合掺量的增大，膨胀土的无侧限抗压强度也成逐渐增大趋势，但一旦剑麻纤维掺量过大，剑麻纤维则会发生团聚而导致膨胀土均质性变差，其抗压强度反而降低。由图2还可以看出，ω（F）/ω（S）=20条件下，两者总掺量为4%、8%、12%、16%和20%时，膨胀土的无侧限抗压强度分别为195.2、266.1、310.9、327.8、344.6kPa；ω（F）/ω（S）=30条件下，两者总掺量为4%、8%、12%、16%和20%时，膨胀土的无侧限抗压强度分别为176.2、230.6、300.5、321.3、330.0kPa；ω（F）/ω（S）=40条件下，两者总掺量为4%、8%、12%、16%和20%时，膨胀土的无侧限抗压强度分别为152.2、210.3、255.4、287.8、319.9kPa。从性价比的角度考虑，建议粉煤灰与剑麻纤维总掺量在膨胀土中不宜超过12%，而粉煤灰与剑麻纤维的质量比则取30较为合适。
图2 膨胀土的无侧限抗压强度随粉煤灰与剑麻纤维掺量的变化曲线
2.3 劈裂抗拉实验结果分析
不同粉煤灰与剑麻纤维复合掺量条件下膨胀土的劈裂抗拉强度变化曲线如图3所示。由图3可知，不掺加粉煤灰与剑麻纤维时膨胀土的劈裂抗拉强度约为26.9 kPa。ω（F）/ω（S）=20条件下，粉煤灰与剑麻纤维复合掺量为4%、8%、12%、16%和20%时，膨胀土的劈裂抗拉强度分别为57.7、78.5、89.8、95.6、100.1 kPa，相比素土分别提高了114.5%、191.8%、233.8%、255.4%和272.1%；ω（F）/ω（S）=30条件下，粉煤灰与剑麻纤维复合掺量为4%、8%、12%、16%和20%时，膨胀土的劈裂抗拉强度分别为51.3、69.2、77.5、85.9、90.6 kPa，相比素土分别提高了90.7%、157.2%、188.1%、219.3%和236.8%；ω（F）/ω（S）=40条件下，粉煤灰与剑麻纤维复合掺量为4%、8%、12%、16%和20%时，膨胀土的劈裂抗拉强度分别为48.7、61.2、68.1、72.0、73.9 kPa，相比素土分别提高了81.0%、127.5%、153.2%、167.7%和174.7%。由此可见，掺加了一定量的粉煤灰和剑麻纤维对膨胀土的抗拉性能提升具有显著的作用，尤其是煤灰与剑麻纤维复合掺量小于12%时。当粉煤灰与剑麻纤维总掺量保持不变时，剑麻纤维占比相对越大，膨胀土的抗拉强度也越高。
图3 不同粉煤灰与剑麻纤维复合掺量条件下膨胀土的劈裂抗拉强度变化曲线
2.4 直剪实验结果分析
2.4.1 内聚力
不同粉煤灰与剑麻纤维复合掺量条件下膨胀土的内聚力变化曲线如图4所示。由图4可知，素膨胀土的内聚力约为32.8 kPa。随着粉煤灰与剑麻纤维复合掺量的提高，膨胀土的内聚力逐渐变大但增大幅度相对越来越小；当粉煤灰与剑麻纤维总掺量保持不变时，随着剑麻纤维占比的提高，膨胀土的内聚力逐渐增大。ω（F）/ω（S）=20条件下，粉煤灰与剑麻纤维复合掺量分别为4%、8%、12%、16%和20%时，膨胀土的内聚力分别为59.7、79.2、93.0、105.3、113.7 kPa，相比素土分别提高了82.0%、141.5%、183.5%、221.0%和246.7%。由此可见，粉煤灰与剑麻纤维对膨胀土抗剪性能的提升具有十分明显的效果。
图4 不同粉煤灰与剑麻纤维复合掺量条件下膨胀土的内聚力变化曲线
2.4.2 内摩擦角
不同粉煤灰与剑麻纤维复合掺量条件下膨胀土的内摩擦角变化曲线如图5所示。
图5 不同粉煤灰与剑麻纤维复合掺量条件下膨胀土的内摩擦角变化曲线
由图5可以看出，素膨胀土的内摩擦角约为19.2°。随着粉煤灰与剑麻纤维复合掺量的提高，膨胀土的内摩擦角逐渐变大但增大幅度却越来越小，当粉煤灰与剑麻纤维复合掺量超过12%后，膨胀土的内摩擦角基本保持在27°左右。当粉煤灰与剑麻纤维总掺量保持不变时，随着剑麻纤维占比的提高，膨胀土的内摩擦角变化不大，说明剑麻纤维对改良膨胀土的内摩擦角影响很小。因此，综合内聚力变化规律，建议粉煤灰与剑麻纤维复合质量比取30，复合后两者在膨胀土中的总掺量低于12%。
3 结论
（1）氮随着粉煤灰和剑麻纤维复合掺量的增大，膨胀土的无载荷膨胀率将逐步减小，但粉煤灰和剑麻纤维复合掺量超过16%之后，膨胀土的无载荷膨胀率减小幅度将大大变小，最终稳定在9%左右。
（2）掺加粉煤灰与剑麻纤维对膨胀土的抗拉性能提升具有非常显著的作用，尤其是煤灰与剑麻纤维复合掺量小于 12%时；当粉煤灰与剑麻纤维总掺量保持不变，剑麻纤维占比相对越大，膨胀土的抗拉强度也越高。
（3）随着粉煤灰与剑麻纤维复合掺量的提高，膨胀土的内聚力和内摩擦角将逐渐变大，但增大幅度相对越来越小；当粉煤灰与剑麻纤维总掺量保持不变时，随着剑麻纤维占比的提高，膨胀土的黏聚力逐渐增大而内摩擦角则基本保持不变。
（4）从性价比的角度考虑，建议粉煤灰与剑麻纤维复合质量比取 30，复合后两者在膨胀土中的总掺量不宜超过 12%。
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文章摘自：张保伟.粉煤灰与剑麻纤维复合对膨胀土物理力学特性的影响研究[J].当代化工,2024,53(12):2827-2830.DOI:10.13840/j.cnki.cn21-1457/tq.2024.12.082.
