碳纤维粘土的击实试验研究

计划项目（201410397011），福建省大学生创新创业计划项目（Sj201210397737），武夷学院土木工程特色专业建设（Xj2012022），广东省高等学校结构与风洞重点实验室开放基金（201404）。

【中图分类号】TU411 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2015）05-0251-01

一、引言

土体在外力功能作用下（碾压或夯实），孔隙度变小，密度增大，强度提高，压缩性及渗透性降低，使土的工程性质得到改善。工程实践表明，在天然含水量接近最佳含水量时进行填筑和碾压时，不仅较为经济合理，而且有利于保证压实土体的长期稳定。近年来纤维作为一种新的加筋材料，被掺入土中，成为纤维土（texsol），用于提高和改善土体的力学性能。研究表明： 随机离散加入的纤维能够有效地提高土样的压缩强度剪切强度抗拉能力和承载力，增加土样破坏时的应变，减少峰值强度损失，使土样呈现较高的韧性。基于碳纤维在所有高性能纤维中具有最高的比强度和比模量，本文对掺入碳纤维的粘土进行击实试验研究，以探讨碳纤维掺量对粘性土的最佳含水量和最大干密度的影响。

二、主要材料与试验

（一）材料特性及配比

本试验所需材料为：粘土、纯洁水、的碳纤维。其中粘土的物理性质指标和特性参数通过土工实验获得，土的天然密度1.73 g/cm3，天然含水量37.8%，液限39.5%和塑限27.3%，孔隙比0.65;生产产家所提供的碳纤维基本性能为：碳纤维长度3mm，直径10～14μm，抗拉强度≥24 MPa，杨氏模量27.5～41.6GPa。

（二）试件制备

本实验共制备四组不同碳纤维掺量的击实试样，第一组、第二组、第三组和第四组击实试件的碳纤维质量比掺入量（碳纤维占粘土质量百分比）分别是：0 wt %、0.2 wt %、0.4 wt %和0.6 wt %。各组试样的制备过程如下：

1.从现场取天然土，将土样在自然温度下风干，放在橡皮板上，用圆木棍碾散;

2.因试验采用用轻型击实筒，需将碾散的土过5mm筛，将筛下土样拌匀，并测定土样的风干含水率;

3.根据各组碳纤维掺入量，将称取的碳纤维分散到土中，用砂浆搅拌机干拌均匀;

4.将拌合均匀的土分成5等分，根据土的塑限预估最优含水率，按依次相差约2%的含水率制备一组试样，其中应有2份含水率大于塑限，2份含水率小于塑限，1份含水率接近塑限，各含水量土样密封静置一昼夜后备用，留待击实用。

（三）试验方法

试验采用标准 （ 电动 ）击实仪，因试验用土经过5mm筛过筛，粒径较小，根据土工试验方法标准采用轻型击实。试验过程为：击实筒内壁和底板涂一薄层润滑油，连接好击实筒与底板，安装好护筒;称取一定量试样，倒入击实筒内，分三层击实，使击实后的试样高度略高于击实筒的1/3，每层25击;击实完成后，超出击实筒顶的试样高度应小于6mm;卸下护筒，用直刮刀修平击实筒顶部的试样，拆除底板，修平底部，擦净筒外壁，称筒与试样的总质量，减去筒的质量，得出土的净重，由土的净重和土样体积（击实筒空腔的体积），计算出试样的湿密度ρi;从试样中心取 2 个代表性试样测定土样的含水量wi，称量准确至0.01g，含水率的平行差值不得大于1%。为了避免烧失，含水量试验都是90℃恒温下烘干，对不同含水量的试样依次按上述步骤击实。根据公式ρdi=ρi/（1+wi）计算出5份试样的干密度，并根据干密度ρdi和含水量wi关系，绘制ρd—wi关系曲线，即击实曲线。

三、试验结果及分析

图1为碳纤维掺入量分别为0 wt %、0.2 wt %、0.4 wt %和0.6 wt %四组击实试验，对比分析可知：没有掺入碳纤维的击实土的干密度和最佳含水量分别为：1.86g/cm3和13.6%;碳纤维掺入量为0.2%的击实土的干密度和最佳含水量分别为：1.76g/cm3和15.0%;碳纤维掺入量为0.4%的击实土的干密度和最佳含水量分别为：1.68g/cm3和17.8%;碳纤维掺入量为0.6%的击实土的干密度和最佳含水量分别为：1.65g/cm3和21.2%。由此可见：粘土最大干密度随着碳纤维掺入量的增加而减小，而最佳含水量随着碳纤维掺入量的增加而增加。原因在于：由于碳纤维密度约为1.8g/cm3，比矿物颗粒轻，为一种轻质材料，碳纤维比表面积小，表面能低，具有很强的疏水性，造成碳纤维在土中较难分散，其与土颗粒较难结合，容易在土中形成较多孔隙，因此在相同的击实功作用下，最大干密度随碳纤维增加而下降，而对应的最佳含水量增大。

图1   无掺碳纤维粘土的击实曲线

四、结论

通过对碳纤维掺入量分别为0%、0.2%、0.4%和0.6%的四组粘土进行击实试验，试验结果表明：由于碳纤维比矿物颗粒轻的纤维状轻质材料，碳纤维比表面积小，表面能低，具有很强的疏水性，使得碳纤维在土中较难分散，且与土颗粒较难结合，容易在土中形成较多孔隙，因此在相同的击实功作用下，粘土最大干密度随着碳纤维掺入量的增加而降低，而对应的最佳含水量增大。

参考文献：

[1]刘宝生，唐朝生，李建，等.纤维加筋土工程性质研究进展[J].工程地质学报，2013，（04）：540-547.

[2]阮东华，潘振华，张艳美，程志良.土工合成纤维土技术的研究进展[J].低温建筑技术，2015，（01）：103-105.

[3]胡小庆，洪柳，徐光黎，杨新，蒋国武.纤维含量及长度对纤维加筋土强度的影响研究[J].安全与环境工程，2015，（02）：139-143.

作者简介：

王玉林（1978-），男，汉族，福建龙岩人，副教授，博士，研究方向：土木工程。

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