聚丙烯纤维的影响(PF)加固粘土的力学性能

文摘

本研究调查的影响聚丙烯纤维(PF)加固粘土的力学行为。使用粘土和聚丙烯纤维从中国内蒙古和河北两省,分别一系列土壤样本的0%,1.5%,2.25%,和3% PF内容由土壤重量受到压缩,剪切强度、整合、加州承载比,和微观结构分析。研究结果表明改进的压实、抗剪强度、整合和承载比PF-stabilised粘土的土壤。随着PF含量的增加,其最大干密度和最佳含水量增加减少;内摩擦角增加,其凝聚力系数降低;及其孔隙比、固结系数和渗透系数降低。比较unstabilised (0% PF)和稳定(3% PF)粘土土壤,孔隙比、固结系数、渗透系数从0.96下降到0.93,从2.52到2.34厘米²/ s,分别从1.12 - 1.02厘米/秒。最优PF内容确定土壤的重量的3%,作为这个量导致最好的改善土壤性质。

1。介绍

公路、桥梁、建筑、高危和水工建筑物等损害如果建在一个膨胀土粘土。提高强度和粘质土壤紧实性基础应用,不同的稳定技术已经建立了针对不同土壤参数,包括剪切强度、液限、塑性指数、压缩和固结系数。常见的稳定技术包括化学添加剂的使用(1- - - - - -13],热能[14- - - - - -18)、压实和强化与植物性或合成纤维(19- - - - - -33]。植物性纤维强化材料包括稻草、椰壳、棕榈、剑麻、黄麻和可以以较低的成本。使用合成纤维强化材料,如聚丙烯、尼龙、橡胶或塑料还提供了潜在的执行减少废弃物的好处。过度浪费材料构成公共安全和后勤挑战关于处理(34- - - - - -36),研究使用废料稳定土壤是目前全球的趋势。

一些先前的研究认为不同纤维类型对力学性能的影响的土壤。Moghal et al。37)评估的有效性(FC)和纤维网状纤维(FM)在不同长度和剂量无侧限抗压强度(UCS)的土壤标本。他们观察到纤维类型、长度和剂量所有受影响的UCS和石灰土稳定。Puppala和Musenda38]研究了纤维强化的影响强度和膨胀土的体积变化。他们的研究结果表明,纤维强化增加土壤的UCS和减少其体积收缩和膨胀压力。Yadav和女子39)发现,使用橡胶纤维的抗压和抗拉强度下降cement-stabilised粘土但显著增加postpeak强度损失率和改变水泥稳定器的失效机理。随着橡胶纤维含量的增加,浸泡和unsoaked加州承载比(CBR)值下降和增加,分别。Moghal et al。40]研究了CBR的FC和调频效果标本,发现提高CBR与纤维和纤维长度的数量增加。的最大CBR发生0.6%的纤维含量、纤维长度12毫米。Phanikumar和Singla23]研究了尼龙纤维的影响在swell-consolidation粘土土壤的特征。他们发现,使用尼龙纤维改善土的次固结特性和膨胀势和垂直肿胀压力随着纤维的长度的增加而减少。Al-Akhras et al。41)研究了尼龙和巴尔米拉纤维含量为1%,2%,3%,4,5%通过土壤重量肿胀粘质土壤的性质。结果表明,相同数量的纤维,巴尔米拉纤维有更大的影响比尼龙纤维降低膨胀土的膨胀压力。Moghal et al。42]研究了FC和调频的影响在三个剂量(0.2、0.4和0.6%,土壤重量),两个纤维长度(6 - 12毫米),和没有石灰swell-consolidation治疗。结果表明,俱乐部没有石灰减少肿胀,而线性收缩减少的纤维和石灰处理。汗和阿扎姆43]研究了粘土水泥浆的整合行为,他们发现处女压缩后的孔隙比显著降低粘土浆;土壤水力传导率也减少了因为低孔隙度和高扭力。巩固和体积变化系数降低孔隙比和导水率降低,但增加的有效压力下降。最近,崔et al。44)发现,使用碳纤维和nanosilica显著提高土壤抗剪强度基于碳纤维之间的内摩擦角和内聚力和土壤。

到目前为止,很少有研究专门针对聚丙烯纤维的固结系数和CBR (PF)稳定土壤。因此,本研究调查的影响PF稳定粘土的力学性能。使用粘土来自中国的内蒙古和PF河北省进行了一系列的实验室测试,以确定压实、抗剪强度、整合、承载比土壤和PF稳定。稳定的测试标本准备使用0.75%,1.5%,2.25%,和3% PF内容由土壤重量。这项研究的结果表明潜在的使用PF的土壤稳定技术,推进知识的状态有关的实际稳定粘土的土壤。

2。材料和方法

2.1。材料

2.1.1。粘质土壤

本研究中使用的粘质土壤中收集的布鲁里溃疡La Dalin额尔古纳河在中国内蒙古省的街道。样本来自地下15厘米,放在一个塑料袋中保留水分,和运送到东北林业大学实验室进行初步分析。表1总结了粘土土壤属性决定根据美国和材料试验学会(ASTM)标准(45- - - - - -50]。土壤的粒度分布显示在图中1。土壤被列为高塑性粘土(CH)根据粒子大小的分布和基于印度标准:1498 - 1970。

2.1.2。聚丙烯纤维

纤维是一种应用最广泛的合成材料加强土壤由于其无毒性、耐腐蚀、抗拉强度高。在这项研究中使用的PF产自中国的河北省。PF是12毫米的长度(51,52平均直径为0.034毫米。表2总结了PF的附加属性。

2.2。试样制备

准备粘土土壤测试,样品第一次干在烤箱50°C 24小时然后混合手动为0%,0.75%,1.5%,2.25%,和3% PF土壤的干重和蒸馏水至少10分钟来创建一系列测试混合物。这些混合物被放在塑料袋中,在那里,他们不断地动摇了至少5分钟删除所有空气。最后,将剩余的空气挤出后每袋,塑料袋密封,保存在干燥器24 h。

立即测试之前,材料重新混音的塑料袋摇晃和压缩袋。由此产生的混合物中不含团直径大于5毫米。足够数量的unstabilised (0% PF)和稳定(0.75%,1.5%,2.25%,和3% PF土壤干重)试样准备从这些混合物允许至少三个测量每个测试;这些测量被平均生成最终的测试结果。

2.3。实验方法

2.3.1。光电液体塑料极限测试

液体塑料极限进行了测试使用GYS-2光电液体塑料测试人员从土壤南京拧仪器有限公司,有限公司,在南京,中国。测量液体塑料限制与锥锥深度的土壤质量的100 g和锥角为30°。锥形弹被用来确定液限( ),塑性极限( ),和塑性指数( )土壤和PF。图2提出了一个原理图的光电液体塑料限制试验装置用于这项研究。光电测试的原理是基于GB / T 50123 - 1999标准土壤测试方法和JTG e40 - 2007的方法,土壤测试为公路工程方法(53,54]。水分含量( )测量相应锥的穿透深度(≤5毫米,9 - 11毫米, )在绘制线条的时候AB、交流和广告。的决心从测试结果的水分等于 使用这个在情商。1)确定穿透深度 。的当时决定从图吗3根据获得的穿透深度,从情商。1每个三个直线AB),交流,和广告的土壤标本。因此,计算通过使用情商。2)。 在哪里锥穿透深度和吗液限。 在哪里塑性指数,液限和吗塑性极限。

2.3.2。普氏压实试验

普氏压实测试进行unstabilised和稳定测试标本根据ASTM标准D698-00a (2006) (49)确定最大干密度(MDD, g / cm³%)和最佳含水量(OMC)的指标压实的潜力。unstabilised土壤的压实特性和稳定土壤PF不同内容随后被比较。

2.3.3。三轴压缩试验

进行了三轴压缩试验测定土的抗剪强度土壤标本根据其内摩擦角( ,°)和内聚系数( ,公斤/厘米²)。Unstabilised和稳定标本MDD和OMC州被放置在模具长度80毫米直径在39.1毫米。随后进行三轴压缩测试使用全自动TSZ-1三轴试验装置(南京拧土壤仪器有限公司,南京,中国)。在测试过程中,轴向应变被设定为0.800毫米/分钟,10 kN的轴向力和围岩压力100,200和300 kPa。

2.3.4。固结试验

整合测试进行测量粘土的固结土壤标本基于孔隙比( ),固结系数( ,厘米²/秒)和导水率( ,厘米/秒)。unstabilised并再次稳定标本,MDD和OMC州,被安置在环形模具测量61.8毫米直径20毫米厚。随后执行整合测试使用全自动GZQ-1气动固结仪测试机容量为4.5 kN(南京拧土壤仪器有限公司,南京,中国)。组成的气动控制器、多个通道、通信转换器,和数据系统,这个设备是用来确定土壤在不同负载下的压缩特性和压力(12.5,25、50、100、200、300、400和800 kPa)。测试力和位移的错误被发现在±1%的指示值。

2.3.5。加州承载比试验

确定CBR(%)的粘土土壤,我们进行了CBR试验按照jtg - e40 - 2007 (54]。土壤混合物中弥漫的圆柱形模具直径150毫米和180毫米高度相等的三层,每一层压实,每层98吹的加载速率每分钟1.25毫米。unstabilised和稳定土壤的土壤样本准备按规定标准程序和指导方针。CBR试验进行浸泡样品,和CBR的比例是单位面积上的受力要求渗透到土壤质量50毫米的圆形柱塞直径1.25毫米/分钟的速度。CBR试验unstabilised和稳定土壤浸泡条件进行了按照jtg - e40 - 2007规定的指导方针。测试准备的标本MDD和OMC的混合物。浸泡条件下,标本浸泡在水96 h之前测试(39]。unstabilised的CBR值除以载荷和稳定土壤得到和相应的力量达到2.5和5毫米插入标准的1370和2055公斤,分别。相关的CBR值(%)随后被确定。

2.3.6。微观结构分析

作为最后一个任务在这项研究中,扫描电子显微镜(SEM)和x射线能谱(EDX)分析比较unstabilised的微观结构和稳定测试标本。这些方法被广泛用于识别和描述微观结构,粒子大小和化学成分在一个广泛的当前的研究实践。

3所示。结果与讨论

3.1。光电液体-塑性极限

作为光电液体塑料的指标限制,人物4显示了 , ,和unstabilised和稳定测试标本。随着PF含量的增加,其和然后增加而下降降低了。观察到的减少和当PF首次引入土壤中可以归因于由此产生的连锁效应和PF和土壤颗粒之间的摩擦。的未经处理的土壤的67%,减少4.8%到62.20% PF 3%。同样的,unstabilised土壤为30.01%,然后下降了7.03%到22.98%。观察到的增加稳定的土壤可以归因于更换土壤PF谷物。PF-stabilised土壤保持比unstabilised土壤物质连续性,和PF不吸收水分。观察到的增加与PF的内容也有可能是由于这一事实混合的类型,相对数量的粘土矿物,混合物的一致性限制改变。很明显,除了PF足以提高土壤的可加工性通过减少 。Mishra和古普塔(55也确认了下降时(PET)纤维结合粉煤灰增加。

3.2。土壤压实

研究压实土壤的潜力,MDD和OMC unstabilised和稳定土壤测定结果描绘在图5。提高PF内容引起了相应增加MDD和OMC的减少。比较unstabilised PF(0%)和稳定(3% PF)粘土土壤,从1.52克/厘米MDD增加7.9%³1.64克/厘米³从27.4%到21.6%,而OMC下降了5.8%。随着PF OMC低于粘土土壤颗粒,提高PF内容减少的总体OMC系统相结合。值得注意的是,观察到在MDD中增加可能是由于减少间质PF-stabilised土壤孔隙。PF的小减少在MDD中2.25%的内容可能是由于存在重叠PF的矩阵,它创造了低密度的口袋。这也可能由于更换一定数量的压实土的等效体积PF,导致压缩效率的丧失由于PF重叠。以前的报告由Tran et al。29日)表明,土壤基质纤维的长度和内容对MDD和OMC产生重大影响。类似于当前的研究,观察纤维含量的增加导致在OMC MDD的增加和减少。这些发现与之前的研究结果一致通过Yadav和女子39]。

3.3。三轴抗压试验

三轴抗压试验结果unstabilised和PF-stabilised土壤进行分析来确定内摩擦角( )和内聚系数( )抗剪强度参数,结果如图6。显然,PF提高了稳定土的内摩擦角和凝聚力。最优PF含量是3%,这些样本表现出最大的内摩擦角和内聚力系数最低。随着PF稳定增强土壤颗粒之间的联锁,PF稳定土内摩擦角的增加。一个合理的解释观察到的临时减少内摩擦角是PF中矩阵粘在一起形成肿块,创建的口袋的低密度矩阵,或者因为大毛孔否则fibre-soil矩阵中形成。这些发现与之前报道的结果一致(12,44,51,56]。

3.4。整合

曾提出一个重要的概念是et al。57),压缩、剪切强度和水力传导率被认为是相互依赖和代表相同的物理现象。因此,在这项研究中,一个整合测试使用修改后的固结仪提供的数据来分析压缩系数和渗透系数的变化,同时增加在压缩压力应用。先前的研究在粘土压缩系数被用作指导评价粘土孔隙比。研究整合潜力,孔隙比( )得到了有效压力的函数( ,使用对数刻度)unstabilised和稳定土壤;结果在图7。稳定土壤标本空隙率一直低于unstabilised土壤标本:孔隙比显著降低了从0.96到0.86 (0% PF)和从0.93到0.73 PF (3%)。这可以归因于低孔隙度和减少联锁和PF和土壤之间的摩擦。Phanikumar和Singla23之前),证明无钢筋从Amalapuram膨胀性粘土土壤,美联社,印度,达到最高的平衡孔隙比,纤维增强低膨胀粘土达到均衡空隙率在饱和泛滥。碳纤维加固的膨胀性粘土标本产生连锁效应和摩擦效应,导致进一步减少平衡孔隙比。同样的现象曾被报道et al。57),原状土的压缩曲线一般躺在重试曲线。

基于孔隙比的值,如图7使用整合,整合系数决定。图8显示了固结系数( )有效压力的函数( ,使用对数刻度)unstabilised和稳定土壤标本。随着PF内容增加,降低了。随着有效压力的范围研究,值的范围从2.52到1.71厘米²PF unstabilised / s(0%)粘土土壤,从2.34到1.40厘米²PF / s的稳定(3%)粘土土壤。这在减少可以归因于初始粘质土壤条件(如含水量、孔隙比),扭转流路径的形成的粘土土壤,或粘土土壤固有的属性(如比重、粒度分布,或矿物组成)。汗和阿扎姆43也确认了粘土泥浆的行为减少了与有效压力的增加,但增加增加值。

类似于压缩曲线,粘土的曲线,如图9表明垂直渗透系数( )unstabilised土壤标本高于稳定土壤标本相同( )价值。渗透系数是衡量整个测试的应用压力达到800 kPa。观察渗透系数增加增加孔隙比和降低随着PF内容,在某种程度上符合前面观察到孔隙比和固结系数的趋势。空隙率范围内的研究,渗透系数降低了PF内容从其最大值的0%(1.12 - 0.83厘米/秒)的最小值3%的PF内容(1.02 - 0.53厘米/秒)。如前所述,这减少水力传导率可以归因于土壤颗粒和PF表面之间的联锁。这些发现与一些先前的研究结果一致(57,58]。然而,FM纤维类型和纤维含量的0.6%被发现增加了渗透系数与FC纤维类型和纤维含量(0.2%59]。迪夫et al。60]研究土的渗透系数与不同纤维类型、剂量、和长度,发现短纤维和低纤维含量土壤的导水率下降。

3.5。加州承载比

CBR试验进行为期4天浸泡样品和unstabilised和PF-stabilised土壤的结果绘制在图10。结果表明,PF的加入增加了CBR,表明土壤强度的改善。观察最高CBR PF内容3%按重量的土壤。这是由于这样的事实,一个更高的PF内容增加了土壤的纤维和粒子之间的接口,以便更大的摩擦的形式调动凝聚力,辅助的粗糙的微表面纹理PF。这一发现是类似于其他最近的结果,观察纤维的加入增加了CBR在各种粘土(9,39,40]。Moghal et al。40)使用两种不同类型的合成纤维(FC和FM)在不同的数量和长度来确定对CBR的影响。他们决定,CBR值增加纤维含量和较高的纤维长度长,这种效应是石灰作为稳定器时最为显著。值得注意的是,IRC: 37 - 2011个国家在一个给定的交通荷载条件下路面的厚度可以减少作为CBR值增加。因此,掺入碳纤维加固的土壤可能最终导致可观的成本节约公路建设在可怜的土壤由于潜在的减少所需的总厚度选择交通荷载作用下路面(55]。

3.6。微观结构分析

unstabilised的微观结构和稳定测试标本比较使用SEM和EDX分析结果如图11和12,分别。SEM图像显示不同的微观结构unstabilised(图之间的区别(11日))和稳定(数字11 (b)- - - - - -11 (e))粘土土壤。债券之间的土壤和PF,负责观察到改善土壤的强度和稳定性,可以看到与不同的微观结构阶段标本PF在数字内容11 (b),11 (d),11 (e)。请注意,差距可以观察到土壤和PF标本图之间的接口11 (c):这个大孔隙和其他土壤中的微裂隙和PF表面可能负责报告的低密度矩阵部分3.3。这支持认为观察到的内摩擦角和凝聚力下降是由于弱界面PF和土壤之间的相互作用,使矩阵的PF黏在一起,形成一个低密度的肿块,导致口袋矩阵。同样,这种弱界面之间的相互作用的影响PF的土壤和PF和重叠的图中可以看到11 (d),可能在部分负责观察3.2。

EDX分析结果(图12)显示几个不同的差异unstabilised和稳定粘土土壤的化学成分。PF本身含有不同数量的O、C、钠、镁、铝、硅、钾、钙和铁。1.5%的PF-stabilised试样图12 (c)相应地显示更高的Ca,内容,和O但C含量低于unstabilised标本;这种变异可能是由于更换土壤颗粒PF。Ca的增加导致更脆弱的土壤系统的行为。这可能是负责观察矩阵密度低3.3,就像脆弱的土壤PF矩阵中更容易粘在一起,形成肿块,造成低密度的口袋。

4所示。结论

在这项研究中,PF的影响内容的岩土性质粘土土壤调查使用一系列的实验室测试,以确定压实、抗剪强度、整合、承压强度,土壤及显微组织标本稳定为0%,0.75%,1.5%,2.25%,和3%的PF。本研究的主要结论如下:(我)随着PF内容的增加,π降低了。π的减少改善土壤的稳定性和可加工性(2)随着PF粘土的内容的增加,MDD增加和OMC下降,表明改进的压实(3)随着PF粘土的内容的增加,其内摩擦角( )增加,其凝聚力系数( )下降,表明改进的剪切强度。内摩擦角的最大和最小凝聚力系数得到3%的PF内容(iv)随着PF粘土的内容的增加,孔隙比、固结系数、渗透系数降低,表明改进的整合(v)随着PF粘土的内容的增加,其CBR增加(vi)最后,不同的显微结构的观察差异unstabilised和稳定粘土土壤表明PF的加入改变了土壤微观结构通过创建债券之间的土壤和PF改善其整体稳定性

这项研究的结果表明潜在的使用PF的土壤稳定技术。这将有助于有效的发展,编纂方法来改善土壤的安全与稳定,因此工程结构建立在他们。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

没有报告的作者的利益冲突。

确认

我们感激地承认金融支持这项研究从东北林业大学土木工程部门,哈尔滨,公关,中国。

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