CN104099921A

CN104099921A - 一种波浪形纤维加筋土及其制备方法

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Publication number: CN104099921A
Application number: CN201410355715.9A
Authority: CN
Inventors: 唐朝生; 李建; 王德银; 施斌; 徐丹; 欧阳斌强
Original assignee: NANJING UNIVERSITY (SUZHOU) HIGH-TECH INSTITUTE; Nanjing University
Current assignee: NANJING UNIVERSITY (SUZHOU) HIGH-TECH INSTITUTE; Nanjing University
Priority date: 2014-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2014-10-15
Anticipated expiration: 2034-07-24
Also published as: CN104099921B

Abstract

本发明公开了一种波浪形纤维加筋土及其制备方法，属于岩土、地质工程土质改良领域。将外形为波浪形的纤维掺入土体中，进行土质改良，提高土体的工程性质，其中波浪形纤维的波高为0.1mm～0.5mm，波长为1mm～5mm，波浪形纤维直径为0.1mm～1mm，波浪形纤维掺量为0.1％～5％干土重，波浪形纤维长度为5mm～50mm；通过搅拌，在土中洒入适量的水并压实成样。同传统的直线形纤维加筋土相比，波浪形纤维加筋土具有更强的界面力学作用，更高的抗压强度、抗剪强度、抗拉强度和残余强度等力学参数，能显著提高工程结构物的稳定性和安全性，该发明工艺简单，性价比高。

Description

一种波浪形纤维加筋土及其制备方法

技术领域

本发明涉及岩土、地质工程土质改良领域，更具体地说，涉及一种波浪形纤维加筋土及其制备方法。

背景技术

对于各地区所需工程的需要，直接采取土壤进行作业达不到所需要的要求，对所需要的土壤需要进行改良，目前，软土的改性固化多是采用物理方法、物理化学方法或化学方法，以提高软粘土的强度和稳定性，使之满足不同类型和使用功能的工程建设要求。

纤维加筋是近些年来出现的一种新型土质改良技术。该技术是通过在土体中随机掺入离散的短纤维丝，形成一种复合土工材料。同传统的加筋技术相比，纤维加筋主要有以下优点：(1)纤维丝具有很好的分散性，能均匀地分布在土体中，在各个方向上都能发挥加筋作用，是一种典型的三维加筋技术。在一些理论分析和计算中，通常将纤维加筋土视为各向同性的复合材料加以考虑。而传统的面状土工合成材料(土工布、土工格栅、土工网等)一般是按设计间距进行水平布设，本质上是一种二维加筋形式，筋材与土体界面之间往往形成潜在的软弱结构面，导致加筋土力学性质呈显著的各向异性，在荷载作用下土体有可能沿筋/土界面发生相对滑动，出现较大变形甚至破坏。(2)纤维具有强度高、耐腐蚀、易于拌合等优点，能像石灰、水泥、粉煤灰等无机结合料一样快速均匀地掺入土体中，施工工艺简单。

纤维/土界面力学作用状态是制约纤维加筋效果的关键因素。纤维之所以能提高土体力学性质，根本原因是纤维/土界面作用力(界面黏聚力和摩擦力)限制了纤维在土体中的相对滑动，使分散在土体中的纤维起到拉筋作用，具备分担荷载和限制土体变形的能力。因此，改善纤维/土界面力学强度是提高纤维加筋土力学性质的重要途径。然而，到目前为止，国内外岩土和地质工程领域中所采用的纤维加筋材料几乎都是直线形纤维。

中国专利申请号ZL201310265175.0公开了一种棕榈纤维加筋土及其制备方法和应用，具有：棕榈纤维，为长方形，长为2～16mm，宽为2～4mm，长宽比为1:1～4:1；土，所述棕榈纤维与所述土的质量比为0.25％～2.0％；以及水，含水率为预定值。但由于加筋材料为直线形纤维表面光滑，纤维/土界面作用力传递效率低，纤维的拉筋效果无法得到充分发挥。

发明内容

1、要解决的技术问题

针对现有技术中存在的纤维/土界面作用力传递效率低，纤维的拉筋效果弱问题，本发明提供了一种波浪形纤维加筋土及其制备方法，该加筋土纤维/土界面作用力传递效果高和界面力学强度高，拉筋效果好。

2、技术方案

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种波浪形纤维加筋土，它包括土体，土体中含有外形为波浪形的纤维，波浪形纤维的波高为0.1mm～0.5mm，波长为1mm～5mm，波浪形纤维直径为0.1mm～1mm。

更进一步的，波浪形纤维掺量为0.1％～5％干土体重量，干土体重量为未加波浪形纤维的干土体重量，波浪形纤维长度为5mm～50mm。

更进一步的，波浪形纤维的原材料为聚丙烯、聚乙烯或尼龙，所述的土体为黏性土或砂土。

更进一步的，土体为南京地区的下蜀土。

一种波浪形纤维加筋土的制备方法如下：

(A)、将拟改良的土体进行风干；

(B)、将风干后的土体碾碎，使用2mm～5mm土工筛筛取土体，将粉碎后的土样置于烘箱中烘干，烘干时间为24小时，得干土体；

(C)、将外形为波浪形的纤维与步骤(B)获得的干土体充分搅拌均匀；

(D)、将搅拌均匀的混合土体和纤维加入水，搅拌均匀；

(E)、将步骤(D)获得的混合土体进行压实形成波浪形纤维加筋土。

更进一步的，步骤(B)烘干时间为24小时。

更进一步的，步骤(C)采用的拌合方式为人工或机械方式。

更进一步的，步骤(D)加入的水质量与未加纤维的土体质量比例在12％～18％，对于已知最优含水率的土体，初始含水率和压实干密度选取最优含水率为相应控制指标。

更进一步的，步骤(E)波浪形纤维加筋土的压实干密度范围在1.55g/cm³～1.75g/cm³，对于最大干密度的土体，压实干密度选取最大干密度为相应控制指标。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)使用波浪型纤维，提高了纤维/土界面作用力和纤维在土体中的抗拔力，增加了纤维/土界面力学传递效率，抗压强度、抗剪强度和承载力提高；

(2)使用纤维加筋土方法，对于所制成材料残余强度和破坏韧性高，增加结构物的稳定性和安全性；

(3)使用波浪形纤维制成加筋土大幅提高了纤维的加筋效果，工程成本未增加，提高了纤维加筋土技术的性价比和市场竞争力；

(4)波浪线形纤维加筋技术工艺简单，施工方便，具有较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明波浪形聚丙烯纤维和传统直线形纤维加筋土的拉拔曲线对比图；

图2为本发明波浪形聚丙烯纤维和传统直线形纤维加筋土的无侧限抗压强度随纤维掺量变化图；

图3为本发明波浪形聚丙烯纤维和传统直线形纤维加筋土的抗拉强度随纤维掺量变化图；

图4本发明波浪形聚丙烯纤维和传统直线形纤维加筋土的加州承载比CBR随纤维掺量变化图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体的实施例，对发明作详细描述。

实施例1

波浪形纤维加筋土的材料主体为波浪形纤维和土体。在选取波浪形纤维作为加筋材料时，要满足以下要求：(1)纤维材料化学性能稳定且环保；(2)具有较好的分散性，能方便与土体拌合均匀；(3)纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量。常见的聚丙烯、聚乙烯、尼龙等高分子聚合材料均可作为加工波浪形纤维的原材料。在选取被加筋土体时，对土体种类无明确要求，根据实际工程需要，自然界常见的黏性土、砂土等均可采用波浪形纤维加筋技术进行改良。

本实施例选取聚丙烯波浪形纤维为代表性加筋材料，选取南京地区典型的下蜀土为代表性被加筋土体。选取的聚丙烯波浪形纤维参数：直径为0.9mm，长度为20mm，波高为0.24mm，波长为3.97mm，抗拉强度为540MPa，弹性模量为5650MPa，断裂伸长率为18％，耐酸碱性和分散性极好。下蜀土的比重为2.7，塑性指数为17.8，最佳含水率为16.5％，最大干密度为1.7g/cm³。对于已知最优含水率和最大干密度的土体，波浪形纤维加筋土的初始含水率和压实干密度宜选取最优含水率和最大干密度为相应控制指标。

制样时采用以下步骤进行制样：

(A)、将下蜀土风干；

(B)、将风干后的土体碾碎，使用3mm土工筛筛取土体，将粉碎后的土样置于烘箱中，将粉碎后的土样置于烘箱中烘干，烘干时间为24小时，得到干土体，然后称取1000g烘干土样备用；

(C)、计算所需纤维重量，所需纤维掺量为3％，则所需波浪形纤维为30g，将称量好的波浪形纤维掺入土样中，采用人工方式进行拌合，直到纤维均匀分散在土样中；

(D)、按照下蜀土的最优含水率16.5％控制波浪形纤维加筋土的初始含水率，即称取165g水缓慢加入土样中，搅拌均匀；

(E)、将湿土样倒入模具中，根据下蜀土的最大干密度1.7g/cm³进行压实成样。

根据土工试验标准及测试方法，分别对波浪形纤维加筋土及传统直线形纤维加筋土进行了单根纤维拉拔试验、无侧限抗压试验、单轴拉伸试验及加州承载比CBR试验，获得了图1、图2、图3和图4的结果，明显可以看出，本发明的波浪形纤维加筋土的综合力学性能明显优于传统直线形纤维加筋土，尤其是波浪形纤维加筋土的筋/土界面强度是传统直线形纤维的2.75倍(图1)，其在土中的抗拉性能得到显著提高。

实施例2

本实施例选取聚乙烯波浪形纤维为代表性加筋材料，选取自然界一般黏性土为代表性被加筋土体。聚乙烯波浪形纤维直径为0.1mm，长度为5mm，波高为0.1mm，波长为1mm，抗拉强度为38MPa，弹性模量为1030MPa，断裂伸长率为24％，耐酸碱性和分散性极好。一般黏性土的比重为2.65～2.75，取比重为2.75一般黏性土。

制样时采用以下步骤进行制样：

(A)、将黏性土风干；

(B)、将黏性土碾碎，过2mm土工筛，将粉碎后的土样置于烘箱中烘干，烘干时间为24小时，得到干土体，然后称取1000g烘干土样备用；

(C)、计算所需纤维重量，所需纤维掺量为5％，则所需波浪形纤维为50g，将称量好的波浪形纤维掺入土样中，采用机械方式进行拌合，直到纤维均匀分散在土样中；

(D)、按照含水率18％控制波浪形纤维加筋土的初始含水率，即称取180g水缓慢加入土样中，搅拌均匀；

(E)、将湿土样倒入模具中，进行压实成样，压实干密度为1.75g/cm³。

实施例3

本实施例选取尼龙波浪形纤维为代表性加筋材料，选取自然界一般砂土为代表性被加筋土体。尼龙波浪形纤维直径为1mm，长度为50mm，波高为0.5mm，波长为5mm，抗拉强度为750MPa，弹性模量为2500MPa，断裂伸长率为200％，耐酸碱性和分散性极好。一般砂土的比重为2.65。

制样时采用以下步骤进行制样：

(A)、将砂土风干；

(B)、将砂土碾碎，过5mm土工筛，将过筛后的土样置于烘箱中烘干，烘干时间为24小时，得到干土体，然后称取1000g烘干土样备用；

(C)、计算所需纤维重量，所需纤维掺量为0.1％，则所需波浪形纤维为1g将称量好的波浪形纤维掺入土样中，采用人工方式进行拌合，直到纤维均匀分散在土样中；

(D)、按照含水率12％控制波浪形纤维加筋土的初始含水率，即称取120g水缓慢加入土样中，搅拌均匀；

(E)、将湿土样倒入模具中，进行压实成样，压实干密度为1.55g/cm³。

实施例4

本实施例选取聚丙烯波浪形纤维为代表性加筋材料，选取自然界一般黏性土为代表性被加筋土体。聚丙烯波浪形纤维直径为0.5mm，长度为25mm，波高为0.3mm，波长为3mm，抗拉强度为550MPa，弹性模量为3500MPa，断裂伸长率为30％，耐酸碱性和分散性极好。一般黏性土的比重为2.65。

制样时采用以下步骤进行制样：

(A)、将黏性土风干；

(B)、将黏性土碾碎，过3mm土工筛，将过筛后的土样置于烘箱中烘干，烘干时间为24小时，得到干土体，然后称取1000g烘干土样备用；

(C)、计算所需纤维重量，所需纤维掺量为1％，则所需波浪形纤维为10g，将称量好的波浪形纤维掺入土样中，采用人工方式进行拌合，直到纤维均匀分散在土样中；

(D)、按照含水率16％控制波浪形纤维加筋土的初始含水率，即称取120g水缓慢加入土样中，搅拌均匀；

(E)、将湿土样倒入模具中，进行压实成样，压实干密度为1.6g/cm³。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims

1.一种波浪形纤维加筋土，其特征在于：它包括土体，所述的土体中含有外形为波浪形的纤维，所述的波浪形纤维的波高为0.1mm～0.5mm，波长为1mm～5mm，波浪形纤维直径为0.1mm～1mm。

2.根据权利要求1所述的一种波浪形纤维加筋土，其特征在于：所述的波浪形纤维掺量为0.1％～5％干土体重量，干土体重量为未加波浪形纤维的干土体重量，波浪形纤维长度为5mm～50mm。

3.根据权利要求1所述的一种波浪形纤维加筋土，其特征在于：所述的波浪形纤维的原材料为聚丙烯、聚乙烯或尼龙，所述的土体为黏性土或砂土。

4.根据权利要求1或3所述的一种波浪形纤维加筋土，其特征在于：所述的土体为南京地区的下蜀土。

5.权利要求1所述的一种波浪形纤维加筋土的制备方法如下：

(A)、将拟改良的土体进行风干；

(B)、将风干后的土体碾碎，使用2mm～5mm土工筛筛取土体，将筛取后的土样置于烘箱中烘干，烘干时间为24小时，得干土体；

(D)、将搅拌均匀的混合土体和纤维加入水，搅拌均匀；

6.根据权利要求5所述的一种波浪形纤维加筋土的制备方法，其特征在于：所述的步骤(B)烘干时间为24小时。

7.根据权利要求5所述的一种波浪形纤维加筋土的制备方法，其特征在于：所述的步骤(C)采用的拌合方式为人工或机械方式。

8.根据权利要求5所述的一种波浪形纤维加筋土的制备方法，其特征在于：所述的步骤(D)加入的水质量与未加纤维的土体质量比例在12％～18％，对于已知最优含水率的土体，初始含水率和压实干密度选取最优含水率为相应控制指标。

9.根据权利要求5或7所述的一种波浪形纤维加筋土的制备方法，其特征在于：所述的步骤(E)波浪形纤维加筋土的压实干密度范围在1.55g/cm³～1.75g/cm³，对于最大干密度的土体，压实干密度选取最大干密度为相应控制指标。