纤维增强碱激发矿渣固化泥炭质土的力学性能与微观结构:以昆明滇池周边泥炭质土为例

汪超群; 屈俊童; 浦钧翔; 张衡; 王倩; 刘新月

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507075

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (20) :8442-8451 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507075

第二十八届中国科协年会学术论文专题

纤维增强碱激发矿渣固化泥炭质土的力学性能与微观结构:以昆明滇池周边泥炭质土为例

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Mechanical Properties and Microstructure of Fiber-reinforced Alkali-activated Slag-solidified Peaty Soil: Peaty Soil around Dianchi Lake, Kunming

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摘要

泥炭质土因高孔隙比、高天然含水率和高压缩性等特征,常导致地基过量沉降和稳定性问题。为克服传统水泥固化方法环境代价高且在富含有机质环境中效果受限的缺陷,以昆明滇池周边典型泥炭质土为研究对象,提出采用碱激发粒化高炉矿渣(granulated ground blast-furnace slag,GGBS)绿色固化剂结合三种短纤维(玄武岩纤维、聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维)进行协同改良的新思路。通过无侧限抗压强度试验、三轴剪切试验及X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)微观分析,系统对比了不同纤维在碱激发体系中的增强效果与微观机理。结果表明:3种纤维均能显著提高固化土强度,其中聚丙烯纤维凭借优异的物理嵌锁效应表现最佳,28 d无侧限抗压强度(unconfined compressive strength,UCS)达433.9 kPa,较未掺纤维样提高61.1%;纤维增强显著改善了土体的脆性破坏特征,三轴试验中聚丙烯纤维改良土黏聚力最高(达140.36 kPa),抗剪强度大幅增强;微观分析揭示,纤维在基体内呈交错分布,形成的纤维骨架有效抑制了颗粒位移,且不同纤维与基体的界面结合机制存在差异;首次将结构统一硬化(structural uniform hardening,SUH)模型应用于该类改良土,模型准确再现了其全程应变硬化响应(R²>0.98),验证了纤维通过桥联作用延缓结构衰减的力学机理。研究成果为高有机质软土的绿色、高效加固提供了理论依据与技术支撑。

Abstract

Peat soils, characterized by high porosity, high natural moisture content, and high compressibility, often cause excessive settlement and stability issues in foundations. Traditional cement-stabilization methods suffer from limited improvement effects in organic-rich environments and high environmental costs. Taking the typical peaty soil around Dianchi Lake in Kunming as the research object, alkali-activated granulated ground blast-furnace slag (GGBS) combined with three types of short fibers (basalt fiber, polypropylene fiber, and polyacrylonitrile fiber) were innovatively employed to improve peat soils. Unconfined compressive strength tests, triaxial shear tests, and X-ray diffraction (XRD)/scanning electron microscope (SEM) microstructural analyses were systematically conducted. Results indicate that all three fibers significantly enhance the strength of the solidified soil, with polypropylene fiber yielding the best results due to its superior physical interlocking effect, after 28 days of curing, the unconfined compressive strength (UCS) reaches 433.9 kPa, representing a 61.1% increase compared to the fiber-free sample. Fiber reinforcement markedly improves specimen ductility. Polypropylene fiber-modified soil exhibits the highest cohesion (140.36 kPa) in triaxial tests, with substantially enhanced shear strength. Microscopic analysis reveals interlaced fiber distribution within the matrix, forming a fiber skeleton that suppresses particle displacement, with different interfacial bonding mechanisms observed for different fibers. The structural uniform hardening (SUH) model is applied to this type of modified soil for the first time, accurately simulating the triaxial stress-strain curves and reproducing the full-range strain hardening response with correlation coefficients R² exceeding 0.98. The research results provide a theoretical basis and technical support for the green and efficient reinforcement of high-organic-content soft soils in this region.

Graphical abstract

关键词

泥炭质土 / 碱激发矿渣 / 纤维增强 / 力学性能 / 微观结构 / 结构统一硬化(SUH)模型

Key words

peat soil / alkali-activated slag / fiber reinforcement / mechanical properties / microstructure / structural uniform hardening (SUH) model

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汪超群, 屈俊童, 浦钧翔, 张衡, 王倩, 刘新月. 纤维增强碱激发矿渣固化泥炭质土的力学性能与微观结构:以昆明滇池周边泥炭质土为例[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(20): 8442-8451 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507075

WANG Chao-qun, QU Jun-tong, PU Jun-xiang, ZHANG Heng, WANG Qian, LIU Xin-yue. Mechanical Properties and Microstructure of Fiber-reinforced Alkali-activated Slag-solidified Peaty Soil: Peaty Soil around Dianchi Lake, Kunming[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(20): 8442-8451 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507075

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泥炭质土是一种富含有机质的特殊软土,具有高孔隙比、高天然含水率和高压缩性等特征,常导致地基过量沉降及稳定性问题。这主要源于其高达10%~60%的有机质含量,使其抗剪强度低、压缩变形大,在房建和交通工程中易引发不均匀沉降与施工困难^[1-2]。中国昆明滇池流域等地区广泛分布此类泥炭质土层,研究其有效的固化加固方法对提高地基承载力和推动绿色工程建设具有重要意义。

水泥是常用的固化材料,但其在泥炭质土中的固化效果受有机质抑制作用显著限制。研究表明,腐殖酸、有机酸等活性有机物会阻碍水泥水化反应,减少水化硅酸钙(calcium silicate hydrate,CSH)和钙矾石(3CaO·Al₂O₃·3CaSO₄·32H₂O,AFt)等凝胶产物的生成,导致强度提升受限^[3-8]。此外,水泥生产能耗高、碳排放量大,不符合“双碳”背景下绿色建材的发展要求。

碱激发胶凝材料(alkali-activated slag,AAS)作为一种新型无机胶凝体系,因低碳环保、早强、高强、耐腐蚀等优点,被视为水泥的潜在替代材料。褚锋等^[9]采用碱激发的复合类固化剂固化废弃黏土,生成大量水化硅(铝)酸钙和钙矾石,有效提高了黏土的强度与水稳性。Kazemian^[10]研究了不同碱激发材料对高有机质泥炭沉降的控制效果,验证了其改良潜力。陈林等^[11]采用碱激发矿渣对淤泥质工程渣土进行固化改良,生成以钠钙共存铝硅酸盐水化物[(N,C)-A-S-H]凝胶和钙矾石为主的水化产物,使固化土的强度、水稳性和抗渗性显著提升,且具有良好的环境效益。然而,碱激发材料在高有机质泥炭质土中的适应性与增强机制仍缺乏系统研究。

与此同时,短纤维加筋改良软土的研究也日益深入。杨少坤等^[12]研究发现,短纤维通过摩擦和黏结作用可限制土颗粒滑移,改善土体延性和结构完整性。戴涛等^[13]采用木质素纤维-水泥复合固化粉质黏土,发现纤维的空间加筋与成网效应改善了孔隙结构分布,促进水泥水化产物生成,从而显著提高了土体的强度与致密性。尚高鹏等^[14]利用聚丙烯纤维与聚合物复合改良粉土,研究其宏观力学特性及微观结构演化,结果表明,纤维的桥联与拉拔作用有效抑制了裂隙扩展,显著提升了改良土的抗压与抗剪强度。然而,目前针对不同类型纤维(如玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维)在碱激发矿渣体系中协同改良泥炭质土的作用机制、加固效果差异及微观反应特征仍缺乏深入、系统的研究。

综上,现有研究主要聚焦于碱激发材料在一般软土或淤泥中的加固效果,对高有机质泥炭质土的适应性及纤维协同机制关注不足,尤其缺乏不同纤维类型在碱激发体系下的系统比较研究。鉴于此,从纤维类型差异出发,结合宏观力学性能、微观分析与本构模型模拟,探讨其增强机理,以期为碱激发纤维固化泥炭质土的工程应用提供新思路。

前期试验采用碱性激发剂氢氧化钠(NaOH)与粒化高炉矿渣(granulated ground blast-furnace slag,GGBS)联合作为泥炭质土的固化材料,系统探讨了NaOH和GGBS掺量对固化土无侧限抗压强度的影响。结果表明,该固化体系效果良好:NaOH的加入不仅显著促进了GGBS水化产物CSH凝胶的生成,还促进土体中矿质结合态有机质向颗粒态有机质转化,加快有机质分解,降低了土体有机碳含量。全因子试验确定最优配比为6%NaOH+15%GGBS。

鉴于此,以昆明滇池流域典型泥炭质土为工程背景,在前期确定的最优碱激发配比(6%NaOH+15%GGBS)基础上,引入玄武岩纤维、聚丙烯纤维和聚丙烯腈纤维,开展宏微观跨尺度研究。首先系统对比了3种不同模量与表面特性的纤维在碱激发矿渣体系中的增强效能差异;然后结合X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)与扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)技术,深入揭示纤维与碱激发凝胶产物的微观协同作用机理;最后引入结构统一硬化(structural uniform hardening,SUH)模型,验证其对纤维改良土应变硬化行为的适用性。研究旨在阐明纤维增强机制,为该地区高有机质软土的绿色低碳治理提供科学依据。

1 实验材料及方案

1.1 实验材料

试验土样采自云南昆明市滇池周边,取土深度11~14 m。土体呈黑褐色软塑状,含大量未分解植物残体,具有典型泥炭质土的高含水率和高孔隙比特征。依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)^[15]对原状土样进行物理指标测试,结果如表1所示。

所用粒化高炉矿渣购自河南铂润铸造材料有限公司,其主要化学成分经X射线荧光(X-ray fluorescence,XRF)分析如表2所示,物理性质如表3所示。所用固体NaOH为分析纯试剂(西陇科学AR,纯度≥96%)。

选用玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维3种短纤维。3种纤维的主要物理力学参数如表4所示。由表4可知,玄武岩纤维强度在三者中最高,且可生物降解、对环境无害;但其极限伸长率低、延展性差,相对较脆。聚丙烯纤维密度小,为轻质材料,具有良好的耐化学腐蚀性,且成本低廉,但其力学强度相比某些高性能纤维偏低。聚丙烯腈纤维强度和弹性模量很高,延展性也优秀,对多种化学品有较强抵抗能力,但生产成本相对较高,且制造和处理过程中可能对环境有一定负面影响。综上,3种纤维各有优劣,因此有必要通过试验评估它们对碱激发矿渣固化泥炭质土的改良效果。

1.2 试样制备

将原状泥炭质土自然风干一周后过3 mm筛,取筛下部分制备试样。按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)^[15]中的轻击实试验确定土的最大干密度,并将目标压实度定为最大干密度的97%,模拟现场地基的密实状态。重塑土的初始含水率设定为100%,以保持其高含水特征。称量各组分用量(风干土、GGBS、NaOH、水和纤维)。首先,将NaOH溶于水并冷却24 h备用;然后将风干土、GGBS和纤维干拌均匀3 min,加入配制好的碱液后继续搅拌10 min,确保拌合均匀。将拌合料分三层装入直径39.1 mm、高80 mm的圆柱模中压实成型,脱模后用保鲜膜封存。试样经真空饱和处理后,置于(20±5) ℃、相对湿度≥95%的环境中养护7、14和28 d。养护期满后进行力学试验和微观分析。

1.3 试验方案

首先,在已确定的最优固化配比(15%GGBS+6%NaOH)基础上,分别掺入质量分数0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%、3.0%的3种纤维(玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维),开展无侧限抗压强度(unconfined compressive strength,UCS)试验,以确定不同纤维的最优掺量。随后,选取各类纤维的最优掺量,在围压150、300和450 kPa下进行不固结不排水三轴剪切试验(UU三轴试验),评估纤维对抗剪强度及应力-应变响应特性的影响。

为揭示纤维增强固化土的微观机制,从以上选取最优纤维掺量、28 d龄期试样,进行XRD和SEM分析。通过对比不同纤维改良试样与未加纤维试样的物相组成和纤维分布形态,探讨微观结构与宏观力学性能之间的关联机制。

2 实验结果与分析

2.1 无侧限抗压实验结果

图1展示了不同玄武岩纤维掺量试样在不同养护时间的UCS。前期研究表明,未掺纤维且养护7 d时(配比15%GGBS+6%NaOH)的UCS约269.2 kPa;掺入0.5%玄武岩纤维后,7 d强度提高至283.1 kPa。这表明少量玄武岩纤维的加入即能提高泥炭质土的抗压强度。进一步分析可知,玄武岩纤维掺量越高,固化土UCS越大,呈明显正相关关系;且纤维掺量越高,延长养护龄期所带来的强度增长幅度越大。其原因在于: 养护过程中土体内部持续生成的CSH凝胶与玄武岩纤维发生作用,有效限制纤维在土中的滑移。较高纤维掺量下这种作用更显著,从而显著提升土体强度。研究表明,玄武岩纤维表面粗糙且富含活性基团,可与水化产物形成化学键合,从而增强基体与纤维的界面黏结作用^[16]。研究结果进一步验证了该界面增强效应在碱激发矿渣体系中的适用性。

由图2可知,聚丙烯纤维的掺量对UCS的影响呈先增后减趋势,最优掺量为1.5%,对应28 d的UCS达433.9 kPa。相比之下,相同掺量1.5%时玄武岩纤维试样28 d强度为357.6 kPa;即使将玄武岩纤维掺量提高至2.5%,其UCS约405.7 kPa,仍低于聚丙烯纤维的峰值强度。这说明在提升泥炭质土抗压强度方面,聚丙烯纤维效果优于玄武岩纤维。值得注意的是,当纤维掺量超过最优值时,强度反而下降。这是由于聚丙烯纤维分散性较差,掺量过多时难以均匀分布,易出现纤维“抱团”形成土体薄弱区,反而削弱强度^[12]。此外,不同掺量聚丙烯纤维试样在养护过程中强度增长幅度相近,说明聚丙烯纤维与水化胶凝产物(CSH凝胶)之间的相互作用不明显,强度发展主要归因于水化反应本身。造成相互作用较弱的原因可能是与粗糙的玄武岩纤维表面相比,聚丙烯纤维表面更光滑,凝胶对其滑移位移的限制作用有限。朱敏等^[17]研究表明,适量聚丙烯纤维通过摩擦嵌锁与桥联作用可显著提高土体强度。本文结果与其规律一致,但进一步揭示了在碱激发体系中该增强作用的掺量敏感性。

图3为对不同养护时间不同聚丙烯腈纤维掺量的固化土试样进行无侧限抗压实验的实验结果。由图3可知,与聚丙烯纤维相似,固化土的无侧限抗压强度随聚丙烯腈纤维的掺量表现出先增后减的趋势,当聚丙烯腈纤维的掺量为1.5%时,固化土的抗压强度达到峰值,28 d抗压强度可达到408.6 kPa,低于相同掺量相同养护时间的聚丙烯纤维的强度,说明3种纤维中,聚丙烯纤维对固化土的抗压强度的提升效果是最优的。此外,聚丙烯腈纤维的分散性也比较差,大掺量的聚丙烯腈纤维容易在固化土体中出现“抱团”现象,反而增大了土体的孔隙,导致土体的抗压强度产生下降。陈辰等^[18]利用DIC技术发现,聚丙烯纤维能在裂纹尖端形成应力分散区并延缓裂缝扩展。本次研究在碱激发固化泥炭质土中也观察到类似的桥联与耗能机制,验证了其延性提升效应。

图4给出了掺1.5%三种纤维试样在不同养护龄期无侧限抗压后的破坏形态。图4(a)玄武岩纤维养护7 d时试样发生劈裂破坏;随养护时间延长至28 d,破坏形式转变为剪切破坏。图4(b)聚丙烯纤维7 d和14 d试样均呈剪切破坏;而28 d龄期试样未出现明显剪切带,反而中部隆起,伴随大量拉裂裂缝,表现出鼓胀加劈裂的复合破坏模式。这说明凝胶产物与纤维的共同作用很好地限制了颗粒位移:试样抗剪强度提高使其未出现典型剪切破坏,反而在拉应力作用下产生拉裂。增大的孔隙导致中部隆起,形成特殊破坏形态。图4(c)聚丙烯腈纤维各龄期试样均以剪切破坏为主。综合对比三种纤维的破坏模式可知,在相同掺量条件下,聚丙烯纤维对提高试样抗剪强度的作用最为显著。

总体而言,3种纤维均能提高固化泥炭质土的UCS,且最优掺量均为1.5%。其中聚丙烯纤维增强效应最突出,但在高掺量下存在分散性不足、易抱团的问题,工程应用中需适当控制纤维用量。

2.2 微观分析

纤维材料化学性质稳定,在常温下基本不与其他物质反应,因此对GGBS的水化反应影响很小。基于此,选取养护7 d、纤维掺量1.5%的聚丙烯纤维固化土试样进行XRD分析,并将其衍射图谱与未加纤维的NaOH+GGBS固化土、纯GGBS以及原状泥炭质土进行对比,结果如图5、图6所示。可以看出, 掺入聚丙烯纤维的试样与未掺纤维(仅NaOH+GGBS)试样的XRD图谱非常相似,说明聚丙烯纤维对GGBS水化反应的影响不大。对纤维固化土的XRD图进行定量分析可知:掺1.5%聚丙烯纤维时土体中非晶相含量为39.6%,略低于无纤维固化土的44.8%(6%NaOH+15%GGBS,来自前期试验数据)。可见聚丙烯纤维的加入使非晶态凝胶产量略有下降,推测原因是纤维在一定程度上阻碍了水分迁移和水化反应物的接触,减缓了水化反应速率。

图7为养护7 d、纤维掺量1.5%的聚丙烯纤维固化土的SEM显微照片。从图7(a)可以看出,在NaOH的作用下,有机质从土颗粒表面剥离并分解为条状或颗粒状。有机质和土颗粒周围生成的CSH凝胶填充了孔隙,将二者包裹黏结,降低了孔隙度并增强了土体黏聚力。从图7(b)可以看出,聚丙烯纤维在土体中交叉分布,有效限制内部颗粒位移。纤维表面未见明显凝胶包覆,这可能因为纤维表面较光滑,或与SEM制样过程有关,需进一步验证。此外,由于聚丙烯纤维的引入并不改变土体内部的化学反应过程,因此未对纤维改良土样进行能谱仪(energy dispersive spectroscopy,EDS)元素分析。

2.3 不固结不排水三轴剪切试验

为评估纤维对固化泥炭质土抗剪强度的提升效果,选取3种纤维的1.5%最优掺量试样,分别在围压150、300、450 kPa下进行不固结不排水(unconsolidated undrained,UU)三轴剪切试验(应力-应变曲线和莫尔圆如图8~图10所示),相关强度参数如表5所示。

前期试验数据显示,无纤维固化土在围压150、300、450 kPa下的峰值偏应力分别为211.63、268.41、355.73 kPa,对应内摩擦角10.25°、黏聚力66.21 kPa。如图8所示,加入1.5%玄武岩纤维后,同等围压下峰值偏应力显著提高,峰值偏应力随围压增大而增加,表明玄武岩纤维显著提升了土体的抗剪强度。与无纤维相比,玄武岩纤维使固化土的黏聚力和内摩擦角均有所提高。这是因为玄武岩纤维强度高、模量大,能够在土中有效分散应力并增强颗粒间联结,从而改善土体整体力学性能。

如图9所示,掺入1.5%聚丙烯纤维同样提高了固化土的峰值偏应力强度,且摩尔应力圆显示峰值偏应力相比无纤维试样有明显增长。尽管聚丙烯纤维分散性较差,过高掺量易导致纤维“抱团”形成薄弱区(这一现象在UCS试验中已得到体现),在本试验所采用的最优掺量下其黏聚力和内摩擦角仍较无纤维对照有大幅提升。这表明聚丙烯纤维在提高土体抗剪强度方面效果显著。此外,聚丙烯纤维具有较高的延伸率,使其在土体变形过程中能够吸收更多能量,显著提升了土体的延性(峰后变形能力)。

由图10可知,聚丙烯腈纤维对峰值偏应力的增强效果介于玄武岩纤维和聚丙烯纤维之间(均以各自1.5%掺量比较)。其峰值偏应力随围压增加而提高,但提升幅度略低于玄武岩纤维。黏聚力和内摩擦角的提高表明,聚丙烯腈纤维有助于增强颗粒间联结、改善土体整体性。然而,由于分散性所限,掺量过大时易出现纤维“抱团”现象,这将限制聚丙烯腈纤维在更高掺量下的增强化作用。

综上可知,3种纤维均能显著提升碱激发矿渣固化泥炭质土的三轴抗剪强度,但增强机理各有侧重。玄武岩纤维凭借高强度和高模量有效分散应力。丙烯纤维依靠其高延伸率(高延展性)吸收变形能量,提升土体变形能力。聚丙烯腈纤维则兼具一定强度和延展性优势。实际工程中,应根据工程需求及施工经济条件,选择适宜的纤维类型和掺量。

3 纤维固化土应力-应变本构分析

固化泥炭质土由于土体内部生成胶凝产物,在三轴剪切中常表现出应变软化特性。传统剑桥模型虽可用于描述常规黏土的应力-应变关系,但对峰值及残余阶段的模拟能力有限。为解决这一问题,姚仰平^[19]在剑桥模型基础上引入新参数,提出可描述超固结土应力-应变关系的UH模型。祝恩阳等^[20]进一步在UH模型基础上引入反映土体结构性的参数,建立了SUH模型。该模型的屈服函数为

(1)f=c_p$\left[ln\frac{p}{{p}_{x0}}+ln\left(1+\frac{{\eta }^{2}}{{M}^{2}}\right)\right]$-∫dH=0

(2)$\stackrel{-}{f}$=c_p$\left[ln\frac{\stackrel{-}{p}}{{\stackrel{-}{p}}_{x0}}+ln\left(1+\frac{{\stackrel{-}{\eta }}^{2}}{{\stackrel{-}{M}}^{2}}\right)\right]$-∫d$\stackrel{-}{H}$=0

式中:f和$\stackrel{-}{f}$分别为当前和参考应力屈服面;c_p=(λ-κ)/(1+e₀),其中,λ与κ分别为重塑土等向压缩指数和等向回弹指数;e₀为初始孔隙比;p_x₀和${\stackrel{-}{p}}_{x0}$为两屈服面在p轴上截距的初始值;η=q/p与$\stackrel{-}{\eta }$=$\stackrel{-}{q}$/$\stackrel{-}{p}$为应力比,其中,q和$\stackrel{-}{q}$为屈服面偏应力,p和$\stackrel{-}{p}$为当前和参考应力屈服面的平均应力;M和$\stackrel{-}{M}$为临界状态应力比;H和$\stackrel{-}{H}$为硬化参数。

为了将土体的结构性纳入考虑引入结构势(Δe),其结构性演化规律可表示为

(3)d(Δe)=-ζRΔed(lnp_x)

式(3)中:ζ为模型参数,表征结构势Δe的衰减速率;p_x为当前屈服面在p轴上的截距;R为内变量。

式(3)反映结构性随塑性应变逐渐衰减,从而影响应力-应变曲线在峰值后的演变形式。随后,浦钧翔等^[1]将SUH模型应用于碱激发固化泥炭质土,证明其对应变软化曲线及残余强度阶段具有良好的适用性。

借鉴浦钧翔等^[1]的方法,尝试将SUH模型与粒子群优化算法相结合用于应变硬化型纤维改良土的本构模拟,探讨模型的适用性。泥炭质土的基材土性参数采用课题组前期试验数据,结构参数Δe₀和ζ则通过粒子群优化算法反演获得。图11展示了围压150、300、450 kPa下聚丙烯纤维改良土的试验应力-应变曲线与SUH模型拟合曲线的对比,表6列出了相应的结构参数取值。

拟合结果表明,SUH模型能够准确再现聚丙烯纤维改良泥炭质土从初始到峰后的应变硬化全过程,三组围压条件下的拟合相关系数R²均超过0.98。拟合参数表明:初始结构势Δe₀较高而结构衰减率ζ较低。这表明纤维的桥联与拔出作用增强了土体结构性,延缓了结构损伤发展,使改良土在峰后阶段仍表现出应变硬化型曲线。这一点与未掺纤维泥炭质土普遍呈现应变软化的规律形成对比,进一步体现了纤维改良在改善泥炭质土力学行为方面的独特作用。

4 结论

系统研究了碱激发矿渣结合3种短纤维(玄武岩纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维)改良昆明滇池周边泥炭质土的宏观力学性能、微观结构特征及本构模型模拟,得出如下主要结论。

(1)3种短纤维均能有效提升碱激发矿渣固化泥炭质土的抗压与抗剪性能,构建了“碱激发+纤维”的绿色高效固化体系。对比发现聚丙烯纤维增强效果最优,在28 d养护条件下,其UCS达433.9 kPa,较未掺纤维样品提高61.1%,显著改善了泥炭质土的承载力与整体稳定性。

(2)三轴剪切试验结果显示,纤维的引入明显增强了土体的延性与峰后承载能力。聚丙烯纤维改良土的黏聚力最高,达140.36 kPa,剪切强度提升最为突出;玄武岩纤维与聚丙烯腈纤维亦表现出良好的加固效果。

(3)微观分析表明,碱激发矿渣生成的凝胶产物有效增强了土体骨架,纤维在基体中交错分布,通过桥联与拔出作用抑制颗粒位移和裂隙扩展,从而提高了固化土的结构完整性和延性。

(4)SUH本构模型能够准确再现聚丙烯纤维改良泥炭质土的应力-应变全过程,其拟合优度R²均大于0.98。模型参数分析揭示了纤维桥联作用通过提高土体初始结构势、延缓结构衰减,使改良土表现出显著的应变硬化特征,验证了SUH模型在此类纤维复合岩土材料中的适用性。

(5)系统比较了不同短纤维在碱激发矿渣体系中的增强机制,并首次通过SUH模型验证其应变硬化规律,为高有机质软土的绿色固化提供了新的理论依据与工程思路。

综上,碱激发矿渣结合短纤维增强是一种绿色、高效且可持续的泥炭质土加固方法,既显著提高了力学强度,又改善了变形特性。未来可进一步开展纤维改良土的长期耐久性与现场应用研究,为复杂软土地基的工程实践提供参考。

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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