1、第 20 卷 第 2 期2023 年 2 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 2February 2023不同纤维掺量风积沙水泥基材料三轴试验研究雷佳，程建军，丁泊淞，马奔腾，高丽，李宇鹏，程曜森(石河子大学 水利建筑工程学院，新疆 石河子 832003)摘要：风积沙储量丰富，分布广泛，取材方便，在沙漠地区已将其作为建筑材料应用于铁路路基及沙害防治工程建设之中。通过添加纤维能够实现提升风积沙水泥基材料的物理力学性能以满足工程服役要求。为了揭示纤维增强风积沙水泥基材料在环境应力及工程服役荷载作用
2、下的应力应变性能，评价纤维对风积沙水泥基材料的加筋效果，开展聚丙烯纤维增强风积沙水泥基材料三轴试验，通过改变纤维的掺量以及侧向围压的大小，分析应力应变曲线特征值的变化规律，探究材料的变形及破坏规律。研究结果表明：试件破坏时的裂缝发展方向与轴向的夹角随围压增大由0到90逐渐过渡。与无围压作用下试件的应力应变曲线存在明显峰值点这一特点相比，三向应力共同作用时曲线的下降段变得舒缓，当围压超过15 MPa时，曲线会一直上升至试验结束。随纤维掺量的提升，试件的峰值应力先升后降，掺量0.5%时为最大值，与不掺纤维的对照组相比其峰值应力提升了17.3%27.4%；在以上试验数据的基础上，推演出聚丙烯纤维增强
3、风积沙水泥基材料的应力应变本构方程。研究成果对纤维增强风积沙水泥基材料在沙漠铁路建设中的工程应用具有借鉴和参考价值。关键词：风积沙；聚丙烯纤维；水泥基材料；沙漠铁路；三轴试验中图分类号：TU528.58 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识(OSID)文章编号：1672-7029（2023）02-0587-13Triaxial test study on aeolian sand cement-based materials with different fiber contentLEI Jia,CHENG Jianjun,DING Bosong,MA Benteng,GAO Li,LI
4、Yupeng,CHENG Yaosen(College of Water Conservancy&Civil Engineering,Shihezi University,Shihezi 832003,China)Abstract:Aeolian sands,which are abundantly available,widely distributed,and easy to acquire,have been used as construction materials in railway subgrade and sand hazard control projects in des
5、ert regions.The physical and mechanical properties of aeolian sand cement-based materials can be improved by adding fibers to satisfy the requirements of engineering services.In order to reveal the stress-strain performance of fiber reinforced aeolian sand cement-based materials under environmental
6、stress and engineering service loads,and evaluate the reinforcement effect of fibers on the aeolian sand cement-based materials,the triaxial tests of polypropylene fiber reinforced aeolian sand cement-based materials were carried out.By changing the amount of fiber and the lateral confining pressure
7、 level,the variation law of the characteristic values of the stress-strain curve was analyzed,and 收稿日期：2022-02-25基金项目：国家自然科学基金资助项目(52168065)；兵团重大科技计划项目(2020AA002)；兵团中青年科技创新领军人才计划项目(2019CB023)通信作者：程建军(1979)，男，河北衡水人，教授，博士，从事工程治沙与风积沙综合利用研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220335铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023
8、年 2月the deformation and failure law of the material was explored.The results show that,the angle between the crack development direction and the axial direction during the failure of the specimen gradually transits from 0 to 90 as the confining pressure increases.Compared with the obvious peak point
9、 of the stress-strain curve under no confining pressure,the descending section of the stress-strain curve under the combined action of three-dimensional stress states becomes slower.When the confining pressure exceeds 15 MPa,the curve rises until the end of the test.With the increase of fiber conten
10、t,the peak stress of the specimens first increased and then decreased.It reached the maximum when the fiber content was 0.5%and increased by 17.3%27.4%as compared to the control group without fiber.Based on the above test data,the stress-strain constitutive equation of polypropylene fiber reinforced
11、 aeolian sand cement-based material was deduced.The research results in this paper have reference value for the engineering applications of fiber reinforced aeolian sand cement-based materials in desert railway construction.Key words:aeolian sand;polypropylene fiber;cement-based materials;desert rai
12、lway;triaxial experimental 沙漠戈壁地区具有丰富的风积沙资源，在沙漠铁路路基及防护工程的建设过程中，由于河砂和碎石资源的匮乏，部分国家和地区采用风积沙代替传统的建筑用砂制作水泥基材料运用到实际工程中14。风积沙具有结构松散、孔隙率大、强度较低、水稳定性好、受不利季节影响小等特点，并且储量丰富，分布广泛5。目前针对风积沙工程材料特性的研究广泛集中在物理化学性质、力学性质、压实特征、性能改良等方面。银英姿等6对风积沙混凝土进行SEM和NMR分析，研究其内部形态和孔结构特征，认为风积沙的掺入使混凝土硬化后的孔隙由大向小发展；MARA等7根据不同标准中风积沙的特点和性能对其进
13、行了分类，推动了风积沙的工程应用；阮波等8研究了水泥改良风积沙在70 高温养护条件下的力学特性，利用无侧限抗压强度试验得出了掺量4%的水泥改良风积沙能满足基床底层填料设计要求；DONG等9通过超声脉冲速度和共振频率检测风积砂轻骨料混凝土冻融损伤变量，得出风积沙替代河沙的最佳替代率为20%30%，建立了预测风积沙轻骨料混凝土冻融损伤的本构模型；张宏等10对风积沙的压实特征展开研究，提出了风积沙击实曲线与振动压实曲线多峰特征；胡三喜11通过掺入不同配比的粉土改良风积沙铁路路基填料，根据室内试验与现场施工数据对比，认为风积沙与粉土掺配比为1:1.5时可以用于路堤填筑。风积沙水泥基材料与传统建筑用砂制
14、作的混凝土相比强度偏低，达不到实际工程的应用标准，若以风积沙简单替代细骨料直接运用，其效果不佳，在铁路路基及防护工程中使用受到各种环境应力及吊装、自重等荷载易破坏开裂，所以有必要通过添加筋材增加其韧性和受力性能。研究表明，在混凝土中加入纤维可以有效提升其韧性12及力学性能1315。ZHU等16研究发现掺加玻璃纤维可对由风积沙、矿物掺合料、水泥等组成的改性喷射混凝土的抗拉强度和抗剪强度分别提高310%和596%；杨正宏等17对多组聚丙烯纤维掺量不同的配合比进行研究，发现纤维掺量为 1.3 kg/m3时风积沙砂浆的干缩、抗裂性能最佳；解国梁等18发现加入适量玄武岩纤维时，风积沙混凝土的终裂次数、延
15、性比和韧性系数分别为普通风积沙混凝土的 1.75倍，4.41倍和2.75倍。KACHOUH等19发现钢纤维对可再生混凝土的峰前斜率、抗弯强度、挠度、韧性和等效抗弯比有改善作用，体积分数为3%时最明显。纤维的加入使风积沙水泥基材料克服了自身强度不足的缺点，结合风积沙能够就地取材这一天然优势，非常适用于沙漠铁路及公路沿线风沙防治工程的建设，既节约了原材料成本及运输成本，又将线路沿线的风积沙充分利用，同时减轻了其对线路本身的沙害威胁，而且利用风积沙进行沙障的制作和构建不会对环境造成二次污染，进而通过这种方式实现“以沙治沙”。为了进一步探究风积沙作为直接建筑材料应用于沙漠铁路路基及防护工程建设的可行性
16、，采用风积沙全比例代替传统意义上的建筑用砂作为水泥基材料的细骨料，并通过加入聚丙烯纤维对材料整体性能进行改良与提升，研究该材料在三向应力状态下的破坏形态和力学性能，研究结果为纤维增强风积沙水泥基材料在沙漠铁路建设中的工程应用提供了参考与依据。588第 2 期雷佳，等：不同纤维掺量风积沙水泥基材料三轴试验研究1 试验概况1.1原材料风积沙取自位于沙漠戈壁地区的额哈铁路沿线，其主要化学成分为SiO2，Al2O3，CaO和MgO等。电子显微镜下观察砂粒特征，其粒径主要集中在60300 m范围内，放大1 600倍后观察砂砾表观特征显示其表面特征呈凹凸不平状，棱角较为圆润(如图1)。通过激光粒度仪对砂样的粒径分布进行测试，得出试验所用风积沙最大占比粒径和平均粒径依次为 161.4 m 和 139.6 m，属于极细砂(如图2)，相对于普通建筑用砂，其粒径分布相对集中，基本物理性能见表1。本研究选用聚丙烯纤维(Polypropylene Fiber，简称PP Fiber)作为加筋材料，其主要物理性能如表2所示。具有轻质高强、弹性好、耐磨等特点，与水泥基材料结合其粗糙的表面可以提供较强的握裹力。试验水
