Características de resistência ao cisalhamento da fibra de basalto

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 15923 (2023) Citar este artigo

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Loess possui características de colapsabilidade, desintegração e solubilidade, que representam um desafio para a engenharia de construção. Para examinar a resistência ao cisalhamento do loess reforçado com fibra de basalto (BFR), testes triaxiais não drenados consolidados (CU) foram realizados para explorar os impactos do teor de água (w), comprimento da fibra (FL), teor de fibra (FC) e pressão da célula ( σ3) na resistência ao cisalhamento. De acordo com os resultados, o modelo de resistência ao cisalhamento foi estabelecido levando em consideração os impactos de FL, FC e diâmetro da fibra (d). Os resultados mostraram que o pico de resistência dos solos BFR aumentou com o aumento de FL, FC e σ3, enquanto diminuiu com o aumento de w. Comparado ao solo não reforçado, o pico de resistência do loess BFR melhorou 64,60% quando o FC foi de 0,2% e o FL foi de 16 mm. A condição ótima de reforço para o loess experimental foi a de FL de 16 mm e FC de 0,8%. O mecanismo de reforço das fibras foi dividido em um único efeito de tração e efeito de malha espacial. Os resultados experimentais e calculados concordaram bem, o que sugeriu que o modelo é adequado para prever a resistência ao cisalhamento do loess BFR. Os resultados da pesquisa podem oferecer uma diretriz para a aplicação do loess BFR na engenharia de subleitos e taludes.

Loess é um sedimento quaternário difundido no noroeste da China1. Com o desenvolvimento da “Iniciativa Cinturão e Rota”, instalações de transporte modernas representadas por rodovias e ferrovias de alta velocidade foram construídas em grande número2,3,4. No entanto, as características estruturais do loess, como poroso, fracamente cimentado e pouco compactado, levam à colapsabilidade, desintegração e solubilidade, o que representa um desafio para a construção de engenharia5. O método de reforço com fibras (FR) fornece uma ideia para resolver problemas de engenharia, e as fibras limitam a deformação das partículas do solo através da força de tração e da força de atrito, resultando em excelentes propriedades mecânicas do solo reforçado6,7. Ibraim et al.8,9,10 concluíram que a energia de compactação da areia solta reforçada com fibras é menor do que a da areia mais densa não reforçada quando o pico de resistência se mantém constante. O método reforçado com fibra pode reduzir significativamente o potencial de liquefação da areia em cargas de compressão e extensão. Um novo método de amostragem para areia reforçada com fibras, adotado por vibração de misturas úmidas de areia/fibra, foi proposto e avaliado. Reza Tabakouei et al.11 afirmaram que o tipo de fibra, o comprimento da fibra e o diâmetro do corpo de prova determinaram a resistência à compressão não confinada do solo arenoso reforçado com fibra. Sharma e Kumar12 relataram que a densidade relativa afeta notavelmente a capacidade de suporte final e o recalque da areia reforçada com fibra, e o efeito de melhoria atingiu o máximo quando a densidade relativa era de 70%. Festugato et al.13 relataram que a inclusão de fibra de polipropileno tornou a areia densa mais rígida do que a areia não reforçada sob carregamento cíclico. Choobbasti et al.14 concluíram que a fibra de álcool polivinílico pode melhorar a resistência ao cisalhamento e a deformação axial na ruptura da areia Babolsar, enquanto diminuiu a perda de resistência após o pico de resistência. Soriano et al.15 descobriram que a porosidade da areia reforçada com fibras aumentou nas proximidades das fibras, o que validou a suposição de índice de vazios roubados. Mandolini et al.16 afirmaram que a resistência da fibra é governada pelo domínio de deformação à tração e pela distribuição de orientação da fibra.

Para solo argiloso, Abdi et al.17 concluíram que a fibra de polipropileno pode aumentar a compressão, resistência e ductilidade de compósitos argilo-cal. Hejazi et al.18 relataram que o teor de fibra, o diâmetro da fibra e a proporção da fibra afetaram a resistência ao cisalhamento do solo reforçado com fibra. Abbaspour et al.19 revelaram que as fibras têxteis de resíduos de pneus podem melhorar as propriedades mecânicas do solo expansivo, e as deformações de expansão foram reduzidas em 44%. Consoli et al.20,21 relataram que a relação entre porosidade e cimento desempenhou um papel crítico na avaliação da resistência à compressão não confinada de compósitos solo-cal reforçados com fibras. Além disso, a adição de fibra de vidro foi ineficaz para deduzir a deformação volumétrica do solo dispersivo rico em sulfato reforçado com fibra. Tamassoki et al.22 afirmaram que o teor de 3% de carvão ativado e fibra de coco pode melhorar significativamente a resistência à compressão, enquanto o teor de 2% pode aumentar notavelmente a resistência ao cisalhamento do solo laterítico. Soleimani-Fard et al.23 revelaram que fibras distribuídas discretamente podem melhorar significativamente a resistência ao cisalhamento, a compressão e a condutividade hidráulica de solos de granulação fina reforçados com fibras. Malekzadeh e Bilsel24 relataram que a adição de fibra de polipropileno pode diminuir significativamente a expansão e retração do solo expansivo, e o limite de retração aumentou mais de 50%. Phanikumar e Singla25 afirmaram que o potencial de expansão e a pressão de expansão do solo expansivo reforçado com fibra de náilon diminuíram com o aumento do comprimento da fibra, e as propriedades de consolidação secundária melhoraram significativamente para o solo reforçado com fibra. Wang et al.26 concluíram que as resistências à compressão e à tração do loess de colapsabilidade mostraram tendências de primeiro aumento e depois diminuição conforme o aumento do teor de fibra de vidro (FC). Huang et al.27 descobriram que o FR pode aumentar notavelmente a resistência do loess remodelado. Ao mesmo tempo, o módulo de compressão primeiro aumentou e depois diminuiu com o aumento da FC, e a FC ideal foi de 0,6%. Xu et al.28 declararam que a tensão desviadora de dano do basalto FR (BFR) loess melhorou primeiro e depois reduziu à medida que a FC aumentou, e a FC ideal foi de 0,6%. Zhu et al.29 verificaram que a condição ótima para a resistência à compressão não confinada (UCS) do polipropileno FR loess com comprimento de fibra (FL) e FC foi de 12 mm e 0,5%, respectivamente. Enquanto isso, a condição ótima para o módulo de deformação foi de 12 mm FL e 0,3% FC. Zuo et al.30 adotaram método compósito para modificar o solo e concluíram que a resistência à compressão e a flexibilidade do loess foram efetivamente melhoradas, e as condições ótimas foram 1,5% de goma xantana e 0,6% de fibra de basalto. Lu et al.31 declararam que os índices de resistência ao cisalhamento do polipropileno FR loess aumentaram 113,8% e 23,3%, respectivamente, enquanto a taxa de desintegração diminuiu quase 87,5%. An et al.32 observaram que a capacidade permeável do solo de polipropileno FR aumentou significativamente, e o efeito protetor da encosta de loess foi evidente. Dong et al.33 descobriram que a resistência do solo FR de lignina aumentou à medida que a pressão celular (σ3) aumentou, e a curva tensão-deformação foi transferida do endurecimento para o amolecimento com o aumento da FC. Chu et al.34 obtiveram que a resistência do solo FR aumentou primeiro, depois reduziu com o aumento do FC, e a coesão aumentou notavelmente. Xiong et al.35 observaram que as curvas de loess do BFR foram convertidas de amolecimento para endurecimento, e os índices de resistência ao cisalhamento melhoraram em 52,03% e 24,30%, respectivamente. Wang et al.36 concluíram que as fibras de basalto podem melhorar significativamente a fluência de loess, e a deformação por fluência dos solos BFR diminuiu com o aumento de σ3. Hu et al.37 observaram que a coesão do FR loess melhorou primeiro e posteriormente reduziu com o aumento do FC, e o FC ideal deveria ser de pelo menos 0,2% na engenharia prática. Gao et al.38 descobriram que o UCS de amostras preparadas pelo método de mistura diluída era mais adequado do que o método de mistura direta, e o efeito da lignina FC no UCS era mais óbvio. Su e Lei39 apontaram que a fibra de palma pode melhorar notavelmente o UCS do loess, e a influência da densidade seca na resistência é significativa, enquanto o impacto do FL não é significativo. Chen et al.40 declararam que o módulo de cisalhamento dinâmico de loess aumentou notavelmente com o aumento do teor de cinzas volantes e da pressão da célula, enquanto a taxa de amortecimento diminuiu com o aumento do teor de cinzas volantes e σ3. Yang et al.41 descobriram que as fibras de polipropileno podem alterar o loess modificado com cimento de frágil para dano plástico, e as fibras desempenharam um papel de ligação. As condições ótimas de reforço foram 0,30–0,45% de FC e 12 mm de FL.