Caratteristiche di resistenza al taglio della fibra di basalto

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 15923 (2023) Citare questo articolo

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Loess possiede le caratteristiche di collassabilità, disintegrazione e solubilità, che rappresentano una sfida per l'ingegneria delle costruzioni. Per esaminare la resistenza al taglio del loess rinforzato con fibre di basalto (BFR), sono stati condotti test triassiali consolidati non drenati (CU) per esplorare gli impatti del contenuto di acqua (w), della lunghezza delle fibre (FL), del contenuto di fibre (FC) e della pressione cellulare ( σ3) sulla resistenza al taglio. In base ai risultati, il modello di resistenza al taglio è stato stabilito tenendo conto degli impatti di FL, FC e diametro delle fibre (d). I risultati hanno mostrato che la resistenza di picco dei suoli BFR aumentava all’aumentare di FL, FC e σ3, mentre diminuiva all’aumentare di w. Rispetto al terreno non rinforzato, la resistenza massima del loess BFR è migliorata del 64,60% quando FC era dello 0,2% e FL era di 16 mm. La condizione di rinforzo ottimale per la perdita sperimentale era quella di FL pari a 16 mm e FC pari a 0,8%. Il meccanismo di rinforzo delle fibre è stato suddiviso in un singolo effetto di trazione e un effetto di rete spaziale. I risultati sperimentali e calcolati concordano bene, il che suggerisce che il modello è adatto per prevedere la resistenza al taglio del loess BFR. I risultati della ricerca possono offrire una linea guida per l’applicazione del loess BFR nell’ingegneria dei sottofondi e dei pendii.

Il loess è un sedimento quaternario diffuso nel nord-ovest della Cina1. Con lo sviluppo della “Belt and Road Initiative”, sono state costruite in gran numero moderne strutture di trasporto rappresentate da autostrade e ferrovie ad alta velocità2,3,4. Tuttavia, le caratteristiche strutturali del loess, come poroso, debolmente cementato e poco compattato, portano alla collassabilità, alla disintegrazione e alla solubilità, che rappresentano una sfida per l’ingegneria delle costruzioni5. Il metodo del rinforzo delle fibre (FR) fornisce un'idea per risolvere problemi di ingegneria e le fibre limitano la deformazione delle particelle del terreno attraverso la forza di trazione e la forza di attrito, con conseguente eccellenti proprietà meccaniche del terreno rinforzato6,7. Ibraim et al.8,9,10 hanno concluso che l'energia di compattazione della sabbia fibrorinforzata è inferiore a quella della sabbia non rinforzata più densa quando la resistenza di picco rimane costante. Il metodo fibrorinforzato può ridurre significativamente il potenziale di liquefazione della sabbia nei carichi di compressione ed estensione. È stato proposto e valutato un nuovo metodo di campionamento per la sabbia fibrorinforzata adottato mediante vibrazione di miscele sabbia/fibra umide. Reza Tabakouei et al.11 hanno affermato che il tipo di fibra, la lunghezza della fibra e il diametro del provino determinano la resistenza alla compressione non confinata del terreno sabbioso rinforzato con fibra. Sharma e Kumar12 hanno riferito che la densità relativa influenza notevolmente la capacità portante ultima e l'assestamento della sabbia fibrorinforzata, e l'effetto di miglioramento ha raggiunto il massimo quando la densità relativa era del 70%. Festugato et al.13 hanno riferito che l'inclusione della fibra di polipropilene ha reso la sabbia densa più rigida rispetto alla sabbia non rinforzata sotto carico ciclico. Choobbasti et al.14 hanno concluso che la fibra di alcol polivinilico può migliorare la resistenza al taglio e la deformazione assiale al cedimento della sabbia di Babolsar, riducendo al contempo la perdita di resistenza dopo il picco di resistenza. Soriano et al.15 hanno scoperto che la porosità della sabbia fibrorinforzata aumentava in prossimità delle fibre, il che ha convalidato l'ipotesi del rapporto dei vuoti rubati. Mandolini et al.16 hanno affermato che la resistenza delle fibre è governata dal dominio di deformazione a trazione e dalla distribuzione dell'orientamento delle fibre.

Per i terreni argillosi, Abdi et al.17 hanno concluso che la fibra di polipropilene può aumentare la compressione, la resistenza e la duttilità dei compositi argilla-calce. Hejazi et al.18 hanno riferito che il contenuto di fibre, il diametro delle fibre e il rapporto d'aspetto delle fibre influenzano la resistenza al taglio del terreno fibrorinforzato. Abbaspour et al.19 hanno rivelato che le fibre tessili di scarto degli pneumatici possono migliorare le proprietà meccaniche del terreno espansivo e le deformazioni di rigonfiamento sono state ridotte del 44%. Consoli et al.20,21 hanno riferito che il rapporto tra porosità e cemento ha svolto un ruolo critico nella valutazione della resistenza a compressione non confinata dei compositi terreno-calce rinforzati con fibre. Inoltre, l’aggiunta di fibra di vetro si è rivelata inefficace per dedurre la deformazione volumetrica del terreno dispersivo ricco di solfati rinforzato con fibre. Tamassoki et al.22 hanno affermato che il contenuto del 3% di carbone attivo e fibra di cocco può migliorare significativamente la resistenza alla compressione, mentre il contenuto del 2% può migliorare notevolmente la resistenza al taglio del terreno lateritico. Soleimani-Fard et al.23 hanno rivelato che le fibre distribuite discretamente possono migliorare significativamente la resistenza al taglio, alla compressione e alla conduttività idraulica del terreno a grana fine rinforzato con fibre. Malekzadeh e Bilsel24 hanno riferito che l'aggiunta di fibra di polipropilene può ridurre significativamente il rigonfiamento-restringimento del terreno espansivo e il limite di ritiro è aumentato di oltre il 50%. Phanikumar e Singla25 hanno affermato che il potenziale di rigonfiamento e la pressione di rigonfiamento del terreno espansivo rinforzato con fibra di nylon diminuiscono con l’aumento della lunghezza delle fibre e le proprietà di consolidamento secondario migliorano significativamente per il terreno rinforzato con fibra. Wang et al.26 hanno concluso che le resistenze a compressione e trazione della perdita di collassabilità hanno mostrato la tendenza ad aumentare e poi a diminuire all'aumentare del contenuto di fibra di vetro (FC). Huang et al.27 hanno scoperto che l'FR può aumentare notevolmente la resistenza del loess rimodellato. Allo stesso tempo, il modulo di compressione prima aumentava e poi diminuiva con l’aumentare della FC, e la FC ottimale era dello 0,6%. Xu et al.28 hanno dichiarato che lo stress del deviatore del danno del loess del basalto FR (BFR) è aumentato prima e poi si è ridotto all'aumentare della FC, e la FC ottimale era dello 0,6%. Zhu et al.29 hanno scoperto che la condizione ottimale per la resistenza a compressione non confinata (UCS) del loess di polipropilene FR con lunghezza delle fibre (FL) e FC era rispettivamente di 12 mm e 0,5%. Nel frattempo, la condizione ottimale per il modulo di deformazione era di 12 mm FL e 0,3% FC. Zuo et al.30 hanno adottato un metodo composito per modificare il terreno e hanno concluso che la resistenza alla compressione e la flessibilità del loess erano effettivamente migliorate e le condizioni ottimali erano l'1,5% di gomma di xantano e lo 0,6% di fibra di basalto. Lu et al.31 hanno dichiarato che gli indici di resistenza al taglio del polipropilene FR loess sono aumentati rispettivamente del 113,8% e del 23,3%, mentre il tasso di disintegrazione è diminuito di quasi l'87,5%. An et al.32 hanno osservato che la capacità permeabile del terreno in polipropilene FR aumentava significativamente e l'effetto protettivo della pendenza del loess era evidente. Dong et al.33 hanno scoperto che la resistenza del terreno FR della lignina aumentava all'aumentare della pressione cellulare (σ3) e la curva stress-deformazione si trasferiva dall'indurimento all'ammorbidimento con l'aumento della FC. Chu et al.34 hanno ottenuto che la resistenza del terreno FR aumentava prima, poi si riduceva all'aumentare della FC, e la coesione aumentava notevolmente. Xiong et al.35 hanno osservato che le curve del loess BFR venivano convertite da rammollimento a indurimento e gli indici di resistenza al taglio erano migliorati rispettivamente del 52,03% e del 24,30%. Wang et al.36 hanno concluso che le fibre di basalto possono migliorare significativamente il creep del loess e che la deformazione del creep dei suoli BFR diminuisce con l'aumentare di σ3. Hu et al.37 hanno notato che la coesione del loess FR è stata inizialmente migliorata e successivamente ridotta con l'aumento della FC, e la FC ottimale dovrebbe essere almeno dello 0,2% nell'ingegneria pratica. Gao et al.38 hanno scoperto che l'UCS dei campioni preparati con il metodo di miscelazione diluita era più adatto di quello del metodo di miscelazione diretta e l'effetto della lignina FC sull'UCS era più evidente. Su e Lei39 hanno sottolineato che la fibra di palma può migliorare notevolmente l’UCS del loess, e l’influenza della densità secca sulla resistenza è significativa, mentre l’impatto del FL non è significativo. Chen et al.40 hanno dichiarato che il modulo di taglio dinamico del loess aumenta notevolmente con l'aumento del contenuto di ceneri volanti e della pressione cellulare, mentre il rapporto di smorzamento diminuisce all'aumentare del contenuto di ceneri volanti e di σ3. Yang et al.41 hanno scoperto che le fibre di polipropilene possono modificare il loess modificato dal cemento da fragile a danno plastico, e le fibre hanno svolto un ruolo di ponte. Le condizioni ottimali di rinforzo erano 0,30–0,45% di FC e 12 mm di FL.