玄武巖纖維水泥土的滲透性試驗研究

楊建學

(1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福州 350108；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州 350108)

水泥土憑借其低滲透性的優點已經在實際工程中得到了廣泛的應用，尤其是在地下工程中的水泥土截滲墻方面的應用。而目前，對于水泥土滲透性能的研究還較少，特別是考慮到摻入玄武巖纖維的情況下。

為研究玄武巖纖維對其他物質的影響，許多學者做了研究。張莉等[1]研究了玄武巖纖維對粉煤灰混凝土的影響；吳濤[2]研究了其對乳化瀝青水泥的影響；劉雨姍等[3]研究了其對橡膠混凝土的影響；茍萬等[4]研究了其在建筑材料領域的應用；吳雙江等[5]研究了玄武巖纖維自密實混凝土；曹佳偉等[6]研究了玄武巖纖維透水瀝青混合料的性能；陳停偉等[7]對玄武巖纖維混凝土進行研究。

對于水泥土滲透性，也有眾多學者對此進行了研究。陳四利等[8]對水泥復合土的滲透性能進行了研究；楊靜等[9]對水泥土滲透性研究現狀進行了總結；夏正兵[10]研究了水泥土滲透系數影響因素；楊俊杰等[11]對水泥土滲透性能室內試驗進行了研究；王賢昆[12]研究了土體性質差異對復合水泥土滲透性的影響；龐文臺等[13]對復合水泥土抗滲性能進行了實驗研究；許展峰[14]基于室內試驗對水泥土滲透性進行了研究；陳迪等[15]對在減水劑影響下水泥土力學與滲透特性進行了研究；盧亮等[16]對兩種類型水泥土抗滲性能進行了實驗研究。

在水泥土中摻入不同摻量的玄武巖纖維，以研究玄武巖纖維摻量、養護齡期對水泥土滲透性能的影響，并根據試驗數據擬合出玄武巖纖維摻量、養護齡期與水泥土滲透系數的關系式，為實際工程提供參考。

1 玄武巖纖維水泥土滲透性試驗

1.1 試驗方案

試驗的主要目的是研究玄武巖纖維摻量、齡期對水泥土滲透性能的影響，并根據試驗數據建立玄武巖纖維摻量、齡期t與水泥土滲透系數k的關系式。

試驗設置了2個變量：一個是玄武巖纖維摻量，4個摻量水平分別為0、0.5%、1.0%和1.5%；另一個是水泥土的養護齡期，4個水平分別為7、28、60、90 d。除了玄武巖纖維摻量和齡期兩個變量外，其他摻量都是常量。

玄武巖纖維水泥土滲透性試驗配合比設計數據如表1所示。

表1 玄武巖纖維水泥土滲透性試驗配合比設計

1.2 試驗過程

試驗過程主要可分為試樣的制作及養護、試驗儀器的選擇、試樣的密封、試驗步驟和試驗結果處理5個方面。

試驗材料：土樣、水泥、水和玄武巖纖維。

試驗儀器：TJSS-25型水泥土滲透試驗裝置。

試樣的密封：采用石蠟對玄武巖纖維水泥土試樣進行密封。

試驗步驟：

(1)在密封完的水泥土試樣和鋼模的下口先后放上濾紙和透水石，并使透水石與鋼模底部齊平，然后再將鋼模安裝到滲透裝置上。

(2)接通滲透裝置的電源。

(3)調整完水壓力后，關閉排水閥門且打開壓力閥門，開始試驗。

(4)當水泥土試樣表明開始有水較均勻也滲出時，便可以開始記錄某時間段內的出水量Q，并同時要測量水溫。將水分吸出，讀取出水量Q。

(5)當水泥土試樣表明的滲水量較小且穩定時，便可結束試驗。

2 試驗結果

根據計算并修正后，可得到不同配合比的滲透系數k。其具體結果如表2所示。

表2 玄武巖纖維水泥土的滲透系數

3 玄武巖纖維摻量對水泥土滲透性能的影響

3.1 試驗結果分析

根據表2的試驗結果，繪制了玄武巖纖維摻量與滲透系數k的關系曲線，如圖1所示。

由圖1可知，無論是哪個齡期的水泥土，其滲透系數均會隨著玄武巖纖維摻量的增加而減小。以玄武巖纖維摻量為0的A組為基準組，通過計算得到其余各組相對于A組滲透系數的下降率，其結果如表3所示。具體分析如下。

圖1 水泥土滲透系數與玄武巖纖維摻量的關系曲線Fig.1 Relationshipcurve between cemented soilpermeability coefficient and basalt fiber content

表3 玄武巖纖維水泥土滲透系數的下降率

(1)隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥土的滲透系數降低，即水泥土的抗滲性能提高了。

(2)摻加等量玄武巖纖維的情況下，隨著纖維含量的增大，水泥土滲透系數的下降率降低了，即水泥土滲透系數的下降幅度減緩。

(3)養護齡期為60 d和90 d時，其滲透系數的變化趨勢也幾乎同7 d和28 d時一致，折線的斜率也都是由陡變緩。

以上結果分析證明了玄武巖纖維能夠提高水泥土的抗滲性能。因此，綜合試驗分析，玄武巖纖維的最佳摻量為1.5%。

3.2 滲透系數與玄武巖纖維摻量的關系式

由試驗結果可以通過建立玄武巖纖維摻量與水泥土滲透系數之間的函數關系式，對玄武巖纖維摻量超過1.5%的情況下水泥土的滲透系數作出合理預測。

(1)7 d齡期時，如圖2所示，滲透系數隨玄武巖纖維摻量變化的二次多項式方程為

k7=1.68x2-5.352x+12.304，R2=0.963 8

(1)

(2)28 d齡期時，如圖3所示，滲透系數隨玄武巖纖維摻量變化的二次多項式方程為

k28=0.92x2-3.592x+9.344，R2=0.990 8

(2)

圖2 7 d滲透系數與纖維摻量的擬合曲線Fig.2 Fitting curve of 7 d permeability coefficient and fiber content

圖3 28 d滲透系數與纖維摻量的擬合曲線Fig.3 Fitting curve of 28 d permeability coefficient and fiber content

圖4 60 d滲透系數與纖維摻量的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of 60 d permeability coefficient and fiber content

(3)60 d齡期時，如圖4所示，滲透系數隨玄武巖纖維摻量變化的二次多項式方程為

k60=0.44x2-2.912x+7.729，R2=0.982 9

(3)

(4)90 d齡期時，如圖5所示，滲透系數隨玄武巖纖維摻量變化的二次多項式方程為

k90=1.00x2-3.801x+7.145，R2=0.985 0

(4)

圖5 90 d滲透系數與纖維摻量的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of 90 d permeability coefficient and fiber content

4 齡期對玄武巖纖維水泥土滲透性能的影響

4.1 試驗結果分析

根據表2的試驗結果，繪制了水泥土滲透系數隨齡期變化的關系曲線，如圖6所示，水泥土的滲透系數隨著養護齡期的增長而降低。

圖6 水泥土滲透系數與養護齡期的關系曲線Fig.6 Relationship curvebetween cement soil permeability coefficient and curing age

4.2 滲透系數與養護齡期的關系

根據試驗數據分別建立不同玄武巖纖維摻量下養護齡期與滲透系數的冪函數回歸模型。

(1)玄武巖纖維摻量為0時，如圖7所示，滲透系數隨養護齡期變化的曲線方程為

kA=18.925 8t-0.219 9，R2=0.989 8

(5)

(2)玄武巖纖維摻量為0.5%時，如圖8所示，滲透系數隨養護齡期變化的曲線方程為

kB=16.160 1t-0.230 7，R2=0.979 3

(6)

(3)玄武巖纖維摻量為1.0%時，如圖9所示，滲透系數隨養護齡期變化的曲線方程為

kC=13.557 9t-0.233 0，R2=0.946 9

(7)

圖7 試樣A滲透系數與齡期的擬合曲線Fig.7 Fitting curve of sample A permeability coefficient and curing age

圖8 試樣B滲透系數與養護齡期的擬合曲線Fig.8 Fitting curve of sample B permeability coefficient and curing age

(4)玄武巖纖維摻量為1.5%時，如圖10所示，滲透系數隨養護齡期變化的曲線方程為

kD=14.452 0t-0.288 0，R2=0.955 2

(8)

圖10 試樣D滲透系數與養護齡期的擬合曲線Fig.10 Fitting curve of sample D permeability coefficient and curing age

5 結論

對不同玄武巖纖維摻量和不同養護齡期的水泥土進行了滲透性試驗，研究玄武巖纖維摻量和齡期對水泥土滲透性能的影響，得出以下結論。

(1)玄武巖纖維的摻入對于水泥土的滲透系數有較顯著的降低作用，隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥土滲透系數逐漸降低，水泥土的抗滲性能增強，但是其增強的幅度會隨著摻量的增加而有所減緩。因此在研究范圍內，玄武巖纖維的最佳摻量為1.5%。

(2)隨著養護齡期的增長，水泥土的滲透系數也會下降。在早齡期時，滲透系數下降的速率較快，而到了60 d齡期后，隨著水泥水化速率的降低，滲透系數的下降速率也隨之變慢。

(3)根據試驗數據，分別對不同養護齡期的水泥土滲透系數和玄武巖纖維摻量進行了回歸分析，得到了滲透系數與玄武巖纖維摻量的二次多項式擬合曲線。

(4)根據試驗數據，分別對不同玄武巖纖維摻量的水泥土滲透系數和養護齡期進行了回歸分析，得到了滲透系數與養護齡期的冪函數擬合曲線。