玄武巖纖維水泥土填料抗壓強(qiáng)度及耐久性研究

陳 猛

（鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，河南鄭州450000）

當(dāng)前，水泥穩(wěn)定土（簡稱“水泥土”）因抗壓強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性良好、施工簡便等優(yōu)點(diǎn)[1-3]，在道路、鐵道工程中常用作路基填料；但水泥土屬于脆性材料，抗拉性能差[4-8]，在實(shí)際工程應(yīng)用中易產(chǎn)生收縮裂縫。對此，國內(nèi)外學(xué)者通過在水泥土中摻入纖維來改善工程性質(zhì)，以更好地滿足工程生產(chǎn)需求。唐朝生等[7]分別在素土、水泥土中摻入聚丙烯纖維，結(jié)果表明水泥土抗壓強(qiáng)度得到提高，且降低了水泥土脆性。賀祖浩等[8]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯腈纖維能顯著提高水泥土力學(xué)強(qiáng)度，且增大水泥土粘聚力。張雷等[9]研究了聚丙烯纖維摻量對水泥土強(qiáng)度影響機(jī)理。胡建林等[10]研究表明纖維摻量過多，對水泥土抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。李麗華等[11]研究了玻璃纖維水泥土抗壓強(qiáng)度影響因素，其中纖維摻量0.6%時，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)峰值。阮波等[12]研究了纖維摻量及長度對水泥土力學(xué)強(qiáng)度影響規(guī)律，當(dāng)纖維摻量0.2%、長度9mm 時，其抗壓強(qiáng)度最大。郎海鵬、張潔[13-14]分別研究凍融和干濕條件下纖維水泥土力學(xué)強(qiáng)度變化規(guī)律。

目前，關(guān)于聚丙烯纖維水泥土和玻璃纖維水泥土力學(xué)強(qiáng)度研究較多，而對于其穩(wěn)定耐久性研究較少。另外，當(dāng)前對玄武巖纖維水泥土研究較少[4]。玄武巖纖維是一種性能優(yōu)良、綠色環(huán)保的新型纖維，抗拉強(qiáng)度和彈性模量高、抗腐蝕性良好[15-16]。對此，筆者以玄武巖纖維水泥土為研究對象，通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和干濕凍融循環(huán)試驗(yàn)研究其抗壓強(qiáng)度和耐久性變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與研究方案

1.1 試驗(yàn)材料

土樣為淤泥質(zhì)土，取自山東東營某路基取土場，技術(shù)性質(zhì)見表1。水泥采用華山牌P.O.42.5 級普通硅酸鹽水泥，技術(shù)性質(zhì)見表2。纖維選用玄武巖纖維，長度為9mm，技術(shù)性質(zhì)見表3。

表1 土樣技術(shù)性質(zhì)Table 1 Technical properties of soil samples

表2 水泥技術(shù)性質(zhì)Table 2 Technical properties of cement

表3 纖維技術(shù)性質(zhì)Table 3 Technical properties of fiber

1.2 研究方案

1.2.1 試驗(yàn)方案

（1）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度研究

研究水泥摻量、玄武巖纖維摻量、養(yǎng)生齡期及方式對水泥土力學(xué)強(qiáng)度的影響規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場路基壓實(shí)水平和室內(nèi)試驗(yàn)要求制定試驗(yàn)方案，見表4。纖維摻量指纖維質(zhì)量與干淤泥質(zhì)土質(zhì)量之比。擬養(yǎng)生方式為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和NaCl 溶液浸泡養(yǎng)護(hù)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件是溫度（20±2）℃、濕度95%以上，NaCl 溶液浸泡養(yǎng)護(hù)條件為濃度0.15mol/L，溫度（20±2）℃。

表4 力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)方案Table 4 Mechanical strength test scheme

（2）耐久性研究

研究水泥摻量、玄武巖纖維摻量和干濕凍融循環(huán)次數(shù)對水泥土耐久性的影響規(guī)律。試驗(yàn)方案見表5。擬采用干濕凍融循環(huán)后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度評價纖維水泥土耐久性。

表5 耐久性試驗(yàn)方案Table 5 Durability test sche me

1.2.2 試驗(yàn)方法

（1）試件制備與養(yǎng)護(hù)

按室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)甲法確定的最佳含水率，采用靜壓法制備尺寸50mm×h50mm 的纖維水泥土試件。試件制備完成后，分別按照標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)和NaCl 溶液浸泡養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行養(yǎng)生。

（2）干濕凍融循環(huán)

考慮當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境影響，干濕凍融循環(huán)前將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件在養(yǎng)生齡期最后1d 浸泡于溫度（20±2）℃、濃度0.15mol/L 的NaCl 溶液中一晝夜。試件浸泡完畢后，用濕布擦拭試件表面。將試件分成兩組，分別進(jìn)行干濕循環(huán)和凍融循環(huán)。干濕循環(huán)過程中，將試件置于烘箱中進(jìn)行脫濕，烘箱溫度為40℃，烘干時間為10h；試件脫濕完成后，將試件再次浸泡于NaCl 溶液中14h，此為1次干濕循環(huán)周期。凍融循環(huán)過程中，將試件置于低溫箱中進(jìn)行凍結(jié)，溫度設(shè)為-18℃，凍結(jié)16h；試件凍結(jié)結(jié)束后，將試件再次浸泡于（20±2）℃的NaCl 溶液中8h，此為1 次凍融循環(huán)周期。

（3）無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

參照《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E51-2009），采用液壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率均為1mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

（1）水泥摻量影響

水泥摻量對纖維水泥土力學(xué)強(qiáng)度影響如圖1 所示。試件玄武巖纖維摻量為0.2%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式養(yǎng)生至7d。

圖1 水泥摻量對纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響Fig. 1 Effect of cement content on unconfined compressive strength of fiber cement soil

由圖1 可得，纖維水泥土壓實(shí)度一定時，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加呈線性增長，且隨壓實(shí)度越大，抗壓強(qiáng)度增速減小。水泥摻量每增加1%，壓實(shí)度93%、96%、98% 的纖維水泥土抗壓強(qiáng)度分別平均提高了13.9%、9.2%、6.8%。這是因?yàn)樗嗯c土中自由水發(fā)生水化反應(yīng)，生成的膠凝材料填充土粒之間孔隙，致使土體密實(shí)度增大，加強(qiáng)了土粒之間連接強(qiáng)度，從而其強(qiáng)度逐漸提高；而壓實(shí)度較高的試件內(nèi)部孔隙相對較小，所以水泥摻量對其強(qiáng)度影響程度較低。

（2）玄武巖纖維摻量影響

玄武巖纖維摻量對纖維水泥土抗壓強(qiáng)度影響如圖2所示。試件水泥摻量為12%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)方式養(yǎng)生至7d。

圖2 玄武巖纖維摻量對纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響Fig. 2 Effect of basalt fiber content on unconfined compressive strength of fiber cement soil

由圖2 可得，水泥土摻入玄武巖纖維后，抗壓強(qiáng)度得到提高。隨玄武巖摻量增加，纖維水泥土抗壓強(qiáng)度先增大后減小，在纖維摻量0.3% 時抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，且玄武巖摻量對其抗壓強(qiáng)度增大速率高于抗壓強(qiáng)度降低速率。當(dāng)玄武巖纖維摻量從0% 增加至0.3% 時，水泥土抗壓強(qiáng)度至少提高了41.0%；當(dāng)玄武巖纖維摻量從0.3%增加至0.5% 時，水泥土抗壓強(qiáng)度約降低了6.2%。這是因?yàn)樾鋷r纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度，抑制了土體內(nèi)部拉應(yīng)力產(chǎn)生與發(fā)展，從而水泥土抗壓強(qiáng)度增大；而隨著纖維摻量增多，纖維在土體分布不均勻，致使纖維對土體加筋作用略微弱化，所以纖維摻量較高時，水泥土抗壓強(qiáng)度減小。

（3）養(yǎng)生齡期及方式影響

養(yǎng)生齡期及方式對纖維水泥土抗壓強(qiáng)度影響如圖3所示。試件水泥摻量和玄武巖纖維摻量分別為12%、0.2%，壓實(shí)度為93%。

圖3 養(yǎng)生齡期及方式對纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響Fig. 3 Effect of curing age and method on unconfined compressive strength of fiber cement soil

由圖3 可得，同一養(yǎng)生方式下，隨養(yǎng)生齡期延長，纖維水泥土抗壓強(qiáng)度逐漸提高，且增長速率明顯降低；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生纖維水泥土抗壓強(qiáng)度大于同一齡期NaCl 溶液養(yǎng)生的試件強(qiáng)度。采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的纖維水泥土7d 抗壓強(qiáng)度分別是28d、90d 抗壓強(qiáng)度的75.9%、69.4%，采用NaCl溶液養(yǎng)生的纖維水泥土7d 抗壓強(qiáng)度分別是28d、90d 抗壓強(qiáng)度的69.7%、61.2%；NaCl 溶液養(yǎng)生的纖維水泥土90d 抗壓強(qiáng)度為1.73MPa，與標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生的試件抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，說明NaCl 溶液對纖維水泥土腐蝕作用較大。

2.2 玄武巖纖維水泥土耐久性

干濕凍融循環(huán)條件下玄武巖纖維水泥土力學(xué)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表6～表9。試件壓實(shí)度93%，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方式進(jìn)行養(yǎng)生，齡期為90d。

表6 不同干濕次數(shù)下0.2%玄武巖纖維摻量水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 6 Unconfined compressive strength of cement soil with 0.2% basalt fiber content under different dry-wet times

表7 不同干濕次數(shù)下12%水泥摻量的玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 7 Unconfined compressive strength of basalt fiber cement soil with 12% cement content under different dry-wet times

表8 不同凍融次數(shù)下0.2%玄武巖纖維摻量水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 8 Unconfined compressive strength of cement soil with 0.2% basalt fiber content under different freeze-thaw times

表9 不同凍融次數(shù)下12%水泥摻量的玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Table 9 Unconfined compressive strength of basalt fiber cement soil with 12% cement content under different freeze-thaw times

2.2.1 干濕循環(huán)

（1）水泥摻量影響

水泥摻量對干濕條件下玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度影響如圖4 所示。試件玄武巖纖維摻量為0.2%。

圖4 水泥摻量對干濕條件下纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響Fig. 4 Effect of cement content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under dry and wet conditions

由圖4 可得，同一干濕次數(shù)下，隨水泥摻量增加，纖維水泥土抗壓強(qiáng)度呈線性增長，且干濕作用次數(shù)較少時，纖維水泥土抗壓強(qiáng)度增長相對較小；而干濕次數(shù)超過5 次后，水泥摻量對纖維水泥土抗壓強(qiáng)度影響效果相近，且相鄰干濕次數(shù)的強(qiáng)度曲線較近，說明干濕5 次后，抗壓強(qiáng)度逐漸減小至穩(wěn)定。當(dāng)水泥摻量每增加1%，纖維水泥土干濕 1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次后抗壓強(qiáng)度約分別提高了13.0%、15.4%、18.8%、19.8%、20.7%、20.4%。與纖維水泥土干濕0 次抗壓強(qiáng)度相比，干濕作用次數(shù)越多，其抗壓強(qiáng)度損失越大，干濕1 次、5 次和10 次后抗壓強(qiáng)度約分別降低了16.3%、36.2%、47.3%；而16% 水泥摻量的纖維水泥土干濕10 次后抗壓強(qiáng)度為1.31MPa，與8% 水泥摻量的纖維水泥土干濕0次的強(qiáng)度相當(dāng)，12%水泥摻量的纖維水泥土干濕10 次后抗壓強(qiáng)度大于4% 水泥摻量的纖維水泥土干濕0 次的強(qiáng)度，說明水泥摻量的增加有效減弱了干濕作用下纖維水泥土的降低效果。

（2）纖維摻量影響

玄武巖纖維摻量對干濕條件下纖維水泥土抗壓強(qiáng)度影響如圖5 所示。試件水泥摻量為12%。

圖5 玄武巖纖維摻量對干濕條件下纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響Fig. 5 Effect of basalt fiber content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under dry and wet conditions

由圖5 可得，同一干濕次數(shù)下，玄武巖纖維摻量對干濕條件下纖維水泥土抗壓強(qiáng)度影響與非干濕條件下變化規(guī)律一致。隨玄武巖纖維摻量增加，纖維水泥土抗壓強(qiáng)度先增大后減小，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.3%，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)極值；且干濕次數(shù)較多時，纖維摻量對水泥土抗壓強(qiáng)度影響效果減弱。當(dāng)玄武巖纖維摻量從0% 增加至0.3%，纖維水泥土干濕 0 次、1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次的抗壓強(qiáng)度分別提高了36.7%、25.8%、20.7%、18.6%、17.0%、16.5%、16.3%；纖維摻量從0.3% 增加至0.5%，纖維水泥土干濕0 次、1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次的抗壓強(qiáng)度分別降低了7.5%、6.6%、4.8%、3.8%、4.1%、1.8%、0.9%，這說明玄武巖纖維摻量越高，其抗壓強(qiáng)度受干濕作用影響越小。這是因?yàn)樾鋷r纖維摻量較高時，有效地提高了土體的抗拉性能，抑制了土體由于干濕作用影響而產(chǎn)生的裂縫，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度降低幅度較小，從而較高纖維摻量下水泥土干濕循環(huán)作用后抗壓強(qiáng)度變化速率相對較小。

2.2.2 凍融循環(huán)

（1）水泥摻量影響

水泥摻量對凍融條件下玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度影響如圖6 所示。試件玄武巖纖維摻量為0.2%。

圖6 水泥摻量對凍融條件下纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響Fig. 6 Effect of cement content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under freeze-thaw condition

由圖6 可得，同一凍融次數(shù)下，隨水泥摻量增加，纖維水泥土抗壓強(qiáng)度呈線性增長，當(dāng)凍融次數(shù)超過7 次后，水泥摻量對其抗壓強(qiáng)度提升效果相近，且抗壓強(qiáng)度逐漸減小至穩(wěn)定值。水泥摻量每增加1%，纖維水泥土凍融 1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次后抗壓強(qiáng)度分別提高了13.8%、17.6%、18.8%、19.9%、20.3%、20.5%；與纖維水泥土凍融0 次抗壓強(qiáng)度相比，其凍融1 次、7 次、10 次后抗壓強(qiáng)度約分別降低了21.2%、49.1%、52.9%。這是因?yàn)閮鋈谧饔孟吕w維水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不同粒徑的顆粒含量逐漸趨向穩(wěn)定，從而凍融次數(shù)超過7 次后抗壓強(qiáng)度逐漸趨向穩(wěn)定。

另外，與同水泥摻量和作用次數(shù)的纖維水泥土抗壓強(qiáng)度相比，凍融作用后的抗壓強(qiáng)度小于干濕作用后的抗壓強(qiáng)度，降低了5.8%～10.7%。說明凍融作用下纖維水泥土抗壓強(qiáng)度較干濕作用易損失。

（2）纖維摻量影響

玄武巖纖維摻量對凍融條件下纖維水泥土抗壓強(qiáng)度影響如圖7 所示。試件水泥摻量為12%。

圖7 玄武巖纖維摻量對凍融條件下纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響Fig. 7 Effect of basalt fiber content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under freeze-thaw condition

由圖7 可得，同一凍融次數(shù)下，隨纖維摻量增加，纖維水泥土抗壓強(qiáng)度先增大后緩慢減小，當(dāng)凍融次數(shù)較小時，纖維摻量對其抗壓強(qiáng)度的影響更明顯；凍融次數(shù)超過7 次后，同纖維摻量的水泥土抗壓強(qiáng)度變化幅度明顯減小，說明凍融7 次后抗壓強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。當(dāng)纖維摻量由0% 提高至0.3%，纖維水泥土凍融作用后抗壓強(qiáng)度至少提高了18.8%，較干濕作用下纖維摻量對水泥土影響略大；纖維摻量由0.3% 提高至0.5%，纖維水泥土凍融 0 次、1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次 的 抗 壓 強(qiáng)度分別降低了7.8%、6.6%、7.4%、5.8%、4.7%、2.9%、0.9%，與干濕作用下纖維摻量對抗壓強(qiáng)度影響效果相近。

另外，同一纖維摻量下，纖維水泥土凍融作用后減小速率大于干濕作用后強(qiáng)度減小速率，說明凍融條件對玄武巖纖維抗壓強(qiáng)度影響較干濕條件明顯。

3 結(jié)論

（1） 同一壓實(shí)度下，玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨水泥摻量增加呈線性增長，且纖維摻量為0.3%時，其抗壓強(qiáng)度最大。水泥摻量每增加1%，纖維水泥土抗壓強(qiáng)度提高了6.8%～13.9%；隨纖維摻量增加，纖維水泥土抗壓強(qiáng)度增速大于降速，纖維摻量從0%增加至0.3%后抗壓強(qiáng)度至少提高了41.0%，纖維摻量從0.3% 增加至0.5% 后抗壓強(qiáng)度約降低了6.2%。

（2）標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方式和鹽溶液養(yǎng)生方式對纖維水泥土抗壓強(qiáng)度影響規(guī)律一致，隨齡期延長，抗壓強(qiáng)度增長速率明顯降低；NaCl 溶液養(yǎng)生方式抑制了纖維水泥土強(qiáng)度的發(fā)展，較標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生方式的纖維水泥土抗壓強(qiáng)度平均降低了11.8%。

（3）干濕凍融作用下，隨水泥摻量增加，纖維水泥土抗壓強(qiáng)度呈線性增長，且干濕作用后強(qiáng)度較凍融作用大；當(dāng)纖維水泥土干濕5 次或凍融7 次后，水泥摻量對抗壓強(qiáng)度提升效果相近，且抗壓強(qiáng)度逐漸減小至穩(wěn)定。水泥摻量每增加1%， 纖維水泥土干濕作用和凍融作用后抗壓強(qiáng)度至少分別提高了13.6%、20.5%，而干濕1次、7 次、10 次后抗壓強(qiáng)度分別降低了16.3%、36.2%、47.3%，而凍融1 次、7 次、10 次后抗壓強(qiáng)度分別降低了21.2%、49.1%、52.9%。

（4）同一水泥劑量和干濕凍融次數(shù)下，隨玄武巖纖維摻量增加，水泥土抗壓強(qiáng)度先快速增大后緩慢減小，且纖維摻量為0.3%，干濕或凍融后水泥土抗壓強(qiáng)度最大。玄武巖纖維摻量從0% 增加至0.3%，干濕作用和凍融作用后抗壓強(qiáng)度至少分別提高了16.3%、18.8%，纖維摻量從0.3% 增加至0.5%，干濕作用和凍融作用后抗壓強(qiáng)度最大降低了7.5%、7.8%。