凍融循環條件下玄武巖纖維水泥土抗壓強度試驗研究

巨澍朋 賈 斌 楊保存 王 榮

（塔里木大學水利與建筑工程學院 南疆巖土工程研究中心，新疆 阿拉爾 843300）

水泥土由于其造價低、施工簡便、低滲透性、低壓縮性等優點在工程中被廣泛應用。但水泥土在季凍區的適應性不夠理想，經凍融作用常不能達到設計的強度要求。因此，改善其強度成為水泥土研究中的熱點。陳峰[1-2]研究玄武巖纖維對水泥土強度的影響，發現其力學性能及性價比均優于其他纖維材料，并且在高性能混凝土的增強材料中得到廣泛應用并取得了顯著效果。因此研究在最優水泥配比條件下，凍融條件、纖維摻量、養護齡期對水泥土試件的抗壓性能影響變化規律具有重要意義。

1 試驗研究方法

1.1 材料準備

土樣取自新疆阿拉爾市塔里木大學新建圖書館的施工工地，主要為新疆南疆常見的黏土，基本物理力學性能為：ω=13.5%，ρ=2.04g/cm3，WL=31.45%，WP=23.03%，IP=8.42，IL=1.13。水泥采用42.5 普通硅酸鹽水泥。纖維采用18mm 玄武巖纖維短切原絲，其主要的物理性能為：σ=1200MPa，E=75GPa，斷裂伸長率為3.1%。

1.2 試件養護

首先將土試樣自然風干，然后粉碎并過篩，并按風干土含水率0.79%進行加水，將水、土、纖維和水泥進行攪拌直至均勻。將攪拌均勻的水泥土，分三層依次裝入試樣模具中，每裝完一層即振搗至密實，振搗完成最后一層振搗后水泥土上表面略高于試模上沿。

試件制作好后24h 拆模，將溫度控制在（20±3）℃、相對濕度控制在90%以上的環境中進行標準養護，按試驗所需齡期分別養護7d、14d、28d、60d。

1.3 試驗方案

土樣含水率按最優含水率22.4%配置，水泥摻量為風干土質量的20%，玄武巖纖維摻入比分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%，玄武巖纖維摻入代替水泥，水灰比統一采用0.37，凍融循環次數為0、10、20、30、40 次。不同工況條件下對7d、14d、28d、60d 齡期各制作三個試件進行養護。

將70.7mm×70.7mm×70.7mm 的立方體試件，通過高低溫試驗機根據試驗要求分別進行0、10、20、30、40 次的凍融循環，凍融溫度為-20℃～20℃，每5 小時一次冷凍或融化，10 小時為一循環。

通過壓力機以0.15kN/s 的加載速率均勻加載至破壞，并記錄其破壞荷載，從而換算為試件的抗壓強度。研究凍融循環條件下玄武巖纖維摻量對水泥土抗壓強度的之間的變化規律。

2 試驗結果與分析

2.1 玄武巖纖維摻量對水泥土抗壓強度的影響變化規律

將養護齡期為60 天、水泥摻入比為20%、凍融循環次數為0、10、20、30、40 次，對纖維摻量為0%、0.5%、1%、1.5%的試件進行無側限抗壓強度試驗。試驗結果見表1 和圖1。

圖1 抗壓強度與玄武巖纖維摻量的關系

由圖1 可知，在凍融次數、齡期相同的條件下，玄武巖纖維水泥土在摻量為0.5%時出現峰值，表明摻量為0.5%時抗壓效果最佳。

2.2 凍融循環次數對水泥土抗壓強度的影響變化規律

由圖2 可知，在纖維摻量、齡期相同的條件下，水泥土的抗壓強度隨著凍融循環次數增加出現波動，在凍融循環次數20次內，玄武巖纖維水泥土抗壓強度隨著凍融循環次數的增加抗壓強度也隨之增強，但隨著凍融循環次數的增加，其抗壓強度隨之降低。在凍融次數為20 次時，抗壓強度出現峰值，說明玄武巖纖維在季節性地區使用時，在前期，對水泥土的抗壓強度有增強的效果，隨著時間增長，水泥土抗壓強度隨之降低，但玄武巖纖維水泥土的抗壓強度比普通水泥土的抗壓強度效果更好。

圖2 抗壓強度與凍融條件的關系

可知，在凍融循環下，摻量為1.5%的玄武巖纖維水泥土與摻量為0%、0.5%、1%的水泥土抗壓強度相比，摻量為1.5%的玄武巖纖維水泥土的強度更低，其主要原因為纖維摻量過多致使其在試件中分布不均勻，影響水泥土在水化時纖維與水泥土顆粒之間的界面摩擦力，且凍融循環條件，加速破環水泥土內部結構，使摻量更多的水泥土抗壓強度比普通水泥土的抗壓強度更低。

2.3 養護齡期對水泥土抗壓強度的影響變化規律

將凍融循環次數為20 次、摻量為0%、0.5%、1%、1.5%的試件分別養護7、14、28、60 天，試驗結果見表2 和圖3。

表2 凍融循環20 次的無側限抗壓強度（MPa）

由圖3 可知，在凍融次數、摻量相同的條件下，玄武巖纖維水泥土抗壓強度隨齡期的增長也出現波動。首先，在凍融循環條件下，在前期由于水泥水化不充分，無論是對何種摻量的水泥土，水泥土的抗壓強度都不是像普通水泥土逐漸增強，隨著齡期的增長，水泥水化程度更充分，纖維與水泥土顆粒之間的界面摩擦力極大增強，纖維加筋作用優勢明顯，水泥土的抗壓強度也隨之增強，所以在工程中運用玄武巖纖維水泥土時，要充分考慮玄武巖纖維水泥土的養護時間，讓玄武巖纖維與水泥充分作用。

圖3 抗壓強度與齡期的關系

3 結論

本文基于不同纖維摻量、凍融循環次數和養護齡期條件下對玄武巖纖維水泥土與普通水泥土的抗壓性能進行了試驗研究，得出了如下的主要結論。

3.1 在養護齡期和凍融循環次數相同的條件下，玄武巖纖維水泥土在摻量為0.5%時出現峰值。隨著摻量增加時，水泥土抗壓強度的增強效果逐漸減弱，玄武巖纖維的摻入量為0.5%時增強效果最佳，摻量為1.5%的玄武巖纖維水泥土的則強度更低。主要原因為纖維摻量過多致使其在試件中分布不均勻，影響水泥土在水化時纖維與水泥土顆粒之間的界面摩擦力，且凍融循環條件加速破環水泥土內部結構機理，不利于增強水泥土的抗壓強度。合理選擇玄武巖纖維的摻入量可使水泥土的強度提高，對實際工程中水泥土的穩定性和安全性有利。

3.2 在齡期和摻量相同的條件下，隨著凍融次數增加，在凍融作用下水泥土出現強度損失，總體玄武巖纖維水泥土的抗壓強度比普通水泥土的抗壓強度效果更好。在季節性凍土地區使用時，玄武巖纖維對水泥土的抗凍性能有增強的效果。今后可增加凍融循環次數，對玄武巖纖維水泥土的抗凍性做更深入的研究。

3.3 在凍融循環次數和玄武巖纖維摻量相同的條件下，在前期時，由于水泥水化硬凝程度不充分，無論是對何種摻量的水泥土，水泥土的抗壓強度都不是像普通水泥土逐漸增強，隨著齡期的增長，水泥水化程度更充分，纖維與水泥土顆粒之間的界面摩擦力極大增強，纖維加筋作用優勢明顯，水泥土的抗壓強度也隨之增大。在工程中運用玄武巖纖維水泥土時，要充分考慮玄武巖纖維在水泥土中的均勻分布和水泥土的養護齡期，讓玄武巖纖維與水泥充分作用。