玄武巖纖維水泥土力學(xué)特性及水穩(wěn)定性研究

譚威 劉亞靜

摘要：為提高水泥土力學(xué)強度和水穩(wěn)定性，文章選用玄武巖纖維加筋水泥土的方法，基于室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗和干濕循環(huán)試驗，研究水泥摻量、纖維摻量及養(yǎng)生齡期對纖維加筋水泥土力學(xué)特性和水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結(jié)果表明：養(yǎng)生前28 d水泥土無側(cè)限抗壓強度增長顯著，水泥摻量每增加1%，7 d、28 d抗壓強度分別平均提高20.9%、19.4%；玄武巖纖維摻量為0.3%的水泥土抗壓強度最大，7 d、28 d抗壓強度較素水泥土分別提高約50.6%、49.6%；干濕環(huán)境下，纖維水泥土養(yǎng)生前28 d的干濕殘留強度比顯著降低，水泥摻量對水泥土干濕殘留強度比影響較小；隨干濕次數(shù)增加，不同水泥摻量的水泥土干濕殘留強度比降低速率相當(dāng)，28 d的干濕殘留強度降低速率較大。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；水泥土；力學(xué)特性；水穩(wěn)定性；試驗研究

中圖分類號：U416.03 A 25 077 4

0 引言

水泥穩(wěn)定土材料強度和穩(wěn)定性較高、施工簡便且原料來源方便，在道路、鐵路等工程中常用作路基填料［1-3］，但水泥土材料在工程應(yīng)用中易發(fā)生脆性破壞，水侵蝕環(huán)境下的力學(xué)性能和穩(wěn)定性降低，影響結(jié)構(gòu)正常使用壽命。鑒于纖維具有良好的抗拉性能及韌性，國內(nèi)外專家學(xué)者利用纖維加筋水泥土改善其工程性能，以更好地服務(wù)實體工程。Fatahi等［4］研究表明，水泥土無側(cè)限抗壓強度分別與纖維摻量、水泥摻量正相關(guān)。Correia等［5］基于室內(nèi)聚丙烯纖維水泥土力學(xué)強度試驗，建立了無側(cè)限抗壓強度與抗拉強度關(guān)系模型。李麗華等［6］研究表明，玻璃纖維改善素黏土及水泥土力學(xué)強度和韌性效果顯著，纖維摻量0.6%的素黏土及水泥土強度最優(yōu)。劉衛(wèi)濤、胡建林等［7-8］研究表明，聚丙烯纖維摻量過大或長度過長不利于提高水泥土力學(xué)性能。湯東［9］研究表明，玄武巖纖維水泥土與玻璃纖維水泥土力學(xué)強度增長規(guī)律一致，且玄武巖纖維對水泥土材料加筋效果優(yōu)于玻璃纖維。牛雷等［10］基于室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗，對照玄武巖纖維水泥土強度，探討了玉米秸稈纖維對水泥土的加固效果。

土質(zhì)的技術(shù)性質(zhì)具有較強區(qū)域性，導(dǎo)致纖維加筋不同土質(zhì)效果不一，且干濕環(huán)境下水泥土孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化。鑒于此，本文選用玄武巖纖維加筋水泥改良粉質(zhì)黏土，通過室內(nèi)力學(xué)特性試驗和水穩(wěn)定性試驗，研究水泥摻量、纖維摻量及養(yǎng)生齡期對水泥土強度和水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 研究方案

1.1 方案設(shè)計

結(jié)合《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009）和《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3610-2019）（以下簡稱《技術(shù)規(guī)范》）技術(shù)要求，均勻拌和玄武巖纖維水泥土混合料，采用靜壓法制備壓實度96%的混合料試件，并在（20±2）℃、相對濕度95%條件下養(yǎng)生至規(guī)定齡期。通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強度試驗和干濕循環(huán)試驗，研究玄武巖纖維水泥土力學(xué)特性及水穩(wěn)定性。每組試驗采用6個平行試件，試件尺寸為100 mm×100 mm。

具體試驗方案如下：

（1）力學(xué)特性研究。

研究不同養(yǎng)生齡期下水泥摻量、玄武巖纖維摻量對水泥土力學(xué)性能的影響規(guī)律，探討水泥土強度增長規(guī)律，擬定玄武巖纖維加筋水泥土最優(yōu)纖維摻量。試驗設(shè)計中，水泥摻量擬采用3%、5%、7%、9%，玄武巖纖維摻量擬采用0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，養(yǎng)生齡期擬采用3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、180 d。

（2）耐久性研究。

基于室內(nèi)玄武巖纖維加筋水泥土力學(xué)特性試驗結(jié)果，研究干濕循環(huán)環(huán)境下玄武巖纖維加筋水泥土強度變化規(guī)律。凍融次數(shù)擬采用0次、1次、3次、5次、7次、9次、12次、15次。

1.2 試驗材料

土樣取自某取土場，為粉質(zhì)黏土，取土深度為1.5～3.5 m，物理力學(xué)性質(zhì)見表1。水泥采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，技術(shù)性質(zhì)見下頁表2。纖維采用6 mm玄武巖纖維，直徑為13 μm，技術(shù)性質(zhì)見下頁表3。水采用自來水。

1.3 性能測試方法

1.3.1 力學(xué)特性試驗

結(jié)合《技術(shù)規(guī)范》中的路基質(zhì)量要求，采用無側(cè)限抗壓強度評價玄武巖纖維水泥土力學(xué)特性。

試件達到養(yǎng)生齡期前一天，在浸水24 h后，選用液壓伺服萬能試驗機WDW-100測定試件無側(cè)限抗壓強度，加載速率為1 mm/min。

1.3.2 水穩(wěn)定性試驗

試件養(yǎng)生至規(guī)定齡期前一天，取出試件并稱取其初始質(zhì)量m0，浸水24 h后置于干濕環(huán)境。采用自然風(fēng)干的方式進行脫濕，風(fēng)干過程中每隔2 h稱取質(zhì)量m，當(dāng)m=（m0±5）g時，認(rèn)為試件達到干燥狀態(tài)；增濕過程中，將試件再次浸泡于（20±2）℃水中12 h，此為一次干濕循環(huán)。當(dāng)試件循環(huán)次數(shù)達到設(shè)計次數(shù)后，測定試件無側(cè)限抗壓強度Rw（n），即殘留強度，計算其干濕殘留強度比，見式（1）：

ηR（n）=Rw（k）/Rc×100（1）

式中：ηR（n）——試件干濕k次的殘留強度比（%）；

Rw（n）——試件干濕k次的無側(cè)限抗壓強度（MPa）；

Rc——試件初始無側(cè)限抗壓強度（MPa）。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

2.1.1 養(yǎng)生齡期

隨養(yǎng)生齡期延長，玄武巖纖維加筋水泥土無側(cè)限抗壓強度增長曲線如圖1所示，不同水泥劑量的纖維加筋水泥土無側(cè)限抗壓強度增長趨勢相近，呈冪函數(shù)趨勢增長。養(yǎng)生前28 d水泥土無側(cè)限抗壓強度增長顯著，后隨齡期延長，水泥土無側(cè)限抗壓強度逐漸趨于穩(wěn)定。這是因為水泥土無側(cè)限抗壓強度增長與水泥水化反應(yīng)速率相關(guān)，養(yǎng)生前期水泥水化反應(yīng)速率較快，生成較多的硅酸鈣等膠凝物質(zhì)填充土粒間空隙，增強水泥土整體密實性，故水泥土前期強度增長較快；后隨齡期延長，水泥熟料逐漸被消耗，水化反應(yīng)速率減緩，從而水泥土無側(cè)限抗壓強度增長速率減緩。

2.1.2 外摻劑摻量

結(jié)合現(xiàn)場路基養(yǎng)生時間及水泥土無側(cè)限抗壓強度增長趨勢，以齡期7 d、28 d的玄武巖纖維加筋水泥土無側(cè)限抗壓強度為例，分析水泥摻量及玄武巖纖維摻量對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響規(guī)律，見圖2。

由圖2可知：

（1）在玄武巖纖維摻量一致的條件下，隨水泥摻量增加，不同養(yǎng)生齡期的水泥土無側(cè)限抗壓強度呈線性趨勢增大，水泥摻量增加1%，水泥土7 d、28 d無側(cè)限抗壓強度分別平均提高20.9%、19.4%。這是因為水泥熟料與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的硅酸鈣等膠凝材料填充土粒間空隙，增強土粒間連接強度，增大土體結(jié)構(gòu)密實性，故水泥摻量提高時，水泥土無側(cè)限抗壓強度增強效果較明顯。

（2）在水泥摻量一致的條件下，隨玄武巖纖維摻量增加，水泥土無側(cè)限抗壓強度先增大后降低，在纖維摻量為0.3%時，水泥土無側(cè)限抗壓強度取得峰值，較7 d、28 d素水泥土無側(cè)限抗壓強度分別約提高50.6%、49.6%，故玄武巖纖維加筋水泥土最優(yōu)纖維摻量為0.3%。這是因為玄武巖纖維具有良好的抗拉性能，適量的纖維材料在水泥土材料內(nèi)部形成空間加筋結(jié)構(gòu)，有效抑制結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展，提高水泥土無側(cè)限抗壓強度；而隨纖維摻量增加，纖維在土體內(nèi)部分布不均勻，呈絮亂狀態(tài)，加筋效果減弱，故較高纖維摻量的水泥土無側(cè)限抗壓強度降低。

2.2 干濕循環(huán)試驗

2.2.1 養(yǎng)生齡期

玄武巖纖維摻量0.3%的水泥土干濕循環(huán)試驗結(jié)果如圖3所示，同一干濕次數(shù)下，養(yǎng)生齡期對不同水泥摻量的水泥土干濕殘留強度比的影響規(guī)律相近。養(yǎng)生前28 d，纖維水泥土干濕殘留強度比隨齡期增加而降低，干濕7次時，纖維水泥土干濕殘留強度比降低最大，達30.0%。養(yǎng)生齡期＞28 d后，玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比變化較緩慢。其中，干濕循環(huán)前3次，隨養(yǎng)生齡期增加，纖維水泥土干濕殘留強度比降低，其28 d干濕殘留強度比較90 d的殘留強度比約降低6.3%；干濕循環(huán)＞3次后，隨養(yǎng)生齡期增加，纖維水泥土干濕殘留強度比提高，其28 d干濕殘留強度比較90 d的殘留強度比約提高5.6%。這是因為養(yǎng)生初期，水泥土內(nèi)水泥與土粒物理化

學(xué)反應(yīng)快速，水化產(chǎn)物對水泥土強度的增強作用大于干濕循環(huán)對水泥土強度的劣化作用，故纖維水泥土干濕殘留強度比降低；養(yǎng)生至90 d時，水泥土密實性進一步提高，抵抗干濕循環(huán)破壞作用增強，故隨干濕次數(shù)逐漸進一步增加，與纖維水泥土28 d干濕殘留強度比相比，其90 d干濕殘留強度提高。另外，同一干濕循環(huán)條件下，隨水泥摻量增加，玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比變化較小。水泥摻量由3%增加至9%時，纖維水泥土28 d、90 d干濕殘留強度比變化分別小于3.5%、1.8%，說明干濕循環(huán)作用下水泥摻量對玄武巖纖維水泥土強度的影響相當(dāng)。

2.2.2 干濕次數(shù)影響

干濕次數(shù)對玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比的影響見圖4。

由圖4可知，同一養(yǎng)生齡期下，隨干濕次數(shù)增加，不同水泥摻量的水泥土干濕殘留強度比逐漸降低，且降低速率相當(dāng)，養(yǎng)生28 d的玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比降低速率大于90 d殘留強度比降低速率。干濕15次后，玄武巖纖維水泥土28 d、90 d干濕殘留強度比平均為54.2%、58.8%，這是因為干濕循環(huán)作用下，土體結(jié)構(gòu)密實性降低，故纖維水泥土干濕殘留強度比降低。以養(yǎng)生90 d的玄武巖纖維水泥土為例，分析干濕次數(shù)對纖維水泥土干濕殘留強度比影響規(guī)律。干濕循環(huán)前3次，玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比降低較顯著，約11.5%；干濕次數(shù)在3～9次時，玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比隨干濕次數(shù)增加呈線性降低，干濕次數(shù)增加1次，纖維水泥土干濕殘留強度比約降低3.4%；干濕次數(shù)在9～15次時，纖維水泥土干濕殘留強度比線性降低速率減小，干濕次數(shù)每增加1次，纖維水泥土干濕殘留強度比約降低1.5%，這與干濕循環(huán)作用下纖維水泥土結(jié)構(gòu)及顆粒含量趨于穩(wěn)定有關(guān)。

3 結(jié)語

（1）養(yǎng)生前28 d水泥土無側(cè)限抗壓強度增長顯著，后隨齡期延長，水泥土無側(cè)限抗壓強度逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）水泥土無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量增加呈線性趨勢提高，水泥摻量增加1%，7 d、28 d無側(cè)限抗壓強度分別平均提高20.9%、19.4%。

（3）玄武巖纖維摻量0.3%的水泥土無側(cè)限抗壓強度最大，7 d、28 d無側(cè)限抗壓強度較素水泥土分別約提高50.6%、49.6%。

（4）干濕環(huán)境下，纖維水泥土養(yǎng)生前28 d的干濕殘留強度比降低顯著，養(yǎng)生28 d后的干濕殘留強度比緩慢變化。

（5）水泥摻量對水泥土干濕殘留強度比影響較小，當(dāng)水泥摻量由3%增加至9%時，纖維水泥土28 d干濕殘留強度比變化≤3.5%。

（6）隨干濕次數(shù)增加，不同水泥摻量的水泥土干濕殘留強度比降低速率相當(dāng)，28 d的干濕殘留強度降低速率較大。

參考文獻

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收稿日期：2023-07-10