玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

陳 峰

(福建江夏工程學(xué)院，福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心,福建 福州 350108)

玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

陳 峰

(福建江夏工程學(xué)院，福建省環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心,福建 福州 350108)

為提高水泥土的受力性能，利用纖維加筋增強(qiáng)效果，探討在水泥土中摻入玄武巖纖維來改善其力學(xué)性能的方法.通過對(duì)不同配比的玄武巖纖維水泥土開展無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，結(jié)果表明:玄武巖纖維的摻入能明顯提高不同齡期水泥土試件的抗壓強(qiáng)度，但隨著纖維摻量的增加，其增強(qiáng)效果逐漸減弱.玄武巖纖維的摻入使水泥土塑性增強(qiáng)，試件達(dá)到峰值應(yīng)力后仍能承受一定荷載，存在殘余強(qiáng)度，有利于提高工程安全性和穩(wěn)定性.此外，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了不同配比的玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系式，可為實(shí)際工程提供參考.

軟土加固；水泥土；玄武巖纖維；無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；纖維摻量

近年來，隨著地下工程的迅速發(fā)展，水泥土因其低壓縮性、低滲透性等優(yōu)越特性被廣泛用于地基加固、止水帷幕、邊坡加固與穩(wěn)定、深基坑支護(hù)等工程領(lǐng)域.然而，水泥加固軟土的強(qiáng)度存在偏低現(xiàn)象，常常達(dá)不到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求，因此，如何改善其強(qiáng)度成為水泥土研究中的熱點(diǎn)[1].除了提高固化劑摻量、添加化學(xué)外摻劑和添加粉煤灰[2-5]等常規(guī)方法外,現(xiàn)在有研究者提出通過在水泥土中摻入纖維來提高水泥土強(qiáng)度的方法.殷勇[6]采用玻璃纖維來改善水泥土的力學(xué)性能；唐朝生等[7]提出利用聚丙烯纖維的物理加筋作用結(jié)合水泥的化學(xué)加固作用，討論了聚丙烯纖維的摻入量及長(zhǎng)度對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響；Nilo Cesar Consoli等[8]通過纖維水泥土的無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維的加入提高了水泥土的抗壓強(qiáng)度；Hamidi等[9]通過常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)及剪切等試驗(yàn)，研究了聚丙烯纖維對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響；Consoli等[10]還考慮了寬膠結(jié)范圍內(nèi)纖維摻入對(duì)砂土強(qiáng)度的影響.目前，在纖維水泥土的研究中，尚沒有針對(duì)玄武巖纖維水泥土的相關(guān)研究.而玄武巖纖維具有良好的力學(xué)性能及較高的性價(jià)比，已被作為高性能混凝土的增強(qiáng)材料并取得了良好效果.因此，本研究通過抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究相同水泥摻合比下，不同玄武巖纖維摻量、不同齡期水泥土試件的抗壓性能.

1 試驗(yàn)研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)土料取自福州閩江邊上一工地，主要為沿海地帶常見的淤泥質(zhì)粘土，基本物理力學(xué)性能為：ω=54.5%，γ=16.2 kN·m-3，e=1.499，WL=45.%，WP=20.8%，IP=24.3%，IL=1.39,C=9.0 kPa，Φ=6.5°.水泥采用福建水泥股份有限公司煉石水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥.纖維采用浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維短切原絲，其主要的物理性能為：ρ=2 650 kg·m-3，R=17 μm,σb=4.15～4.80 GPa，E=93～110 GPa,斷裂伸長(zhǎng)率為3.1%.

1.2 試樣成型及養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)時(shí)先將土樣通過烘箱烘干之后粉碎過篩，并按初始含水率54.5%加水進(jìn)行混合.再將纖維加入砂漿攪拌機(jī)與濕土攪拌均勻,將水和水泥放入砂漿攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌直至均勻，配制成水泥漿,再將配制好的水泥漿加入土樣中攪拌至均勻，攪拌時(shí)間應(yīng)不少于5 min.將攪拌均勻的水泥土分三層裝入試模中，每裝完一層即在試模上表面覆蓋塑料薄膜后在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)至密實(shí)，振動(dòng)時(shí)間不少于60 s.完成最后一層振實(shí)后，水泥土上表面略高于試模上沿，把涂有一薄層脫模劑的平板玻璃均勻地壓在試模頂部.

試件成型后24 h拆模，放入溫度(20±3)℃、相對(duì)濕度90%以上的環(huán)境中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，按試驗(yàn)所需齡期分別養(yǎng)護(hù)7、28、60、90 d(從攪拌水泥漿開始計(jì)).

1.3 試驗(yàn)方案

抗壓試驗(yàn)采用70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm的立方體試件，通過壓力機(jī)以0.15 kN·s-1的加載速率均勻加載至破壞，記錄其破壞荷載，從而換算為試件的抗壓強(qiáng)度.通過等步增量(0.5%)的玄武巖纖維摻量,研究玄武巖纖維摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響.土樣含水率按原狀土的含水率配置，水泥土的摻入比為15%及16.5%，其中15%的為四組(A，C，D，E)對(duì)應(yīng)纖維摻入比分別為1.5%、1.0%、0.5%和0%，16.5%的一組(B)對(duì)應(yīng)纖維摻入比為0%，水灰比統(tǒng)一采用0.5.每個(gè)配比對(duì)7、28、60、90 d齡期各制作三個(gè)試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù).

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 玄武巖纖維摻量與水泥土抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

試驗(yàn)結(jié)果處理時(shí)，對(duì)每一組三個(gè)平行試件的破壞荷載取平均值，通過下式計(jì)算玄武巖纖維水泥土試件的抗壓強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果見表1及圖1.通過表1和圖1可以看出玄武巖纖維的摻入對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度有比較明顯的增強(qiáng)作用，具體分析如下:

fcu=P·A-1

式中：P為破壞荷載(N);A為試件受壓底面積(mm2).

表1 抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test result of unconfined compressive strength

1)由試驗(yàn)結(jié)果可知，在7 d齡期時(shí)，水泥摻量及玄武巖纖維摻量的增加都較明顯提高了水泥土的抗壓強(qiáng)度.其中，試件D(水泥摻量15%、玄武巖纖維摻量1%)的抗壓強(qiáng)度約比試件B(單摻水泥16.5%)的抗壓強(qiáng)度強(qiáng)9.9%.由此可見，在同等條件下，玄武巖纖維摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果要優(yōu)于水泥摻量增加帶來的增強(qiáng)效果.相同的水泥摻入比(15%)，不同玄武巖纖維摻入比(0.5%、1.0%、1.5%)的試件C、D、E，其7 d齡期水泥土較同等條件下不摻玄武巖纖維的試件A，其抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率分別為16.7%、32.1%和41.7%.

圖1 抗壓強(qiáng)度與齡期關(guān)系Fig.1 Relationship between unconfined compressive strength and age

玄武巖纖維摻量的等量增加，其每個(gè)階段的增量對(duì)水泥土的抗壓強(qiáng)度的增加效率是有所不同的.在第一個(gè)0.5%玄武巖纖維增量下，玄武巖纖維對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的增幅最大，且隨著纖維的等量增加，抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)率慢慢變小，即增幅變小.

2)在28 d齡期時(shí)，與7 d齡期時(shí)相比，水泥摻量15%、玄武巖纖維摻量0.5%的水泥土試件C的抗壓強(qiáng)度已經(jīng)高于單摻水泥16.5%的水泥土試件B.說明隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥水化程度越來越充分，水泥土顆粒與纖維之間的界面摩擦力得到極大增強(qiáng)，纖維加筋作用得到很好的展示.同樣，水泥土抗壓強(qiáng)度也隨著纖維摻量的增加得到提高.與在7 d齡期時(shí)一樣，等量玄武巖纖維增量下，第一個(gè)0.5%玄武巖纖維增量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)率最大，增強(qiáng)效果比較明顯.而后再增加纖維的增強(qiáng)效率則依次降低.

3)在60、90 d齡期時(shí)，隨著水泥水化、硬凝等作用程度越來越充分，水泥土顆粒與玄武巖纖維的界面摩擦力得到很大提高，玄武巖纖維對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果得到很好的展示.與7、28 d齡期一樣，60、90 d齡期下，隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥土試件抗壓強(qiáng)度也逐漸提高，且隨著玄武巖纖維摻量的等步增加，其對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率也逐漸變慢.

4)綜上所述，水泥土抗壓強(qiáng)度隨著水泥摻量及玄武巖纖維的摻量增加而提高，且后者的增強(qiáng)效率要高于前者.對(duì)比各個(gè)齡期的試驗(yàn)結(jié)果可知，玄武巖纖維對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)即加筋作用，主要是纖維摻入，抑制了水泥土在受拉應(yīng)力作用下裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，從而提高了水泥土強(qiáng)度.而水泥土試件中水泥的水化、硬凝程度對(duì)玄武巖纖維的加筋作用有著直接影響，隨著齡期增長(zhǎng)，水泥水化、硬凝程度越來越充分，玄武巖纖維加筋效果也越來越明顯.此外，從每個(gè)齡期的試驗(yàn)結(jié)果還可看出，玄武巖纖維摻量的等量增長(zhǎng)對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)效率在第一個(gè)5%時(shí)為最大，而后摻量增加的影響逐漸減弱.其原因主要為玄武巖纖維摻量過多而在試件中分布不均，導(dǎo)致水泥土在水化時(shí)沒有較好地增強(qiáng)其與水泥土顆粒之間的界面摩擦力及握裹力，從而使增強(qiáng)效率降低.

2.2 玄武巖纖維水泥土的受壓破壞性狀

1)脆性破壞.單摻水泥的水泥土的受壓破壞主要表現(xiàn)為脆性破壞，如圖2(a)所示.加載過程中試件四周有塊體剝離，且隨著荷載增加剝離程度越來越大.當(dāng)試件達(dá)到其極限荷載時(shí)，試件中因加載形成的微裂隙迅速貫通，形成連通的裂隙面，荷載驟降，試件迅速發(fā)生破壞.說明單摻水泥的水泥土隨著齡期增長(zhǎng)，水泥水化及硬凝作用充分進(jìn)行，水泥土更多地表現(xiàn)出類似于水泥石或混凝土的破壞特征，呈現(xiàn)出脆性破壞的特點(diǎn).

圖2 水泥土的破壞形態(tài)Fig.2 Failure mode of cement-soil

2)塑性破壞.摻入玄武巖纖維時(shí)，水泥土試件為塑性破壞形式，如圖2(b)所示，表現(xiàn)為達(dá)到峰值時(shí)試件表面產(chǎn)生多條縱向和斜向的微裂縫，但未形成貫通的裂隙面，試件尚能保持基本形狀.超過峰值后，應(yīng)力下降比較緩慢，試件仍然能夠承受一定荷載，存在殘余強(qiáng)度.這是因?yàn)樾鋷r纖維水泥土具有一定塑性，壓力增大使水泥土顆粒以及顆粒與玄武巖纖維間的結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，空間交織結(jié)構(gòu)重新排列及不同位置玄武巖纖維抗拉強(qiáng)度的發(fā)揮，使玄武巖纖維與土體之間的咬合摩擦力和纖維在土體中交織形成的空間約束力不斷增加，有效起到荷載傳遞和分散作用，對(duì)破壞裂隙的產(chǎn)生起到限制作用，增加了土體整體性.說明加入玄武巖纖維使水泥土破壞韌性提高，同時(shí)降低其脆性，有利于提高工程的安全性和穩(wěn)定性.

2.3 玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系式

3 結(jié)語

1)玄武巖纖維對(duì)水泥土試件的抗壓強(qiáng)度有較大提高.在試驗(yàn)范圍內(nèi)，玄武巖纖維摻量增加對(duì)水泥土試件增強(qiáng)效果高于水泥摻量增加帶來的增強(qiáng)效果，即相比之下，玄武巖纖維具有更高的增強(qiáng)效率.

2)玄武巖纖維對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)即加筋作用主要是靠水泥水化后水泥土顆粒與玄武巖纖維之間的界面摩擦力及握裹力提高而體現(xiàn).隨著齡期增長(zhǎng)，水泥水化、硬凝程度越來越充分，玄武巖纖維的加筋效果也越來越明顯.玄武巖纖維的增強(qiáng)效果在纖維摻量為0.5%時(shí)較為明顯，而后隨著摻量增加增強(qiáng)的效率逐漸減弱.

3)玄武巖纖維的摻入增強(qiáng)了水泥土的塑性特征，使水泥土破壞形式向塑性發(fā)展.當(dāng)試件達(dá)到峰值應(yīng)力后仍能承受一定的荷載，存在殘余強(qiáng)度，提高了試件的破壞韌性.且隨著玄武巖纖維摻量的增加，其破壞韌性增強(qiáng)，有利于提高工程的安全性和穩(wěn)定性.

4)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立了玄武巖纖維水泥土試件抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系式，可為實(shí)際工程中水泥土的強(qiáng)度預(yù)測(cè)提供參考.

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(責(zé)任編輯：沈蕓)

Experimentstudy on compressive strength of basalt fiber cement-soil

CHEN Feng

(School of Engineering,Collaborative Innovation Center for Environmentally Friendly and Energy Saving High Performance Concrete of Fujian Province,Fujian Jiangxia University,Fuzhou,Fujian 350108,China)

In order to enhance the mechanics quality of cement-soil,the basalt fiber’s reinforcement effect,and the way to improve cement soil’s strength by means of mixing the basalt fiber have been discussed in this paper.The unconfined compression test was conducted on cement-soil mixing with basalt fiber in different ratio.The result showed that the incorporation of basalt fiber could effectively improve compressive strength of cement-soil specimens in different ages and it also strengthened the plastic characteristics of cement-soil.But with the increasing of fiber content,the enhancement effect was gradually weakened.The basalt fiber cement-soil specimens could still support a certain amount of load after reaching the peak load.Thus it could improve the security and stability of engineering project.Besides,the relationship between the unconfined compression strength and age of the cement-soil mixing with basalt fiber in different ratio was established.

soft soil improvement; cement-soil; basalt fiber; unconfined compressive strength; fiber content

10.7631/issn.1000-2243.2017.02.0212

1000-2243(2017)02-0212-04

2015-12-02

陳峰(1980-)，博士，副教授，主要從事土木工程材料力學(xué)性能方面的研究，cfxh@fzu.edu.cn

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J01634)；福建省省屬高校專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(JK2014059)

TU411

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