玄武巖纖維水泥土的凍融循環(huán)特性試驗(yàn)研究

張迪迪，甘小江，侯燁，任泓丞

（中鐵隧道集團(tuán)有限公司 蕪黃項(xiàng)目部，廣西 南寧 530007）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，鐵路、公路的修建工程越來越多，隨之遇到的問題也逐漸凸顯。如一些鐵路、公路基底處于軟土地層中，對于一般運(yùn)行速度低、對軌道沉降要求不高的基底而言，可不作特殊處理[1]，但是對于重載列車，若線路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，基礎(chǔ)承載能力差，線路基底在長期循環(huán)振動荷載作用下會出現(xiàn)開裂、破損、下沉，以及向兩側(cè)外擠及翻漿冒泥等病害[2]。

目前在基底加固方面，尤其是基底為軟土或承載力較低的工程加固，通常采用水泥土攪拌樁法，該施工技術(shù)成本較低，操作簡單，得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的加固效果和經(jīng)濟(jì)效益[3]。然而，為適應(yīng)工作性能日益繁重的工程基底要求，用于水泥土攪拌樁法的主要材料——水泥土，其性能的提升成為研究熱點(diǎn)，各種新型的水泥土材料應(yīng)運(yùn)而生，玄武巖纖維水泥土就是其中之一。

玄武巖纖維水泥土即在水泥土的拌和基礎(chǔ)上摻入一定量的玄武巖纖維制備而成，其抗壓性能有所改善，抗拉性能增強(qiáng)尤為顯著。陳峰[4-5]對不同玄武巖纖維摻量和不同齡期下的水泥土分別進(jìn)行了抗壓和抗拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)摻量為0.5%的玄武巖纖維能夠顯著提高水泥土抗壓強(qiáng)度，摻量1.5%的玄武巖纖維水泥土較普通水泥土的28 d抗拉強(qiáng)度提高約50%；高常輝等[6]通過試驗(yàn)表明，摻入適量玄武巖纖維能夠使水泥土試樣在破壞時(shí)保持較好的整體性，而過量的纖維會影響與水泥漿之間的相容性導(dǎo)致強(qiáng)度下降；崔乃夫等[7]選取5種不同長度、4種不同摻量的玄武巖纖維進(jìn)行了劈裂抗拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對水泥土的抗拉強(qiáng)度具有顯著增強(qiáng)效果，并給出了試驗(yàn)范圍內(nèi)玄武巖纖維的最優(yōu)摻入長度與最優(yōu)摻量范圍。

綜合上述研究可以看出，玄武巖纖維水泥土優(yōu)越的力學(xué)性能已經(jīng)得到認(rèn)可，然而，關(guān)于凍融循環(huán)下的玄武巖纖維水泥土的研究卻鮮有報(bào)道。評價(jià)反復(fù)凍融循環(huán)作用對玄武巖纖維水泥土物理力學(xué)特性的影響，對季節(jié)性凍土區(qū)加固工程的研究具有重要意義。因此，在前人基礎(chǔ)上，以玄武巖纖維水泥土為試驗(yàn)對象，探討其在凍融循環(huán)條件下的物理力學(xué)特性影響，該研究可為鐵路、公路等工程基底加固設(shè)計(jì)與建設(shè)提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 試驗(yàn)過程

2.1 試樣制備

表1 試驗(yàn)土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

玄武巖纖維選自南京某建材公司，綜合考慮前人研究成果，本試驗(yàn)選取長度9 mm的短切玄武巖，其單絲直徑17 μm，密度2 650 kg/m3，抗拉強(qiáng)度約為4 500 MPa，彈性模量100 GPa；水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥。

試樣制備前，先將干土按最優(yōu)含水率配制，密封后浸潤24 h；取出濕土，摻入水泥和玄武巖纖維，并充分?jǐn)嚢杈鶆??；旌狭蠑嚢杈鶆蚝螅⒓催M(jìn)行制樣，制樣時(shí)分5層擊實(shí)，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，劈裂抗拉強(qiáng)度試樣為直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱體。試樣成型后用保鮮袋密封并置于養(yǎng)護(hù)室內(nèi)，養(yǎng)護(hù)28 d。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)配合比為：m干土︰m水泥︰m玄武巖纖維︰m水=1.000︰0.150︰0.015︰0.202。待養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，立即進(jìn)行室內(nèi)凍融試驗(yàn)。參照季節(jié)性凍土區(qū)的溫度變化，設(shè)定冷卻溫度為-15 ℃，融化溫度為20 ℃。凍結(jié)時(shí)在低溫試驗(yàn)箱中放置12 h，然后在恒溫水浴箱中浸泡融化12 h，此為1個(gè)凍融循環(huán)周期。試驗(yàn)設(shè)計(jì)0、1、3、6、9、12共6個(gè)循環(huán)周期。為準(zhǔn)確了解玄武巖纖維水泥土在凍融循環(huán)前后的物理特征變化，在每次凍融循環(huán)后測量試樣的高度、質(zhì)量以及超聲波波速變化，最后對達(dá)到凍融循環(huán)周期的玄武巖纖維水泥土試樣分別進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)，應(yīng)變控制加載速率為1 mm/min。

3 凍融循環(huán)對試樣物理特性的影響

3.1 表觀特征變化

不同凍融循環(huán)次數(shù)后玄武巖纖維水泥土試樣的表觀特征見圖1，經(jīng)歷凍融循環(huán)后試樣表面有輕微的剝蝕破損現(xiàn)象，然而6次和12次凍融循環(huán)后的試樣表觀差別不大，說明玄武巖纖維水泥土具有一定的抗凍融侵蝕性能。

3.2 高度變化

選取3個(gè)玄武巖纖維水泥土試樣用來記錄每次凍融循環(huán)后的高度變化，采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺對其固定位置進(jìn)行測量。3個(gè)試樣的高度變化情況分別見圖2。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣表觀特征

圖2 凍融循環(huán)下試樣的高度變化

由圖2可知，3個(gè)試樣的高度變化規(guī)律基本一致，總體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在凍融循環(huán)0～2次范圍內(nèi)，試樣高度不斷減?。?次凍融循環(huán)后，其高度有所回升，接著高度急劇下降，7次凍融循環(huán)后試樣高度降至最??；8次以后試樣高度再次回升。觀察紅色圓圈標(biāo)記的凍融周期為0、1、3、6、9和12次的試樣高度變化，可以看出6次凍融循環(huán)后的試樣高度最小，較0次凍融循環(huán)的試樣高度縮減了約0.02 mm；9次和12次后高度有所增大，但變化幅度不大。由上可知，凍融循環(huán)作用對玄武巖纖維水泥土高度的影響較小，最大僅為0.03 mm，原因在于離散的玄武巖纖維在水泥土內(nèi)部呈空間網(wǎng)狀分布，使得水泥土的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

圖3 凍融循環(huán)下試樣的質(zhì)量變化

3.3 質(zhì)量變化

每次凍融循環(huán)結(jié)束后，對3個(gè)試樣的質(zhì)量損失率φn進(jìn)行計(jì)算：

式中：mn為每次凍融循環(huán)結(jié)束后試樣的質(zhì)量，g；m0為凍融循環(huán)試驗(yàn)開始前試樣的質(zhì)量，g。

現(xiàn)階段藥品批發(fā)企業(yè)的上游來貨尚未全部做到發(fā)票隨貨同行，對于上游發(fā)票未到的藥品，批發(fā)企業(yè)暫時(shí)無法向公立醫(yī)療機(jī)構(gòu)銷售，有可能會影響部分藥品適時(shí)到貨，特別是臨床短缺藥品的使用。

試樣質(zhì)量損失率見圖3。凍融2～3次的試樣質(zhì)量損失率最大，之后質(zhì)量不斷增大，至7～8次時(shí)試樣質(zhì)量損失率降至最小，9次時(shí)質(zhì)量損失率再次增大。觀察藍(lán)色圓圈標(biāo)記的凍融周期為0、1、3、6、9和12次的試樣質(zhì)量變化，可以看出質(zhì)量損失率總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，3次凍融循環(huán)后試樣的質(zhì)量損失最大，6和9次的試樣質(zhì)量變化不大，12次的試樣質(zhì)量稍微增大。

3.4 聲波變化

采用非金屬超聲波檢測儀（見圖4）對每次凍融循環(huán)后的試樣進(jìn)行波速測試（見圖5）?？梢钥闯鰞鋈谘h(huán)條件下試樣的波速變化具有一定的規(guī)律性，其中6次凍融循環(huán)對試樣的波速影響較大，隨后波速有所增大。綠色圓圈標(biāo)記的凍融周期為0、1、3、6、9和12次的試樣波速總體先減小后緩慢增大。

4 凍融循環(huán)對試樣力學(xué)性能的影響

普通水泥土和玄武巖纖維水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的試驗(yàn)結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，摻加1.5%玄武巖纖維的水泥土在凍融循環(huán)過程中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于普通水泥土，說明玄武巖纖維對水泥土的抗凍融特性起到了一定的增強(qiáng)效果。由圖6（b）可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)在0～12次范圍內(nèi)增加，試樣的強(qiáng)度呈現(xiàn)先減小后緩慢增大的趨勢。其中，6次凍融循環(huán)后的試樣強(qiáng)度最低，為2.26 MPa，相比未經(jīng)歷凍融循環(huán)（0次凍融）的試樣強(qiáng)度下降了29.4%。9次和12次凍融循環(huán)的試樣強(qiáng)度出現(xiàn)緩慢增大，與文獻(xiàn)[8]試驗(yàn)結(jié)果相似。

圖4 非金屬超聲波檢測儀

圖5 凍融循環(huán)下試樣的波速變化

普通水泥土和玄武巖纖維水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的試驗(yàn)結(jié)果見圖7，兩曲線的趨勢與抗壓試樣結(jié)果基本相同，且同樣可知玄武巖纖維水泥土的抗凍融特性明顯優(yōu)于普通水泥土。由圖7（b）可知，試樣的抗拉強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加先減小后增大，且增長幅度較小。試驗(yàn)中，未經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣表現(xiàn)出最大抗拉強(qiáng)度，平均為0.47 MPa；1次凍融循環(huán)后其強(qiáng)度下降達(dá)23.4%；6次后強(qiáng)度降至最小，平均0.31 MPa；9次和12次的試樣強(qiáng)度有所回升，較6次分別提高了12.5%和16.1%。

圖6 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

結(jié)合玄武巖纖維水泥土在凍融循環(huán)條件下的物理特性變化情況，可以發(fā)現(xiàn)其力學(xué)特性與物理特性之間存在一定的相關(guān)性，其中波速與強(qiáng)度的相關(guān)性見圖8。

具體而言，在試驗(yàn)設(shè)定的凍融循環(huán)周期范圍內(nèi)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)逐步增加，玄武巖纖維水泥土的高度、質(zhì)量以及波速總體先減小后增大，6次凍融循環(huán)作為一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，同時(shí)其強(qiáng)度變化也符合這一規(guī)律，凍融循環(huán)6次的試樣強(qiáng)度最小。分析原因，隨著凍融循環(huán)的反復(fù)進(jìn)行，試樣內(nèi)部的水分反復(fù)凍結(jié)和融化，并不斷遷移，使得少量土顆粒流失，故其高度和質(zhì)量有所減小；再者，試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，內(nèi)部孔隙度增大，超聲波傳遞過程中衰減嚴(yán)重，故其波速降低，同時(shí)強(qiáng)度也會下降。然而到6次凍融循環(huán)后，試樣內(nèi)部的土顆粒會重新排列，顆粒間的接觸點(diǎn)增多[9-10]，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，故其強(qiáng)度會再次出現(xiàn)緩慢增長。

圖7 劈裂抗拉強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖8 強(qiáng)度與波速的相關(guān)性

5 結(jié)論

試驗(yàn)對凍融循環(huán)作用下玄武巖纖維水泥土的物理及力學(xué)特性進(jìn)行研究，試驗(yàn)結(jié)果可為季節(jié)性凍土區(qū)的隧道工程設(shè)計(jì)與施工提供一定的試驗(yàn)基礎(chǔ)。試驗(yàn)得出的主要結(jié)論如下：

（1）玄武巖纖維對水泥土抗凍融特性具有明顯的增強(qiáng)效果，玄武巖纖維摻量為1.5%的水泥土的抗凍融特性明顯優(yōu)于普通水泥土，該配比的水泥土材料可為工程施工提供一定的參考。

（2）玄武巖纖維水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加均呈現(xiàn)先減小后緩慢增大的趨勢，6次凍融循環(huán)后的試樣強(qiáng)度最低，分別為2.26 MPa和 0.31 MPa。

（3）在試驗(yàn)范圍內(nèi)，玄武巖纖維水泥土試樣的高度、質(zhì)量和波速隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體呈先減小后增大的趨勢。

（4）凍融循環(huán)作用影響著玄武巖纖維水泥土的物理和力學(xué)特性，且物理特性和力學(xué)特性之間存在一定的相關(guān)性。