凍融循環(huán)作用下土的性質(zhì)對纖維水泥土力學(xué)性質(zhì)的影響

徐麗娜，牛 雷*，張 婷，王亞波，王 軍

(1.吉林建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，長春 130118;2.吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院，長春 130026)

纖維水泥土是按一定比例，將很細(xì)的纖維絲或纖維網(wǎng)摻入水泥土中并充分拌和而形成的一種新型復(fù)合材料，不僅施工工藝簡單，而且能大幅度提高水泥土的抗壓強(qiáng)度，同時(shí)提高了水泥土的抗剪、抗拉強(qiáng)度[1]。玄武巖纖維是一種新型無機(jī)環(huán)保綠色高性能纖維材料，由于玄武巖纖維具有較高的韌性和抗拉強(qiáng)度，同時(shí)具有對環(huán)境污染小、價(jià)格低廉等優(yōu)良的性質(zhì)，經(jīng)常作為復(fù)合材料中的增強(qiáng)材料，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。

對于水泥土來說，凍融作用對水泥土的物理力學(xué)性質(zhì)均有較大的影響[3]。中外學(xué)者在這方面開展了大量研究。王天亮等[4]研究發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)下，水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為加工軟化型，并以脆性破壞為主；陳四利等[5]研究發(fā)現(xiàn)水泥土的抗剪強(qiáng)度, 抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低；崔宏環(huán)等[6]通過研究發(fā)現(xiàn)短齡期時(shí)，水泥土水化反映尚未結(jié)束，凍融循環(huán)造成的結(jié)構(gòu)損傷可以恢復(fù)，而齡期90 d后,水化反應(yīng)基本完全,結(jié)構(gòu)近于穩(wěn)定,經(jīng)凍融循環(huán)造成不可修復(fù)的損傷,導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度均隨循環(huán)次數(shù)增加呈下降的趨勢；劉桂香等[7]通過三軸對比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)加筋處理適用于多年凍土地區(qū)。徐麗麗等[8]、趙立財(cái)[9]、何巖[10]、王勃等[11]的研究進(jìn)一步證實(shí)了上述觀點(diǎn)。而汪恩良等[12]通過研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)使筋土表層土變得疏松，局部變形偏大；韓春鵬等[13]分析纖維摻量、纖維長度、凍融循環(huán)次數(shù)3個(gè)因素對聚丙烯纖維土抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律，經(jīng)過綜合分析得到纖維長度、摻量的最佳組合方案；纖維土黏聚力較素土有一定的提升，且提升效果隨凍融次數(shù)的增加更顯著；內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的增加出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象。

以吉林省長春市凈月區(qū)的兩種常見土為研究對象，以玄武巖纖維和水泥為加固材料，通過一系列的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析了纖維質(zhì)量摻入比為0.5%時(shí)，土體性質(zhì)對玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，并得到了凍融循環(huán)作用下土體性質(zhì)對纖維水泥土力學(xué)強(qiáng)度的影響，進(jìn)一步分析了凍融循環(huán)作用下水泥土的破壞狀態(tài)，為纖維水泥土在季節(jié)性凍土區(qū)域的應(yīng)用提供一定的借鑒和參考。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所采用的兩種土樣均取自于吉林省長春市凈月區(qū)，試驗(yàn)用土的現(xiàn)場取樣照片如圖1所示。將采集的土樣在自然條件下風(fēng)干、碾碎，并通過5 mm 的篩，圖2為試驗(yàn)中所用土樣的粒徑分布曲線，表1為兩種土樣的基本物理指標(biāo)，其中土樣一為低液限黏土，土樣二為含細(xì)粒砂土。試驗(yàn)中所采用的水泥是由長春亞泰集團(tuán)生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，水泥的強(qiáng)度等級為P.O 42.5。試驗(yàn)所采用的纖維為海寧安捷復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，其直徑為7～15 μm。

表1 兩種土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 試驗(yàn)用土現(xiàn)場取樣

圖2 粒徑分布曲線

1.2 試樣制備

按照《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》(JGJ/T 233—2011)中的要求進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)、試樣的制備及相關(guān)試驗(yàn)。試樣采用70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm的立方體試模，試驗(yàn)采用的水灰比為0.5，水泥摻量為10%，玄武巖纖維摻量為0.5%，摻入纖維長度分別為0、3、6、12、20、35 mm。具體試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀器采用長春科新試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)。加載采用位移勻速控制，加載速率為 0.1 mm/s。

1.3.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

參照吉林省長春地區(qū)的溫度變化，首先將制備好的試樣在-15 ℃的溫度中凍結(jié)24 h，而后在室溫條件下水中浸泡24 h，該過程為一個(gè)凍融循環(huán)周期。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的對比分析

由圖3可以看出，在土樣一的水泥土中加入纖維，有效地提高了水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，其中添加長度為6 mm的纖維時(shí)，強(qiáng)度提高最明顯。而在土樣二的水泥土中添加玄武巖纖維后，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度不僅沒有提高，反而有所降低。通過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在水泥土中加入纖維不一定能提高水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，土體的性質(zhì)對纖維的加固效果影響比較大。

圖3 玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(養(yǎng)護(hù)齡期：28 d)

2.2 凍融循環(huán)作用下強(qiáng)度變化的對比分析

圖4為凍融循環(huán)次數(shù)與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。從圖4可以看出，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減低。其中，方案1中試樣的強(qiáng)度降低幅度比較大，而方案2 中試樣的強(qiáng)度減低幅度較小。方案1中未添加纖維的水泥土經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，失去承載能力，而方案2中未添加纖維經(jīng)過24次凍融循環(huán)后才開始下降比較明顯，這說明，土的性質(zhì)在水泥土抵抗凍融循環(huán)過程中有很重要的作用。對于方案1來說，添加纖維的水泥土經(jīng)過11次凍融循環(huán)后，開始有明顯的下降，而對于方案2來說，添加纖維的水泥土經(jīng)過24次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度降低并不明顯，這說明纖維的添加可以有效地提高水泥土抵抗凍融循環(huán)的能力。

圖4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系

2.3 強(qiáng)度損失的對比分析

表3為凍融循環(huán)作用下水泥土的強(qiáng)度損失率。從表3可以看出，方案1中未添加纖維的水泥土經(jīng)過5次凍融循環(huán)后強(qiáng)度損失在49%，添加纖維的水泥土經(jīng)過11次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度均損失在50%左右。而方案2中未添加纖維的水泥土經(jīng)過24次凍融循環(huán)，強(qiáng)度損失達(dá)到33%，而添加纖維的水泥土強(qiáng)度損失在5%～14%。

表3 凍融循環(huán)作用下強(qiáng)度損失率

3 凍融破壞狀態(tài)分析

圖5為經(jīng)過不同次數(shù)凍融循環(huán)作用后水泥土的照片。由圖5可以看出，兩種土樣添加纖維后，水泥土經(jīng)過凍融循環(huán)后的裂紋均有所減少，說明纖維的添加可以有效地提高水泥土在凍融循環(huán)作用下的抗開裂能力。方案1中未添加纖維的水泥土經(jīng)過11次循環(huán)后，裂紋已經(jīng)貫通，完全破碎成小塊，失去承載能力，而添加纖維的水泥土經(jīng)過11次凍融循環(huán)后，表面也已經(jīng)出現(xiàn)裂紋，但裂紋沒有貫通；方案2中的試樣經(jīng)過24次凍融循環(huán)后，除了個(gè)別表面出現(xiàn)輕微裂紋的現(xiàn)象外，并沒有形成貫通性的裂紋，這也是其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度損失率較低的主要原因之一。

數(shù)字表示添加纖維長度

4 結(jié)論

通過研究凍融循環(huán)作用下土的性質(zhì)對纖維水泥土力學(xué)性質(zhì)的影響，得到以下結(jié)論。

(1)玄武巖纖維的加入未必能提高水泥土的強(qiáng)度，對于黏性土來說，纖維的加固效果比較明顯，而對于砂土來說，纖維對提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的作用比較小。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸減低，未添加纖維的水泥土抵抗凍融循環(huán)的能力較弱，添加纖維的水泥土可以抵抗更多次的凍融循環(huán)。因此，說明纖維的添加可以有效地提高水泥土抵抗凍融循環(huán)的能力，同時(shí)，纖維的添加可以降低水泥土在凍融循環(huán)作用下的強(qiáng)度損失。

(3)玄武巖纖維和水泥加固砂土經(jīng)過24次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度損失小，表面裂紋不明顯，而玄武巖纖維和水泥加固黏土經(jīng)過11次循環(huán)后，強(qiáng)度損失就已經(jīng)達(dá)到50%，同時(shí)，表面出現(xiàn)明顯的裂紋，這說明土體本身的性質(zhì)對抵抗凍融循環(huán)作用有顯著的影響。