玄武巖纖維水泥土填料抗壓強度及耐久性研究

陳 猛

（鄭州市交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，河南鄭州450000）

當前，水泥穩(wěn)定土（簡稱“水泥土”）因抗壓強度高、水穩(wěn)定性良好、施工簡便等優(yōu)點[1-3]，在道路、鐵道工程中常用作路基填料；但水泥土屬于脆性材料，抗拉性能差[4-8]，在實際工程應(yīng)用中易產(chǎn)生收縮裂縫。對此，國內(nèi)外學(xué)者通過在水泥土中摻入纖維來改善工程性質(zhì)，以更好地滿足工程生產(chǎn)需求。唐朝生等[7]分別在素土、水泥土中摻入聚丙烯纖維，結(jié)果表明水泥土抗壓強度得到提高，且降低了水泥土脆性。賀祖浩等[8]研究發(fā)現(xiàn)聚丙烯腈纖維能顯著提高水泥土力學(xué)強度，且增大水泥土粘聚力。張雷等[9]研究了聚丙烯纖維摻量對水泥土強度影響機理。胡建林等[10]研究表明纖維摻量過多，對水泥土抗拉強度產(chǎn)生不利影響。李麗華等[11]研究了玻璃纖維水泥土抗壓強度影響因素，其中纖維摻量0.6%時，抗壓強度出現(xiàn)峰值。阮波等[12]研究了纖維摻量及長度對水泥土力學(xué)強度影響規(guī)律，當纖維摻量0.2%、長度9mm 時，其抗壓強度最大。郎海鵬、張潔[13-14]分別研究凍融和干濕條件下纖維水泥土力學(xué)強度變化規(guī)律。

目前，關(guān)于聚丙烯纖維水泥土和玻璃纖維水泥土力學(xué)強度研究較多，而對于其穩(wěn)定耐久性研究較少。另外，當前對玄武巖纖維水泥土研究較少[4]。玄武巖纖維是一種性能優(yōu)良、綠色環(huán)保的新型纖維，抗拉強度和彈性模量高、抗腐蝕性良好[15-16]。對此，筆者以玄武巖纖維水泥土為研究對象，通過無側(cè)限抗壓強度試驗和干濕凍融循環(huán)試驗研究其抗壓強度和耐久性變化規(guī)律。

1 試驗材料與研究方案

1.1 試驗材料

土樣為淤泥質(zhì)土，取自山東東營某路基取土場，技術(shù)性質(zhì)見表1。水泥采用華山牌P.O.42.5 級普通硅酸鹽水泥，技術(shù)性質(zhì)見表2。纖維選用玄武巖纖維，長度為9mm，技術(shù)性質(zhì)見表3。

表1 土樣技術(shù)性質(zhì)Table 1 Technical properties of soil samples

表2 水泥技術(shù)性質(zhì)Table 2 Technical properties of cement

表3 纖維技術(shù)性質(zhì)Table 3 Technical properties of fiber

1.2 研究方案

1.2.1 試驗方案

（1）無側(cè)限抗壓強度研究

研究水泥摻量、玄武巖纖維摻量、養(yǎng)生齡期及方式對水泥土力學(xué)強度的影響規(guī)律。根據(jù)現(xiàn)場路基壓實水平和室內(nèi)試驗要求制定試驗方案，見表4。纖維摻量指纖維質(zhì)量與干淤泥質(zhì)土質(zhì)量之比。擬養(yǎng)生方式為標準養(yǎng)護和NaCl 溶液浸泡養(yǎng)護，標準養(yǎng)護條件是溫度（20±2）℃、濕度95%以上，NaCl 溶液浸泡養(yǎng)護條件為濃度0.15mol/L，溫度（20±2）℃。

表4 力學(xué)強度試驗方案Table 4 Mechanical strength test scheme

（2）耐久性研究

研究水泥摻量、玄武巖纖維摻量和干濕凍融循環(huán)次數(shù)對水泥土耐久性的影響規(guī)律。試驗方案見表5。擬采用干濕凍融循環(huán)后無側(cè)限抗壓強度評價纖維水泥土耐久性。

表5 耐久性試驗方案Table 5 Durability test sche me

1.2.2 試驗方法

（1）試件制備與養(yǎng)護

按室內(nèi)重型擊實試驗甲法確定的最佳含水率，采用靜壓法制備尺寸50mm×h50mm 的纖維水泥土試件。試件制備完成后，分別按照標準養(yǎng)護和NaCl 溶液浸泡養(yǎng)護條件進行養(yǎng)生。

（2）干濕凍融循環(huán)

考慮當?shù)刈匀画h(huán)境影響，干濕凍融循環(huán)前將標準養(yǎng)護的試件在養(yǎng)生齡期最后1d 浸泡于溫度（20±2）℃、濃度0.15mol/L 的NaCl 溶液中一晝夜。試件浸泡完畢后，用濕布擦拭試件表面。將試件分成兩組，分別進行干濕循環(huán)和凍融循環(huán)。干濕循環(huán)過程中，將試件置于烘箱中進行脫濕，烘箱溫度為40℃，烘干時間為10h；試件脫濕完成后，將試件再次浸泡于NaCl 溶液中14h，此為1次干濕循環(huán)周期。凍融循環(huán)過程中，將試件置于低溫箱中進行凍結(jié)，溫度設(shè)為-18℃，凍結(jié)16h；試件凍結(jié)結(jié)束后，將試件再次浸泡于（20±2）℃的NaCl 溶液中8h，此為1 次凍融循環(huán)周期。

（3）無側(cè)限抗壓強度

參照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》（JTG E51-2009），采用液壓伺服萬能試驗機進行無側(cè)限抗壓強度試驗，加載速率均為1mm/min。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度

（1）水泥摻量影響

水泥摻量對纖維水泥土力學(xué)強度影響如圖1 所示。試件玄武巖纖維摻量為0.2%，標準養(yǎng)護方式養(yǎng)生至7d。

圖1 水泥摻量對纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度影響Fig. 1 Effect of cement content on unconfined compressive strength of fiber cement soil

由圖1 可得，纖維水泥土壓實度一定時，其無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量增加呈線性增長，且隨壓實度越大，抗壓強度增速減小。水泥摻量每增加1%，壓實度93%、96%、98% 的纖維水泥土抗壓強度分別平均提高了13.9%、9.2%、6.8%。這是因為水泥與土中自由水發(fā)生水化反應(yīng)，生成的膠凝材料填充土粒之間孔隙，致使土體密實度增大，加強了土粒之間連接強度，從而其強度逐漸提高；而壓實度較高的試件內(nèi)部孔隙相對較小，所以水泥摻量對其強度影響程度較低。

（2）玄武巖纖維摻量影響

玄武巖纖維摻量對纖維水泥土抗壓強度影響如圖2所示。試件水泥摻量為12%，標準養(yǎng)護方式養(yǎng)生至7d。

圖2 玄武巖纖維摻量對纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度影響Fig. 2 Effect of basalt fiber content on unconfined compressive strength of fiber cement soil

由圖2 可得，水泥土摻入玄武巖纖維后，抗壓強度得到提高。隨玄武巖摻量增加，纖維水泥土抗壓強度先增大后減小，在纖維摻量0.3% 時抗壓強度出現(xiàn)峰值，且玄武巖摻量對其抗壓強度增大速率高于抗壓強度降低速率。當玄武巖纖維摻量從0% 增加至0.3% 時，水泥土抗壓強度至少提高了41.0%；當玄武巖纖維摻量從0.3%增加至0.5% 時，水泥土抗壓強度約降低了6.2%。這是因為玄武巖纖維具有較高的抗拉強度，抑制了土體內(nèi)部拉應(yīng)力產(chǎn)生與發(fā)展，從而水泥土抗壓強度增大；而隨著纖維摻量增多，纖維在土體分布不均勻，致使纖維對土體加筋作用略微弱化，所以纖維摻量較高時，水泥土抗壓強度減小。

（3）養(yǎng)生齡期及方式影響

養(yǎng)生齡期及方式對纖維水泥土抗壓強度影響如圖3所示。試件水泥摻量和玄武巖纖維摻量分別為12%、0.2%，壓實度為93%。

圖3 養(yǎng)生齡期及方式對纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度影響Fig. 3 Effect of curing age and method on unconfined compressive strength of fiber cement soil

由圖3 可得，同一養(yǎng)生方式下，隨養(yǎng)生齡期延長，纖維水泥土抗壓強度逐漸提高，且增長速率明顯降低；標準養(yǎng)生纖維水泥土抗壓強度大于同一齡期NaCl 溶液養(yǎng)生的試件強度。采用標準養(yǎng)生的纖維水泥土7d 抗壓強度分別是28d、90d 抗壓強度的75.9%、69.4%，采用NaCl溶液養(yǎng)生的纖維水泥土7d 抗壓強度分別是28d、90d 抗壓強度的69.7%、61.2%；NaCl 溶液養(yǎng)生的纖維水泥土90d 抗壓強度為1.73MPa，與標準養(yǎng)生的試件抗壓強度相當，說明NaCl 溶液對纖維水泥土腐蝕作用較大。

2.2 玄武巖纖維水泥土耐久性

干濕凍融循環(huán)條件下玄武巖纖維水泥土力學(xué)強度試驗結(jié)果見表6～表9。試件壓實度93%，采用標準養(yǎng)生方式進行養(yǎng)生，齡期為90d。

表6 不同干濕次數(shù)下0.2%玄武巖纖維摻量水泥土無側(cè)限抗壓強度Table 6 Unconfined compressive strength of cement soil with 0.2% basalt fiber content under different dry-wet times

表7 不同干濕次數(shù)下12%水泥摻量的玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度Table 7 Unconfined compressive strength of basalt fiber cement soil with 12% cement content under different dry-wet times

表8 不同凍融次數(shù)下0.2%玄武巖纖維摻量水泥土無側(cè)限抗壓強度Table 8 Unconfined compressive strength of cement soil with 0.2% basalt fiber content under different freeze-thaw times

表9 不同凍融次數(shù)下12%水泥摻量的玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度Table 9 Unconfined compressive strength of basalt fiber cement soil with 12% cement content under different freeze-thaw times

2.2.1 干濕循環(huán)

（1）水泥摻量影響

水泥摻量對干濕條件下玄武巖纖維水泥土抗壓強度影響如圖4 所示。試件玄武巖纖維摻量為0.2%。

圖4 水泥摻量對干濕條件下纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度影響Fig. 4 Effect of cement content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under dry and wet conditions

由圖4 可得，同一干濕次數(shù)下，隨水泥摻量增加，纖維水泥土抗壓強度呈線性增長，且干濕作用次數(shù)較少時，纖維水泥土抗壓強度增長相對較小；而干濕次數(shù)超過5 次后，水泥摻量對纖維水泥土抗壓強度影響效果相近，且相鄰干濕次數(shù)的強度曲線較近，說明干濕5 次后，抗壓強度逐漸減小至穩(wěn)定。當水泥摻量每增加1%，纖維水泥土干濕 1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次后抗壓強度約分別提高了13.0%、15.4%、18.8%、19.8%、20.7%、20.4%。與纖維水泥土干濕0 次抗壓強度相比，干濕作用次數(shù)越多，其抗壓強度損失越大，干濕1 次、5 次和10 次后抗壓強度約分別降低了16.3%、36.2%、47.3%；而16% 水泥摻量的纖維水泥土干濕10 次后抗壓強度為1.31MPa，與8% 水泥摻量的纖維水泥土干濕0次的強度相當，12%水泥摻量的纖維水泥土干濕10 次后抗壓強度大于4% 水泥摻量的纖維水泥土干濕0 次的強度，說明水泥摻量的增加有效減弱了干濕作用下纖維水泥土的降低效果。

（2）纖維摻量影響

玄武巖纖維摻量對干濕條件下纖維水泥土抗壓強度影響如圖5 所示。試件水泥摻量為12%。

圖5 玄武巖纖維摻量對干濕條件下纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度影響Fig. 5 Effect of basalt fiber content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under dry and wet conditions

由圖5 可得，同一干濕次數(shù)下，玄武巖纖維摻量對干濕條件下纖維水泥土抗壓強度影響與非干濕條件下變化規(guī)律一致。隨玄武巖纖維摻量增加，纖維水泥土抗壓強度先增大后減小，當玄武巖纖維摻量為0.3%，抗壓強度出現(xiàn)極值；且干濕次數(shù)較多時，纖維摻量對水泥土抗壓強度影響效果減弱。當玄武巖纖維摻量從0% 增加至0.3%，纖維水泥土干濕 0 次、1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次的抗壓強度分別提高了36.7%、25.8%、20.7%、18.6%、17.0%、16.5%、16.3%；纖維摻量從0.3% 增加至0.5%，纖維水泥土干濕0 次、1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次的抗壓強度分別降低了7.5%、6.6%、4.8%、3.8%、4.1%、1.8%、0.9%，這說明玄武巖纖維摻量越高，其抗壓強度受干濕作用影響越小。這是因為玄武巖纖維摻量較高時，有效地提高了土體的抗拉性能，抑制了土體由于干濕作用影響而產(chǎn)生的裂縫，導(dǎo)致其抗壓強度降低幅度較小，從而較高纖維摻量下水泥土干濕循環(huán)作用后抗壓強度變化速率相對較小。

2.2.2 凍融循環(huán)

（1）水泥摻量影響

水泥摻量對凍融條件下玄武巖纖維水泥土抗壓強度影響如圖6 所示。試件玄武巖纖維摻量為0.2%。

圖6 水泥摻量對凍融條件下纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度影響Fig. 6 Effect of cement content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under freeze-thaw condition

由圖6 可得，同一凍融次數(shù)下，隨水泥摻量增加，纖維水泥土抗壓強度呈線性增長，當凍融次數(shù)超過7 次后，水泥摻量對其抗壓強度提升效果相近，且抗壓強度逐漸減小至穩(wěn)定值。水泥摻量每增加1%，纖維水泥土凍融 1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次后抗壓強度分別提高了13.8%、17.6%、18.8%、19.9%、20.3%、20.5%；與纖維水泥土凍融0 次抗壓強度相比，其凍融1 次、7 次、10 次后抗壓強度約分別降低了21.2%、49.1%、52.9%。這是因為凍融作用下纖維水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不同粒徑的顆粒含量逐漸趨向穩(wěn)定，從而凍融次數(shù)超過7 次后抗壓強度逐漸趨向穩(wěn)定。

另外，與同水泥摻量和作用次數(shù)的纖維水泥土抗壓強度相比，凍融作用后的抗壓強度小于干濕作用后的抗壓強度，降低了5.8%～10.7%。說明凍融作用下纖維水泥土抗壓強度較干濕作用易損失。

（2）纖維摻量影響

玄武巖纖維摻量對凍融條件下纖維水泥土抗壓強度影響如圖7 所示。試件水泥摻量為12%。

圖7 玄武巖纖維摻量對凍融條件下纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度影響Fig. 7 Effect of basalt fiber content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under freeze-thaw condition

由圖7 可得，同一凍融次數(shù)下，隨纖維摻量增加，纖維水泥土抗壓強度先增大后緩慢減小，當凍融次數(shù)較小時，纖維摻量對其抗壓強度的影響更明顯；凍融次數(shù)超過7 次后，同纖維摻量的水泥土抗壓強度變化幅度明顯減小，說明凍融7 次后抗壓強度趨于穩(wěn)定。當纖維摻量由0% 提高至0.3%，纖維水泥土凍融作用后抗壓強度至少提高了18.8%，較干濕作用下纖維摻量對水泥土影響略大；纖維摻量由0.3% 提高至0.5%，纖維水泥土凍融 0 次、1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次 的 抗 壓 強度分別降低了7.8%、6.6%、7.4%、5.8%、4.7%、2.9%、0.9%，與干濕作用下纖維摻量對抗壓強度影響效果相近。

另外，同一纖維摻量下，纖維水泥土凍融作用后減小速率大于干濕作用后強度減小速率，說明凍融條件對玄武巖纖維抗壓強度影響較干濕條件明顯。

3 結(jié)論

（1） 同一壓實度下，玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度隨水泥摻量增加呈線性增長，且纖維摻量為0.3%時，其抗壓強度最大。水泥摻量每增加1%，纖維水泥土抗壓強度提高了6.8%～13.9%；隨纖維摻量增加，纖維水泥土抗壓強度增速大于降速，纖維摻量從0%增加至0.3%后抗壓強度至少提高了41.0%，纖維摻量從0.3% 增加至0.5% 后抗壓強度約降低了6.2%。

（2）標準養(yǎng)生方式和鹽溶液養(yǎng)生方式對纖維水泥土抗壓強度影響規(guī)律一致，隨齡期延長，抗壓強度增長速率明顯降低；NaCl 溶液養(yǎng)生方式抑制了纖維水泥土強度的發(fā)展，較標準養(yǎng)生方式的纖維水泥土抗壓強度平均降低了11.8%。

（3）干濕凍融作用下，隨水泥摻量增加，纖維水泥土抗壓強度呈線性增長，且干濕作用后強度較凍融作用大；當纖維水泥土干濕5 次或凍融7 次后，水泥摻量對抗壓強度提升效果相近，且抗壓強度逐漸減小至穩(wěn)定。水泥摻量每增加1%， 纖維水泥土干濕作用和凍融作用后抗壓強度至少分別提高了13.6%、20.5%，而干濕1次、7 次、10 次后抗壓強度分別降低了16.3%、36.2%、47.3%，而凍融1 次、7 次、10 次后抗壓強度分別降低了21.2%、49.1%、52.9%。

（4）同一水泥劑量和干濕凍融次數(shù)下，隨玄武巖纖維摻量增加，水泥土抗壓強度先快速增大后緩慢減小，且纖維摻量為0.3%，干濕或凍融后水泥土抗壓強度最大。玄武巖纖維摻量從0% 增加至0.3%，干濕作用和凍融作用后抗壓強度至少分別提高了16.3%、18.8%，纖維摻量從0.3% 增加至0.5%，干濕作用和凍融作用后抗壓強度最大降低了7.5%、7.8%。