凍融循環(huán)條件下玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究

巨澍朋 賈 斌 楊保存 王 榮

（塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院 南疆巖土工程研究中心，新疆 阿拉爾 843300）

水泥土由于其造價(jià)低、施工簡便、低滲透性、低壓縮性等優(yōu)點(diǎn)在工程中被廣泛應(yīng)用。但水泥土在季凍區(qū)的適應(yīng)性不夠理想，經(jīng)凍融作用常不能達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求。因此，改善其強(qiáng)度成為水泥土研究中的熱點(diǎn)。陳峰[1-2]研究玄武巖纖維對水泥土強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能及性價(jià)比均優(yōu)于其他纖維材料，并且在高性能混凝土的增強(qiáng)材料中得到廣泛應(yīng)用并取得了顯著效果。因此研究在最優(yōu)水泥配比條件下，凍融條件、纖維摻量、養(yǎng)護(hù)齡期對水泥土試件的抗壓性能影響變化規(guī)律具有重要意義。

1 試驗(yàn)研究方法

1.1 材料準(zhǔn)備

土樣取自新疆阿拉爾市塔里木大學(xué)新建圖書館的施工工地，主要為新疆南疆常見的黏土，基本物理力學(xué)性能為：ω=13.5%，ρ=2.04g/cm3，WL=31.45%，WP=23.03%，IP=8.42，IL=1.13。水泥采用42.5 普通硅酸鹽水泥。纖維采用18mm 玄武巖纖維短切原絲，其主要的物理性能為：σ=1200MPa，E=75GPa，斷裂伸長率為3.1%。

1.2 試件養(yǎng)護(hù)

首先將土試樣自然風(fēng)干，然后粉碎并過篩，并按風(fēng)干土含水率0.79%進(jìn)行加水，將水、土、纖維和水泥進(jìn)行攪拌直至均勻。將攪拌均勻的水泥土，分三層依次裝入試樣模具中，每裝完一層即振搗至密實(shí)，振搗完成最后一層振搗后水泥土上表面略高于試模上沿。

試件制作好后24h 拆模，將溫度控制在（20±3）℃、相對濕度控制在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)7d、14d、28d、60d。

1.3 試驗(yàn)方案

土樣含水率按最優(yōu)含水率22.4%配置，水泥摻量為風(fēng)干土質(zhì)量的20%，玄武巖纖維摻入比分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%，玄武巖纖維摻入代替水泥，水灰比統(tǒng)一采用0.37，凍融循環(huán)次數(shù)為0、10、20、30、40 次。不同工況條件下對7d、14d、28d、60d 齡期各制作三個(gè)試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

將70.7mm×70.7mm×70.7mm 的立方體試件，通過高低溫試驗(yàn)機(jī)根據(jù)試驗(yàn)要求分別進(jìn)行0、10、20、30、40 次的凍融循環(huán)，凍融溫度為-20℃～20℃，每5 小時(shí)一次冷凍或融化，10 小時(shí)為一循環(huán)。

通過壓力機(jī)以0.15kN/s 的加載速率均勻加載至破壞，并記錄其破壞荷載，從而換算為試件的抗壓強(qiáng)度。研究凍融循環(huán)條件下玄武巖纖維摻量對水泥土抗壓強(qiáng)度的之間的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 玄武巖纖維摻量對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響變化規(guī)律

將養(yǎng)護(hù)齡期為60 天、水泥摻入比為20%、凍融循環(huán)次數(shù)為0、10、20、30、40 次，對纖維摻量為0%、0.5%、1%、1.5%的試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1 和圖1。

圖1 抗壓強(qiáng)度與玄武巖纖維摻量的關(guān)系

由圖1 可知，在凍融次數(shù)、齡期相同的條件下，玄武巖纖維水泥土在摻量為0.5%時(shí)出現(xiàn)峰值，表明摻量為0.5%時(shí)抗壓效果最佳。

2.2 凍融循環(huán)次數(shù)對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響變化規(guī)律

由圖2 可知，在纖維摻量、齡期相同的條件下，水泥土的抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加出現(xiàn)波動(dòng)，在凍融循環(huán)次數(shù)20次內(nèi)，玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加抗壓強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其抗壓強(qiáng)度隨之降低。在凍融次數(shù)為20 次時(shí)，抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)峰值，說明玄武巖纖維在季節(jié)性地區(qū)使用時(shí)，在前期，對水泥土的抗壓強(qiáng)度有增強(qiáng)的效果，隨著時(shí)間增長，水泥土抗壓強(qiáng)度隨之降低，但玄武巖纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度比普通水泥土的抗壓強(qiáng)度效果更好。

圖2 抗壓強(qiáng)度與凍融條件的關(guān)系

可知，在凍融循環(huán)下，摻量為1.5%的玄武巖纖維水泥土與摻量為0%、0.5%、1%的水泥土抗壓強(qiáng)度相比，摻量為1.5%的玄武巖纖維水泥土的強(qiáng)度更低，其主要原因?yàn)槔w維摻量過多致使其在試件中分布不均勻，影響水泥土在水化時(shí)纖維與水泥土顆粒之間的界面摩擦力，且凍融循環(huán)條件，加速破環(huán)水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使摻量更多的水泥土抗壓強(qiáng)度比普通水泥土的抗壓強(qiáng)度更低。

2.3 養(yǎng)護(hù)齡期對水泥土抗壓強(qiáng)度的影響變化規(guī)律

將凍融循環(huán)次數(shù)為20 次、摻量為0%、0.5%、1%、1.5%的試件分別養(yǎng)護(hù)7、14、28、60 天，試驗(yàn)結(jié)果見表2 和圖3。

表2 凍融循環(huán)20 次的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）

由圖3 可知，在凍融次數(shù)、摻量相同的條件下，玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度隨齡期的增長也出現(xiàn)波動(dòng)。首先，在凍融循環(huán)條件下，在前期由于水泥水化不充分，無論是對何種摻量的水泥土，水泥土的抗壓強(qiáng)度都不是像普通水泥土逐漸增強(qiáng)，隨著齡期的增長，水泥水化程度更充分，纖維與水泥土顆粒之間的界面摩擦力極大增強(qiáng)，纖維加筋作用優(yōu)勢明顯，水泥土的抗壓強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)，所以在工程中運(yùn)用玄武巖纖維水泥土?xí)r，要充分考慮玄武巖纖維水泥土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，讓玄武巖纖維與水泥充分作用。

圖3 抗壓強(qiáng)度與齡期的關(guān)系

3 結(jié)論

本文基于不同纖維摻量、凍融循環(huán)次數(shù)和養(yǎng)護(hù)齡期條件下對玄武巖纖維水泥土與普通水泥土的抗壓性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出了如下的主要結(jié)論。

3.1 在養(yǎng)護(hù)齡期和凍融循環(huán)次數(shù)相同的條件下，玄武巖纖維水泥土在摻量為0.5%時(shí)出現(xiàn)峰值。隨著摻量增加時(shí)，水泥土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果逐漸減弱，玄武巖纖維的摻入量為0.5%時(shí)增強(qiáng)效果最佳，摻量為1.5%的玄武巖纖維水泥土的則強(qiáng)度更低。主要原因?yàn)槔w維摻量過多致使其在試件中分布不均勻，影響水泥土在水化時(shí)纖維與水泥土顆粒之間的界面摩擦力，且凍融循環(huán)條件加速破環(huán)水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu)機(jī)理，不利于增強(qiáng)水泥土的抗壓強(qiáng)度。合理選擇玄武巖纖維的摻入量可使水泥土的強(qiáng)度提高，對實(shí)際工程中水泥土的穩(wěn)定性和安全性有利。

3.2 在齡期和摻量相同的條件下，隨著凍融次數(shù)增加，在凍融作用下水泥土出現(xiàn)強(qiáng)度損失，總體玄武巖纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度比普通水泥土的抗壓強(qiáng)度效果更好。在季節(jié)性凍土地區(qū)使用時(shí)，玄武巖纖維對水泥土的抗凍性能有增強(qiáng)的效果。今后可增加凍融循環(huán)次數(shù)，對玄武巖纖維水泥土的抗凍性做更深入的研究。

3.3 在凍融循環(huán)次數(shù)和玄武巖纖維摻量相同的條件下，在前期時(shí)，由于水泥水化硬凝程度不充分，無論是對何種摻量的水泥土，水泥土的抗壓強(qiáng)度都不是像普通水泥土逐漸增強(qiáng)，隨著齡期的增長，水泥水化程度更充分，纖維與水泥土顆粒之間的界面摩擦力極大增強(qiáng)，纖維加筋作用優(yōu)勢明顯，水泥土的抗壓強(qiáng)度也隨之增大。在工程中運(yùn)用玄武巖纖維水泥土?xí)r，要充分考慮玄武巖纖維在水泥土中的均勻分布和水泥土的養(yǎng)護(hù)齡期，讓玄武巖纖維與水泥充分作用。