玄武巖纖維提升水泥土抗拉性能的試驗研究

張國龍，任昊銘 ，章定文 ，徐慧敏，宋 濤

(1.安徽省水利水電勘測設(shè)計研究總院有限公司，安徽 合肥 230088；2.東南大學(xué) 交通學(xué)院，江蘇 南京 211189；3.道路交通工程國家級實驗教學(xué)示范中心（東南大學(xué)），江蘇 南京 211189；4.中南建筑設(shè)計院股份有限公司，湖北 武漢 430000)

水泥固化土的抗壓性能較好，但其抗拉、抗彎折強度較低，在某些工作條件下，水泥土結(jié)構(gòu)會因拉伸而破壞，如水利工程堤壩邊坡下的水泥土攪拌樁樁體常因彎曲或拉伸而破壞，輸電鐵塔因電線的拉緊導(dǎo)致用于鐵塔地基的水泥土樁因抗拉強度不夠而開裂[1-3]。針對水泥土抗拉強度低的局限性，在水泥土中摻入纖維來提升其抗拉性能被國內(nèi)外學(xué)者證明是一種行之有效的方法[4-9]。Gutiérrez-Orrego 等[4]在水泥土中加入劍麻纖維后發(fā)現(xiàn)，摻入0.1%劍麻纖維可使斷裂模量較不摻入時增加20 倍，同時其彎曲強度和抗壓性能也都有不同程度的增加。戴文亭等[7]在水泥固化鹽漬土中摻入稻殼灰與聚丙烯纖維改性，測試表明其無側(cè)限抗壓強度提高了31.9%、劈裂抗拉強度提高了49.1%，加州承載比CBR 值提高了16.5%。

玄武巖纖維因具有成本低、易拌合、耐高溫和耐腐蝕等優(yōu)點，成為纖維加筋領(lǐng)域研究的熱點[10-12]。陳峰等[13]研究表明，水泥土的滲透系數(shù)和電通量值隨著玄武巖纖維摻量的增加而減小，且減小幅度也隨之減小，玄武巖纖維最佳摻量為1.5%。Wang 等[14]研究發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維水泥土的劈裂抗拉強度和抗壓強度比為0.245，且其劈裂抗拉強度隨著玄武巖纖維摻量和長度的增加呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢。

目前，對玄武巖纖維加筋水泥土的研究多集中在抗壓強度和抗?jié)B性能等方面，對其抗拉特性的研究少。本研究采用自主研發(fā)的類“領(lǐng)結(jié)”型水泥土單軸抗拉強度設(shè)備，對摻入不同長度、直徑及摻量的玄武巖纖維水泥土開展單軸拉伸試驗，同時進行無側(cè)限抗壓強度試驗和掃描電鏡（SEM）試驗，采用正交試驗極差法分析纖維長度、直徑和摻量對玄武巖纖維水泥力學(xué)性能的影響，分析不同試樣的破壞形態(tài)，并結(jié)合SEM 照片和EDS 能譜分析結(jié)果闡明玄武巖纖維對水泥土的微觀加固機理。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗用土取自合肥白山節(jié)制樞紐船閘引航道邊坡地表下4 m 處。將其烘干、粉碎過2 mm 篩后按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）進行土樣的物理力學(xué)特性測試。測得土體比重為2.71，天然含水率為51.4%，重度為19 kN/m3，干密度1.21 g/cm3，孔隙比1.2，塑限24.9%，液限40.8%，塑性指數(shù)15.9。土樣顆粒級配見圖1。依據(jù)《土的工程分類標準》（GB/T 50145—2007），定義試驗用土為粉質(zhì)黏土。

圖1 土樣顆粒級配曲線Fig.1 Particle grading curve of soil

試驗選用鄭州格巖新材料有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維，其密度為2.65 g/cm3，彈性模量為93～105 GPa，抗拉強度為3 500～4 000 MPa，纖維形態(tài)如圖2 所示。固化劑采用九七建材生產(chǎn)的P.O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其主要化學(xué)成分為CaO、SiO2和Al2O3，含量分別為66.17%、17.85%和5.24%。

圖2 玄武巖纖維（長度為9 mm，直徑為13 μm）Fig.2 Basalt fiber (9 mm in length,with diameter of 13 μm)

1.2 試驗方法

試驗中土樣初始含水率設(shè)定為天然含水率51.4%，水泥摻入量取干土質(zhì)量的15%。結(jié)合市場現(xiàn)狀和已有文獻[15-17]，選取直徑分別為13、17 和19 μm，長度分別為6、9 和12 mm，共9 種玄武巖纖維。纖維摻量設(shè)定為0、0.5%、1.0%和1.5%。制樣過程中，采用少量多次的方式摻入玄武巖纖維，人工拌合確保纖維分散均勻。拌合料攪拌均勻后，將帶有纖維的拌合料分3 次裝入預(yù)先涂抹凡士林的50 mm×100 mm 的圓柱形模具中，每次裝料需在振動臺上分3 層振搗，每次振搗1.5 min 后刮花表面再進行下一層拌合料的填筑，最后振搗密實制成圓柱體試件。試樣養(yǎng)護至28 d 后進行單軸拉伸試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗。無側(cè)限抗壓強度試驗采用CBR-2 型承載比試驗儀，以1.0 mm/min 的速率進行應(yīng)變控制加載。試驗采用三變量三水平正交試驗，第10 組為素水泥土對照組，試驗設(shè)計方案與主要測試結(jié)果見表1。

表1 玄武巖纖維水泥土正交試驗設(shè)計方案與測試結(jié)果Tab.1 Design scheme and test table of orthogonal test in basalt fibrous cement soil

1.3 單軸抗拉強度測試設(shè)備

課題組研發(fā)了類“領(lǐng)結(jié)”型模具制備拉伸試樣，采用直接拉伸試驗法測定試件的抗拉強度。制備水泥土試樣的壓樣模具與壓樣活塞如圖3（a）所示，其材質(zhì)為Cr12 合金工具鋼。制樣模具的內(nèi)腔成兩端大中間小的變截面對稱結(jié)構(gòu)，高5 cm，其細部尺寸見圖3（b）。模具兩端4 個內(nèi)傾角均為81°，角度相對較大，從而保證拉伸過程中變截面的變化速率相對緩慢，應(yīng)力及應(yīng)變對稱分布，試樣的斷裂面面積固定且均勻斷裂，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。模具銜接口處平滑，不容易對試件中部造成卡損破壞，模具兩端無需附加夾具，試驗可重復(fù)性好。采用應(yīng)變控制式加載，試驗時以0.5 mm/min 的速率對試件加載直至完全斷裂，測得水泥土拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。拉力傳感器的最大量程是30 kN，精度等級為0.5。玄武巖纖維水泥土的抗拉試樣與拉裂面纖維照片如圖4 所示。

圖3 單軸拉伸設(shè)備Fig.3 Uniaxial stretching equipment

圖4 玄武巖纖維水泥土的抗拉試樣與拉裂面照片F(xiàn)ig.4 Photos of tensile specimen and tensile fracture surface of basalt fiber cement soil

2 測試結(jié)果與分析

2.1 玄武巖纖維水泥土單軸抗拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同纖維長度的玄武巖纖維水泥土抗拉強度試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線分別見圖5 和6。由圖5 和6 可見，不同纖維長度的水泥土抗拉強度試驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本相似，可分為4 個階段：彈性變形階段（0～A）、破壞階段（A～B）、殘余強度階段（B～C）和荷載穩(wěn)定降低階段（C～D）。破壞階段（A～B）時，試樣整體抗拉強度由峰值驟降，水泥土不再承擔(dān)拉力。殘余強度階段（B～C）時，水泥土中的纖維將獨自發(fā)揮抗拉作用，因此纖維水泥土存在一定的殘余強度。由于玄武巖纖維與水泥土間的黏聚力摩阻作用，玄武巖纖維水泥土的抗拉強度出現(xiàn)二次增長趨勢。荷載穩(wěn)定降低階段（C～D）時，隨著軸向應(yīng)變增大，玄武巖纖維與水泥土間的黏聚力和摩阻力逐漸耗損“脫黏”，隨著玄武巖纖維的有效長度逐漸減小，應(yīng)力逐漸降低。

圖5 不同長度玄武巖纖維水泥土單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Stress-strain curve of basalt fibrous cement soil with different lengths in uniaxial tensile test

由圖5 還可以發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維水泥土的峰值和殘余強度隨著玄武巖纖維摻量的增加而增大。如玄武巖纖維長度為6 mm 時，玄武巖纖維摻量為0.5%、1.0%、1.5%時的水泥土殘余強度分別為0.062、0.090、0.120 MPa，纖維摻量為1.5%的玄武巖纖維水泥土殘余強度較摻量為0.5%的玄武巖纖維水泥土增長93.55%。另外，玄武巖纖維的摻入可以明顯改善水泥土的脆性破壞特性，增加水泥土的韌性。

圖6 玄武巖纖維水泥土單軸抗拉強度應(yīng)力-應(yīng)變趨勢Fig.6 Stress-strain trend diagram of basalt fibrous cement soil in uniaxial tension strength test

2.2 玄武巖纖維水泥土的抗拉強度

圖7 為玄武巖纖維水泥土抗拉強度隨其長度及摻量的變化規(guī)律。由圖7 可知，纖維摻量相同時，水泥土的抗拉強度及殘余強度隨著纖維長度的增加呈先增大后減小的規(guī)律，本次試驗中玄武巖纖維的最佳長度為9 mm。以玄武巖纖維摻量為1.5%為例，纖維長度為9 mm 時，峰值抗拉強度較6 mm 時增長了71.86%，纖維長度為12 mm 時，峰值抗拉強度較9 mm 時減小了53.65%。這是因為當(dāng)玄武巖纖維長度較長時（12 mm），纖維在拌合過程中易打結(jié)成團，致使承擔(dān)拉力的有效纖維數(shù)量減少，且有效纖維握裹長度較短，纖維受拉時易被拔出而非拉斷，因此，水泥土抗拉效果提升不明顯；但是當(dāng)玄武巖纖維長度增加時，相同摻入量時，承擔(dān)拉力的有效纖維數(shù)量減少，水泥土抗拉效果提升也會受影響。

圖7 玄武巖纖維長度和摻量對水泥土抗拉強度的影響Fig.7 Effect of basalt fiber length and content on tensile strength of cement soil

2.3 玄武巖纖維水泥土拉壓強度比

水泥土拉壓比是指水泥土單軸抗拉強度和無側(cè)限抗壓強度的比值，該值可反映水泥土脆性特征。圖8 為玄武巖纖維水泥土拉壓比隨纖維長度和摻量的變化關(guān)系。由圖8 可見，纖維長度為6 和9 mm時，玄武巖纖維水泥土拉壓比會隨著纖維摻量的增加而增大。由于纖維摻量從1.0%增加到1.5%時，無側(cè)限抗壓強度從最大值開始下降，且抗拉強度在纖維摻量為1.5%達到最大值，導(dǎo)致9 mm 組的拉壓比增加遠大于6 mm 組。纖維長度為12 mm 時，由于纖維摻量從1.0%增至1.5%，峰值抗拉強度降低，抗壓強度增加，其拉壓比會隨著纖維摻量的增加而減小。

圖8 玄武巖纖維水泥土的拉壓比與纖維長度和摻量的關(guān)系Fig.8 Relationship between tensile-compression ratio and fiber length and dosage of basalt fibrous cement soil

本試驗中玄武巖纖維水泥土的拉壓比關(guān)系式為qt=(17%～35%)qu。表2 和3 列舉了水泥土和纖維水泥土的拉壓比經(jīng)驗關(guān)系式。由于不同研究中采用的纖維種類、摻量等差異，纖維水泥土的拉壓比存在一定差異。纖維水泥土的拉壓比普遍都高于普通水泥土的拉壓比，因此，摻入玄武巖纖維可以明顯增加水泥土的韌性。

表2 水泥土的拉壓比Tab.2 Tension-pressure ratio of cement soil

表3 纖維水泥土的拉壓比Tab.3 Tension-pressure ratio of basalt fibrous cement soil

2.4 玄武巖纖維水泥土抗拉強度極差分析

玄武巖纖維水泥土正交試驗抗拉強度極差分析見表4。K1、K2、K3代表玄武巖纖維長度、直徑及摻量分別在各水平下的實測抗拉強度之和，k1、k2、k3為K1、K2、K3取平均值得出，表示不同變量在各個水平下的抗拉強度均值。R值是各變量對應(yīng)的3 種水平下k值的最大與最小值之差，稱為極差，可以反映各個變量對抗拉強度試驗指標的影響程度。R值越大表明其對應(yīng)的影響變量對該試驗指標的影響越大。由表4 可知，本試驗中對水泥土抗拉強度影響大小的主次順序為：纖維長度、纖維摻量、纖維直徑。據(jù)此可以確定長度9 mm，摻量1.5%，直徑17 μm 為玄武巖纖維水泥土抗拉最優(yōu)單摻參數(shù)。

表4 正交試驗極差分析Tab.4 Range analysis of orthogonal test

2.5 玄武巖纖維水泥土中水化產(chǎn)物的微觀形態(tài)

選取典型試樣進行掃描電鏡（SEM）試驗。纖維長度為9 mm、摻量為1.5%的玄武巖纖維水泥土試樣SEM 照片如圖9 所示。由圖9 可見，玄武巖纖維周圍、鄰近纖維間均有大量絮狀或塊狀的水泥水化產(chǎn)物，如水化硅酸鈣C-S-H 等。水泥水化產(chǎn)物將纖維與土顆粒膠結(jié)為整體，同時水泥水化產(chǎn)物填充于纖維與纖維間、纖維與土顆粒間及土顆粒與土顆粒間的孔隙，降低了試樣的孔隙率，增大了纖維與水泥土間的接觸面積，進而增大纖維與土顆粒間的黏聚力和摩阻力。

圖9 玄武巖纖維水泥土中水泥水化產(chǎn)物SEM 照片F(xiàn)ig.9 SEM photographs of cement hydration products in basalt fibrous cement soil

2.6 玄武巖纖維在水泥土中的分散形態(tài)

玄武巖纖維在水泥土中呈現(xiàn)三維隨機分散分布（圖10），玄武巖纖維相互搭接交錯形成一定的內(nèi)部空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中的某一根玄武巖纖維受拉與水泥土產(chǎn)生相對運動趨勢時，與之搭接交叉的纖維及內(nèi)部夾雜的水泥土?xí)璧K其運動，從而約束了纖維的變形，提升了玄武巖纖維水泥土的整體強度。此外，當(dāng)玄武巖纖維水泥土試件受外部荷載出現(xiàn)微裂縫時，纖維能有效傳遞應(yīng)力，依靠纖維與水泥土的黏結(jié)力和拔出時的摩擦阻力，限制或減緩了裂縫的發(fā)展。

圖10 玄武巖纖維水泥土的微觀照片F(xiàn)ig.10 Microscopic photograph of basalt fibrous cement soil

3 結(jié)語

采用自行研發(fā)的類“領(lǐng)結(jié)”型模具可制備兩端大中間小的變截面對稱水泥土試樣，在此基礎(chǔ)上，開展了玄武巖纖維水泥土單軸抗拉試驗和無側(cè)限抗壓強度試驗，分析了玄武巖纖維長度、直徑及摻量對其單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線、抗拉強度、拉壓強度比和破壞形態(tài)的影響規(guī)律，并結(jié)合掃描電鏡試驗分析了玄武巖纖維的微觀作用機理。主要結(jié)論如下：

（1）玄武巖纖維水泥土抗拉強度試驗的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為4 個階段：彈性變形階段、破壞階段、殘余強度階段和荷載穩(wěn)定降低階段。玄武巖纖維的摻入可明顯改善水泥土的脆性破壞特性，增加水泥土的韌性。

（2）摻入玄武巖纖維能有效提高水泥土的峰值和殘余抗拉強度；在本次試驗參數(shù)內(nèi)，正交試驗極差法分析表明玄武巖纖維對水泥土抗拉強度提升效果的影響主次順序為：纖維長度、纖維摻量、纖維直徑；本次試驗參數(shù)中，纖維長度9 mm，摻量1.5%，直徑17 μm 為玄武巖纖維水泥土抗拉最優(yōu)單摻參數(shù)。

（3）玄武巖纖維水泥土的拉壓比關(guān)系式為qt=(17%～35%)qu，較未摻入纖維水泥土的拉壓比15%高；纖維種類和摻量對纖維水泥土的拉壓比影響較大。

（4）玄武巖纖維在水泥土中呈三維隨機網(wǎng)狀分布，水泥水化產(chǎn)物將纖維和土顆粒膠結(jié)為整體，同時水泥水化產(chǎn)物填充土體孔隙作用，增大了纖維與水泥土間的接觸面積，提高了玄武巖纖維與土顆粒間的黏聚力和摩阻力。玄武巖纖維受拉與水泥土產(chǎn)生相對運動趨勢時，與之搭接交叉的纖維及內(nèi)部夾雜的水泥土?xí)璧K其運動，從而約束了試件的變形，玄武巖纖維有效減緩了應(yīng)力損失速度，提高了殘余強度。