纖維水泥土強(qiáng)度與抗?jié)B性能試驗(yàn)研究★

王千禧，姜 鵬，劉林慶，秦敬平

(棗莊學(xué)院，山東 棗莊 277160)

0 引言

水泥與第四紀(jì)黏土原位機(jī)械攪拌混合形成水泥土，具有一定的強(qiáng)度和較好抗?jié)B性能，被廣泛應(yīng)用于軟土地基的處理[1-2]、止水帷幕[3-4]、邊坡工程[5-6]等領(lǐng)域。然而，大量工程實(shí)踐與研究[7-9]發(fā)現(xiàn)，水泥土抗裂性能較差，收縮變形大，容易受地下水侵蝕造成滲透等問題，其應(yīng)用存在一定局限性，因此，如何改善上述問題，成為水泥土研究的熱點(diǎn)之一。

纖維作為一種抗拉性和黏聚性能較強(qiáng)的材料，許多研究學(xué)者提出在水泥土中摻入纖維來提高水泥土強(qiáng)度及變形能力，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)。宋金巖等[10-12]開展了玻璃纖維加筋土的抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)玻璃纖維長(zhǎng)度、摻入量對(duì)加筋土強(qiáng)度的影響進(jìn)行了分析，并提出了玻璃纖維加筋土的強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)驗(yàn)公式；Namdar等[13]探究了尼龍纖維對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響，并得出尼龍纖維最佳摻入量為0.3%；陳燕平[14]探究不同土質(zhì)及不同水泥摻入比的水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)，總結(jié)和驗(yàn)證相關(guān)影響因素對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響程度；陳峰[15-17]研究了玄武巖纖維對(duì)水泥土抗壓、抗拉強(qiáng)度及變形性能的影響，嘗試建立了玄武巖纖維水泥土拉壓強(qiáng)度關(guān)系式，然而，上述研究多針對(duì)纖維加入后水泥土的力學(xué)性能開展研究，未對(duì)其抗?jié)B性能開展深入研究。

本研究通過開展不同纖維摻入量試驗(yàn)，研究玻璃纖維和玄武巖纖維對(duì)水泥土物理力學(xué)性能和抗?jié)B性能的影響，獲得增強(qiáng)纖維水泥土抗?jié)B性能和物理力學(xué)性能，纖維最優(yōu)摻入量，為降低施工成本，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，具有一定的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)材料

1)土樣：所用土來自中國棗莊市某工地淤泥質(zhì)土，濕密度為1.941 5 g/cm3，干密度1.938 1 g/cm3。將原裝土樣用小刀削成薄片狀托盤承裝，在烘干箱內(nèi)高溫烘8 h以上直至烘干為止，并用木錘擊碎過1 mm孔徑篩子。

2)纖維：無堿玻璃纖維和玄武巖纖維，纖維形態(tài)如圖1，圖2所示，性能參數(shù)見表1。

表1 纖維性能參數(shù)

3)水泥：采用山東順興水泥股份有限公司生產(chǎn)P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，性能指標(biāo)如表2所示。

表2 水泥性能參數(shù)

4)測(cè)試儀器：采用長(zhǎng)春儀器廠生產(chǎn)的CSS-881型無側(cè)限壓縮儀(見圖3)，應(yīng)力環(huán)量程10 kN～30 kN，精度1 kN，測(cè)試試樣單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，采用SS-25型水泥土滲透系數(shù)測(cè)定儀全自動(dòng)抗?jié)B儀(如圖4所示)測(cè)試試樣滲透系數(shù)。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)JGJ/T 233—2011水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程進(jìn)行試驗(yàn)[18]，通過單因素室內(nèi)試驗(yàn)，開展兩類纖維不同摻入量的水泥土物理力學(xué)性能和抗?jié)B性研究，玻璃纖維和玄武巖纖維摻入量分別為水泥土重量的0%，0.5%，1%，1.5%和2%，水泥摻量為土重量的20%，如表3所示。

表3 試驗(yàn)內(nèi)容 %

按比例稱量水泥土按水灰比(質(zhì)量比)1∶1，配置水泥土漿，并與纖維攪拌均勻，裝料前，模具內(nèi)涂抹脫模劑，裝料后，使用水泥膠砂振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)密實(shí)并刮平試樣表面。試樣成型24 h后，進(jìn)行拆模、編號(hào)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d?？?jié)B試樣每個(gè)配合比均制作3個(gè)試樣，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣每個(gè)配合比均制作6個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果取各配比測(cè)試結(jié)果的算數(shù)平均值(見圖5～圖7)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果分析

1)玻璃纖維摻入量對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響分析見圖8。

從圖8可知，玻璃纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維摻入量增加而增加，抗壓強(qiáng)度與纖維摻入量的關(guān)系成正相關(guān)；在纖維摻入量較少的情況下，玻璃纖維水泥土抗壓強(qiáng)度隨纖維摻入量的增加提高幅度較小，當(dāng)玻璃纖維水泥土纖維摻入量由1.5%增加至2%時(shí)，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度由2.62 MPa提升至2.74 MPa，較未摻入纖維的水泥土抗壓強(qiáng)度提高6.17%。

未摻入纖維的水泥土試樣破壞形式為剪切破壞，試樣破壞時(shí)存在明顯的破裂面。摻入纖維后，試樣的破壞主要是鼓脹破壞，試樣外形勻稱，呈腰鼓狀，剪切面纖維交織成網(wǎng)狀，如圖9所示，纖維與水泥土之間有良好的拉結(jié)力和機(jī)械咬合力，整體性比較好。

2)玄武巖纖維摻入量對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響分析。

如圖10所示，玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度隨纖維摻入量增加而減小，抗壓強(qiáng)度與纖維摻入量的關(guān)系成負(fù)相關(guān)。1.5%的玄武巖纖維摻入量較其他的玄武巖纖維摻入量水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低最大，較摻入量為0%的水泥土抗壓強(qiáng)度相比平均降低32%。

玄武巖纖維降低水泥土抗壓強(qiáng)度，主要由于玄武巖纖維的摻入，降低了水泥土的和易性，成型質(zhì)量降低。同時(shí)，隨著玄武巖纖維摻入量的增加，纖維產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，受力后，試塊易在纖維團(tuán)聚處形成貫通的裂縫，水泥土強(qiáng)度降低。

2.2 纖維水泥土抗?jié)B性能結(jié)果分析

本試驗(yàn)按水壓力法測(cè)定纖維水泥土的滲透系數(shù)[19]，滿足達(dá)西定律使用條件，因此，滲透系數(shù)kT按式(1)計(jì)算：

(1)

其中，kT為水溫T℃時(shí)水泥土滲透系數(shù)，精確至0.01×10-ncm/s；t為時(shí)間間隔，精確至1 s；A為試件中部橫截面積，精確至0.1 cm2；h為滲徑，即試件高度，精確至0.1 cm；V為經(jīng)時(shí)間間隔t滲出的水量，精確至0.1 mL；i為水力梯度，精確至0.01；p為施加的滲透壓力，精確至0.02 MPa；γw為水的重度，取0.009 8 N/cm3。

1)玻璃纖維摻入量對(duì)水泥土抗?jié)B性能的影響和分析。

如圖11所示，隨著玻璃纖維摻入量增加，水泥土的滲透系數(shù)降低，水泥土的抗?jié)B性能增強(qiáng)。摻入玻璃纖維后水泥土的內(nèi)部裂縫減少，孔隙率降低，提高了水泥土的密實(shí)度和整體性。當(dāng)玻璃纖維纖維摻入量達(dá)到0.5%，滲透系數(shù)為4.13×10-6cm/s，纖維限制水滲透的能力提高急劇增加，當(dāng)纖維摻入量為0.5%～1.5%，滲透系數(shù)隨纖維摻入量的增加減小幅度減小，當(dāng)纖維摻入量為2%，滲透系數(shù)為2.02×10-6cm/s，試樣滲透系數(shù)減小幅度再次增加，因此，當(dāng)纖維的摻入量2%時(shí)，抗?jié)B性能最佳。

2)玄武巖纖維摻入量對(duì)水泥土抗?jié)B性能的影響和分析。

如圖12所示，隨著玄武巖纖維摻入量增加，水泥土的滲透系數(shù)降低，即水泥土的抗?jié)B性能增強(qiáng)。當(dāng)玄武巖纖維摻入量達(dá)到1.5%時(shí)，滲透系數(shù)為4.86×10-6cm/s，滲透系數(shù)隨纖維摻入量的增加幅度減小，水泥土滲透系數(shù)的下降呈減緩趨勢(shì)。因此，本著經(jīng)濟(jì)適用和抗?jié)B性能最佳的原則，玄武巖纖維最佳摻入量為1.5%。

綜上所述，玻璃纖維與水泥土之間有良好的拉結(jié)力和機(jī)械咬合力，整體性比較好，可改善水泥土側(cè)限抗壓強(qiáng)度，增強(qiáng)水泥土抗?jié)B性能；玄武巖纖維產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，降低水泥土強(qiáng)度，但是可提高其抗?jié)B性能。

3 結(jié)論

經(jīng)過對(duì)玻璃纖維水泥土和玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和抗?jié)B性試驗(yàn)，獲得以下結(jié)論:

1)玻璃纖維水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨纖維摻入量增加而增加，抗壓強(qiáng)度與纖維摻入量的關(guān)系成正相關(guān)，剪切面纖維交織成網(wǎng)狀，摻入量為2%時(shí)抗壓強(qiáng)度平均提高幅度在6.17%；玻璃纖維水泥土滲透系數(shù)隨纖維摻入量的增加逐步降低，水泥土抗?jié)B性能逐步增強(qiáng)，2%摻入量的玻璃纖維水泥土抗?jié)B性能最優(yōu)。

2)隨著玄武巖纖維摻入量的增加，纖維產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，受力后，試塊易在纖維團(tuán)聚處形成貫通的裂縫，水泥土強(qiáng)度降低。其中摻入量1.5%時(shí)，抗壓強(qiáng)度平均降低幅度達(dá)32%，降低幅度較大；玄武巖纖維可降低水泥土滲透系數(shù)，增強(qiáng)水泥土抗?jié)B性能，當(dāng)纖維摻入量大于1.5%時(shí)水泥土抗?jié)B性會(huì)隨著纖維增加而呈現(xiàn)出減緩趨勢(shì)，1.5%摻入量的玄武巖纖維水泥土抗?jié)B性最佳。