玄武巖纖維水泥土力學特性及水穩定性研究

譚威 劉亞靜

摘要：為提高水泥土力學強度和水穩定性，文章選用玄武巖纖維加筋水泥土的方法，基于室內無側限抗壓強度試驗和干濕循環試驗，研究水泥摻量、纖維摻量及養生齡期對纖維加筋水泥土力學特性和水穩定性的影響規律。結果表明：養生前28 d水泥土無側限抗壓強度增長顯著，水泥摻量每增加1%，7 d、28 d抗壓強度分別平均提高20.9%、19.4%；玄武巖纖維摻量為0.3%的水泥土抗壓強度最大，7 d、28 d抗壓強度較素水泥土分別提高約50.6%、49.6%；干濕環境下，纖維水泥土養生前28 d的干濕殘留強度比顯著降低，水泥摻量對水泥土干濕殘留強度比影響較??；隨干濕次數增加，不同水泥摻量的水泥土干濕殘留強度比降低速率相當，28 d的干濕殘留強度降低速率較大。

關鍵詞：玄武巖纖維；水泥土；力學特性；水穩定性；試驗研究

中圖分類號：U416.03 A 25 077 4

0 引言

水泥穩定土材料強度和穩定性較高、施工簡便且原料來源方便，在道路、鐵路等工程中常用作路基填料［1-3］，但水泥土材料在工程應用中易發生脆性破壞，水侵蝕環境下的力學性能和穩定性降低，影響結構正常使用壽命。鑒于纖維具有良好的抗拉性能及韌性，國內外專家學者利用纖維加筋水泥土改善其工程性能，以更好地服務實體工程。Fatahi等［4］研究表明，水泥土無側限抗壓強度分別與纖維摻量、水泥摻量正相關。Correia等［5］基于室內聚丙烯纖維水泥土力學強度試驗，建立了無側限抗壓強度與抗拉強度關系模型。李麗華等［6］研究表明，玻璃纖維改善素黏土及水泥土力學強度和韌性效果顯著，纖維摻量0.6%的素黏土及水泥土強度最優。劉衛濤、胡建林等［7-8］研究表明，聚丙烯纖維摻量過大或長度過長不利于提高水泥土力學性能。湯東［9］研究表明，玄武巖纖維水泥土與玻璃纖維水泥土力學強度增長規律一致，且玄武巖纖維對水泥土材料加筋效果優于玻璃纖維。牛雷等［10］基于室內無側限抗壓強度試驗，對照玄武巖纖維水泥土強度，探討了玉米秸稈纖維對水泥土的加固效果。

土質的技術性質具有較強區域性，導致纖維加筋不同土質效果不一，且干濕環境下水泥土孔隙結構及力學性質會發生變化。鑒于此，本文選用玄武巖纖維加筋水泥改良粉質黏土，通過室內力學特性試驗和水穩定性試驗，研究水泥摻量、纖維摻量及養生齡期對水泥土強度和水穩定性的影響規律。

1 研究方案

1.1 方案設計

結合《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）和《公路路基施工技術規范》（JTG/T 3610-2019）（以下簡稱《技術規范》）技術要求，均勻拌和玄武巖纖維水泥土混合料，采用靜壓法制備壓實度96%的混合料試件，并在（20±2）℃、相對濕度95%條件下養生至規定齡期。通過室內無側限抗壓強度試驗和干濕循環試驗，研究玄武巖纖維水泥土力學特性及水穩定性。每組試驗采用6個平行試件，試件尺寸為100 mm×100 mm。

具體試驗方案如下：

（1）力學特性研究。

研究不同養生齡期下水泥摻量、玄武巖纖維摻量對水泥土力學性能的影響規律，探討水泥土強度增長規律，擬定玄武巖纖維加筋水泥土最優纖維摻量。試驗設計中，水泥摻量擬采用3%、5%、7%、9%，玄武巖纖維摻量擬采用0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，養生齡期擬采用3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、180 d。

（2）耐久性研究。

基于室內玄武巖纖維加筋水泥土力學特性試驗結果，研究干濕循環環境下玄武巖纖維加筋水泥土強度變化規律。凍融次數擬采用0次、1次、3次、5次、7次、9次、12次、15次。

1.2 試驗材料

土樣取自某取土場，為粉質黏土，取土深度為1.5～3.5 m，物理力學性質見表1。水泥采用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，技術性質見下頁表2。纖維采用6 mm玄武巖纖維，直徑為13 μm，技術性質見下頁表3。水采用自來水。

1.3 性能測試方法

1.3.1 力學特性試驗

結合《技術規范》中的路基質量要求，采用無側限抗壓強度評價玄武巖纖維水泥土力學特性。

試件達到養生齡期前一天，在浸水24 h后，選用液壓伺服萬能試驗機WDW-100測定試件無側限抗壓強度，加載速率為1 mm/min。

1.3.2 水穩定性試驗

試件養生至規定齡期前一天，取出試件并稱取其初始質量m0，浸水24 h后置于干濕環境。采用自然風干的方式進行脫濕，風干過程中每隔2 h稱取質量m，當m=（m0±5）g時，認為試件達到干燥狀態；增濕過程中，將試件再次浸泡于（20±2）℃水中12 h，此為一次干濕循環。當試件循環次數達到設計次數后，測定試件無側限抗壓強度Rw（n），即殘留強度，計算其干濕殘留強度比，見式（1）：

ηR（n）=Rw（k）/Rc×100（1）

式中：ηR（n）——試件干濕k次的殘留強度比（%）；

Rw（n）——試件干濕k次的無側限抗壓強度（MPa）；

Rc——試件初始無側限抗壓強度（MPa）。

2 試驗結果與分析

2.1 無側限抗壓強度試驗

2.1.1 養生齡期

隨養生齡期延長，玄武巖纖維加筋水泥土無側限抗壓強度增長曲線如圖1所示，不同水泥劑量的纖維加筋水泥土無側限抗壓強度增長趨勢相近，呈冪函數趨勢增長。養生前28 d水泥土無側限抗壓強度增長顯著，后隨齡期延長，水泥土無側限抗壓強度逐漸趨于穩定。這是因為水泥土無側限抗壓強度增長與水泥水化反應速率相關，養生前期水泥水化反應速率較快，生成較多的硅酸鈣等膠凝物質填充土粒間空隙，增強水泥土整體密實性，故水泥土前期強度增長較快；后隨齡期延長，水泥熟料逐漸被消耗，水化反應速率減緩，從而水泥土無側限抗壓強度增長速率減緩。

2.1.2 外摻劑摻量

結合現場路基養生時間及水泥土無側限抗壓強度增長趨勢，以齡期7 d、28 d的玄武巖纖維加筋水泥土無側限抗壓強度為例，分析水泥摻量及玄武巖纖維摻量對水泥土無側限抗壓強度的影響規律，見圖2。

由圖2可知：

（1）在玄武巖纖維摻量一致的條件下，隨水泥摻量增加，不同養生齡期的水泥土無側限抗壓強度呈線性趨勢增大，水泥摻量增加1%，水泥土7 d、28 d無側限抗壓強度分別平均提高20.9%、19.4%。這是因為水泥熟料與水發生化學反應，生成的硅酸鈣等膠凝材料填充土粒間空隙，增強土粒間連接強度，增大土體結構密實性，故水泥摻量提高時，水泥土無側限抗壓強度增強效果較明顯。

（2）在水泥摻量一致的條件下，隨玄武巖纖維摻量增加，水泥土無側限抗壓強度先增大后降低，在纖維摻量為0.3%時，水泥土無側限抗壓強度取得峰值，較7 d、28 d素水泥土無側限抗壓強度分別約提高50.6%、49.6%，故玄武巖纖維加筋水泥土最優纖維摻量為0.3%。這是因為玄武巖纖維具有良好的抗拉性能，適量的纖維材料在水泥土材料內部形成空間加筋結構，有效抑制結構裂縫發展，提高水泥土無側限抗壓強度；而隨纖維摻量增加，纖維在土體內部分布不均勻，呈絮亂狀態，加筋效果減弱，故較高纖維摻量的水泥土無側限抗壓強度降低。

2.2 干濕循環試驗

2.2.1 養生齡期

玄武巖纖維摻量0.3%的水泥土干濕循環試驗結果如圖3所示，同一干濕次數下，養生齡期對不同水泥摻量的水泥土干濕殘留強度比的影響規律相近。養生前28 d，纖維水泥土干濕殘留強度比隨齡期增加而降低，干濕7次時，纖維水泥土干濕殘留強度比降低最大，達30.0%。養生齡期＞28 d后，玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比變化較緩慢。其中，干濕循環前3次，隨養生齡期增加，纖維水泥土干濕殘留強度比降低，其28 d干濕殘留強度比較90 d的殘留強度比約降低6.3%；干濕循環＞3次后，隨養生齡期增加，纖維水泥土干濕殘留強度比提高，其28 d干濕殘留強度比較90 d的殘留強度比約提高5.6%。這是因為養生初期，水泥土內水泥與土粒物理化

學反應快速，水化產物對水泥土強度的增強作用大于干濕循環對水泥土強度的劣化作用，故纖維水泥土干濕殘留強度比降低；養生至90 d時，水泥土密實性進一步提高，抵抗干濕循環破壞作用增強，故隨干濕次數逐漸進一步增加，與纖維水泥土28 d干濕殘留強度比相比，其90 d干濕殘留強度提高。另外，同一干濕循環條件下，隨水泥摻量增加，玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比變化較小。水泥摻量由3%增加至9%時，纖維水泥土28 d、90 d干濕殘留強度比變化分別小于3.5%、1.8%，說明干濕循環作用下水泥摻量對玄武巖纖維水泥土強度的影響相當。

2.2.2 干濕次數影響

干濕次數對玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比的影響見圖4。

由圖4可知，同一養生齡期下，隨干濕次數增加，不同水泥摻量的水泥土干濕殘留強度比逐漸降低，且降低速率相當，養生28 d的玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比降低速率大于90 d殘留強度比降低速率。干濕15次后，玄武巖纖維水泥土28 d、90 d干濕殘留強度比平均為54.2%、58.8%，這是因為干濕循環作用下，土體結構密實性降低，故纖維水泥土干濕殘留強度比降低。以養生90 d的玄武巖纖維水泥土為例，分析干濕次數對纖維水泥土干濕殘留強度比影響規律。干濕循環前3次，玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比降低較顯著，約11.5%；干濕次數在3～9次時，玄武巖纖維水泥土干濕殘留強度比隨干濕次數增加呈線性降低，干濕次數增加1次，纖維水泥土干濕殘留強度比約降低3.4%；干濕次數在9～15次時，纖維水泥土干濕殘留強度比線性降低速率減小，干濕次數每增加1次，纖維水泥土干濕殘留強度比約降低1.5%，這與干濕循環作用下纖維水泥土結構及顆粒含量趨于穩定有關。

3 結語

（1）養生前28 d水泥土無側限抗壓強度增長顯著，后隨齡期延長，水泥土無側限抗壓強度逐漸趨于穩定。

（2）水泥土無側限抗壓強度隨水泥摻量增加呈線性趨勢提高，水泥摻量增加1%，7 d、28 d無側限抗壓強度分別平均提高20.9%、19.4%。

（3）玄武巖纖維摻量0.3%的水泥土無側限抗壓強度最大，7 d、28 d無側限抗壓強度較素水泥土分別約提高50.6%、49.6%。

（4）干濕環境下，纖維水泥土養生前28 d的干濕殘留強度比降低顯著，養生28 d后的干濕殘留強度比緩慢變化。

（5）水泥摻量對水泥土干濕殘留強度比影響較小，當水泥摻量由3%增加至9%時，纖維水泥土28 d干濕殘留強度比變化≤3.5%。

（6）隨干濕次數增加，不同水泥摻量的水泥土干濕殘留強度比降低速率相當，28 d的干濕殘留強度降低速率較大。

參考文獻

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收稿日期：2023-07-10