玄武岩纤维水泥土抗拉性能试验研究

陈　峰

福建江夏学院环保节能型高性能混凝土协同创新中心, 福建福州 350108



玄武岩纤维水泥土抗拉性能试验研究

陈峰

福建江夏学院环保节能型高性能混凝土协同创新中心, 福建福州 350108

摘要：为提高水泥土的抗拉性能，利用纤维的加筋增强效果，探讨在水泥土中掺入玄武岩纤维来改善其抗拉性能的方法. 对不同配比的玄武岩纤维水泥土进行劈拉试验，得到相应的抗拉强度及不同的破坏形态. 研究结果表明，玄武岩纤维的掺入能明显提高不同龄期水泥土试件的抗拉强度，但随着纤维掺量的增加，增强效果逐渐减弱，即过多的纤维掺量无法带来更明显的强度增长；玄武岩纤维的掺入使水泥土的塑性增强，试件破坏时表现出一定的塑性，有利于提高工程稳定性. 根据实验结果建立了不同配比的玄武岩纤维水泥土抗拉强度与抗压强度的关系式，可为实际工程提供参考.

关键词：水泥土；玄武岩纤维；劈拉试验；抗拉强度；纤维掺量；塑性；加筋

随着地下工程的迅速发展，水泥土桩得到了越来越广泛的应用[1-4]. 在工程实践中，由于现场条件限制，测试较多的是水泥土的抗压强度[5-9]，而水泥土的抗拉强度则测试相对较少[10]，因此对水泥土抗拉强度方面的研究也少于抗压强度. 但随着水泥土桩在地基处理及各种维护结构中的广泛使用，使得其破坏形式也有所不同. 在某些特定的情况下水泥土桩会发生拉裂破坏[11-12]，而纤维的掺入则可以增强其抗拉破坏的能力[13-15]，因此对水泥土抗拉强度进行研究亦日显必要. 目前尚无针对玄武岩纤维水泥土的试验研究. 玄武岩纤维防水和耐腐蚀性能良好，且具有弹性模量高、耐高温和抗拉强度高等特性[16]，已被作为高性能混凝土的增强材料，并在实际工程中取得了不错的效果. 因此，研究玄武岩纤维在水泥土中的应用有很好的实践意义. 抗拉强度的测试方法主要有直接法和间接法. 直接法包括单轴拉伸法和三轴拉伸法，间接法包括径向劈裂法、轴向劈裂法和土梁弯曲法，间接法因为操作简单得到了较为广泛的使用[17-20]. 本研究采用劈裂法对玄武岩纤维水泥土的抗拉强度进行测试，通过水泥土的劈裂抗拉试验得出其抗拉强度，结合抗压强度试验结果，建立不同配比试件的抗拉强度与抗压强度之间的关系式，为工程实践提供参考.

1研究方法

1.1试验材料

本试验所用土料取自福州闽江边上一工地，主要为沿海地带常见的淤泥质黏土，基本物理力学性能见表1.其中， ω为含水率； γ为土的重度； e为孔隙比； WL为液限； WP为塑限； IP为塑性指数； IL为液性指数； C为内聚力； Φ为内摩擦角. 水泥采用福建水泥股份有限公司炼石水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥. 纤维采用浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的玄武岩纤维短切原丝，其主要物理性能见表2.

表1　土料主要物理、力学性质

表2　玄武岩纤维的主要物理性能指标

1.2试验方案

本试验的纤维掺量比为纤维与土的质量比，通过玄武岩纤维掺量的等步增量(以掺量0.5%为增量步长)，研究其对水泥土劈裂抗拉强度的影响，采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试件，通过劈拉试验装置均匀加载至破坏(图1)，记录其破坏荷载，进而换算为试件的劈拉强度. 土样含水率按原状土的含水率配置，水泥的质量掺入比分别为15.0%及16.5%.其中，15.0%的为4组(A、C、D和E)；16.5%的1组(B).水灰比统一采用0.5. 试验龄期选取7、28、60和90 d，具体试验方案见表3. 共进行5种配合比、4个龄期共20组试验，每组试验制做抗拉试件3个、抗压试件3个，合计120个试件.

图1　劈拉试验装置Fig.1　(Color online) Test device for splitting tensile test

劈裂抗拉强度计算式为

(1)

其中， fts为水泥土的抗拉强度； Pmax为试件破坏时的最大荷载值； a为试件的边长.

表3　纤维水泥土试验方案

2结果与分析

2.1玄武岩纤维掺量与水泥土抗拉强度的关系

对试验结果进行处理，得到不同配比玄武岩纤维水泥土试件在不同龄期下的劈拉强度值，如表4及图2.

在7 d龄期时，不同玄武岩纤维掺量的水泥土试件试验结果表明，玄武岩纤维的掺入明显提高了水泥土的抗拉强度，且随着玄武岩纤维掺量的增加，水泥土的抗拉强度不断增加，两者呈正相关关系. 水泥掺入质量分数为15.0%、玄武岩纤维掺入质量分数为0.5%的试件C抗拉强度已高于单掺水泥为16.5%的试件B，表明玄武岩纤维掺量的增加对水泥土抗拉强度有更好的增强效果. 在相同的水泥掺入比(15.0%)、不同的玄武岩纤维掺入比(0.5%、1.0%和1.5%)下，试件C、D和E的7 d龄期水泥土抗拉强度较同等条件下不掺玄武岩纤维的试件A分别增加了72.7%、109.0%和118.0%. 从实验结果还可以看出，随着纤维掺量的等步(0.5%)掺入，每个步长对水泥土抗拉强度的增长速率也逐渐变小，表明玄武岩纤维的掺入量过多可能会因拌和不均导致水泥水化后浆体与某些部位的纤维表面没有形成足够的握裹力，从而使这部分玄武岩纤维的加筋作用未得到最大程度的发挥，因此，限制了玄武岩纤维掺量对水泥土抗拉强度提高的速度.

表4　劈拉强度试验结果

图2　劈拉强度与龄期关系Fig.2　Relationship between splitting tensile strength and the soil age

通过图2可以看出，在28 d和60 d龄期时，在7～28 d和28～60 d这两个阶段，不同配比的水泥土抗拉强度随着龄期的增长都有很大提高. 而在60～90 d龄期阶段，水泥土的抗拉强度的增长则变缓，明显低于前面两个阶段，这表明随着龄期的增长，水泥土中水泥水化、凝结和硬化等作用充分进行，玄武岩纤维水泥土试件的抗拉强度增幅逐渐变小. 与7 d龄期时相比，28、60和90 d龄期时水泥土的抗拉强度也与纤维掺量成正比，且各等步掺量对抗拉强度的增速也逐渐变缓.

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2.2玄武岩纤维水泥土的受拉破坏性状

试验中水泥土的劈裂破坏形式主要为突发性的脆性破坏，破坏时试件从中间劈开. 尤其是未掺入玄武岩纤维的60 d及90 d龄期水泥土试件呈现明显脆性破坏的特点，劈裂面贯穿整个试件，表明强度越高的试件，破坏的脆性特征越明显.

整体上，玄武岩纤维掺入前与掺入后，水泥土试件在劈裂破坏形式上差别不大，如图3. 相比之下，掺入玄武岩纤维的试件破坏时存在一定的塑性特征，表现为裂而不断，裂缝宽度明显小于单掺水泥的水泥土试件. 这主要是因为外加荷载的作用，当水泥土中微小裂纹开始扩展时，纤维横跨在裂缝之间，纤维的这种桥接作用减缓了裂纹尖端应力的集中，提高了抗裂缝扩展的能力，从而提高了水泥土的韧性.

图3　水泥土的破坏形态Fig.3　(Color online)Failure mode of cement-soil

2.3玄武岩纤维水泥土抗拉强度与抗压强度的关系

在工程实践中，对水泥土抗压强度的试验较多，而抗拉试验则相对较少. 本研究抗压强度试验结果见表5. 结果表明，水泥土的抗拉强度与混凝土抗拉强度特性相似，即抗拉强度远小于抗压强度，且两者之间存在一定的关系. 根据玄武岩纤维水泥土抗压强度及抗拉强度的试验结果，可以初步拟合出不同配比玄武岩纤维水泥土试件抗拉强度fts

表5　抗压强度试验结果

与抗压强度fcu之间的关系，如式(2)～式(7)，可为实际工程中利用玄武岩纤维水泥土抗压强度计算其抗拉强度提供参考.

对试件A，有

(2)

对试件B，有

fts=0.143fcu(相关系数为0.98)

(3)

对试件C，有

fts=0.164fcu(相关系数为0.98)

(4)

对试件D，有

fts=0.167fcu(相关系数为0.95)

(5)

对试件E，有

fts=0.171fcu(相关系数为0.96)

(6)

因此，可得到玄武岩纤维水泥土抗拉强度与抗压强度的一般拟合关系式为

fts=0.161fcu(相关系数为0.96)

(7)

根据拟合结果可知，本试验各个配比的玄武岩纤维水泥土试件，其抗拉强度与抗压强度存在一定的线性关系. 对比式(2)和式(3)可以看出，未掺入玄武岩纤维时，水泥土抗拉强度与抗压强度的比值随着水泥掺量的增加而变小，这说明水泥掺量的增加对水泥土抗压强度的增强效果要好于对其抗拉强度的增强效果. 对比式(2)、式(4)、式(5)和式(6)可以看出，水泥土抗拉强度与抗压强度的比值随着玄武岩纤维掺量的增加而缓慢增加，表明玄武岩纤维对水泥土抗拉强度的提高方面有明显效果，甚至好于对其抗压强度的增强效果.

3结论

本研究对不同配比的玄武岩纤维水泥土试件进行劈裂抗拉强度试验，得到相应的抗拉强度及不同的破坏形态，通过分析试验结果得出以下结论：

1) 玄武岩纤维的掺入能明显提高水泥土试件的抗拉强度，在试验范围内，玄武岩纤维掺量的增加对水泥土试件的增强效果高于水泥掺量增加带来的增强效果，即玄武岩纤维具有更高的增强效率；

2)玄武岩纤维的掺入量过多可能会因拌和不均导致水泥水化后水泥土颗粒之间与某些部位的纤维表面没有形成足够的握裹力，从而使这部分玄武岩纤维的加筋作用没有得到最大程度的发挥，使得过多的纤维掺量却无法带来更明显的强度增长；

3) 玄武岩纤维的掺入使得试件破坏时存在一定的塑性特征，表现为裂而不断，从而提高了试件的破坏韧性，且随着玄武岩纤维掺量的增加，其破坏韧性增强，有利于提高工程的安全性和稳定性；

4)根据试验结果，建立了玄武岩纤维水泥土试件抗拉强度与抗压强度的关系式，可为实际工程中水泥土的抗拉强度的预测提供参考.

引文：陈峰. 玄武岩纤维水泥土抗拉性能试验研究[J]. 深圳大学学报理工版，2016，33(2)：188-193.

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【中文责编：坪梓；英文责编：之聿】

Experiment research on tensile strength of basalt fiber cement-soil

Chen Feng†

Coordinative Innovation Center for Environmentally Friendly and Energy Saving High Performance Concrete,Fujian Jiangxia University, Fuzhou 350108, Fujian Province, P.R.China

Abstract：We explore a method to enhance the tensile strength of cement-soil by adding basalt fiber into the soil and conduct splitting tensile tests on the mixture with different proportions of basalt fiber to inspect the tensile strength and different failure modes. We establish the relationship between the tensile strength and the unconfined compression strength of cement-soil with different mixture ratios of basalt fiber. The results show that the addition of basalt fiber can effectively improve the tensile strength of cement-soil specimens at different ages and strengthen the plastic characteristics of cement-soil. However with the increase of fiber content, the enhancement effect on tensile strength is gradually weakened. Too much fiber content is incapable of bringing obvious strength enhancement. The basalt fiber cement-soil specimens give rise to a certain plasticity when they are damaged, thus improving the project stability. These results may provide reference for engineering practices.

Key words：cement-soil; basalt fiber; splitting tensile test; tensile strength; content of fiber; plasticity; reinforcement

作者简介：陈峰(1980—)，男，福建江夏学院副教授、博士．研究方向： 土木工程材料． E-mail： knicks2000@163.com

基金项目：福建省自然科学基金资助项目(2014J01172)；福建省省属高校专项科研基金资助项目(JK2014059)

中图分类号：TU 411

文献标志码：A

doi：10.3724/SP.J.1249.2016.02188

Received：2015-11-18；Accepted：2016-01-03

Foundation：Natural Science Foundation of Fujian Province (2014J01172); Special Research Projects of Provincial Colleges and Universities in Fujian Province (JK2014059)

† Corresponding author：Associate professor Chen Feng. E-mail: knicks2000@163.com

Citation：Chen Feng．Experiment research on tensile strength of basalt fiber cement-soil[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(2): 188-193.(in Chinese)

【土木建筑工程 / Architecture and Civil Engineering】