玄武岩纤维对水泥土抗拉强度的影响效应研究★

崔乃夫 胡建林 张曙俊

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000； 2.张家口市清水河河务管理处，河北 张家口 075000)

·建筑材料及应用·

玄武岩纤维对水泥土抗拉强度的影响效应研究★

崔乃夫1胡建林1张曙俊2

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000； 2.张家口市清水河河务管理处，河北 张家口 075000)

选取5种不同长度、4种不同掺量的玄武岩纤维，制作了不同龄期的立方体试块进行劈裂抗拉试验，研究了纤维对水泥土抗拉强度的影响，得到了玄武岩纤维的最优掺入长度与最优掺量范围，指出玄武岩纤维对水泥土的抗拉强度具有明显的提升效果。

玄武岩纤维，水泥土，抗拉强度，掺量

0 引言

随着公路、交通等工程的快速发展，水泥土的加筋改良问题得到了很多科研工作者的关注。许多研究者都对纤维改良水泥土进行了研究，莫永京等人通过正交试验，研究了水泥土掺入玻璃纤维后其抗拉强度与纤维掺量和长度之间的数学关系[1]。李云峰等人为了探究聚丙烯纤维对水泥土的改良作用，进行了抗压、抗拉等试验，发现水泥土的力学指标有明显提升[2]。殷勇等人通过三轴压缩试验，探究了水泥土掺入玻璃纤维后的应力应变关系[3]。刘芳等人通过室内试验重点研究了玻璃纤维水泥土的强度特征和渗透特性[4]。近年来，曹明纬等人通过改变聚丙烯纤维的掺入长度和掺入量进行了水泥土抗压和抗拉试验，得出纤维最优掺入长度为12 mm，最优掺量为1%[5]。贺祖浩等人通过劈裂抗拉试验、抗折试验等研究了聚丙烯晴纤维对水泥土力学性能的影响[6]。张艳军等人研究了石棉纤维加固软土的效果，提出将石棉纤维与水泥、粉煤灰混合，形成复合土，得出纤维添加量在3%～6%左右对复合土效果最好[7]。

目前玄武岩纤维在混凝土改良方面的研究较为成熟，但是在水泥土改良方面的研究还有待完善，王剑烨、彭丽云选取了北京大兴地区的粉土，对玄武岩改良粉土效果进行了研究，发现改良后的粉土抗剪强度、抗渗透性能均有提高[8]。陈峰等人[9]将玄武岩纤维掺入水泥土中，研究了水泥土抗拉性能的增强效果。目前对于玄武岩纤维水泥土的研究还很不充分，有待于科研工作者进行进一步探索。

1 试验设计

1.1 试验内容

借鉴前人的已有成果，通过以下两个方面对玄武岩纤维改良水泥土进行室内试验：

1)为了研究纤维掺入长度和掺入比例对水泥土力学性能的影响，对玄武岩纤维水泥土进行劈裂抗拉试验，确定玄武岩纤维的较优掺入长度和较优掺入比例。

2)研究纤维水泥土和素水泥土的抗拉破坏形式，分析纤维改良水泥土的作用机理。

查阅了相关文献，提出了以下研究变量：纤维掺入长度采用6 mm，12 mm，18 mm，24 mm，30 mm，掺量采用0.3%，0.5%，0.7%，1%，水泥掺量采用10%，15%，20%，25%。

1.2 试验方案

首先研究纤维的较优掺入长度，在不同水泥掺量的水泥土中，添加质量分数相同(0.5%)，不同纤维长度的纤维，每种情况采用3组平行试验，试块龄期为7 d,14 d，与素水泥土对比。在确定较优纤维长度后，改变纤维掺量，与上一阶段相同操作，试块龄期为7 d,14 d,28 d，达到龄期后进行劈裂抗拉试验。

1.3 实验材料及制样过程

试验材料：试验土料来自张家口市区(见表1)，玄武岩纤维采用短切玄武岩纤维(见表2)。

试件制作过程：1)确定水泥土配合比。2)先将水泥、土料、纤维三种干料放入搅拌缸进行干拌，待纤维在混和料内分布均匀后加水拌合，避免局部出现的不均匀状态。3)搅拌后将拌合物填入100 mm×100 mm×100 mm的试模中，每次填入之后进行插捣。4)试件完成1 d～2 d后，进行脱模，脱出后的试块放入养护室继续养护，等到龄期达到后进行劈裂抗拉试验。

表1 土料基本属性指标

表2 玄武岩纤维基本指标

2 实验结果分析

2.1 纤维掺入长度对抗拉强度的影响

在纤维掺量为0.5%的情况下，研究了纤维长度变化对水泥土的影响，采用劈裂抗拉试验得到如下结果：

1)不同纤维掺入长度下水泥土7 d抗拉强度试验曲线见图1。

在纤维掺量相同，纤维长度不同的情况下，纤维水泥土7 d抗拉强度曲线的趋势并不明朗，当水泥掺量较低时，抗拉强度的变化不大，水泥含量较高时，曲线具有较为明显的先增后减趋势，峰值点稳定在纤维长度为18 mm处。20%，25%水泥掺量下7 d抗拉峰值强度较素水泥土提高了27%，21%。

2)不同纤维掺入长度下水泥土14 d劈裂抗拉试验曲线见图2。

如图2所示,在水泥含量较低时，曲线峰值抗拉强度提升幅度较大，且较优掺入长度稳定在18 mm左右，说明随龄期的增长，纤维的作用逐渐显现出来，可以确定最优纤维长度为18 mm，不同水泥掺量下的纤维水泥土抗拉强度峰值较素水泥土分别提升了114%，64%，31%，29%。可见在龄期相对延长后，纤维对水泥土抗拉强度具有较大的提升效果。

2.2 纤维掺量对抗拉强度的影响

1)不同纤维掺量下纤维水泥土7 d抗拉强度曲线见图3。

确定最优掺入长度后，改变纤维掺量，得到了纤维水泥土随纤维掺量变化的曲线，如图3所示，在龄期为7 d时，可以看到曲线存在一定的起伏，说明纤维掺量对水泥土抗拉强度的影响较为明显，峰值抗拉强度出现在0.7%，除10%水泥不明显以外，其他3种水泥掺量下的峰值抗拉强度较素水泥土提升幅度分别为91.6%，27%，74%，由于曲线还存在不稳定性，需要观察后续龄期水泥土抗拉强度曲线，确定较优掺量。

2)不同掺量下纤维水泥土14 d抗拉强度曲线见图4。

通过曲线可以看出，随着龄期的增长，纤维水泥土抗拉强度曲线呈现出明显的先增后减趋势，不同水泥掺量下的纤维水泥土抗拉强度峰值都出现在0.5%，且随着水泥含量的增加，提高幅度分别为87%，41%，21%，32%。

3)不同掺量下纤维水泥土28 d抗拉强度曲线见图5。

由图5可以看出，养护28 d后，纤维水泥土抗拉曲线出现了两个峰值，当水泥含量较低时，峰值出现在0.5%，水泥含量较高时，峰值抗拉强度出现在0.7%，随着水泥掺量的增加，10%水泥掺量下水泥土抗拉强度变化并不明显，另外3种水泥掺量下纤维水泥土抗拉峰值强度较素水泥土分别提升了11%，13%，13%。在水泥掺量为10%时，纤维的掺入对水泥土抗拉强度的影响存在差异，究其原因认为是由于水泥含量较低以及纤维掺入的不均匀性，导致纤维与水泥的结合程度出现偏差。可见，纤维水泥土抗拉强度取决于纤维与水泥的作用，因此纤维水泥土存在一个较优的掺量范围，基本可以确定为0.5%～0.7%，具体配比还需要根据工程需要而定。

2.3 纤维水泥土抗拉作用机理

在对纤维水泥土进行劈裂抗拉试验时，随着上下两端压条对水泥土试块压力的增加，水泥土逐渐从表面开裂，进而裂缝纵向延伸，在破坏的过程中，素水泥土表现出脆性破坏形态，水泥土试块直接被劈裂为两个部分，而加入纤维后的水泥土，裂缝的延性破坏形态较为明显，表现为上端裂缝延伸到试块中部后，可以说此时的纤维水泥土阻裂性能要明显优于素水泥土。

3 结论与展望

1)通过劈裂抗拉试验，研究了纤维对水泥土抗拉强度的影响，在纤维掺量一定的情况下，改变纤维长度和水泥掺量，研究了纤维水泥土抗拉强度随纤维长度的变化趋势，结果表明，纤维的掺入能够一定程度上提高水泥土的抗拉强度，最优的纤维长度为18 mm。

2)在确定纤维最优掺入长度后，改变纤维掺量和水泥掺量，研究纤维水泥土抗拉强度的变化趋势，结果表明，纤维掺量对水泥土的抗拉强度影响更加明显，且纤维对于水泥土抗拉强度的影响与水泥掺量也有较大关系，主要表现为纤维在水泥反应过程中与水泥的结合程度影响水泥土抗拉强度，基于试验结果提出最优掺量范围为0.5%～0.7%。

3)从破坏形态可以发现，随着纤维的掺入，水泥土开裂程度和裂缝延伸情况得到了有效的缓解，纤维对水泥土增韧阻裂的作用较为明显。

4)由于纤维的掺入，水泥土的流动性受到了一定的阻碍，对于水泥土其他耐久性的试验还有待于进一步完善和分析，之后还需要对纤维掺入工艺进行进一步探讨和研究。

[1] 莫永京,彭红涛,雷廷武,等.纤维水泥土抗拉强度的试验研究[J].中国农业大学学报,1999(6):106-109.

[2] 李云峰,李志国,郑 刚.纤维水泥土力学性能试验研究[J].建筑科学,2004(6):56-60.

[3] 殷 勇,于小军.玻璃纤维水泥土力学性能试验研究[J].工程勘察,2007(1):23-26.

[4] 刘 芳.玻璃纤维土的工程特性试验研究及工程应用[D].上海：上海交通大学,2011.

[5] 曹明纬,朱文旺,吴月勇,等.浅谈聚丙烯对水泥土抗压、抗拉强度的影响[J].科技视界,2014(14):138.

[6] 贺祖浩,李守德,姚 燕,等.聚丙烯腈纤维水泥土的力学性质试验研究[J].河北工程大学学报(自然科学版),2015(4):42-46.

[7] 张艳军,于沉香,凌 飞,等.石棉纤维粉煤灰水泥加固软土试验研究[J].工程地质学报,2015(5):982-988.

[8] 王剑烨,彭丽云.玄武岩纤维加固粉土性能试验研究[J].北京建筑大学学报,2015(3):33-38.

[9] 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(2):188-193.

On influence of basalt fiber on cement soil’s tensile strength★

Cui Naifu1Hu Jianlin1Zhang Shujun2

(1.HebeiUniversityofArchitecture,Zhangjiakou075000,China; 2.ZhangjiakouQingshuiRiverManagementDivision,Zhangjiakou075000,China)

The paper selects the basalt fibers with 5 different lengths and 4 mixing volumes, makes the cube trials at different ages to undertake the splitting tensile strength, researches the influence of the fiber on the cement tensile strength, concludes the optimal mixing length and volume scopes of the basalt fiber, and points out the basalt fiber can promote the tensile strength of the cement soil.

basalt fiber, cement soil, tensile strength, mixing volume

1009-6825(2017)03-0103-03

2016-11-16 ★：河北省教育厅科研项目(ZC2016161)；张家口科技局科研项目(1611068A)；河北建筑工程学院科学技术研究基金项目资助(QN201408)

崔乃夫(1992- )，男，在读硕士； 胡建林(1986- )，男，讲师； 张曙俊(1986- )，男，工程师

TU525

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