玄武岩纤维水泥土抗压强度试验研究

陈 峰

(福建江夏工程学院，福建省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压强度试验研究

陈 峰

(福建江夏工程学院，福建省环保节能型高性能混凝土协同创新中心,福建 福州 350108)

为提高水泥土的受力性能，利用纤维加筋增强效果，探讨在水泥土中掺入玄武岩纤维来改善其力学性能的方法.通过对不同配比的玄武岩纤维水泥土开展无侧限抗压试验，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压强度，但随着纤维掺量的增加，其增强效果逐渐减弱.玄武岩纤维的掺入使水泥土塑性增强，试件达到峰值应力后仍能承受一定荷载，存在残余强度，有利于提高工程安全性和稳定性.此外，根据实验结果建立了不同配比的玄武岩纤维水泥土抗压强度与龄期的关系式，可为实际工程提供参考.

软土加固；水泥土；玄武岩纤维；无侧限抗压强度；纤维掺量

近年来，随着地下工程的迅速发展，水泥土因其低压缩性、低渗透性等优越特性被广泛用于地基加固、止水帷幕、边坡加固与稳定、深基坑支护等工程领域.然而，水泥加固软土的强度存在偏低现象，常常达不到设计的强度要求，因此，如何改善其强度成为水泥土研究中的热点[1].除了提高固化剂掺量、添加化学外掺剂和添加粉煤灰[2-5]等常规方法外,现在有研究者提出通过在水泥土中掺入纤维来提高水泥土强度的方法.殷勇[6]采用玻璃纤维来改善水泥土的力学性能；唐朝生等[7]提出利用聚丙烯纤维的物理加筋作用结合水泥的化学加固作用，讨论了聚丙烯纤维的掺入量及长度对水泥土强度的影响；Nilo Cesar Consoli等[8]通过纤维水泥土的无侧限抗压试验，发现纤维的加入提高了水泥土的抗压强度；Hamidi等[9]通过常规三轴压缩试验及剪切等试验，研究了聚丙烯纤维对水泥土强度的影响；Consoli等[10]还考虑了宽胶结范围内纤维掺入对砂土强度的影响.目前，在纤维水泥土的研究中，尚没有针对玄武岩纤维水泥土的相关研究.而玄武岩纤维具有良好的力学性能及较高的性价比，已被作为高性能混凝土的增强材料并取得了良好效果.因此，本研究通过抗压强度试验，研究相同水泥掺合比下，不同玄武岩纤维掺量、不同龄期水泥土试件的抗压性能.

1 试验研究方法

1.1 试验材料

实验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粘土，基本物理力学性能为：ω=54.5%，γ=16.2 kN·m-3，e=1.499，WL=45.%，WP=20.8%，IP=24.3%，IL=1.39,C=9.0 kPa，Φ=6.5°.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，其主要的物理性能为：ρ=2 650 kg·m-3，R=17 μm,σb=4.15～4.80 GPa，E=93～110 GPa,断裂伸长率为3.1%.

1.2 试样成型及养护

试验时先将土样通过烘箱烘干之后粉碎过筛，并按初始含水率54.5%加水进行混合.再将纤维加入砂浆搅拌机与湿土搅拌均匀,将水和水泥放入砂浆搅拌机进行搅拌直至均匀，配制成水泥浆,再将配制好的水泥浆加入土样中搅拌至均匀，搅拌时间应不少于5 min.将搅拌均匀的水泥土分三层装入试模中，每装完一层即在试模上表面覆盖塑料薄膜后在振动台上振动至密实，振动时间不少于60 s.完成最后一层振实后，水泥土上表面略高于试模上沿，把涂有一薄层脱模剂的平板玻璃均匀地压在试模顶部.

试件成型后24 h拆模，放入温度(20±3)℃、相对湿度90%以上的环境中进行标准养护，按试验所需龄期分别养护7、28、60、90 d(从搅拌水泥浆开始计).

1.3 试验方案

抗压试验采用70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm的立方体试件，通过压力机以0.15 kN·s-1的加载速率均匀加载至破坏，记录其破坏荷载，从而换算为试件的抗压强度.通过等步增量(0.5%)的玄武岩纤维掺量,研究玄武岩纤维掺量对水泥土抗压强度的影响.土样含水率按原状土的含水率配置，水泥土的掺入比为15%及16.5%，其中15%的为四组(A，C，D，E)对应纤维掺入比分别为1.5%、1.0%、0.5%和0%，16.5%的一组(B)对应纤维掺入比为0%，水灰比统一采用0.5.每个配比对7、28、60、90 d龄期各制作三个试件进行养护.

2 试验结果与分析

2.1 玄武岩纤维掺量与水泥土抗压强度的关系

试验结果处理时，对每一组三个平行试件的破坏荷载取平均值，通过下式计算玄武岩纤维水泥土试件的抗压强度，计算结果见表1及图1.通过表1和图1可以看出玄武岩纤维的掺入对水泥土抗压强度有比较明显的增强作用，具体分析如下:

fcu=P·A-1

式中：P为破坏荷载(N);A为试件受压底面积(mm2).

表1 抗压强度试验结果Tab.1 Test result of unconfined compressive strength

1)由试验结果可知，在7 d龄期时，水泥掺量及玄武岩纤维掺量的增加都较明显提高了水泥土的抗压强度.其中，试件D(水泥掺量15%、玄武岩纤维掺量1%)的抗压强度约比试件B(单掺水泥16.5%)的抗压强度强9.9%.由此可见，在同等条件下，玄武岩纤维掺量对水泥土抗压强度的增强效果要优于水泥掺量增加带来的增强效果.相同的水泥掺入比(15%)，不同玄武岩纤维掺入比(0.5%、1.0%、1.5%)的试件C、D、E，其7 d龄期水泥土较同等条件下不掺玄武岩纤维的试件A，其抗压强度增长率分别为16.7%、32.1%和41.7%.

图1 抗压强度与龄期关系Fig.1 Relationship between unconfined compressive strength and age

玄武岩纤维掺量的等量增加，其每个阶段的增量对水泥土的抗压强度的增加效率是有所不同的.在第一个0.5%玄武岩纤维增量下，玄武岩纤维对水泥土抗压强度的增幅最大，且随着纤维的等量增加，抗压强度的增长率慢慢变小，即增幅变小.

2)在28 d龄期时，与7 d龄期时相比，水泥掺量15%、玄武岩纤维掺量0.5%的水泥土试件C的抗压强度已经高于单掺水泥16.5%的水泥土试件B.说明随着龄期的增长，水泥水化程度越来越充分，水泥土颗粒与纤维之间的界面摩擦力得到极大增强，纤维加筋作用得到很好的展示.同样，水泥土抗压强度也随着纤维掺量的增加得到提高.与在7 d龄期时一样，等量玄武岩纤维增量下，第一个0.5%玄武岩纤维增量对水泥土抗压强度的增长率最大，增强效果比较明显.而后再增加纤维的增强效率则依次降低.

3)在60、90 d龄期时，随着水泥水化、硬凝等作用程度越来越充分，水泥土颗粒与玄武岩纤维的界面摩擦力得到很大提高，玄武岩纤维对水泥土抗压强度增强效果得到很好的展示.与7、28 d龄期一样，60、90 d龄期下，随着玄武岩纤维掺量的增加，水泥土试件抗压强度也逐渐提高，且随着玄武岩纤维掺量的等步增加，其对水泥土抗压强度的增长速率也逐渐变慢.

4)综上所述，水泥土抗压强度随着水泥掺量及玄武岩纤维的掺量增加而提高，且后者的增强效率要高于前者.对比各个龄期的试验结果可知，玄武岩纤维对水泥土抗压强度的增强即加筋作用，主要是纤维掺入，抑制了水泥土在受拉应力作用下裂缝的出现和发展，从而提高了水泥土强度.而水泥土试件中水泥的水化、硬凝程度对玄武岩纤维的加筋作用有着直接影响，随着龄期增长，水泥水化、硬凝程度越来越充分，玄武岩纤维加筋效果也越来越明显.此外，从每个龄期的试验结果还可看出，玄武岩纤维掺量的等量增长对水泥土抗压强度的增长效率在第一个5%时为最大，而后掺量增加的影响逐渐减弱.其原因主要为玄武岩纤维掺量过多而在试件中分布不均，导致水泥土在水化时没有较好地增强其与水泥土颗粒之间的界面摩擦力及握裹力，从而使增强效率降低.

2.2 玄武岩纤维水泥土的受压破坏性状

1)脆性破坏.单掺水泥的水泥土的受压破坏主要表现为脆性破坏，如图2(a)所示.加载过程中试件四周有块体剥离，且随着荷载增加剥离程度越来越大.当试件达到其极限荷载时，试件中因加载形成的微裂隙迅速贯通，形成连通的裂隙面，荷载骤降，试件迅速发生破坏.说明单掺水泥的水泥土随着龄期增长，水泥水化及硬凝作用充分进行，水泥土更多地表现出类似于水泥石或混凝土的破坏特征，呈现出脆性破坏的特点.

图2 水泥土的破坏形态Fig.2 Failure mode of cement-soil

2)塑性破坏.掺入玄武岩纤维时，水泥土试件为塑性破坏形式，如图2(b)所示，表现为达到峰值时试件表面产生多条纵向和斜向的微裂缝，但未形成贯通的裂隙面，试件尚能保持基本形状.超过峰值后，应力下降比较缓慢，试件仍然能够承受一定荷载，存在残余强度.这是因为玄武岩纤维水泥土具有一定塑性，压力增大使水泥土颗粒以及颗粒与玄武岩纤维间的结构变得更加密实，空间交织结构重新排列及不同位置玄武岩纤维抗拉强度的发挥，使玄武岩纤维与土体之间的咬合摩擦力和纤维在土体中交织形成的空间约束力不断增加，有效起到荷载传递和分散作用，对破坏裂隙的产生起到限制作用，增加了土体整体性.说明加入玄武岩纤维使水泥土破坏韧性提高，同时降低其脆性，有利于提高工程的安全性和稳定性.

2.3 玄武岩纤维水泥土抗压强度与龄期的关系式

3 结语

1)玄武岩纤维对水泥土试件的抗压强度有较大提高.在试验范围内，玄武岩纤维掺量增加对水泥土试件增强效果高于水泥掺量增加带来的增强效果，即相比之下，玄武岩纤维具有更高的增强效率.

2)玄武岩纤维对水泥土抗压强度的增强即加筋作用主要是靠水泥水化后水泥土颗粒与玄武岩纤维之间的界面摩擦力及握裹力提高而体现.随着龄期增长，水泥水化、硬凝程度越来越充分，玄武岩纤维的加筋效果也越来越明显.玄武岩纤维的增强效果在纤维掺量为0.5%时较为明显，而后随着掺量增加增强的效率逐渐减弱.

3)玄武岩纤维的掺入增强了水泥土的塑性特征，使水泥土破坏形式向塑性发展.当试件达到峰值应力后仍能承受一定的荷载，存在残余强度，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压强度与龄期的关系式，可为实际工程中水泥土的强度预测提供参考.

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[11] 龚晓南.地基处理手册[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

(责任编辑：沈芸)

Experimentstudy on compressive strength of basalt fiber cement-soil

CHEN Feng

(School of Engineering,Collaborative Innovation Center for Environmentally Friendly and Energy Saving High Performance Concrete of Fujian Province,Fujian Jiangxia University,Fuzhou,Fujian 350108,China)

In order to enhance the mechanics quality of cement-soil,the basalt fiber’s reinforcement effect,and the way to improve cement soil’s strength by means of mixing the basalt fiber have been discussed in this paper.The unconfined compression test was conducted on cement-soil mixing with basalt fiber in different ratio.The result showed that the incorporation of basalt fiber could effectively improve compressive strength of cement-soil specimens in different ages and it also strengthened the plastic characteristics of cement-soil.But with the increasing of fiber content,the enhancement effect was gradually weakened.The basalt fiber cement-soil specimens could still support a certain amount of load after reaching the peak load.Thus it could improve the security and stability of engineering project.Besides,the relationship between the unconfined compression strength and age of the cement-soil mixing with basalt fiber in different ratio was established.

soft soil improvement; cement-soil; basalt fiber; unconfined compressive strength; fiber content

10.7631/issn.1000-2243.2017.02.0212

1000-2243(2017)02-0212-04

2015-12-02

陈峰(1980-)，博士，副教授，主要从事土木工程材料力学性能方面的研究，cfxh@fzu.edu.cn

福建省自然科学基金资助项目(2015J01634)；福建省省属高校专项基金资助项目(JK2014059)

TU411

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