玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度的研究

郑宝荣，陈 峰

1.中城投集团第八工程局有限公司，福建 厦门 361024；2.福建江夏学院 工程学院，福建 福州 350108

0 引言

水泥土是指土颗粒间被水泥浆填满，通过一系列的物理化学作用形成具有高强度但渗透性相对较低的固结体［1］。水泥土的无侧限抗压强度是水泥土最基本的力学性能，也是专家学者们对水泥土研究的最多的一个性能。长期研究表明［2-5］影响水泥土强度性能的主要有水泥掺量、养护龄期、水灰比、含水量等因素。随着水泥土在工程建设当中的应用越来越广泛，人们对于水泥土的工程性能要求也越来越高了。除了确定较优的水泥掺量、水灰比、养护龄期、含水量等来提高水泥土的强度性能之外，近年来，对于在水泥土中掺入外加剂的研究也逐渐多了起来。常见的外加剂有：石灰、硅粉、矿粉、纤维、粉煤灰、水玻璃、复合外加剂、表面活性剂、化学药剂等。蔡奕等［6］研究聚丙烯纤维石灰土力学特性的结果表明，纤维的掺入减小了石灰土的膨胀性，但增大了收缩性。王娟娣等［7］通过对沿海地区典型的软粘土进行配比试验，阐述了添加粉煤灰、复合外加剂等对改善水泥土强度特性的作用，并针对水泥搅拌含有机质土时提出适宜采用的外加剂种类。杨雯雯等［8］研究表明纤维的掺入可以提高混凝土的基本力学性能、抗冲击抗疲劳性能和耐久性能。玄武岩纤维属于典型的硅酸盐纤维，与其他常用的纤维相比，玄武岩纤维具有以下优点［9］：①稳定的化学性能；②良好的分散性和相容性；③优良的耐温性能；④较高的弹性模量和抗拉强度；⑤性价比高，环保材料。Jone sung sim［10］研究表明，相比于普通的纤维水泥土，玄武岩纤维水泥土的拉伸强度高0.5～1倍，延伸率高3～5 倍，同时破坏时的形态和极限承载力也得到改善。林希宁等［11］也对玄武岩纤维与其他材料的复合情况进行了试验研究，研究指出目前与玄武岩纤维进行复合的材料主要是：沥青材料、树脂材料和其他纤维材料。赵亮等［12］研究了玄武岩纤维对水泥基材料力学性能的影响，研究结果表明，在早龄期的时候，玄武岩纤维的加入有利于提高水泥基材的强度。本文基于上述研究，在水泥土中加入玄武岩纤维，开展玄武岩纤维含量对水泥土无侧限抗压强度的影响研究。

1 试样材料

土样来自福州火车站琴亭高架桥附近的某安置房项目的基坑内，其基本物理力学性能指标见表1 所示。采用的水泥是42.5 级的普通硅酸盐水泥，化学成分及基本性能见表2 所示。采用的玄武岩纤维是由浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的一种短切纤维，基本的物理力学性能指标见表3 所示。

2 试验方案

本试验的主要目的是研究玄武岩纤维掺量对水泥土无侧限抗压强度的影响。因此，最重要的一个变量是玄武岩纤维的掺入比。结合已有的资料，玄武岩纤维的掺入比设置了4 个水平，分别为 0、0.5%、1.0%和 1.5%。以这样等步增量的方式来进行试验，有利于更好地分析玄武岩纤维掺量对无侧限抗压强度的影响。而另一个变量则是养护龄期，分别设置了 7d、28d、60d 和90d 四个水平的龄期，以研究养护龄期对玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度的影响。

表1 淤泥质土土样的基本物理力学性能指标

表2 水泥的主要化学成分及基本性能

表3 玄武岩纤维基本物理力学性能指标

除了上述两个变量外，其他掺量都是常量。水泥土的含水率按原状土的天然含水率57.5%进行设置；玄武岩纤维的掺入比按式（1）进行计算；水泥掺入比设置为15%，按式（2）进行计算；水灰比设置为0.5，按式（3）进行计算。对于每种配合比均制作三组试样，分别进行三个平行试验，结果取平均值，编号A、B、C、D 共4 组。具体的配合比设计为含水率57.5%，水泥掺入比15%，水灰比0.5，养护龄期分别为7d、28d、60d 和90d，试样数量各为3 个。

式中：m 为玄武岩纤维的质量；m2为湿土的质量。

式中：m1为水泥的质量；m2为湿土的质量。

式中：m3为水的质量；m1为水泥的质量。

3 试验及分析

3.1 试验步骤

本次无侧限抗压强度试验试样采用的是 70.7 mm×70.7 mm ×70.7 mm 的标准立方体块，具体试验步骤如下：

（1）水泥土装入三连模成型后，立即将其放入标准养护室（温度为 20℃±3℃，相对湿度为 90%）养护 24h。

（2）养护 24h 后，将试样从养护室中取出脱模并对其编号，最后再将其放入标准养护室中养护至相应的龄期。

（3）养护时应注意每个试样彼此间的距离不应太近，且必须定期对试样的

（4）将试样取出后应立即将表面的水分擦干，涂一层凡士林以防止水分蒸发，并测出相互垂直的两条直角边的边长。

（5）接通仪器电源，打开操控面板，设置试验参数，本次试验采用应变控制式，加压速率为0.03mm/s。

（6）将试样放在承压底板的正中心，调整上面板至试样的顶部。

（7）然后开始加压直至试样破坏，最后记录下试样承受的极限荷载。

3.2 试验结果及分析

无侧限抗压强度可根据（4）式进行计算：

式中：fcu为水泥土的无侧限抗压强度，MPa；

P 为试样的极限荷载，N；

A 为试样的受压面积，mm2。

根据式（4）可得到不同配合比的无侧限抗压强度。对各个试样的试验数据进行计算并通过处理后，可得到不同配合比的无侧限抗压强度，其具体结果见表4。

表4 玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度值

图1 为未掺玄武岩纤维水泥土试块的抗压破坏性状，图2为掺有玄武岩纤维水泥土的抗压破坏性状。

图1 未掺玄武岩纤维水泥土的抗压破坏性状

图2 掺玄武岩纤维水泥土的抗压破坏性状

通过观察两种试件受压时的表现，可以判断玄武岩纤维对水泥土的影响，其中未掺玄武岩纤维的水泥土受压时表现为脆性破坏（图1），而掺有玄武岩纤维的水泥土受压时表现为塑形破坏（图2）。

由表4 可以比较直观地看出，无论哪个龄期的水泥土，其无侧限抗压强度值均会随着玄武岩纤维掺量的增加而增大，但是增大的幅度会减缓。具体分析如下：

（1）养护龄期为7d 时，B、C、D 各组的强度比未掺玄武岩纤维的A 组分别增长了21.43%、44.29%和61.43%，其强度增长率明显高于其他龄期时的增长率。这说明玄武岩纤维的掺入在早期就能够对水泥土的抗压强度起到了较好的增强效果。B 组相对于A 组、C 组相对于B 组和D 组相对于C 组，玄武岩纤维的增量都是0.5%，但是它们的水泥土抗压强度的增长率是不同的，分别为21.43%、18.82%和11.88%。由此可以得出，在相等的玄武岩纤维增量的情况下，水泥土抗压强度的增长率随掺量的增加而减小。

（2）养护龄期为28d 时，B、C、D 各组的强度相对于A 组分别增长了13.25%、21.69%和27.11%。B、C、D 各组的强度相对于前一组分别增长了13.25%、7.45%和4.46%。这一数据也说明了，虽然随着玄武岩纤维掺量的增加，水泥土的抗压强度也在增大，但是其增大的幅度在不断减小。

（3）养护龄期为60d 和90d 时，其抗压强度的增长趋势也几乎同7d 和28d 时一致，同样也是强度增长的速率随着玄武岩纤维掺量的增加而减小。

（4）掺有玄武岩纤维的水泥土试样表现为塑性破坏，是因为在加压过程中土颗粒与玄武岩纤维之间的胶结变得更加密实，使得两者间的摩擦力不断增加，可以有效地传递和分散荷载，抑制了水泥土内部裂缝的发展，破坏时不会形成连通的破裂面，增加了水泥土的整体性和韧性。

3.3 龄期与玄武岩纤维水泥土抗压强度的关系

玄武岩纤维水泥土的无侧限抗压强度与龄期较符合对数曲线关系。因此，利用对数关系式对不同配合比的水泥土抗压强度进行拟合。不同配合比的对数关系曲线如图3 所示，拟合公式如式（5）～（8）所示。

玄武岩纤维水泥土的抗压强度随养护龄期的变化曲线如图3 所示。

图3 玄武岩纤维水泥土试样A、B、C、D 的抗压强度与龄期的关系曲线

从图3 中可以比较直观地看出，随着养护龄期的增长，水泥土的抗压强度也随之增大，主要原因是水泥水化反应进行越来越充分了。在28d 龄期之前，水泥土的抗压强度增长速率较快，是因为前期水泥的水化、硬凝等反应速率较快；而到了28d龄期之后，水泥土的抗压强度增长速率减缓，但是其强度还是在增大，一般到90d 龄期时强度才会趋于稳定。

4 结论

本文通过开展无侧限抗压强度，研究不同玄武岩纤维的掺量以及龄期对水泥土抗压强度的影响，得出以下结论：

（1）玄武岩纤维的掺量对水泥土的抗压强度有显著的提升作用，随着玄武岩纤维掺量的增加，抗压强度也增加，但其增幅会随着掺量的增加而有所减缓。

（2）未掺玄武岩纤维的水泥土受压时表现为脆性破坏，而掺有玄武岩纤维的水泥土受压时表现为塑形破坏，这说明玄武岩纤维提高了水泥土的韧性和整体稳定性。

（3）随着养护龄期的增长，水泥土的抗压强度也随之增大，28 龄期之前水泥土的抗压强度增长速率较快，28d 龄期之后水泥土的抗压强度增长速率减缓，通过拟合曲线，可以对水泥土的抗压强度预测提供一定的参考价值。