玄武岩纤维水泥土填料抗压强度及耐久性研究

陈 猛

（郑州市交通规划勘察设计研究院，河南郑州450000）

当前，水泥稳定土（简称“水泥土”）因抗压强度高、水稳定性良好、施工简便等优点[1-3]，在道路、铁道工程中常用作路基填料；但水泥土属于脆性材料，抗拉性能差[4-8]，在实际工程应用中易产生收缩裂缝。对此，国内外学者通过在水泥土中掺入纤维来改善工程性质，以更好地满足工程生产需求。唐朝生等[7]分别在素土、水泥土中掺入聚丙烯纤维，结果表明水泥土抗压强度得到提高，且降低了水泥土脆性。贺祖浩等[8]研究发现聚丙烯腈纤维能显著提高水泥土力学强度，且增大水泥土粘聚力。张雷等[9]研究了聚丙烯纤维掺量对水泥土强度影响机理。胡建林等[10]研究表明纤维掺量过多，对水泥土抗拉强度产生不利影响。李丽华等[11]研究了玻璃纤维水泥土抗压强度影响因素，其中纤维掺量0.6%时，抗压强度出现峰值。阮波等[12]研究了纤维掺量及长度对水泥土力学强度影响规律，当纤维掺量0.2%、长度9mm 时，其抗压强度最大。郎海鹏、张洁[13-14]分别研究冻融和干湿条件下纤维水泥土力学强度变化规律。

目前，关于聚丙烯纤维水泥土和玻璃纤维水泥土力学强度研究较多，而对于其稳定耐久性研究较少。另外，当前对玄武岩纤维水泥土研究较少[4]。玄武岩纤维是一种性能优良、绿色环保的新型纤维，抗拉强度和弹性模量高、抗腐蚀性良好[15-16]。对此，笔者以玄武岩纤维水泥土为研究对象，通过无侧限抗压强度试验和干湿冻融循环试验研究其抗压强度和耐久性变化规律。

1 试验材料与研究方案

1.1 试验材料

土样为淤泥质土，取自山东东营某路基取土场，技术性质见表1。水泥采用华山牌P.O.42.5 级普通硅酸盐水泥，技术性质见表2。纤维选用玄武岩纤维，长度为9mm，技术性质见表3。

表1 土样技术性质Table 1 Technical properties of soil samples

表2 水泥技术性质Table 2 Technical properties of cement

表3 纤维技术性质Table 3 Technical properties of fiber

1.2 研究方案

1.2.1 试验方案

（1）无侧限抗压强度研究

研究水泥掺量、玄武岩纤维掺量、养生龄期及方式对水泥土力学强度的影响规律。根据现场路基压实水平和室内试验要求制定试验方案，见表4。纤维掺量指纤维质量与干淤泥质土质量之比。拟养生方式为标准养护和NaCl 溶液浸泡养护，标准养护条件是温度（20±2）℃、湿度95%以上，NaCl 溶液浸泡养护条件为浓度0.15mol/L，温度（20±2）℃。

表4 力学强度试验方案Table 4 Mechanical strength test scheme

（2）耐久性研究

研究水泥掺量、玄武岩纤维掺量和干湿冻融循环次数对水泥土耐久性的影响规律。试验方案见表5。拟采用干湿冻融循环后无侧限抗压强度评价纤维水泥土耐久性。

表5 耐久性试验方案Table 5 Durability test sche me

1.2.2 试验方法

（1）试件制备与养护

按室内重型击实试验甲法确定的最佳含水率，采用静压法制备尺寸50mm×h50mm 的纤维水泥土试件。试件制备完成后，分别按照标准养护和NaCl 溶液浸泡养护条件进行养生。

（2）干湿冻融循环

考虑当地自然环境影响，干湿冻融循环前将标准养护的试件在养生龄期最后1d 浸泡于温度（20±2）℃、浓度0.15mol/L 的NaCl 溶液中一昼夜。试件浸泡完毕后，用湿布擦拭试件表面。将试件分成两组，分别进行干湿循环和冻融循环。干湿循环过程中，将试件置于烘箱中进行脱湿，烘箱温度为40℃，烘干时间为10h；试件脱湿完成后，将试件再次浸泡于NaCl 溶液中14h，此为1次干湿循环周期。冻融循环过程中，将试件置于低温箱中进行冻结，温度设为-18℃，冻结16h；试件冻结结束后，将试件再次浸泡于（20±2）℃的NaCl 溶液中8h，此为1 次冻融循环周期。

（3）无侧限抗压强度

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009），采用液压伺服万能试验机进行无侧限抗压强度试验，加载速率均为1mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度

（1）水泥掺量影响

水泥掺量对纤维水泥土力学强度影响如图1 所示。试件玄武岩纤维掺量为0.2%，标准养护方式养生至7d。

图1 水泥掺量对纤维水泥土无侧限抗压强度影响Fig. 1 Effect of cement content on unconfined compressive strength of fiber cement soil

由图1 可得，纤维水泥土压实度一定时，其无侧限抗压强度随水泥掺量增加呈线性增长，且随压实度越大，抗压强度增速减小。水泥掺量每增加1%，压实度93%、96%、98% 的纤维水泥土抗压强度分别平均提高了13.9%、9.2%、6.8%。这是因为水泥与土中自由水发生水化反应，生成的胶凝材料填充土粒之间孔隙，致使土体密实度增大，加强了土粒之间连接强度，从而其强度逐渐提高；而压实度较高的试件内部孔隙相对较小，所以水泥掺量对其强度影响程度较低。

（2）玄武岩纤维掺量影响

玄武岩纤维掺量对纤维水泥土抗压强度影响如图2所示。试件水泥掺量为12%，标准养护方式养生至7d。

图2 玄武岩纤维掺量对纤维水泥土无侧限抗压强度影响Fig. 2 Effect of basalt fiber content on unconfined compressive strength of fiber cement soil

由图2 可得，水泥土掺入玄武岩纤维后，抗压强度得到提高。随玄武岩掺量增加，纤维水泥土抗压强度先增大后减小，在纤维掺量0.3% 时抗压强度出现峰值，且玄武岩掺量对其抗压强度增大速率高于抗压强度降低速率。当玄武岩纤维掺量从0% 增加至0.3% 时，水泥土抗压强度至少提高了41.0%；当玄武岩纤维掺量从0.3%增加至0.5% 时，水泥土抗压强度约降低了6.2%。这是因为玄武岩纤维具有较高的抗拉强度，抑制了土体内部拉应力产生与发展，从而水泥土抗压强度增大；而随着纤维掺量增多，纤维在土体分布不均匀，致使纤维对土体加筋作用略微弱化，所以纤维掺量较高时，水泥土抗压强度减小。

（3）养生龄期及方式影响

养生龄期及方式对纤维水泥土抗压强度影响如图3所示。试件水泥掺量和玄武岩纤维掺量分别为12%、0.2%，压实度为93%。

图3 养生龄期及方式对纤维水泥土无侧限抗压强度影响Fig. 3 Effect of curing age and method on unconfined compressive strength of fiber cement soil

由图3 可得，同一养生方式下，随养生龄期延长，纤维水泥土抗压强度逐渐提高，且增长速率明显降低；标准养生纤维水泥土抗压强度大于同一龄期NaCl 溶液养生的试件强度。采用标准养生的纤维水泥土7d 抗压强度分别是28d、90d 抗压强度的75.9%、69.4%，采用NaCl溶液养生的纤维水泥土7d 抗压强度分别是28d、90d 抗压强度的69.7%、61.2%；NaCl 溶液养生的纤维水泥土90d 抗压强度为1.73MPa，与标准养生的试件抗压强度相当，说明NaCl 溶液对纤维水泥土腐蚀作用较大。

2.2 玄武岩纤维水泥土耐久性

干湿冻融循环条件下玄武岩纤维水泥土力学强度试验结果见表6～表9。试件压实度93%，采用标准养生方式进行养生，龄期为90d。

表6 不同干湿次数下0.2%玄武岩纤维掺量水泥土无侧限抗压强度Table 6 Unconfined compressive strength of cement soil with 0.2% basalt fiber content under different dry-wet times

表7 不同干湿次数下12%水泥掺量的玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度Table 7 Unconfined compressive strength of basalt fiber cement soil with 12% cement content under different dry-wet times

表8 不同冻融次数下0.2%玄武岩纤维掺量水泥土无侧限抗压强度Table 8 Unconfined compressive strength of cement soil with 0.2% basalt fiber content under different freeze-thaw times

表9 不同冻融次数下12%水泥掺量的玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度Table 9 Unconfined compressive strength of basalt fiber cement soil with 12% cement content under different freeze-thaw times

2.2.1 干湿循环

（1）水泥掺量影响

水泥掺量对干湿条件下玄武岩纤维水泥土抗压强度影响如图4 所示。试件玄武岩纤维掺量为0.2%。

图4 水泥掺量对干湿条件下纤维水泥土无侧限抗压强度影响Fig. 4 Effect of cement content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under dry and wet conditions

由图4 可得，同一干湿次数下，随水泥掺量增加，纤维水泥土抗压强度呈线性增长，且干湿作用次数较少时，纤维水泥土抗压强度增长相对较小；而干湿次数超过5 次后，水泥掺量对纤维水泥土抗压强度影响效果相近，且相邻干湿次数的强度曲线较近，说明干湿5 次后，抗压强度逐渐减小至稳定。当水泥掺量每增加1%，纤维水泥土干湿 1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次后抗压强度约分别提高了13.0%、15.4%、18.8%、19.8%、20.7%、20.4%。与纤维水泥土干湿0 次抗压强度相比，干湿作用次数越多，其抗压强度损失越大，干湿1 次、5 次和10 次后抗压强度约分别降低了16.3%、36.2%、47.3%；而16% 水泥掺量的纤维水泥土干湿10 次后抗压强度为1.31MPa，与8% 水泥掺量的纤维水泥土干湿0次的强度相当，12%水泥掺量的纤维水泥土干湿10 次后抗压强度大于4% 水泥掺量的纤维水泥土干湿0 次的强度，说明水泥掺量的增加有效减弱了干湿作用下纤维水泥土的降低效果。

（2）纤维掺量影响

玄武岩纤维掺量对干湿条件下纤维水泥土抗压强度影响如图5 所示。试件水泥掺量为12%。

图5 玄武岩纤维掺量对干湿条件下纤维水泥土无侧限抗压强度影响Fig. 5 Effect of basalt fiber content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under dry and wet conditions

由图5 可得，同一干湿次数下，玄武岩纤维掺量对干湿条件下纤维水泥土抗压强度影响与非干湿条件下变化规律一致。随玄武岩纤维掺量增加，纤维水泥土抗压强度先增大后减小，当玄武岩纤维掺量为0.3%，抗压强度出现极值；且干湿次数较多时，纤维掺量对水泥土抗压强度影响效果减弱。当玄武岩纤维掺量从0% 增加至0.3%，纤维水泥土干湿 0 次、1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次的抗压强度分别提高了36.7%、25.8%、20.7%、18.6%、17.0%、16.5%、16.3%；纤维掺量从0.3% 增加至0.5%，纤维水泥土干湿0 次、1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次的抗压强度分别降低了7.5%、6.6%、4.8%、3.8%、4.1%、1.8%、0.9%，这说明玄武岩纤维掺量越高，其抗压强度受干湿作用影响越小。这是因为玄武岩纤维掺量较高时，有效地提高了土体的抗拉性能，抑制了土体由于干湿作用影响而产生的裂缝，导致其抗压强度降低幅度较小，从而较高纤维掺量下水泥土干湿循环作用后抗压强度变化速率相对较小。

2.2.2 冻融循环

（1）水泥掺量影响

水泥掺量对冻融条件下玄武岩纤维水泥土抗压强度影响如图6 所示。试件玄武岩纤维掺量为0.2%。

图6 水泥掺量对冻融条件下纤维水泥土无侧限抗压强度影响Fig. 6 Effect of cement content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under freeze-thaw condition

由图6 可得，同一冻融次数下，随水泥掺量增加，纤维水泥土抗压强度呈线性增长，当冻融次数超过7 次后，水泥掺量对其抗压强度提升效果相近，且抗压强度逐渐减小至稳定值。水泥掺量每增加1%，纤维水泥土冻融 1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次后抗压强度分别提高了13.8%、17.6%、18.8%、19.9%、20.3%、20.5%；与纤维水泥土冻融0 次抗压强度相比，其冻融1 次、7 次、10 次后抗压强度约分别降低了21.2%、49.1%、52.9%。这是因为冻融作用下纤维水泥土内部结构发生变化，不同粒径的颗粒含量逐渐趋向稳定，从而冻融次数超过7 次后抗压强度逐渐趋向稳定。

另外，与同水泥掺量和作用次数的纤维水泥土抗压强度相比，冻融作用后的抗压强度小于干湿作用后的抗压强度，降低了5.8%～10.7%。说明冻融作用下纤维水泥土抗压强度较干湿作用易损失。

（2）纤维掺量影响

玄武岩纤维掺量对冻融条件下纤维水泥土抗压强度影响如图7 所示。试件水泥掺量为12%。

图7 玄武岩纤维掺量对冻融条件下纤维水泥土无侧限抗压强度影响Fig. 7 Effect of basalt fiber content on unconfined compressive strength of fiber cement soil under freeze-thaw condition

由图7 可得，同一冻融次数下，随纤维掺量增加，纤维水泥土抗压强度先增大后缓慢减小，当冻融次数较小时，纤维掺量对其抗压强度的影响更明显；冻融次数超过7 次后，同纤维掺量的水泥土抗压强度变化幅度明显减小，说明冻融7 次后抗压强度趋于稳定。当纤维掺量由0% 提高至0.3%，纤维水泥土冻融作用后抗压强度至少提高了18.8%，较干湿作用下纤维掺量对水泥土影响略大；纤维掺量由0.3% 提高至0.5%，纤维水泥土冻融 0 次、1 次、3 次、5 次、7 次、9 次、10 次 的 抗 压 强度分别降低了7.8%、6.6%、7.4%、5.8%、4.7%、2.9%、0.9%，与干湿作用下纤维掺量对抗压强度影响效果相近。

另外，同一纤维掺量下，纤维水泥土冻融作用后减小速率大于干湿作用后强度减小速率，说明冻融条件对玄武岩纤维抗压强度影响较干湿条件明显。

3 结论

（1） 同一压实度下，玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度随水泥掺量增加呈线性增长，且纤维掺量为0.3%时，其抗压强度最大。水泥掺量每增加1%，纤维水泥土抗压强度提高了6.8%～13.9%；随纤维掺量增加，纤维水泥土抗压强度增速大于降速，纤维掺量从0%增加至0.3%后抗压强度至少提高了41.0%，纤维掺量从0.3% 增加至0.5% 后抗压强度约降低了6.2%。

（2）标准养生方式和盐溶液养生方式对纤维水泥土抗压强度影响规律一致，随龄期延长，抗压强度增长速率明显降低；NaCl 溶液养生方式抑制了纤维水泥土强度的发展，较标准养生方式的纤维水泥土抗压强度平均降低了11.8%。

（3）干湿冻融作用下，随水泥掺量增加，纤维水泥土抗压强度呈线性增长，且干湿作用后强度较冻融作用大；当纤维水泥土干湿5 次或冻融7 次后，水泥掺量对抗压强度提升效果相近，且抗压强度逐渐减小至稳定。水泥掺量每增加1%， 纤维水泥土干湿作用和冻融作用后抗压强度至少分别提高了13.6%、20.5%，而干湿1次、7 次、10 次后抗压强度分别降低了16.3%、36.2%、47.3%，而冻融1 次、7 次、10 次后抗压强度分别降低了21.2%、49.1%、52.9%。

（4）同一水泥剂量和干湿冻融次数下，随玄武岩纤维掺量增加，水泥土抗压强度先快速增大后缓慢减小，且纤维掺量为0.3%，干湿或冻融后水泥土抗压强度最大。玄武岩纤维掺量从0% 增加至0.3%，干湿作用和冻融作用后抗压强度至少分别提高了16.3%、18.8%，纤维掺量从0.3% 增加至0.5%，干湿作用和冻融作用后抗压强度最大降低了7.5%、7.8%。