冻融循环条件下玄武岩纤维水泥土抗压强度试验研究

巨澍朋 贾 斌 杨保存 王 荣

（塔里木大学水利与建筑工程学院 南疆岩土工程研究中心，新疆 阿拉尔 843300）

水泥土由于其造价低、施工简便、低渗透性、低压缩性等优点在工程中被广泛应用。但水泥土在季冻区的适应性不够理想，经冻融作用常不能达到设计的强度要求。因此，改善其强度成为水泥土研究中的热点。陈峰[1-2]研究玄武岩纤维对水泥土强度的影响，发现其力学性能及性价比均优于其他纤维材料，并且在高性能混凝土的增强材料中得到广泛应用并取得了显著效果。因此研究在最优水泥配比条件下，冻融条件、纤维掺量、养护龄期对水泥土试件的抗压性能影响变化规律具有重要意义。

1 试验研究方法

1.1 材料准备

土样取自新疆阿拉尔市塔里木大学新建图书馆的施工工地，主要为新疆南疆常见的黏土，基本物理力学性能为：ω=13.5%，ρ=2.04g/cm3，WL=31.45%，WP=23.03%，IP=8.42，IL=1.13。水泥采用42.5 普通硅酸盐水泥。纤维采用18mm 玄武岩纤维短切原丝，其主要的物理性能为：σ=1200MPa，E=75GPa，断裂伸长率为3.1%。

1.2 试件养护

首先将土试样自然风干，然后粉碎并过筛，并按风干土含水率0.79%进行加水，将水、土、纤维和水泥进行搅拌直至均匀。将搅拌均匀的水泥土，分三层依次装入试样模具中，每装完一层即振捣至密实，振捣完成最后一层振捣后水泥土上表面略高于试模上沿。

试件制作好后24h 拆模，将温度控制在（20±3）℃、相对湿度控制在90%以上的环境中进行标准养护，按试验所需龄期分别养护7d、14d、28d、60d。

1.3 试验方案

土样含水率按最优含水率22.4%配置，水泥掺量为风干土质量的20%，玄武岩纤维掺入比分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%，玄武岩纤维掺入代替水泥，水灰比统一采用0.37，冻融循环次数为0、10、20、30、40 次。不同工况条件下对7d、14d、28d、60d 龄期各制作三个试件进行养护。

将70.7mm×70.7mm×70.7mm 的立方体试件，通过高低温试验机根据试验要求分别进行0、10、20、30、40 次的冻融循环，冻融温度为-20℃～20℃，每5 小时一次冷冻或融化，10 小时为一循环。

通过压力机以0.15kN/s 的加载速率均匀加载至破坏，并记录其破坏荷载，从而换算为试件的抗压强度。研究冻融循环条件下玄武岩纤维掺量对水泥土抗压强度的之间的变化规律。

2 试验结果与分析

2.1 玄武岩纤维掺量对水泥土抗压强度的影响变化规律

将养护龄期为60 天、水泥掺入比为20%、冻融循环次数为0、10、20、30、40 次，对纤维掺量为0%、0.5%、1%、1.5%的试件进行无侧限抗压强度试验。试验结果见表1 和图1。

图1 抗压强度与玄武岩纤维掺量的关系

由图1 可知，在冻融次数、龄期相同的条件下，玄武岩纤维水泥土在掺量为0.5%时出现峰值，表明掺量为0.5%时抗压效果最佳。

2.2 冻融循环次数对水泥土抗压强度的影响变化规律

由图2 可知，在纤维掺量、龄期相同的条件下，水泥土的抗压强度随着冻融循环次数增加出现波动，在冻融循环次数20次内，玄武岩纤维水泥土抗压强度随着冻融循环次数的增加抗压强度也随之增强，但随着冻融循环次数的增加，其抗压强度随之降低。在冻融次数为20 次时，抗压强度出现峰值，说明玄武岩纤维在季节性地区使用时，在前期，对水泥土的抗压强度有增强的效果，随着时间增长，水泥土抗压强度随之降低，但玄武岩纤维水泥土的抗压强度比普通水泥土的抗压强度效果更好。

图2 抗压强度与冻融条件的关系

可知，在冻融循环下，掺量为1.5%的玄武岩纤维水泥土与掺量为0%、0.5%、1%的水泥土抗压强度相比，掺量为1.5%的玄武岩纤维水泥土的强度更低，其主要原因为纤维掺量过多致使其在试件中分布不均匀，影响水泥土在水化时纤维与水泥土颗粒之间的界面摩擦力，且冻融循环条件，加速破环水泥土内部结构，使掺量更多的水泥土抗压强度比普通水泥土的抗压强度更低。

2.3 养护龄期对水泥土抗压强度的影响变化规律

将冻融循环次数为20 次、掺量为0%、0.5%、1%、1.5%的试件分别养护7、14、28、60 天，试验结果见表2 和图3。

表2 冻融循环20 次的无侧限抗压强度（MPa）

由图3 可知，在冻融次数、掺量相同的条件下，玄武岩纤维水泥土抗压强度随龄期的增长也出现波动。首先，在冻融循环条件下，在前期由于水泥水化不充分，无论是对何种掺量的水泥土，水泥土的抗压强度都不是像普通水泥土逐渐增强，随着龄期的增长，水泥水化程度更充分，纤维与水泥土颗粒之间的界面摩擦力极大增强，纤维加筋作用优势明显，水泥土的抗压强度也随之增强，所以在工程中运用玄武岩纤维水泥土时，要充分考虑玄武岩纤维水泥土的养护时间，让玄武岩纤维与水泥充分作用。

图3 抗压强度与龄期的关系

3 结论

本文基于不同纤维掺量、冻融循环次数和养护龄期条件下对玄武岩纤维水泥土与普通水泥土的抗压性能进行了试验研究，得出了如下的主要结论。

3.1 在养护龄期和冻融循环次数相同的条件下，玄武岩纤维水泥土在掺量为0.5%时出现峰值。随着掺量增加时，水泥土抗压强度的增强效果逐渐减弱，玄武岩纤维的掺入量为0.5%时增强效果最佳，掺量为1.5%的玄武岩纤维水泥土的则强度更低。主要原因为纤维掺量过多致使其在试件中分布不均匀，影响水泥土在水化时纤维与水泥土颗粒之间的界面摩擦力，且冻融循环条件加速破环水泥土内部结构机理，不利于增强水泥土的抗压强度。合理选择玄武岩纤维的掺入量可使水泥土的强度提高，对实际工程中水泥土的稳定性和安全性有利。

3.2 在龄期和掺量相同的条件下，随着冻融次数增加，在冻融作用下水泥土出现强度损失，总体玄武岩纤维水泥土的抗压强度比普通水泥土的抗压强度效果更好。在季节性冻土地区使用时，玄武岩纤维对水泥土的抗冻性能有增强的效果。今后可增加冻融循环次数，对玄武岩纤维水泥土的抗冻性做更深入的研究。

3.3 在冻融循环次数和玄武岩纤维掺量相同的条件下，在前期时，由于水泥水化硬凝程度不充分，无论是对何种掺量的水泥土，水泥土的抗压强度都不是像普通水泥土逐渐增强，随着龄期的增长，水泥水化程度更充分，纤维与水泥土颗粒之间的界面摩擦力极大增强，纤维加筋作用优势明显，水泥土的抗压强度也随之增大。在工程中运用玄武岩纤维水泥土时，要充分考虑玄武岩纤维在水泥土中的均匀分布和水泥土的养护龄期，让玄武岩纤维与水泥充分作用。