玄武岩纤维水泥改良风积沙强度及孔隙结构研究

阮波，张佳森，丁茴，袁忠正，聂如松(.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙40075；

2.湖南铁院土木工程检测有限公司，湖南 长沙410075；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉430063)

玄武岩纤维是天然玄武岩经高温熔融、拉丝而得的无机纤维，具有耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗拉强度高和绝缘性好等特性[1]，广泛用其来改良各种土及水泥砂浆的力学性能[2-3]。WANG等[4]发现玄武岩纤维加筋水泥改良粉质黏土的最优掺量为0.4%。WANG等[5]将玄武岩纤维用于加筋高岭土，发现纤维掺量为0.2%的无侧限抗压强度最大。高常辉等[6]的研究结果显示，玄武岩纤维水泥改良掺砂粉质黏土的最优纤维掺量为1.5%，与未掺纤维的水泥掺砂粉质黏土相比，最优纤维掺量时，水泥掺砂粉质黏土的无侧限抗压强度提高了16.5%。庄心善等[7]研究表明，玄武岩纤维加筋膨胀土时最优掺量为0.3%。柳涛[8]通过三轴压缩试验发现，玄武岩纤维加筋粉质黏土的黏聚力最优掺量为0.2%。尤波等[9]将玄武岩纤维用于加筋膨胀土，通过固结不排水三轴试验，发现在相同围压下，加筋膨胀土的主应力差在纤维掺量为0.4%时达到最大值。徐洪钟等[10]将玄武岩纤维掺入膨胀土中，当纤维掺量为0.4%时，玄武岩纤维加筋膨胀土的无侧限抗压强度达到最大值。徐丽娜等[11]通过无侧限抗压强度试验发现用玄武岩纤维和水泥加固河床淤泥土时玄武岩纤维的最优掺量为0.7%。ZHAO等[12]采用玄武岩纤维和水泥对标准砂进行增强，纤维掺量为1.4%左右时，玄武岩纤维对无侧限抗压强度的提高程度最大。上述结果表明，采用玄武岩纤维加筋水泥粉质黏土、水泥掺砂粉质黏土、掺砂淤泥土、膨胀土和标准砂时的最优纤维掺量为0.2%～1.5%，加筋不同土质的最优纤维掺量各不相同。核磁共振试验具有无损、快速和观测直接等优点，能够测量出土体内部孔径分布[13]。王颖等[14]对聚氨酯固化砂土开展了核磁共振试验，分析了浸水作用对聚氨酯固化砂土孔隙占比的影响。吕超等[15]对聚丙烯纤维加筋红黏土进行核磁共振试验，分析出0.3%纤维含量时聚丙烯纤维加筋红黏土的孔隙分布最佳。LIU等[16]通过核磁共振试验，建立了水泥回填砂浆无侧限抗压强度与孔隙率之间的关系。风积沙是由于风积作用形成的粉细砂，在粒度成分上属于粉质细砂土，风积沙实际在成分上由细砂和不同含量的粉粒及黏粒组成，因颗粒很细，可由风力搬运形成砂丘，所以习惯上称之为风积沙[17-20]。新建和若铁路沿线位于塔克拉玛干沙漠南边缘。沿线所经地区地表以风积沙为主，风积沙的级配不良，按铁路路基工程分类为C3类填料[21]，不能直接用作铁路路基基床填料，因此，开展玄武岩纤维水泥改良风积沙风积沙无侧限抗压强度试验和核磁共振试验，分析纤维掺量对水泥改良风积沙的无侧限抗压强度和微观结构的影响，研究纤维水泥改良风积沙用于沙漠地区铁路路基基床填料的适用性。

1 试验

1.1 试验材料

试验采用的风积沙来自新疆和若铁路施工现场，其扫描电镜照片见图1，物理力学指标见表1。颗粒级配曲线见图2，粒径位于0.075 mm～0.25 mm的风积沙占比达到97.2%，颗粒均匀单一，级配不良。通过X射线衍射(XRD)对风积沙的化学组成进行分析，通过X射线荧光光谱分析(XRF)，得到化学元素质量百分比组成，见图3。风积沙的硅元素占比33.13%，这表明SiO2的含量较高，而金属氧化物的含量较低。玄武岩纤维的物理力学性质见表2，其技术指标由海宁安捷复合材料有限责任公司提供。

图1 扫描电镜照片(×102)Fig.1 S canning electron micrograph of aeolian sand(×102)

表1 风积沙物理力学性质指标Table 1 Basic physical and mechanical properties of aeolian sand

水泥为PO42.5普通硅酸盐水泥，生产厂家为新疆洛浦天山水泥厂，其化学成分组成见图4，LOI表示烧失量。

图4 水泥化学成分Fig.4 Cement chemical composition

1.2 试验方案

相关文献[2-10]的研究结果表明，玄武岩纤维加筋土的最优纤维掺量为0.2%～1.5%，不同土质的最优掺量不同，而玄武岩纤维加筋风积沙的最优纤维掺量鲜有报道。为了研究玄武岩纤维水泥改良风积沙无侧限抗压强度的最优纤维掺量，制作水泥掺量为5%[22]，纤维掺量为0%，0.2%，0.5%，0.8%，1.1%，1.4%和1.7%的纤维水泥改良风积沙试样进行无侧限抗压强度试验。水泥掺量ac及纤维掺量af的定义如式(1)和式(2)。

式中：ms为烘干的风积沙质量，g；mc为水泥质量，g；mf为玄武岩纤维质量，g。

制作水泥改良风积沙和纤维掺量0.8%的纤维水泥改良风积沙试样进行核磁共振试验，研究纤维对水泥改良风积沙微观结构的影响。

1.3 试样制备

按照试验方案称取烘干的风积沙，玄武岩纤维及水泥，将风积沙、水泥、纤维与水拌合均匀，制作成混合料。依据相关规范[23]，称取一定质量的混合料装入钢试模中，采用锤击法制样，压实系数为0.95，上下压柱应击入试模内，试样制作成型后隔2 h采用脱模器脱模。试样脱模后，称量其质量，见图5，放入HBY-60B型水泥恒温恒湿标准养护箱中进行养护，养护温度为(20±2)℃，养护湿度95%，养护龄期28 d。无侧限抗压强度试验为直径和高度均为50 mm的圆柱体试样，核磁共振试验为高度30 mm，直径20 mm的圆柱体试样。

图5 试样养护(塑料薄膜包裹)Fig.5 Sample maintenance

1.4 试验

1.4.1 NMR试验

采用NMRC12-010V核磁共振低场孔隙分析仪，仪器见图6。标准养护28 d后将试样置于真空饱和泵中抽气饱和，取出试样，用湿毛巾快速轻拂试样表面游离的水分，将试样放置于试样瓶及量筒中，置于测试系统内部的试样盒中开始测试，通过数据采集软件获取试样的采样曲线，并进行反演得到T2谱曲线。

图6 NMRC12-010V核磁共振低场孔隙分析仪Fig.6 NMRC12-010V nuclear magnetic resonance low(plastic thin-film wrap)field pore analyzer

1.4.2 无侧限抗压强度试验

养生期最后一天，将试样浸没水中24 h，试样顶面低于水面25 mm。养生完成后，用软抹布吸去表面余水，根据相关规范[23]进行无侧限抗压强度试验，试验仪器采用ETM电子万能试验机，加载速率为1 mm/min，记录试件的应力应变曲线。

2 试验结果及分析

2.1 核磁共振试验结果及分析

2.1.1 核磁共振基本原理

氢原子在强磁场中能够产生核磁共振现象，使用特定的射频磁场发射和接收设备，就能够把核磁共振信号通转化为计算机上的图像和数据。磁化矢量在垂直外部磁场方向上减弱至0的过程称为横向弛豫，由符号T2表示。T2时间与原子核所在分子的运动性相关，即横向弛豫时间T2时间随着分子运动性的增强而延长。核磁共振技术能够只表现液态物质在岩土体中的弛豫过程[24]。表面弛豫决定了岩土体孔隙中的液态物质的T2弛豫时间。T2弛豫时间可以表示为[25]：

式(3)为弛豫时间T2与孔径的换算关系式，ρ2为T2对应的表面弛豫率可用式(4)[26]计算。

式中：Ks为土体的渗透率；φ为土体的孔隙度；T2LM为T2谱的加权几何平均值。

横向弛豫时间T2的分布曲线反映了试样孔隙结构的分布信息。T2分布曲线中，横坐标T2弛豫时间与孔径大小正相关。纵坐标核磁共振信号幅度与孔隙数量呈现正比例关系。

2.1.2 纤维掺量对T2谱分布曲线的影响

玄武岩纤维水泥改良风积沙的T2谱分布曲线见图7，相对于水泥改良风积沙，纤维掺量为0.8%的玄武岩纤维水泥改良风积沙的T2谱分布曲线整体向左偏移，水泥改良风积沙的弛豫时间为0.37μs～1.97 s，对应的孔隙半径0.74 nm～0.39 mm；玄武岩纤维水泥改良风积沙的弛豫时间0.31μs～1.07 s，对应的孔隙半径为0.61 nm～0.21 mm，纤维加筋后水泥改良风积沙的孔隙半径减小，孔径范围缩短。

图7 T2谱分布曲线Fig.7 T2 distribution curves

2.1.3 纤维掺量对孔径分布的影响

T2谱分布曲线与横坐标所围成的区域称为谱峰，谱峰面积与孔隙体积成正比，是反映孔隙结构分布及其变化的重要参数，各峰所占面积比例可以反映孔隙半径的比例[27]。参考DENG等[27]孔径范围的分类标准，见表3，纤维水泥改良风积沙的总体孔径分布见图8。与水泥改良风积沙相比，纤维水泥改良风积沙的大孔减少25.7%，而中孔增大12.7%，对微孔和小孔的影响较小。这说明玄武岩纤维能有效抑制水泥改良风积沙内部的大孔产生和进一步发展。

表3 孔径范围的分类标准Table 3 Pore classification standard

图8 纤维掺量对总体孔径分布的影响Fig.8 Effect of fiber content on overall pore size distribution

2.2 纤维掺量对水泥改良风积沙应力应变曲线的影响

不同纤维掺量下的水泥改良风积沙应力应变曲线如图9，为应变软化型。水泥改良风积沙的应力应变曲线起始阶段近似线性急剧增大，曲线顶端较尖，达到峰值强度后，随着应变的增大，应力急剧下降，峰值应变较小，呈脆性破坏。而纤维水泥改良风积沙的应力应变曲线起始阶段近似缓慢增大，曲线顶端较平缓，达到峰值强度后，随着应变的增大，应力缓慢下降，峰值应变较大，呈塑性破坏。

图9 玄武岩纤维水泥改良风积沙的应力应变曲线Fig.9 Stress-strain curves of cemented aeolian sand reinforced with basalt fiber

2.3 纤维掺量对水泥改良风积沙无侧限抗压强度的影响

玄武岩纤维水泥改良风积沙的无侧限抗压强度见图10。纤维水泥改良风积沙的无侧限抗压强度随着纤维掺量的增加而增加，纤维掺量达到0.8%时无侧限抗压强度达到最大值，继续增大纤维掺量，无侧限抗压强度逐渐减小，最优纤维掺量为0.8%。

图10 纤维掺量对无侧限抗压强度及峰值应变的影响Fig.10 Effect of fiber content on unconfined compressive strength and peak strain

为量化纤维对水泥改良风积沙无侧限抗压强度的影响，引入无侧限抗压强度增强比R[28]，即纤维水泥改良风积沙的无侧限抗压强度与未掺纤维的水泥改良风积沙的无侧限抗压强度的比值，计算结果见表4。无侧限抗压强度增强比为1.14～1.54。

表4 纤维掺量对无侧限抗压强度及延性增强比的影响Table 4 Effects of fiber content on unconfined compressive strength and ductility enhancement ratio

轴心受压时，玄武岩纤维水泥改良风积沙会发生横向的裂隙扩张。当纤维掺量较低时，玄武岩纤维的掺入会不断使玄武岩纤维与水泥改良风积沙固体颗粒更加充分接触，不断提供更多的黏结力和摩阻力，阻止内部横向裂缝的扩张[29]，使试样能够承受更大的轴向荷载，提高玄武岩纤维水泥改良风积沙的无侧限抗压强度。玄武岩纤维在土体中相互搭接构成的三维网状结构也越来越充分，其约束力也起到了抑制破坏，提升无侧限抗压强度的作用。当纤维掺量持续增大时，固体颗粒对纤维的包裹程度逐渐饱和，当纤维掺量超过0.8%后，玄武岩纤维与风积沙颗粒、水泥拌和的均匀性变差，纤维在固体颗粒中存在重叠甚至成团的现象，因此纤维与固体颗粒之间的接触变差，黏结力降低[30]，并且使内部结构产生受力薄弱界面，进而降低其力学性能，即无侧限抗压强度降低。由核磁共振结果可知，掺纤维后水泥改良风积沙的孔隙率明显下降，从而导致无侧限抗压强度提高。

2.4 纤维掺量对水泥改良风积沙峰值应变的影响

玄武岩纤维水泥改良风积沙的峰值应变见图10，峰值应变随着纤维掺量的增加而增大，纤维能显著提高材料的塑性和侧向应力。玄武岩纤维能够提升水泥改良风积沙峰值应变的原因在于：一方面，承受外部荷载均会调动玄武岩纤维与固体颗粒接触形成的黏结力和摩阻力，从而阻止受荷载过程中纵向裂缝的扩张，随着竖向变形的增大，越来越多的玄武岩纤维参与到横向抗拉过程中，所以纤维掺量较大时抗拉作用得到更加显著的体现，纤维水泥改良风积沙的整体性越好，其破坏时的轴向应变即峰值应变就越大。另一方面，由于纤维在土体中的分布是均匀随机的，而且弯曲的纤维相互交织在一起，以固体颗粒为铰接点共同形成空间网状结构[31]。这种网状结构可以有效抑制裂缝的产生，阻止裂缝的进一步扩展，近似产生“围压”作用，一定程度上提高了结构整体延性，从而提高了玄武岩纤维水泥改良风积沙的塑性变形能力。而一定范围内，纤维掺量越大，这种纤维网状结构的约束力就越强，因此峰值应变越大。

为了定量研究其纤维对峰值应变的影响，引入延性增强比D[28]，即纤维水泥改良风积沙的峰值应变与未掺纤维的水泥改良风积沙的峰值应变比值，计算结果见表4。纤维水泥改良风积沙的延性增强比D值随着纤维掺量的增大而增大，D值为1.43～2.67，与无侧限抗压强度对比，纤维对水泥改良风积沙的延性改善更明显。

2.5 纤维掺量对能量吸收能力的影响

为了进一步从能量吸收能力角度研究玄武岩纤维掺入对水泥改良风积沙的峰值应变和无侧限抗压强度的影响，定义纤维水泥改良风积沙的能量吸收能力为参考应变水平下应力应变曲线与横坐标轴围成区域的面积[32]：

式中：ε为轴向应变；σ为轴向应变对应的应力。

将图9的应力应变曲线积分，得到纤维水泥改良风积沙能量吸收能力曲线，见图11。与未掺纤维的水泥改良风积沙相比，纤维水泥改良风积沙的能量吸收曲线形状发生显著变化，当应变大于2.8%时，玄武岩纤维改良风积沙的能量吸收能力大于水泥改良风积沙的能量吸收能力，随着应变继续增大，玄武岩纤维改良风积沙与水泥改良风积沙的能量吸收能力的差值越来越大。

图11 玄武岩纤维水泥改良风积沙的能量应变曲线Fig.11 Energy-strain curves of cemented aeolian

为了定量研究纤维掺量对纤维水泥改良风积沙能量吸收能力的影响，定义E D5为轴向应变为5%时试样能量吸收能力，纤维掺量对ED5的影响见图12。与水泥改良风积沙相比，纤维水泥改良风积沙的E D5值是水泥改良风积沙的1.95～3.08倍，纤维掺入能显著提高水泥改良风积沙的能量吸收能力。这说明玄武岩纤维能有效提高土体的强度和抑制土体的变形，使得土体产生相同变形时所需要吸收的能量增大。水泥改良风积沙吸收的能量主要是通过土体颗粒和水泥水化产物的变形而耗散，纤维水泥改良风积沙吸收的能量主要是通过纤维在纤维-土作用界面上的拉伸以及纤维和土基质之间的摩擦而耗散[33]。

图12 纤维掺量对能量吸收能力的影响Fig.12 Effect of fiber content on energy absorption capacity sand reinforced with basalt fiber

3 结论

1)水泥改良风积沙的弛豫时间为0.37μs～1.97 s，对应的孔隙半径0.74 nm～0.39 mm；纤维掺量为0.8%的玄武岩纤维水泥改良风积沙的弛豫时间0.31μs～1.07 s，对应的孔隙半径为0.61 nm～0.21 mm。相对于水泥改良风积沙，纤维水泥改良风积沙的大孔减少25.7%，而中孔增大12.7%，微孔和小孔的变化较小。

2)玄武岩纤维改良风积沙的无侧限抗压强度随着纤维掺量的增加而提高，当纤维掺量为0.8%无侧限抗压强度增强比为1.54，随后随着纤维掺量增大无侧限抗压强度开始降低，但仍高于水泥改良风积沙的无侧限抗压强度。玄武岩纤维水泥改良风积沙的峰值应变与纤维掺量呈正相关关系，延性增强比D为1.43～2.67。

3)纤维掺入显著提高了水泥改良风积沙的能量吸收能力，当应变大于2.8%时，随着纤维掺量继续增大，玄武岩纤维水泥改良风积沙与水泥改良风积沙的能量吸收能力的差值不断扩大。E D5提高到1.95～3.08倍，其延性明显提高。