养护条件对纤维水泥改良风积沙强度及微观结构影响

阮波，袁忠正，张佳森，郑世龙，张向京，聂如松

(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.湖南铁院土木工程检测有限公司，湖南 长沙 410004；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063)

纤维水泥改良土是指在土体中加入适量纤维和水泥，从而提高纤维水泥改良土的力学性能，增强其延性[1−2]。在水泥土中加入适量的玄武岩纤维可以提高水泥土的抗拉强度[3]。在水泥改良黏土中加入玻璃纤维可以提高其抗剪强度[4]。聚丙烯纤维强度高，韧性好，质轻，耐磨、耐腐蚀性和抗微生物分解性能均较好，价格低廉，因此被广泛应用于纤维水泥改良土[5−6]。不少学者对纤维水泥改良土的力学性能展开了研究，RUAN等[7]对聚丙烯纤维加筋水泥砂浆开展了无侧限抗压强度试验，发现其强度随着纤维含量的增加先增大后减小，3.5%为最佳纤维含量。掺入纤维能提高聚丙烯纤维加筋水泥改良淤泥质黏土的峰值强度和残余强度[8]。随着养护龄期的增大，聚丙烯纤维加筋水泥改良粉质黏土的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度逐渐增大[9]。上述研究表明，纤维水泥改良土的力学性能受纤维掺量、养护龄期的影响，目前的一些研究成果考虑的是标准养护条件，而水泥改良土的水泥水化反应受到养护温度影响，高温养护条件下纤维水泥改良土研究成果较少。土体的宏观力学性能和微观结构密切相关，可以通过土体的微观结构解释其宏观力学性能。周科平等[10]通过核磁共振试验，研究了花岗岩的孔隙体积与冻融循环次数之间的关系。MA等[11]进行了水泥改良钙质砂的核磁共振试验，发现水泥改良钙质砂的孔隙体积随着水泥掺量及养护龄期的增大而减小。LI等[12]对石灰、粉煤灰固化油污染土壤进行核磁共振试验，发现石灰和粉煤灰能有效减少土壤中的大孔径。上述研究表明核磁共振技术在研究土体孔隙结构方面有广泛的应用，但目前对纤维水泥改良风积沙孔隙结构的研究成果较少。风积沙在我国西北地区广泛分布[13]，和田至若羌线(简称和若铁路)位于塔克拉玛干沙漠南缘，沿线风积沙级配不良[14]，不满足铁路路基基床表层填料的强度要求，需要对其进行改良。和若铁路沿线全年干燥少雨，相对湿度最低可达到5%[15]。夏季大气温度最高为46℃，地表温度最高可达70℃[16]。因此，开展高温养护条件下聚丙烯纤维水泥改良风积沙低场核磁共振试验和无侧限抗压强度试验，研究养护条件和养护龄期对其强度的影响，并从微观结构的角度解释其机理。本研究成果对可沙漠地区铁路路基填料改良提供参考。

1 试验

1.1 材料

试验风积沙取自塔克拉玛干沙漠和若铁路，扫描电镜照片见图1，表面较光滑，其物理力学性能见表1，级配曲线见图2，粒径组成主要集中在0.075～0.25 mm，占总质量的97.2%，颗粒分布均匀，级配不良，属于间断级配C3填料[17]。选用的纤维为武汉市中鼎经济发展有限责任公司生产的聚丙烯纤维，纤维长度6 mm，见图3，其物理力学指标见表2。试验水泥为普通硅酸盐P·O32.5水泥。

表1 风积沙力学性质Table 1 Mechanical properties of aeolian sand

表2 聚丙烯力学指标Table 2 Mechanical properties of polypropylene fibers

图1 扫描电镜照片Fig.1 SEM photograph of aeolian

图2 颗粒级配曲线Fig.2 Grain size distribution curve

图3 聚丙烯纤维Fig.3 Photograph of polypropylene fibers

1.2 试验方案

纤维水泥改良风积沙的水泥掺量ac为5%，最大干密度1.74 g/cm3，最优含水率13.2%[14]，纤维掺量af为8‰[18]，压实系数为0.95。由于塔克拉玛干沙漠夏季午间近地表温度最高可达到70℃，空气干燥 ，因此确定高温养护条件试件的养护温度分别为40℃，60℃，70℃，相对湿度统一设置为35%，以下方案里只标记养护温度。标准养护条件的试件作为对照组，养护温度(20±2)℃、相对湿度95%，以下简称标养(SC)。养护龄期分别为1，3，7，14，28，56和90 d。具 体 试 验 方 案见表3。

表3 试验方案Table 3 Mixed design

1.3 试样制备

按照试验方案，称取风干风积沙、聚丙烯纤维、水泥和水，先将聚丙烯纤维掺入到风积沙中，边掺边搅拌，搅拌均匀后，加入水泥，再次搅拌混合均匀，最后在混合料中掺入水，将纤维、水泥、风积沙与水充分搅拌均匀。按照《铁路工程土工试验规程》[19]，将混合料倒入钢试模，采用静力压实法制样，核磁共振试件为d=20 mm，h=30 mm的圆柱体试件。无侧限抗压强度试件为d=50 mm，h=50 mm的圆柱体试件。脱模后，分别采用水泥恒温恒湿标准养护箱和恒温鼓风干燥箱进行标准养护和高温养护

1.4 试验

核磁共振试验采用NMRC12-010V型低场核磁共振分析仪。将养护至设定龄期的试样置于真空饱和装置中进行抽气饱和，取出后用湿毛巾轻拂试样表面水分，将装有试样的试样瓶及量筒放置在试样盒中，然后开始测试。

无侧限抗压强度试验采用ETM电子万能试验机，养护龄期的最后一天，将试件放入水中浸泡24 h，水面与试件顶部距离不低于25 mm。试件浸入水中时会产生大量气泡，并出现滋滋的声音。取出浸水后的试样，擦干表面的水分后进行加载，加载速率控制在1 mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 纤维加筋水泥改良风积沙微观结构影响因素分析

由低场核磁共振基本原理可知，试样内部孔隙水的体积与核磁共振信号幅度呈正比例[20−21]。T2弛豫时间与孔隙半径呈正相关。由文献[22]可知，T2弛豫时间与孔隙半径r的关系为：

式中：T2为孔隙流体的横向弛豫时间，ms；ρ2为横向表面弛豫强度，μm/μs；S为孔隙的表面积，μm2；V为孔隙的体积，μm3。

式中：FS为试样内部孔隙的形状因子，当孔隙为圆柱形孔时，FS=2，当孔隙为球形孔时，FS=3；r为孔隙半径，μm。代入式(1)，可得：

假定纤维水泥改良风积沙内部孔隙为圆柱形孔隙[23]，因此试样内部孔隙的形状因子FS为2。

2.1.1 养护条件对T2谱曲线的影响

不同养护条件下纤维水泥改良风积沙的T2弛豫曲线见图4。T2弛豫时间为0.1 ms~1 000 ms，对应的孔径主要分布范围为0.005μm~50μm，孔隙尺寸连续性较好。

图4 养护条件对T2曲线影响Fig.4 Effect of curing conditions on the T2 curves

随着养护温度升高，T2谱曲线整体具有明显右偏移的趋势，第2个峰的信号幅度峰值也逐步增大。随着养护温度从40℃升高至70℃，试样内部出现明显的裂纹扩展，孔隙半径以及孔隙体积逐步增大。微裂隙随着养护温度的升高而不断地扩展，形成了尺寸更大的孔隙。

2.1.2 养护龄期对T2曲线的影响

不同养护龄期对纤维水泥改良风积沙的T2弛豫曲线的影响见图5，在相同养护条件下，随着养护龄期增大，T2谱曲线整体向左偏移，且第2个峰信号幅度峰值随着养护龄期的增大而逐步降低，说明随着水泥的持续水化，纤维水泥改良风积沙内部孔隙不断细化，孔隙半径以及孔隙体积逐步减少，试样逐渐密实。但孔隙在养护前期和养护后期变化幅度不同。当养护龄期从1 d增到90 d时，主峰信号幅度峰值逐步降低，但在1～7 d内，主峰信号幅度峰值降低幅度较大，孔隙结构变化显著，孔隙细化速率快，随着养护龄期继续增大，后期主峰信号幅度峰值变化幅度降低，孔隙细化速率逐步降低。试验结果与刘赞群等[24]的研究成果一致。

图5 养护龄期对T2曲线的影响Fig.5 Effect of curing age on T2 curves

2.1.3 养护条件对孔径分布的影响

参考DENG等[25−26]的孔径分类方法，将纤维水泥改良风积沙的孔径分布按孔隙半径d大小划分为4种孔以进行分析，即：微孔(d≤0.01μm)、小孔(0.01μm1μm)。

不同养护条件下7 d龄期的纤维水泥改良风积沙孔径分布见图6。纤维水泥改良风积沙的高温养护温度从40℃升至70℃，纤维水泥改良风积沙的小孔和大孔占比分别增大了3.9%和4.9%，而中孔占比降低了8.2%。随着养护温度升高，纤维水泥改良风积沙的孔隙逐步增大，小孔、大孔数量增多，养护温度对微孔影响较小。标准养护条件下，纤维水泥改良风积沙的中孔和大孔占比分别为44.9%和37.7%，中孔占比最大。当养护温度从40℃升至60℃时，纤维水泥改良风积沙的中孔和大孔为主要孔隙，占比分别为39.0%和40.9%，中孔和大孔占比接近，当养护温度超过60℃后，大孔为纤维水泥改良风积沙的主要孔隙，当养护温度达到70℃时，大孔占比已经达到42.9%，而中孔占比降低至35.8%。随着养护温度持续升高，小孔持续发育，大量小孔逐渐扩展成中孔，中孔持续扩张和连接成大孔，并逐渐贯通成连通的大裂隙，这也反映了纤维水泥改良风积沙内部结构损伤随着养护温度持续升高而不断累积。

图6 养护条件对纤维水泥改良风积沙孔径分布的影响Fig.6 Effect of curing conditions on pore size distribution of cement improved aeolian sand

2.1.4 养护龄期对孔径分布的影响

以70℃高温养护条件为例，养护龄期对孔径分布的影响见图7。随着养护龄期从1 d增长到90 d，试样内部水泥水化程度持续增大，大孔和中孔比例降低，小孔比例逐步增大，孔隙结构更加密实。当养护龄期从1 d增长到90 d后，小孔占比增大了13.0%，中孔和大孔占比分别减少了3.3%和10.3%。此外，不同养护龄期下纤维水泥改良风积沙具有不同的孔径分布范围，当养护龄期从1 d增长到90 d后，孔隙半径主要分布范围也从0.01μm～45μm缩小为0.006μm～33μm。随着养护龄期的增长，纤维水泥改良风积沙的孔隙的减少主要归功于大孔数量的降低，提高养护龄期对细化大孔效果最为显著。但不同养护阶段孔隙细化速率不同，当养护龄期从1 d增长到7 d时，大孔细化速率最快，随着养护龄期的继续增长，大孔细化速率逐步减小。

图7 养护龄期对纤维水泥改良风积沙孔径分布的影响Fig.7 Effect of curing age on pore size distribution of fiber cement improved aeolian sand fiber cement improved aeolian sand

2.2 纤维加筋水泥改良风积沙无侧限抗压强度影响因素分析

2.2.1 养护条件对应力应变曲线的影响

不同养护条件下聚丙烯纤维改良风积沙应力应变曲线见图8，曲线均具有明显的峰值，呈应变软化型。养护温度对纤维水泥改良风积沙的应力应变曲线形态具有显著影响，养护温度的变化对峰值应力影响较大，对峰值应变的影响较小。随着高温养护温度从40℃升高到70℃，应力应变曲线逐渐向左偏移，且曲线峰值应力逐步降低。

图8 养护条件对应力应变曲线影响Fig.8 Effect of curing conditions on the stress-strain curves

2.2.2 养护龄期对应力应变曲线的影响

不同养护龄期下聚丙烯纤维改良风积沙的应力应变曲线形态见图9。随着养护龄期的增大，纤维水泥改良风积沙的应力应变曲线逐渐向左偏移，且曲线峰值应力逐步增大，但应力应变曲线偏移速率和峰值应力增大速率均随着养护龄期的增大而降低,在1～7 d内变化最快。

图9 养护龄期对应力应变曲线的影响Fig.9 Effect of curing age on the stress-strain curves

2.2.3 养护条件对无侧限抗压强度的影响

聚丙烯纤维改良风积沙在不同养护条件下的无侧限抗压强度见图10。标准养护条件和高温养护条件下纤维水泥改良风积沙的无侧限抗压强度变化范围为0.46～1.23 MPa。高温养护下，随着养护温度从40℃升至70℃，试样的无侧限抗压强度逐渐减小。当养护龄期为1 d和3 d时，40℃高温养护下，纤维水泥改良风积沙的无侧限抗压强度最大。此时，试样中的水分充足，适当提高养护温度会促进水泥水化产物的产生，生成的水泥水化物可以填充风积沙内部空隙，使得纤维水泥改良风积沙内部的孔隙尺寸降低，无侧限抗压强度增大 ，但超过适宜养护温度后，细化孔隙尺寸的作用减弱。当养护龄期在7～90 d时，在标准养护条件下，纤维水泥改良风积沙的无侧限抗压强度最大。随着试样内水分不断减少，水泥已经不能有效进行水化反应，同时高温促使试样内部自由水分蒸发逸出，减少了水泥水化反应所需的自由水，水泥水化产物减少，内部孔隙增多，加载后由于缝隙尖端应力集中，裂缝进一步开展，试样内部结构损伤增大。核磁试验结果与宏观力学性能具有较好的一致性。

图10 养护条件对无侧限抗压强度影响Fig.10 Effect of curing conditions on UCS

2.2.4 养护龄期对无侧限抗压强度的影响

图11为龄期对聚丙烯纤维改良风积沙无侧限抗压强度的影响。70℃养护温度下，养护龄期从7 d增大90 d后，纤维水泥改良风积沙的无侧限抗压强度增大了31.7%。不同养护条件下试样的无侧限抗压强度都随着养护龄期的延长而增大，但在不同养护阶段无侧限抗压强度增长速率不同。在养护早期(1～7 d)水化反应剧烈，水泥水化物在纤维水泥改良风积沙内部发挥充填孔隙、胶结团聚和沉淀包裹作用，无侧限抗压强度增长速率较快，在养护后期(7～90 d)水化反应基本完成，抗压强度增长幅度降低，养护龄期影响作用逐渐减弱。根据实测得到的试验数据，选取7～90 d无侧限抗压强度，按照双曲线函数进行拟合，拟合曲线见图12，拟合公式见表4，R2最小值为0.96，标准误差最大值为0.426和0.022，拟合结果较为理想。

图11 养护龄期对无侧限抗压强度影响Fig.11 Effect of curing age on UCS

图12 无侧限抗压强度拟合曲线Fig.12 UCS fitting curves

表4 拟合公式和相关系数Table 4 Fitting formula coefficient

根据《铁路路基设计规范》[29]，水泥改良土以7 d饱和无侧限抗压强度为设计标准。根据图12可知，试样的无侧限抗压强度在7 d龄期后还有较大的增长，养护龄期T的无侧限抗压强度quT与7 d养护龄期下无侧限抗压强度qu7的关系见表5，根据该表可估算纤维水泥改良风积沙在不同龄期时的无侧限抗压强度。

表5 不同养护龄期的纤维水泥改良风积沙无侧限抗压强度与7 d龄期强度之间的关系Table 5 Corresponding relationship of UCS of fiber cement modified aeolian sand at different ages and 7 d age

2.2.5 无侧限抗压强度多因素拟合

养护温度T和养护龄期t对纤维水泥改良风积沙的无侧限抗压强度qu影响显著，假设养护龄期和养护温度之间无相互作用，则可建立强度模型：

式中：a，b，c为常数。

进行SPSS软件进行多元非线性回归分析，结果见式(5)，参数估算值见表6。

表6 拟合模型参数估算值Table 6 Estimated values of fitted model parameters

常数a，b和c的标准误差最大值为0.083，95%置信区间较小，说明估计值的置信度高，拟合优度R2为0.94，拟合效果较好。

3 结论

1)随着养护温度的升高，聚丙烯纤维改良风积沙的小孔和大孔增多，中孔减少，当高温养护温度从40℃升至70℃后，小孔和大孔占比增大，中孔占比降低。随着养护龄期的增大，大孔和中孔比例降低，小孔比例逐步增大。

2)养护龄期为1 d和3 d时，40℃高温养护条件下的无侧限抗压强度最大。7 d养护龄期后，标准养护条件下的无侧限抗压强度最大。聚丙烯纤维改良风积沙的无侧限抗压强度随着高温养护温度的升高而降低，随着养护龄期的增加而升高。

3)建立了考虑养护温度和养护龄期等影响因素的纤维水泥改良风积沙无侧限抗压强度评估模型，拟合效果较好。