玄武岩纤维水泥土力学特性及水稳定性研究

谭威 刘亚静

摘要：为提高水泥土力学强度和水稳定性，文章选用玄武岩纤维加筋水泥土的方法，基于室内无侧限抗压强度试验和干湿循环试验，研究水泥掺量、纤维掺量及养生龄期对纤维加筋水泥土力学特性和水稳定性的影响规律。结果表明：养生前28 d水泥土无侧限抗压强度增长显著，水泥掺量每增加1%，7 d、28 d抗压强度分别平均提高20.9%、19.4%；玄武岩纤维掺量为0.3%的水泥土抗压强度最大，7 d、28 d抗压强度较素水泥土分别提高约50.6%、49.6%；干湿环境下，纤维水泥土养生前28 d的干湿残留强度比显著降低，水泥掺量对水泥土干湿残留强度比影响较小；随干湿次数增加，不同水泥掺量的水泥土干湿残留强度比降低速率相当，28 d的干湿残留强度降低速率较大。

关键词：玄武岩纤维；水泥土；力学特性；水稳定性；试验研究

中图分类号：U416.03 A 25 077 4

0 引言

水泥稳定土材料强度和稳定性较高、施工简便且原料来源方便，在道路、铁路等工程中常用作路基填料［1-3］，但水泥土材料在工程应用中易发生脆性破坏，水侵蚀环境下的力学性能和稳定性降低，影响结构正常使用寿命。鉴于纤维具有良好的抗拉性能及韧性，国内外专家学者利用纤维加筋水泥土改善其工程性能，以更好地服务实体工程。Fatahi等［4］研究表明，水泥土无侧限抗压强度分别与纤维掺量、水泥掺量正相关。Correia等［5］基于室内聚丙烯纤维水泥土力学强度试验，建立了无侧限抗压强度与抗拉强度关系模型。李丽华等［6］研究表明，玻璃纤维改善素黏土及水泥土力学强度和韧性效果显著，纤维掺量0.6%的素黏土及水泥土强度最优。刘卫涛、胡建林等［7-8］研究表明，聚丙烯纤维掺量过大或长度过长不利于提高水泥土力学性能。汤东［9］研究表明，玄武岩纤维水泥土与玻璃纤维水泥土力学强度增长规律一致，且玄武岩纤维对水泥土材料加筋效果优于玻璃纤维。牛雷等［10］基于室内无侧限抗压强度试验，对照玄武岩纤维水泥土强度，探讨了玉米秸秆纤维对水泥土的加固效果。

土质的技术性质具有较强区域性，导致纤维加筋不同土质效果不一，且干湿环境下水泥土孔隙结构及力学性质会发生变化。鉴于此，本文选用玄武岩纤维加筋水泥改良粉质黏土，通过室内力学特性试验和水稳定性试验，研究水泥掺量、纤维掺量及养生龄期对水泥土强度和水稳定性的影响规律。

1 研究方案

1.1 方案设计

结合《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）和《公路路基施工技术规范》（JTG/T 3610-2019）（以下简称《技术规范》）技术要求，均匀拌和玄武岩纤维水泥土混合料，采用静压法制备压实度96%的混合料试件，并在（20±2）℃、相对湿度95%条件下养生至规定龄期。通过室内无侧限抗压强度试验和干湿循环试验，研究玄武岩纤维水泥土力学特性及水稳定性。每组试验采用6个平行试件，试件尺寸为100 mm×100 mm。

具体试验方案如下：

（1）力学特性研究。

研究不同养生龄期下水泥掺量、玄武岩纤维掺量对水泥土力学性能的影响规律，探讨水泥土强度增长规律，拟定玄武岩纤维加筋水泥土最优纤维掺量。试验设计中，水泥掺量拟采用3%、5%、7%、9%，玄武岩纤维掺量拟采用0.1%、0.2%、0.3%、0.4%，养生龄期拟采用3 d、7 d、14 d、28 d、60 d、90 d、180 d。

（2）耐久性研究。

基于室内玄武岩纤维加筋水泥土力学特性试验结果，研究干湿循环环境下玄武岩纤维加筋水泥土强度变化规律。冻融次数拟采用0次、1次、3次、5次、7次、9次、12次、15次。

1.2 试验材料

土样取自某取土场，为粉质黏土，取土深度为1.5～3.5 m，物理力学性质见表1。水泥采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，技术性质见下页表2。纤维采用6 mm玄武岩纤维，直径为13 μm，技术性质见下页表3。水采用自来水。

1.3 性能测试方法

1.3.1 力学特性试验

结合《技术规范》中的路基质量要求，采用无侧限抗压强度评价玄武岩纤维水泥土力学特性。

试件达到养生龄期前一天，在浸水24 h后，选用液压伺服万能试验机WDW-100测定试件无侧限抗压强度，加载速率为1 mm/min。

1.3.2 水稳定性试验

试件养生至规定龄期前一天，取出试件并称取其初始质量m0，浸水24 h后置于干湿环境。采用自然风干的方式进行脱湿，风干过程中每隔2 h称取质量m，当m=（m0±5）g时，认为试件达到干燥状态；增湿过程中，将试件再次浸泡于（20±2）℃水中12 h，此为一次干湿循环。当试件循环次数达到设计次数后，测定试件无侧限抗压强度Rw（n），即残留强度，计算其干湿残留强度比，见式（1）：

ηR（n）=Rw（k）/Rc×100（1）

式中：ηR（n）——试件干湿k次的残留强度比（%）；

Rw（n）——试件干湿k次的无侧限抗压强度（MPa）；

Rc——试件初始无侧限抗压强度（MPa）。

2 试验结果与分析

2.1 无侧限抗压强度试验

2.1.1 养生龄期

随养生龄期延长，玄武岩纤维加筋水泥土无侧限抗压强度增长曲线如图1所示，不同水泥剂量的纤维加筋水泥土无侧限抗压强度增长趋势相近，呈幂函数趋势增長。养生前28 d水泥土无侧限抗压强度增长显著，后随龄期延长，水泥土无侧限抗压强度逐渐趋于稳定。这是因为水泥土无侧限抗压强度增长与水泥水化反应速率相关，养生前期水泥水化反应速率较快，生成较多的硅酸钙等胶凝物质填充土粒间空隙，增强水泥土整体密实性，故水泥土前期强度增长较快；后随龄期延长，水泥熟料逐渐被消耗，水化反应速率减缓，从而水泥土无侧限抗压强度增长速率减缓。

2.1.2 外掺剂掺量

结合现场路基养生时间及水泥土无侧限抗压强度增长趋势，以龄期7 d、28 d的玄武岩纤维加筋水泥土无侧限抗压强度为例，分析水泥掺量及玄武岩纤维掺量对水泥土无侧限抗压强度的影响规律，见图2。

由图2可知：

（1）在玄武岩纤维掺量一致的条件下，随水泥掺量增加，不同养生龄期的水泥土无侧限抗压强度呈线性趋势增大，水泥掺量增加1%，水泥土7 d、28 d无侧限抗压强度分别平均提高20.9%、19.4%。这是因为水泥熟料与水发生化学反应，生成的硅酸钙等胶凝材料填充土粒间空隙，增强土粒间连接强度，增大土体结构密实性，故水泥掺量提高时，水泥土无侧限抗压强度增强效果较明显。

（2）在水泥掺量一致的条件下，随玄武岩纤维掺量增加，水泥土无侧限抗压强度先增大后降低，在纤维掺量为0.3%时，水泥土无侧限抗压强度取得峰值，较7 d、28 d素水泥土无侧限抗压强度分别约提高50.6%、49.6%，故玄武岩纤维加筋水泥土最优纤维掺量为0.3%。这是因为玄武岩纤维具有良好的抗拉性能，适量的纤维材料在水泥土材料内部形成空间加筋结构，有效抑制结构裂缝发展，提高水泥土无侧限抗压强度；而随纤维掺量增加，纤维在土体内部分布不均匀，呈絮乱状态，加筋效果减弱，故较高纤维掺量的水泥土无侧限抗压强度降低。

2.2 干湿循环试验

2.2.1 养生龄期

玄武岩纤维掺量0.3%的水泥土干湿循环试验结果如图3所示，同一干湿次数下，养生龄期对不同水泥掺量的水泥土干湿残留强度比的影响规律相近。养生前28 d，纤维水泥土干湿残留强度比随龄期增加而降低，干濕7次时，纤维水泥土干湿残留强度比降低最大，达30.0%。养生龄期＞28 d后，玄武岩纤维水泥土干湿残留强度比变化较缓慢。其中，干湿循环前3次，随养生龄期增加，纤维水泥土干湿残留强度比降低，其28 d干湿残留强度比较90 d的残留强度比约降低6.3%；干湿循环＞3次后，随养生龄期增加，纤维水泥土干湿残留强度比提高，其28 d干湿残留强度比较90 d的残留强度比约提高5.6%。这是因为养生初期，水泥土内水泥与土粒物理化

学反应快速，水化产物对水泥土强度的增强作用大于干湿循环对水泥土强度的劣化作用，故纤维水泥土干湿残留强度比降低；养生至90 d时，水泥土密实性进一步提高，抵抗干湿循环破坏作用增强，故随干湿次数逐渐进一步增加，与纤维水泥土28 d干湿残留强度比相比，其90 d干湿残留强度提高。另外，同一干湿循环条件下，随水泥掺量增加，玄武岩纤维水泥土干湿残留强度比变化较小。水泥掺量由3%增加至9%时，纤维水泥土28 d、90 d干湿残留强度比变化分别小于3.5%、1.8%，说明干湿循环作用下水泥掺量对玄武岩纤维水泥土强度的影响相当。

2.2.2 干湿次数影响

干湿次数对玄武岩纤维水泥土干湿残留强度比的影响见图4。

由图4可知，同一养生龄期下，随干湿次数增加，不同水泥掺量的水泥土干湿残留强度比逐渐降低，且降低速率相当，养生28 d的玄武岩纤维水泥土干湿残留强度比降低速率大于90 d残留强度比降低速率。干湿15次后，玄武岩纤维水泥土28 d、90 d干湿残留强度比平均为54.2%、58.8%，这是因为干湿循环作用下，土体结构密实性降低，故纤维水泥土干湿残留强度比降低。以养生90 d的玄武岩纤维水泥土为例，分析干湿次数对纤维水泥土干湿残留强度比影响规律。干湿循环前3次，玄武岩纤维水泥土干湿残留强度比降低较显著，约11.5%；干湿次数在3～9次时，玄武岩纤维水泥土干湿残留强度比随干湿次数增加呈线性降低，干湿次数增加1次，纤维水泥土干湿残留强度比约降低3.4%；干湿次数在9～15次时，纤维水泥土干湿残留强度比线性降低速率减小，干湿次数每增加1次，纤维水泥土干湿残留强度比约降低1.5%，这与干湿循环作用下纤维水泥土结构及颗粒含量趋于稳定有关。

3 结语

（1）养生前28 d水泥土无侧限抗压强度增长显著，后随龄期延长，水泥土无侧限抗压强度逐渐趋于稳定。

（2）水泥土无侧限抗压强度随水泥掺量增加呈线性趋势提高，水泥掺量增加1%，7 d、28 d无侧限抗压强度分别平均提高20.9%、19.4%。

（3）玄武岩纤维掺量0.3%的水泥土无侧限抗压强度最大，7 d、28 d无侧限抗压强度较素水泥土分别约提高50.6%、49.6%。

（4）干湿环境下，纤维水泥土养生前28 d的干湿残留强度比降低显著，养生28 d后的干湿残留强度比缓慢变化。

（5）水泥掺量对水泥土干湿残留强度比影响较小，当水泥掺量由3%增加至9%时，纤维水泥土28 d干湿残留强度比变化≤3.5%。

（6）随干湿次数增加，不同水泥掺量的水泥土干湿残留强度比降低速率相当，28 d的干湿残留强度降低速率较大。

参考文献

［1］陈 猛.玄武岩纤维水泥土填料抗压强度及耐久性研究［J］.合成材料老化与应用，2020，49（4）：99-103.

［2］佟 钰，刘 阳，罗 超，等.聚丙烯纤维改性水泥土的力学性能研究［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2020，36（3）：507-513.

［3］刘 阳.聚丙烯/玄武岩纤维改性水泥土的力学性能研究［D］.沈阳：沈阳建筑大学，2021.

［4］Fatahi B，Khabbaz H.Mechanical characteristics of soft clay treated with fiber and cement［J］.Geosynthetics International，2012，19（3）：252-262.

［5］Correia A A S，Oliveira P J V，Custodio D G.Effect of polypropylene fibers on the compressive and tensile strength of a soft soil，artificially stabilised with binders［J］.Geotextiles and Geomembranes，2015，43（2）：97-106.

［6］李丽华，万 畅，梅利芳，等.玻璃纤维水泥土无侧限抗压强度特性研究［J］.武汉大学学报（工学版），2018，51（3）：252-256.

［7］刘卫涛，胡建林，王盼盼.聚丙烯纤维对水泥土力学性能的影响效应探究［J］.河北建筑工程学院学报，2018，36（2）：25-31.

［8］胡建林，裴国陆，王 楠.聚丙烯纤维对水泥土抗拉性能探究［J］.河北建筑工程学院学报，2017，35（1）：52-56.

［9］汤 东.纤维加筋水泥土力学性能研究［J］.路基工程，2022（2）：79-83.

［10］牛 雷，徐丽娜，田 伟，等.玉米秸秆纤维与玄武岩纤维加固水泥土力学性质对比分析［J］.科学技术与工程，2021，21（27）：11 719-11 724.

收稿日期：2023-07-10