玄武岩纤维加筋水泥土的水稳定性试验研究

李春金 曾良球

摘要：为保证水侵蚀环境下水泥土具有足够强度和稳定性，文章通过外掺玄武岩纤维的方式，基于室内试验研究了纤维掺量及长度对水泥土水稳定性的影响规律。研究表明，玄武岩纤维水泥土浸水1 d后抗压强度降低显著，养生前28 d内，增加养生龄期对浸水抗压强度和水稳系数提高效果显著，玄武岩纤维长度为9 mm时水泥土的力学强度和水稳定性最优，纤维掺量为0.3%时的水泥土浸水后的抗压强度最大，较素水泥土浸水抗压强度提高39.3%以上。

关键词：玄武岩纤维；水泥土；浸水试验；水稳定性

中图分类号：U416.03 A 28 088 5

0 引言

水泥土材料强度较高、施工简便、原料来源方便，可用作道路、铁路等工程中路基填料［1-2］，但水泥土在工程应用中，易受水的侵蚀破坏作用，导致其力学性能和稳定性降低，影响实体工程正常使用寿命。对此，国内外学者通过外掺纤维的方式改善水泥土材料的技术性质，使其满足工程性能要求。Lekha等［3］研究表明，槟榔壳纤维可增强水泥土整体稳定性和使用耐久性。Lenoir等［4］研究表明，纤维掺量过高，土体中纤维分布不均匀，发生团聚现象，改善水泥土稳定性的作用降低。陈猛［5］研究表明，玄武岩纤维掺量为0.3%时的水泥土干湿或冻融后无侧限抗压强度最大，耐久性最优。张洁［6］研究表明，聚丙烯纤维掺量在0～0.3%时，纤维加筋水泥土干湿循环后的质量损失及强度损失均降低，耐干湿稳定性提高。徐丽娜等［7］研究表明，玄武岩纤维对不同土质的水泥土改良效果不一，掺加纤维可减少水泥土冻融后强度损失。黄钰程等［8］研究表明，聚丙烯纤维和水泥改良重金属污染土的抗剪强度、抗压强度及稳定性满足工程技术要求，可作为路基填料。孔希红［9］研究表明，玻璃纤维掺量0.2%的水泥土力学强度最高，纤维加筋作用明显。

上述研究表明，纤维加筋可较有效提高水泥土力学性能，而较少对水稳定性展开深入研究。针对公路、铁路等路基结构工程，若材料力学强度和水稳定性差，导致结构整体性不足，将严重影响结构的正常使用。鉴于此，本文选用玄武岩纤维加筋水泥土，通过室内浸水试验研究纤维掺量及长度对水泥土水稳定性的影响规律，为实体工程提供数据支撑。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

土样选自渭南某地高液限黏土，取土深度为1.5～4.0 m，技术性质见表1。水泥选用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，技术性质见表2。纤维选用短切玄武岩纤维，技术性质见表3。

1.2 试验方案

1.2.1 方案设计

基于水环境作用下水泥土力学强度降低和整体稳定性减弱，结合水泥土强度增长规律及影响因素，采用外掺玄武岩纤维的方式，通过室内浸水试验研究纤维掺量及长度对水泥土水稳定性的影响规律。试验中，拟水泥掺量为4%；拟玄武岩纤维掺量为0.1%、0.3%、0.5%、0.7%，长度为6 mm、9 mm、12 mm、20 mm；拟养生龄期为7 d、28 d、90 d。

1.2.2 试件制备及养生

根据水泥土室内重型击实试验结果，采用静压法成型最佳含水率的100 mm×h100 mm玄武岩纤维水泥土试件，压实度为96%；试件成型完毕后，用塑料薄膜包裹，置于温度（20±2）℃、相对湿度95%以上的标准养生室，养生至规定龄期。每组试验成型6个试件。

1.2.3 性能测试方法

参照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51-2009）中无侧限抗压强度试验方法，选用万能伺服试验机WAW-100，分别测定规定养生龄期的玄武岩纤维加筋水泥土浸水1 d抗压强度和不浸水抗压强度，按式（1）计算其水稳系数η，评价其浸水作用下的强度稳定性。

η=Rwc（m，n）/Rc（m，n）×100（1）

式中：Rwc（m，n）——纤维掺量m%、纤维长度n mm的水泥土试件浸水1 d无侧限抗压强度（MPa）；

Rc（m，n）——纤维掺量m%、纤维长度n mm的水泥土试件不浸水无侧限抗压强度（MPa）。

2 试验结果与分析

不同玄武岩纤维掺量及长度的水泥土浸水试验结果如图1所示，纤维水泥土浸水前后抗压强度与养生龄期变化曲线相近，浸水1 d后的抗压强度降低显著，其抗压强度随养生龄期延长逐渐提高，且浸水抗压强度提高效果显著，能有效改善其水环境下的水泥土强度稳定性。另外，养生龄期对不同纤维掺量及长度的水泥土浸水前后抗压强度影响效果相当。其中，浸水抗压强度提高较明显，当养生龄期由7 d增加至28 d时，浸水抗压强度和浸水前抗压强度提高分别达39.7%、20.5%以上；后随龄期延长，其抗压强度增长速率减缓，龄期由28 d增加至90 d时，浸水抗压强度和浸水前抗压强度提高分别不超过20.9%、12.3%。这是因为水泥土抗压强度增长速率与水泥水化速率相关，养生前期水泥水化速率快，生成较多的硅酸钙等凝胶物质填充土粒间孔隙，结构整体稳定性增强，从而抗压强度提高明显；后随龄期延长，水泥熟料逐渐被消耗，水泥水化速率减缓，致使其水化硅酸钙等凝胶物质减少，故水泥土抗压强度提高较缓慢。

不同玄武岩纤维长度下，纤维水泥土水稳系数与养生龄期间变化规律大致相同。如下页图2所示，掺入玄武岩纤维后，水泥土水稳系数显著提高，且纤维水泥土水稳系数随龄期增加逐渐增大，即水稳定性改善，其中玄武岩纤维掺量为0.3%时的水泥土水稳系数提高较显著。养生前28 d，纖维水泥土水稳系数提高显著，其28 d水稳系数较7 d水稳系数提高10.7%以上；养生龄期＞28 d，纤维水泥土水稳系数提高缓慢，其90 d水稳系数较28 d水稳系数提高不超过4.8%。这是因为水泥土养生前期，水泥、土粒、纤维及水之间的物理化学反应迅速，使其土体结构密实性提高，抗压强度增大，抗水破坏能力逐渐提高；后随龄期增加，水泥熟料逐渐被消耗，土体内物理化学作用减弱，致使其抗压强度缓慢提高，故水稳定性提高速率减缓。

2.1 纤维长度的影响

同一养生龄期下，不同玄武岩纤维掺量的水泥土浸水前后的抗压强度与纤维长度变化规律相近。如图3所示，玄武岩纤维长度由6 mm增加至9 mm，玄武岩纤维浸水抗压强度提高，且纤维掺量较低时，纤维长度对水泥土浸水抗压强度的影响较显著，提高达10.5%以上；在纤维长度为9 mm时，水泥土浸水前后的抗压强度均取得最大值，即力学性能和稳定性最优；玄武岩纤维长度由9 mm增加至20 mm，不同纤维掺量的水泥土浸水抗压强度随纤维长度增加而逐渐降低，且降低效果相当，约为7.9%，这是因为长度较短的纤维在水泥土易分散，可较好发挥纤维加筋作用。

不同纤维掺量和养生龄期下，玄武岩纤维长度对水泥土水稳系数的影响见图4。

由图4可知，随玄武岩纤维长度增加，纤维水泥土水稳系数变化较小，其中纤维掺量为0.3%时的水泥土水稳系数相对稳定。养生7 d条件下，纤维长度为9 mm的水泥土水稳系数取得最大值，较纤维长度为6 mm的水泥土水稳系数约提高1.3%。另外，纤维掺量≤0.5%的水泥土变化规律相近，随纤维长度增加，纤维水泥土水稳系数先提高后降低，纤维长度由12 mm增加至20 mm时，其水稳系数降低相对明显，约1.8%。养生28 d以后，纤维水泥土水稳系数＞43.0%，且纤维掺量分别为0.1%、0.3%、0.7%的水泥土均在纤维长度9 mm时，水稳系数取得最大值；纤维掺量为0.5%的水泥土在纤维长度12 mm时，水稳系数取得最大值。这是因为水泥土中短纤维易分散，与土体形成良好的三维加筋网状结构，较好地发挥单根加筋作用，故其纤维水泥土浸水后强度较高，水稳系数较稳定；而较长的纤维在水泥土拌和中易发生抱团弯曲，致使其分布紊乱，影响水化产物与土粒间的胶结作用，故其纤维水泥土浸水后强度降低较大，水稳系数变化较大。

2.2 纤维掺量的影响

同一养生龄期下，随玄武岩纤维掺量增加，不同纤维长度的水泥土浸水前后的抗压强度变化规律大致相当，如下页图5所示。水泥土掺加玄武岩纤维后，其抗压强度提高，随纤维掺量增加呈先提高后降低的抛物线变化趋势，在纤维掺量为0.3%时，水泥土浸水前后的抗压强度均取得最大值，其中纤维长度9 mm的水泥土强度提高相对最明显。以玄武岩纤维水泥土浸水试验结果为例，分析纤维掺量对水泥土浸水抗压强度的影响规律。玄武岩纤维掺量＜0.3%时，随纤维掺量增加，纤维水泥土浸水抗压强度提高明显，与素水泥土相比，玄武岩纤维掺量为0.3%时的水泥土7 d、28 d、90 d浸水抗压强度分别提高46.7%、41.2%、39.3%以上，说明纤维掺量增加，改善低龄期水泥土水稳定性良好。但随纤维掺量增加，不同龄期的纤维水泥土浸水抗压强度呈线性降低，且降低速率相当，纤维掺量每增加0.1%，纤维水泥土浸水抗压强度约降低2.6%。这是因为纤维掺量较低时，水泥土内纤维分布均匀，形成良好的三维加筋网状结构，提高其强度；后随纤维掺量增加，水泥土内纤维分布紊乱，影响土粒与水化产物间的胶结作用，且纤维加筋效果减弱，故纤维水泥土浸水抗压强度随纤维掺量增加而先提高后降低。

不同纤维长度和养生龄期下，玄武岩纤维掺量对水泥土水稳系数的影响见下页图6。

由图6可知，水泥土掺入玄武岩纤维后，水稳系数提高明显，至少提高10.6%，既有效减少水环境下水泥土强度损失，且随玄武岩纤维掺量增加，纤维水泥土水稳系数呈先提高后降低趋势，存在最优纤维掺量。这是因为纤维具有良好的抗拉性能，抑制土体内部裂缝处拉应力发展，而随纤维掺量增加，土体内纤维分布逐渐不均匀，导致其纤维加筋作用减弱，故纤维掺量超过一定范围后，水泥土水稳系数呈降低趋势。养生7 d条件下，纤维长度分别为6 mm、9 mm、12 mm的水泥土均在纤维掺量0.5%时水稳系数取得最大值，且水稳系数相当；纤维长度20 mm的水泥土在纤维掺量0.3%的水稳系数取得最大值，后随纤维掺量增加，其水稳系数呈线性降低，较纤维掺量为0.9%的水泥土水稳系数提高2.7%。养生28 d以后，不同纤维长度的水泥土在纤维掺量为0.3%时的水稳系数取得最大值，后随纤维掺量增加，纤维长度为20 mm的水泥土水稳系数降低相对显著，较纤维掺量0.7%时的水泥土水稳系数约降低2.0%。

3 结语

（1）玄武岩纤维水泥土浸水1 d后抗压强度降低显著，养生前28 d内，增加养生龄期对浸水抗压强度和水稳系数提高效果显著，养生龄期由7 d增加至28 d，浸水抗压强度和水稳系数提高达39.7%、10.7%以上。

（2）掺玄武岩纤维长度为9 mm时的水泥土力学特性和水稳定性最优，较低掺量的纤维长度由6 mm增加至9 mm，水泥土浸水抗压强度提高达10.5%以上；纤维长度由9 mm增加至20 mm，不同纤维掺量的水泥土浸水抗压强度降低效果相当，约为7.9%。

（3）掺玄武岩纤维后，水泥土浸水后的抗压强度和水稳系数提高，随纤维掺量增加呈先提高后降低的抛物线变化趋势，纤维掺量为0.3%的水泥土浸水后的抗压强度最大，较素水泥土浸水抗压强度提高39.3%以上；养生28 d后，0.3%玄武岩纤维掺量的水泥土水稳系数最大，后随纤维掺量增加，纤維水泥土水稳系数呈降低趋势。

参考文献

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

［2］许 巍，刘军忠，张 俊.玻璃纤维加筋水泥土耐久性试验研究［J］.铁道科学与工程学报，2021，18（1）：104-111.

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［4］Lenoir T，Preteseille M，Ricordel S.Contributionof the fiber reinforcement on the fatigue behavior of two cement-modified soils［J］.International Journal of Fatigue，2016（93）：71-81.

［5］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.

［6］张 洁.聚丙烯纤维水泥土抗压强度及干湿循环耐久性能试验研究［J］.中外公路，2018，38（6）：235-238.

［7］徐丽娜，牛 雷，张 婷，等.冻融循环作用下土的性质对纤维水泥土力学性质的影响［J］.科学技术与工程，2020，20（21）：8 746-8 749.

［8］黄钰程，陈 季，田盎然，等.纤维水泥土作为路基填料的力学性能（英文）［J］.Journal of Central South University，2020，27（7）：2 003-2 016.

［9］孔希红.玻璃纤维水泥土强度及抗硫酸盐侵蚀性能试验研究［J］.新型建筑材料，2020，47（4）：57-59，64.

收稿日期：2023-09-02