陳 峰，童生豪，任健華，簡文彬

1)福建江夏學院工程學院，福建福州 350108；2)福州大學環(huán)境與資源學院，福建福州350116；3)福建省建筑設計研究院有限公司，福建福州 350001

近年來，水泥土憑借低滲透性的特點，在止水防滲方面的運用越來越廣泛[1-2]．不僅可以應用于小型的水利工程中，還可以用于大壩及大型渠道，在用地緊張、環(huán)保要求嚴格的地區(qū)更是被廣泛選用[3]．水泥土的滲透性與強度性能一樣，是評價水泥土工程性能的重要指標[4-6]．目前，對于水泥土抗?jié)B性能的研究較多的集中在水泥摻量和養(yǎng)護齡期這兩個方面[7-8].張雷等[9-11]利用回歸分析的方法得到了水泥土滲透系數與水泥摻量、養(yǎng)護齡期的關系式.但在實際工程中，還要考慮周邊環(huán)境的影響.焦德才等[12]考慮了侵蝕環(huán)境對水泥土滲透性的影響．陳四利等[13-14]模擬了污水環(huán)境對水泥土滲透性的影響，并通過改變環(huán)境溫度得到海洋環(huán)境和清水環(huán)境下滲透系數隨溫度變化的回歸曲線方程．隨著科技的進步，越來越多的學者開始運用數值模擬軟件[15]和微觀試驗[16]對水泥土的滲透性能做更深入的研究．如KUNITO等[17]通過微觀試驗研究了水泥土的滲透性與土體結構致密性的關系．鄭曉培[18]從微觀結構的角度出發(fā)，建立水泥土孔徑分布與滲透系數的分析模型，并利用數值模擬進一步討論滲透系數的影響因素．

隨著水利工程的大規(guī)模建設，水泥土在土體加固及止水防滲方面發(fā)揮著不可替代的作用．水泥土作為止水防滲帷幕應用于工程時，常處于地下水或侵蝕離子豐富的環(huán)境中，不可避免地會遭受到環(huán)境的侵蝕，甚至會影響抗?jié)B性能．對水泥土抗?jié)B性能影響最大的是氯離子，它可以通過滲透作用、毛細作用和電化學轉移等方式侵入到水泥土的內部，造成水泥土性質的改變，嚴重影響水泥土的抗?jié)B性能及安全性能，降低使用年限．為了滿足工程建設的需求，進一步提高水泥土的抗?jié)B性能，玄武巖纖維憑借優(yōu)良的工程性能被作為增強材料摻入到水泥土中[19-21].文獻[22-23]研究表明，在水泥土中摻入一定量的玄武巖纖維，能提高其抗拉性能，從而減少裂縫的產生，進而能提高水泥土的抗?jié)B性能，但玄武巖纖維的摻入降低了水泥土的和易性，影響水泥土的成型質量和抗?jié)B性能. 因此，需要對玄武巖纖維摻量對水泥土抗?jié)B性能的影響做深入的研究，確定較優(yōu)的玄武巖纖維摻量值，使水泥土的抗?jié)B性能得到提高，對工程實踐提供指導．

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗所用土料取自中國福州市火車站琴亭高架橋附近的某安置房項目基坑內的淤泥質土，取土深度約為8.40～13.20 m，天然含水率(質量分數)為57.5%，密度為15.52 g/cm3，孔隙比為1.72，液限指數為1.43，塑限指數為21.72，壓縮系數為1.58 MPa-1，黏聚力為9.69 kPa，內摩擦角為6.69°．試驗采用福建煉石牌P42.5級的普通硅酸鹽水泥，所用玄武巖纖維為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產的短切纖維[20]．試驗用水為福州自來水經純水機提純后的純水．

1.2 試驗方法

本研究采用滲透性試驗、抗氯離子滲透性試驗和掃描電鏡測試，通過宏觀結合微細觀的方法，研究玄武巖纖維對水泥土抗?jié)B性能的增強效果．根據《JGJT 233—2011 水泥土配合比設計規(guī)程》，采用TJSS-25型水泥土滲透試驗裝置進行滲透性試驗；采用型號為BSJ的全自動飽鹽飽水機和型號為RCM-DTL的多功能氯離子測定儀進行抗氯離子滲透性試驗；采用QUANTA 250型多功能掃描電子顯微鏡進行掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)測試．

按原狀土的含水率(質量分數)57.5%配制試驗用土．水泥土的質量分數為15%；水泥漿的水灰比(質量比)為0.5；玄武巖纖維的質量分數分別為0、0.5%、1.0%和1.5%，對應的水泥土編號分別為A、B、C和D．每個配合比均制作3個試樣， 成型后標準養(yǎng)護90 d再進行平行試驗， 結果取平均值．

2 結果與分析

2.1 滲透性試驗

本研究按水壓力法確定玄武巖纖維水泥土的滲透系數k(單位：cm/s)，即

(1)

其中，t為時間間隔(單位：s)；Q為t時間段內的滲水量(單位：cm3)；S為試樣中部的截面積(單位：cm2)；p為滲透壓力(單位：MPa)；h為試樣高度(單位：cm)；γw為水的重度，本研究取0.009 8 N/cm3．

利用式(1)，可得到各玄武巖纖維摻量下水泥土的滲透系數，如圖1．

圖1 滲透系數隨玄武巖纖維質量分數的變化Fig.1 Permeability coefficient versus the mass fraction of basalt fiber

由圖1可知，隨著玄武巖纖維質量分數的增加，水泥土的滲透系數逐漸降低，抗?jié)B性能逐漸增強．當玄武巖纖維質量分數分別為0.5%、1.0%和1.5%時，水泥土的滲透系數相對未摻玄武巖纖維的滲透系數分別降低了23.88%、38.69%和48.6%．而玄武巖纖維質量分數從0增至0.5%時，水泥土的滲透系數降低了23.88%；從0.5%增至1.0%時，滲透系數降低了19.48%；從1.0%增至1.5%時，滲透系數降低了16.17%．這表明隨著纖維質量分數的增加，水泥土滲透系數的下降呈減緩趨勢．

由于玄武巖纖維的摻入會降低水泥土早期的收縮量，而后期的硬化干縮量也會因為纖維的保水性而減少，因此，摻入玄武巖纖維后水泥土的內部裂縫減少，孔隙率降低，提高了水泥土的密實度．不僅如此，玄武巖纖維還能阻擋裂縫的擴展，避免形成連通的裂縫，減少滲流通道的形成，同時纖維能阻隔基體內部水的流動．由此表明，玄武巖纖維能夠提高水泥土的抗?jié)B性能．然而，水泥土中摻入玄武巖纖維也存在不利的影響因素：① 若纖維摻量較大，其暴露在試樣外的可能性就大，不利于水泥土的抗?jié)B性能；② 隨著玄武巖纖維摻量的增加，纖維與土顆粒的接觸面增大，易產生孔隙，同時纖維增多有可能發(fā)生結團現(xiàn)象，使水泥土產生更多的孔隙或裂隙，降低了纖維與水泥土間的黏聚力，從而使纖維對水泥土抗?jié)B性能的增強作用有所減弱．

綜上所述，隨著玄武巖纖維摻量增加，水泥土的滲透系數降低，即水泥土的抗?jié)B性能增強．結合文獻[22-25]對玄武巖纖維水泥土力學性能的研究，力學性能并不會無限增強，增強幅度會隨著質量分數的增加而持續(xù)降低，當纖維質量分數大于1.0%時，性能增長幅度將明顯降低，力學性能較優(yōu)的玄武纖維質量分數介于1.0%～1.5%之間．本研究玄武巖纖維的較優(yōu)質量分數取1.5%．

2.2 抗氯離子滲透性試驗

本研究采用快速法中的電通量法對水泥土進行抗氯離子滲透性試驗．由于玄武巖纖維具有耐高溫、耐腐蝕和絕緣性好的特性，故氯離子對纖維的影響可以忽略不計．本試驗所用儀器為全自動的電通量測定儀，試樣電通量值的計算以及換算都由儀器自動完成．電通量值隨玄武巖纖維質量分數的變化如圖2．

圖2 電通量值隨玄武巖纖維質量分數的變化Fig.2 Electric flux versus the content of basalt fiber

由圖2可見，隨著玄武巖纖維質量分數的增加，水泥土的電通量值不斷減?。虼耍鋷r纖維對水泥土的抗?jié)B性能具有增強作用．當玄武巖纖維質量分數分別為0.5%、1.0%和1.5%時，水泥土的電通量值相對未摻玄武巖纖維的電通量值分別減少了10.15%、17.71%和23.06%．而當玄武巖纖維質量分數從0增至0.5%時，電通量值降低了10.15%；從0.5%增至1.0%時，電通量值降低了8.42%；從1.0%增至1.5%時，電通量值降低了6.50%．由此表明，隨著纖維質量分數的增大，水泥土的電通量值的下降幅度減小，即水泥土抗?jié)B性能的增強效果有所減緩．

綜上所述，抗氯離子滲透性試驗中玄武巖纖維對水泥土滲透性的影響效果與水壓力法試驗結果基本一致．

2.3 掃描電鏡測試

微觀形貌分析是研究水泥土的重要方法，通過水泥土的掃描電鏡試驗，不僅能實現(xiàn)以宏觀和微觀相結合的方式來說明試驗現(xiàn)象，而且能從本質出發(fā)，提出對改善玄武巖纖維水泥土抗?jié)B性能更加有利的方法．本研究通過掃描電鏡，觀察不同玄武巖纖維摻量水泥土顆粒的孔隙大小、數量、連通性以及纖維與顆粒間的膠結情況，從微觀形貌及孔隙特征的角度對玄武巖纖維水泥土的強度及滲透性能進行定性分析．不同試樣的掃描電鏡形貌圖如圖3，其中亮色為顆粒，黑色為孔隙．

從圖3可以看出，隨著玄武巖纖維質量分數的增加，水泥土顆粒間的孔隙直徑和數量都減小．玄武巖纖維增強水泥土抗?jié)B性能的原因主要有：

1)玄武巖纖維的摻入填充了部分土顆粒間的孔隙，使水泥土的孔隙減少，結構變得更致密，起到阻斷液體滲流途徑的作用，提高了水泥土的抗?jié)B性能．

2)玄武巖纖維具有良好韌性，而水泥的結晶物會將纖維表面包裹，猶如在纖維外形成了一層堅硬的外殼，提高了纖維的剛度，使纖維能夠起到傳遞力的作用，從而達到增強水泥土性能的效果．

3)水泥的水化晶體具有較高的黏結力，它不僅能將玄武巖纖維與土顆粒很好的聯(lián)結起來，提高了筋-土接觸面間的黏結力，而且纖維表面的晶體與孔隙中的晶體也會相互聯(lián)結起來，使玄武巖纖維、水泥和土顆粒形成一個穩(wěn)定的整體．

圖3 試樣的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.3 Scanning electron microscope pictures of samples

3 結 論

1)隨著玄武巖纖維質量分數的增加，水泥土的滲透系數降低，水泥土的抗?jié)B性能增強，但同時纖維的增多也會導致纖維與土顆粒間的孔隙增多，且纖維可能會發(fā)生結團現(xiàn)象，使得水泥土中的原生裂縫增多．因此水泥土的抗?jié)B性能不會隨著纖維的增加而無限增強，而是會呈現(xiàn)出減緩的趨勢．

2)隨著玄武巖纖維質量分數的增加，通過水泥土的總電通量值降低，說明水泥土的抗氯離子滲透性能增強，但是增強的幅度會隨著質量分數的增加而有所減弱．

3)通過掃描電鏡測試發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維的摻入不僅會使得水泥土的孔隙減少，結構變得更致密，還能將離散的土顆粒有效地聯(lián)結起來，增強了纖維與土顆粒間的黏結力，使得玄武巖纖維、土顆粒和水泥形成一個更穩(wěn)定的整體．