王輝，李曉麗，楊健，耿凱強(qiáng)

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特010018)

砒砂巖干燥時堅硬，遇水則易潰散，分布于黃土高原北部的鄂爾多斯地區(qū).其遇水易散的特性每年帶給黃河大量泥沙，造成嚴(yán)重水土流失，給黃河流域的水土治理帶來了極大的挑戰(zhàn).近年來建筑行業(yè)快速發(fā)展，大部分砒砂巖被開挖，由于其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低、遇水潰散的特性，使其在工程中難以運(yùn)用[1].砒砂巖作為一種自然產(chǎn)物，如果通過技術(shù)手段變廢為寶，作為建筑材料利用到當(dāng)?shù)毓こ讨校坏梢詼p少黃河泥沙治理的成本，還能降低工程造價[2].陳科皓等[3]將砒砂巖用作改性建筑材料、復(fù)配成土材料、礦區(qū)修復(fù)料，對砒砂巖加以利用；董晶亮等[4]通過力學(xué)試驗(yàn)證明砒砂巖復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能及耐水性，砒砂巖具有一定強(qiáng)度和承載力.

水泥土取材方便、經(jīng)濟(jì)效益好，被廣泛用于道路、房屋建筑等地基處理、加固工程.耿凱強(qiáng)等[5]發(fā)現(xiàn)水泥的摻入使砒砂巖具有一定的強(qiáng)度和抗凍性，砒砂巖水泥土理論上可以被應(yīng)用于工程中.但水泥的摻入會引起材料脆性提升，水泥土如何通過外加劑或改性的方式改善其特性成為眾多學(xué)者研究的方向，KUMAR等[6]研究黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維混合在水泥土中時，水泥土的抗壓和抗拉強(qiáng)度都有明顯提升.大量研究也表明[7-9]，纖維的加入可以提高水泥土的延性，改善水泥土耐受性.水泥土中摻入纖維可以有效增強(qiáng)水泥土的強(qiáng)度及耐久性，并改善其脆性，因此文中在原有砒砂巖水泥土的基礎(chǔ)上摻入纖維改善砒砂巖力學(xué)性能及耐久性.

玄武巖纖維是一種新型無機(jī)高性能纖維材料，有較好的耐溫、透波、吸波性能以及較強(qiáng)的抗拉強(qiáng)度.文中擬將玄武巖纖維摻入砒砂巖水泥中，制成玄武巖纖維(BF)-砒砂巖水泥土，研究其力學(xué)性能的變化和本構(gòu)關(guān)系.通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和SEM掃描電鏡等手段探究其強(qiáng)度指標(biāo)變化及強(qiáng)度形成機(jī)理，為今后砒砂巖水泥土在工程中的應(yīng)用提供理論支持.

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 試驗(yàn)材料

取內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗的紅色砒砂巖，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—2019)進(jìn)行土樣的物理性質(zhì)試驗(yàn)，見表1.表中,ρ為密度；ωp為塑限；ωI為液限；P為孔隙率；W為天然含水率.

表1 鄂爾多斯紅色砒砂巖物理指標(biāo)

將試樣敲碎、碾壓、自然風(fēng)干后用2.36 mm篩作為試驗(yàn)用土.水泥采用內(nèi)蒙古某水泥廠冀東P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，密度3.143 g/cm3，比表面積187 m2/kg，初凝165 min，終凝390 min，體積安定性合格.纖維采用上海某玄武巖纖維(簡稱BF)，其物理指標(biāo)見表2.表中,D為單絲直徑；E為彈性模量；Rm為拉伸強(qiáng)度；t為使用溫度.水取自內(nèi)蒙古呼和浩特市區(qū)自來水.

表2 玄武巖纖維物理指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

依據(jù)《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E51—2009)進(jìn)行試驗(yàn).利用電動擊實(shí)儀對試樣土進(jìn)行擊實(shí)，得到最大干密度1.883 g/cm3，最優(yōu)含水量13.42%；水泥摻量選取10%，15%，玄武巖纖維摻量選用0%，0.2%，0.5%，0.7%.按照最優(yōu)含水量加水充分拌制土樣并置于密封袋封存24 h，按照不同配比稱取砒砂巖土樣、水泥、纖維(精確到0.01 mm).使用小型攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢韬?，置于?0 mm×H50 mm的模具中，使用壓模機(jī)進(jìn)行壓實(shí)，經(jīng)脫模機(jī)脫出試塊，并編號(水泥摻量、纖維摻量分別用C，CBF表示),見圖1.每配比4個平行試塊，設(shè)置7，28，60 d 3個齡期I.成型后的試塊放入恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為20±2 ℃，養(yǎng)護(hù)濕度為95%.到達(dá)齡期前1 d將待測試塊放入20±2 ℃水中浸泡飽水，水面高于試塊2.5 mm.飽水后取出試塊，用濾紙將其表面多余的水分拭去，放入WDW-50型萬能試驗(yàn)機(jī)，以2 mm/min的加載速度進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).

圖1 試驗(yàn)部分試樣

2 試驗(yàn)分析

2.1 纖維摻量對強(qiáng)度的影響

圖2為10%(C10)，15%(C15)水泥摻量的砒砂巖水泥土抗壓強(qiáng)度fC隨纖維摻量CBF的變化.隨纖維摻量的增加，BF-砒砂巖水泥土抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的態(tài)勢，表明適量的纖維摻入可以有效增加其抗壓強(qiáng)度，而纖維摻量過多反而影響強(qiáng)度.圖2a中C10砒砂巖水泥土峰值強(qiáng)度分別為2.59,3.98,5.39 MPa，均出現(xiàn)在纖維摻量為0.2%時；圖2b中C15砒砂巖水泥土峰值強(qiáng)度為3.32,5.69,6.46 MPa，同樣出現(xiàn)在纖維摻量為0.2%時，故本試驗(yàn)最優(yōu)纖維摻量為0.2%.因此表明摻入纖維的砒砂巖水泥土，在纖維摻量為0.2%附近存在強(qiáng)度極值，后續(xù)可在此附近改變纖維摻量，尋找纖維最優(yōu)摻量.

圖2 不同纖維摻量下砒砂巖水泥土強(qiáng)度變化

從本試驗(yàn)設(shè)計的摻量可見，當(dāng)纖維摻量小于0.2%時，纖維的摻入有助于水泥土強(qiáng)度的提高，當(dāng)摻量大于0.2%時強(qiáng)度反而降低，表明適量纖維的摻入對水泥土有加筋效應(yīng)，土體在水泥水化作用下砒砂巖土顆粒與纖維黏聚在一起，發(fā)生破壞時纖維處于受拉狀態(tài)，約束土體的位移和變形，使得其強(qiáng)度有效提升.過量纖維的摻入使水泥土強(qiáng)度下降，一些學(xué)者[10-12]在試驗(yàn)中也得到類似的結(jié)果，纖維存在最優(yōu)摻量，而超過纖維的最優(yōu)摻量會致使水泥土強(qiáng)度下降.這是由于過量的纖維容易聚集成團(tuán)而分散纖維與土體的黏聚力，隔絕水泥的水化反應(yīng)導(dǎo)致分層，造成其初始裂縫增多，最終致使水泥土強(qiáng)度下降.

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，CBF對砒砂巖水泥土的早期強(qiáng)度影響并不顯著，這可能是由于前期水泥水化不充分，纖維在試塊內(nèi)部不具有足夠的黏結(jié)力，試塊不夠密實(shí)，無法對纖維形成握裹力、摩擦力.之后水泥與水不斷水化填充土粒間、土粒和纖維間的空隙，將土粒和纖維包裹起來，使得試塊固化.隨著水化不斷進(jìn)行，試塊愈加密實(shí)并對纖維產(chǎn)生擠壓形成握裹力.水泥養(yǎng)護(hù)時間越長，水化越充分，對纖維所形成的握裹力就越大，所以BF-砒砂巖水泥土后期強(qiáng)度同比砒砂巖水泥土強(qiáng)度提高更明顯.

2.2 齡期對強(qiáng)度的影響

圖3為齡期T對BF-砒砂巖水泥土的抗壓強(qiáng)度fC的影響.由圖可知，養(yǎng)護(hù)齡期7 d時C10砒砂巖水泥土，隨玄武巖纖維摻入(0.2%,0.5%,0.7%)強(qiáng)度分別增長41%,25%,20%，C15砒砂巖水泥土強(qiáng)度增長9%,0%,-5%；養(yǎng)護(hù)齡期28 d時C10砒砂巖水泥土隨纖維摻入強(qiáng)度增長42%,13%,6%，C15砒砂巖水泥土強(qiáng)度增長40%,16%,12%；養(yǎng)護(hù)齡期60 d時C10砒砂巖水泥土隨纖維摻入強(qiáng)度增長78%,39%,13%，C15砒砂巖水泥土強(qiáng)度增長22%,10%,2%.試驗(yàn)表明纖維的摻入對C10砒砂巖水泥土強(qiáng)度提高更加明顯.

圖3 齡期對BF-砒砂巖水泥土的強(qiáng)度的影響

BF-砒砂巖水泥土的齡期與抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為正相關(guān)，而與強(qiáng)度增長速率表現(xiàn)負(fù)相關(guān).隨齡期的增長，0.2%,0.5%,0.7%纖維摻量的水泥土相比無摻砒砂巖水泥土強(qiáng)度增長均有所提升，其中0.2%摻量強(qiáng)度增長較為明顯.

將C10砒砂巖水泥土最優(yōu)組C10BF0.2與C15砒砂巖水泥土強(qiáng)度增長進(jìn)行對比，如圖4所示.發(fā)現(xiàn)齡期7 d時強(qiáng)度分別為2.56，3.05 MPa；齡期28 d時強(qiáng)度分別為4.17，4.06 MPa，達(dá)到了7 d強(qiáng)度的162%和133%；齡期60 d時，C10BF0.2,C15無側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為5.39, 5.30 MPa，達(dá)到7 d強(qiáng)度的211%,174%；對比2組數(shù)據(jù)，雖然C15水泥土早期強(qiáng)度更高，但C10BF0.2的水泥土后期強(qiáng)度增長更快.當(dāng)齡期28,60 d時C10BF0.2與C15水泥土強(qiáng)度基本相當(dāng)，所以根據(jù)28,60 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，C10BF0.2的砒砂巖水泥土完全可以達(dá)到C15砒砂巖水泥土的強(qiáng)度.

圖4 強(qiáng)度隨齡期的變化

2.3 BF-砒砂巖水泥土強(qiáng)度變化趨勢

水泥土強(qiáng)度一般隨著齡期的增長大致呈對數(shù)增長，計算公式為

fC=alnT+b，

(1)

式中：fC為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

對C15與C10BF0.2這2種水泥土進(jìn)行對比擬合發(fā)現(xiàn)R2均大于0.95，證明擬合效果較好.

C10BF0.2：fC=1.3lnT-0.02,R2=0.99;

C15：fC=1.25lnT+0.18,R2=0.98.

通過擬合公式發(fā)現(xiàn)C10BF0.2水泥土參數(shù)b=-0.02<0.18,表明前期強(qiáng)度低于C15砒砂水泥土；參數(shù)a=1.3>1.25,說明其后期強(qiáng)度增長塊，且增長趨勢高于C15砒砂巖水泥土.

通過圖4中強(qiáng)度擬合發(fā)現(xiàn)C10BF0.2砒砂巖水泥土相較C15后期強(qiáng)度曲線增長斜率更高，隨著時間增長，其后期強(qiáng)度更高.因此，從強(qiáng)度指標(biāo)對比可知，實(shí)際工程中使用C10BF0.2完全可以替代C15砒砂巖水泥土.

2.4 纖維砒砂巖水泥土微觀結(jié)構(gòu)

選取28 d同批次C15，C15BF0.2砒砂巖水泥土，通過SEM掃描電鏡試驗(yàn)，對比探究纖維水泥土強(qiáng)度形成的機(jī)理，結(jié)果如圖5所示.

圖5 SEM電鏡形貌

從圖5a可以看到，微觀形貌中，水泥水化與砒砂巖顆粒黏結(jié)在一起，形成片狀、絮狀、針棒狀水化產(chǎn)物，有極少空隙和微小裂縫.水泥水化形成的水化產(chǎn)物比表面積大于砒砂巖土粒的比表面積，因此具有更大的吸附能.從圖5b可以看到大量針刺狀的水泥水化產(chǎn)物，這是俗稱“水泥桿菌”的鈣礬石.這些鈣礬石黏結(jié)土體和纖維，并在空隙中水化膨脹，呈現(xiàn)為針棒狀，支撐著空隙形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使水泥土有穩(wěn)定的強(qiáng)度.觀察圖5c，結(jié)構(gòu)較為密實(shí)有少許裂縫，在纖維周圍可以看到大量水泥水化產(chǎn)物，將砒砂巖土體顆粒與纖維黏結(jié)在一起.纖維在水泥土中分布，承擔(dān)試樣內(nèi)的拉應(yīng)力，對試塊內(nèi)部的土體位移有約束作用.通過圖5d可以發(fā)現(xiàn)大量的水泥水化產(chǎn)物覆蓋在纖維表明，受力時應(yīng)力傳播、分散到纖維表面，通過這樣的結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生集中應(yīng)力，使其傳力更加穩(wěn)定.

3 BF-砒砂巖水泥土本構(gòu)方程推導(dǎo)

3.1 分段曲線方程

文中以齡期28 d水泥摻量為10%，15%，纖維摻量為0%，0.2%，0.5%，0.7%的BF-砒砂巖水泥土作為研究對象.在實(shí)際應(yīng)力-應(yīng)變的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱歸一化處理.以數(shù)據(jù)峰值應(yīng)力σp、峰值應(yīng)變εp為基準(zhǔn)，y=σ/σp和x=ε/εp為縱、橫坐標(biāo)(σ，ε為試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)力和實(shí)際應(yīng)變)，分為上升段和下降段.

3.1.1 上升段曲線方程

賈尚華[13]提出水泥土上升段曲線模型，擬合方程式為

y(x)=3x2-2x3+b[(1-x)3-(1-x)2]3.

(2)

式(2)基本符合砒砂巖復(fù)合土的應(yīng)力-應(yīng)變特征，故選用為BF-砒砂巖水泥土上升段應(yīng)力應(yīng)變曲線擬合式.

3.1.2 下降段曲線方程

選用過鎮(zhèn)海[14]提出的下降段應(yīng)力-應(yīng)變擬合方程，代入邊界條件

(3)

則擬合應(yīng)力-應(yīng)變方程式為

(4)

當(dāng)α=0時，y≡1，曲線從峰值點(diǎn)到水平線先相當(dāng)于理想的塑性變形.

當(dāng)α→∞時，y≡0，峰值后試塊殘余強(qiáng)度為0，屬于完全脆性破壞.

始終有獨(dú)立參數(shù)b，α,結(jié)合實(shí)測試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行計算.利用式(4)，求出該摻量的BF-砒砂巖水泥土應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)€擬合數(shù)據(jù)，計算數(shù)據(jù)如表3所示.表中b,α為獨(dú)立參數(shù)；Rup為上升段擬合相關(guān)系數(shù)；Rdown為下降段相關(guān)系數(shù)；R為全曲線相關(guān)系數(shù).

表3 齡期為28 d BF-砒砂巖水泥土應(yīng)力-應(yīng)變擬合曲線

由表3可以看出,實(shí)測數(shù)據(jù)與擬合曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.900，說明所用擬合公式可以很好地反映該摻量下BF-砒砂巖水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變特征.

3.2 纖維的影響

文中建立纖維摻量CBF與獨(dú)立參數(shù)b和α之間的關(guān)系式.利用Origin軟件探究獨(dú)立參數(shù)與纖維摻量的線性關(guān)系，并擬合線性方程，結(jié)果如圖6所示.關(guān)系式為

圖6 纖維摻量與b，α之間的關(guān)系擬合

b(x)=2.38CBF2-2.64CBF+1.78，

α(x)=-0.45CBF2+1.49CBF+5.85.

(5)

式中: 0≤CBF≤0.7.相關(guān)系數(shù)均大于0.900，滿足要求，說明推導(dǎo)式可用.

建立應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系式為

(6)

利用式(4)，(5)擬合應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)果如圖7所示.

圖7 不同配比的BF-砒砂巖水泥土應(yīng)力-應(yīng)變曲線擬合

4 結(jié) 論

1) 適量的纖維摻入可以有效增加其抗壓強(qiáng)度，而纖維摻量過多會影響強(qiáng)度，所以隨著纖維摻量的增加，強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.

2) 本試驗(yàn)最優(yōu)纖維摻量為0.2%，因此在纖維摻量為0.2%附近存在強(qiáng)度極值，后續(xù)可在此附近改變纖維摻量，尋找砒砂巖水泥土纖維最優(yōu)摻量.

3) BF-砒砂巖水泥土的齡期與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為正相關(guān)，而與其強(qiáng)度增長速率表現(xiàn)負(fù)相關(guān).

4) 強(qiáng)度指標(biāo)對比可知，實(shí)際工程中使用C10BF0.2完全可以替代C15砒砂巖水泥土.BF-砒砂巖水泥土后期強(qiáng)度增長優(yōu)于普通砒砂巖水泥土.

5)通過試驗(yàn)提出適用于BF-砒砂巖水泥土試件，纖維摻量在0%～0.7%的應(yīng)力-應(yīng)變計算公式，具有較高的可靠性.