牛雷，徐麗娜* ，鄭俊杰，田偉 ，蘭洋洋

(1.吉林建筑大學土木工程學院，長春 130118；2.華中科技大學土木與水利工程學院，武漢 430074)

水泥土因其施工簡便、適應能力強、壓縮性低等特點，廣泛應用于路基加固、地基處理、邊坡防治和基坑支護等工程領域[1-3]；近年來，中外眾多學者將不同纖維摻入水泥土中用來進一步提高水泥土的工作性能，取得了一定的研究成果。

從現有的文獻來看，無論是摻入聚丙烯纖維[4-6]、玻璃纖維[7-8]、還是玄武巖纖維[9-11]等，均能在一定條件下提高土體的抗剪強度、抗壓強度和抗拉強度。其中，玄武巖纖維以其良好的工作性能和環(huán)保優(yōu)勢，被廣泛應用。玄武巖纖維在改善水泥土強度特性的同時，亦能夠顯著地降低水泥土的滲透系數，增強抗?jié)B性能[12]；同時，玄武巖纖維的介入，能夠減緩水泥土在凍融循環(huán)作用下的強度損失，提高水泥土的抗凍性能[13-15]；也能夠提高膨脹土的強度參數，使膨脹土的收縮系數顯著下降[16]；另外，玄武巖纖維在微生物固化砂中也取得了較好的加固效果[17]。

長春地處北方嚴寒地區(qū)，戶外施工期較短，目前對玄武巖纖維在自然低溫養(yǎng)護條件下強度發(fā)展規(guī)律的研究相對較少；另外，采用玄武巖纖維對本地區(qū)紅土進行加固是否適宜?諸多因素對強度的影響規(guī)律如何？為了解決上述問題，現開展相關試驗研究，以期為玄武巖纖維在本地工程中的廣泛應用提供技術支持。

1 試驗方案及測試方法

試驗采用的土樣取自吉林省長春市地區(qū)，將采集的土樣在自然條件下風干碾碎過5 mm篩，然后采用帶塑料內襯的編織袋妥善保存，防止其含水量發(fā)生變化。土的塑限ωP為10.4%，液限ωL為20.25%，塑性指數IP為9.85%，其粒徑分布曲線如圖1所示。

圖1 粒徑分布曲線

試驗采用P·O 42.5級水泥，其摻入比為0.1%，水灰比為0.5；試模的尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm；纖維長度共5種，分別為3、6、12、20、35 mm，纖維質量摻入比分別為0%、0.1%、0.3%、0.5%和0.7%。3 d拆模后進行室溫條件下水養(yǎng)，養(yǎng)護齡期分別為7、14、28 d，如圖2所示。試樣分兩批制作，文中會在圖名下標注“第1批”或“第2批”字樣以示區(qū)分。

圖2 試樣制備(第1批)

2 試驗結果與討論

2.1 養(yǎng)護溫度

由于長春市地處北方，一般11月份入冬后已無法施工，為了模擬實際施工環(huán)境，探究低溫養(yǎng)護對纖維水泥土強度的影響規(guī)律，試驗分2批在不同時間進行。第1批試樣于8月1日制作完成并室溫下水養(yǎng)至本月月底，該批試樣也起到對比參照功能；第2批試樣于9月22日前后制作完成，并跨越9月養(yǎng)護至10月，養(yǎng)護期氣溫基本情況如表1所示。

表1 養(yǎng)護期氣溫情況

試驗結果如圖3所示，第1批峰值強度為4.61 MPa，未摻入纖維的基準強度為4.21 MPa，峰值強度較基準強度提高10%；第2批峰值強度為4.08 MPa，未摻入纖維的基準強度為3.81 MPa，峰值強度較基準強度提高7%；第1批基準強度較第2批基準強度提高11%，第1批峰值強度較第2批峰值強度提高13%。由此可見，第1批水養(yǎng)條件下的強度普遍高于第2批水養(yǎng)條件下的強度，說明提高水養(yǎng)溫度能促進纖維水泥土強度的增長，但同時也說明，低溫養(yǎng)護條件下，玄武巖纖維能夠起到提高水泥土強度的作用。

圖3 養(yǎng)護溫度對纖維水泥土強度的影響(第1、第2批)

2.2 齡期

同一纖維摻入比條件下，纖維水泥土抗壓強度與齡期呈指數關系，如圖4(a)所示。7、14、28 d的平均強度分別為2.70、3.61、4.07 MPa，14 d的平均強度較7 d提升34%，28 d的平均強度較7 d提升51%。

圖4 纖維水泥土抗壓強度與齡期的關系(第2批)

保持纖維長度不變時，某一纖維含量下的水泥土強度仍然隨著齡期的增加而有所提高，如圖4(b)所示。7、14、28 d的平均強度分別為2.53、3.68、4.03 MPa，14 d的平均強度較7 d提升45%，28 d的平均強度較7 d提升59%。

2.3 纖維摻入比

水泥摻入比不變，纖維水泥土無側限抗壓強度隨纖維摻入比的變化曲線如圖5所示。無纖維的對比試塊7 d的平均強度為2.54 MPa，纖維的摻入使得一部分水泥土的7 d強度降低，一部分水泥土的強度提高，此時最優(yōu)纖維摻入比為0.1%，最佳纖維長度為3 mm；14 d的強度與7 d的強度類似，不過最佳纖維長度和最優(yōu)纖維摻入比發(fā)生變化；而28 d的纖維水泥土強度均高于無纖維的水泥土強度，此時玄武巖加筋最優(yōu)條件為6 mm纖維長度和0.7%纖維摻量。

圖5 抗壓強度與纖維摻入比的關系(第2批)

2.4 纖維長度

纖維長度與抗壓強度之間的關系如圖6所示，在纖維摻入比不變的條件下，28 d的纖維水泥土抗壓強度隨纖維長度的增加大體呈現增加-減小-趨于穩(wěn)定的特點，如圖6(c)所示，此時峰值強度為4.34 MPa，未摻纖維的水泥土強度為3.81 MPa，峰值強度較基準強度提高14%。

圖6 抗壓強度與纖維長度的關系(第2批)

2.5 振搗時間

為探究振動臺振搗時間對纖維水泥土抗壓強度的影響規(guī)律，進行該組試驗，此時，纖維長度為6 mm，纖維摻入比為0.5%，振搗時間為1、2、3、5、7 min共5種，其對應強度分別為4.46、4.52、4.58、4.75、5.01 MPa，振搗3 min的強度較振搗1 min的強度提高了3%，而振搗7 min的強度較振搗1 min的強度提高了12%，試驗結果如圖7所示。

圖7 振搗時間對纖維水泥土抗壓強度的影響(第1批)

抗壓強度隨振搗時間的增加呈上升趨勢，振搗7 min的強度較1 min的強度提高了12%。本次試驗用土偏砂性，在振動臺振搗過程中，不時會有氣泡從土中冒出，說明適當延長振搗時間可使得土體更加密實，減小其孔隙比，從而提高纖維水泥土的抗壓強度。

2.6 含水量

取纖維長度為20 mm，纖維摻入比為0.5%，增加一組無纖維的水泥土試驗作為對比，振搗時間為3 min，含水量分為15%、18%、21%和24%共4種，28 d的抗壓強度如圖8所示，隨著含水量的增加，強度呈下降趨勢。無纖維的水泥土強度最終下降62%，有纖維的水泥土強度最終下降61%。其原因是在水泥水灰比不變的前提下，改變含水量相當于改變了試樣的初始孔隙比，孔隙比越大，土體越松軟，從而降低了纖維水泥土的強度。

圖8 含水量對纖維水泥土抗壓強度的影響(第1批)

2.7 混摻纖維含量

將3、6、12、20、25 mm的纖維按照質量5等份進行混合，混合后的纖維摻入比依然為0.1%、0.3%、0.5%和0.7%共4種，振搗時間為3 min，在第1批養(yǎng)護溫度下，28 d的抗壓強度如圖9所示，強度隨纖維摻入比的增加呈先增加后減小的特點，未摻入纖維的基準強度為4.21 MPa，混合纖維摻入比為0.5%時，達到峰值強度4.42 MPa，峰值強度較基準強度提高5%,當纖維摻入比為0.7%時，強度為4.15 MPa，較基準強度有所降低。說明混合纖維與單一纖維對強度的影響規(guī)律相似，過量纖維會使得纖維強度有所降低。

圖9 混合纖維對水泥土抗壓強度的影響(第1批)

2.8 機理分析

在一定的溫度范圍內，溫度越高，水泥水化反應速率越快，水化產物越多，一方面使得土體越來越密實，另一方面能改善纖維工作環(huán)境，使纖維更好的被土顆粒、水化產物等包裹，提高纖維的抗拔能力，從而提高了纖維水泥土的抗壓強度。

對于纖維水泥土而言，水泥對強度的貢獻要遠大于纖維對強度的貢獻，而纖維主要是通過與水泥土之間的黏聚力的增加而逐步發(fā)揮其作用，無論是養(yǎng)護溫度的提升還是養(yǎng)護齡期的增加，均對水泥水化效果有幫助，增強水泥土強度的同時，也增強了纖維的作用。這樣就使得不論采取何種坐標整理數據，纖維水泥土的抗壓強度均隨養(yǎng)護溫度增加而增大，如圖3所示，同時，也隨養(yǎng)護齡期的提升而提高，如圖4所示。

從一般意義上講，纖維的增加會產生嵌鎖效應、摩擦效應和錨固效應，其中，嵌鎖效應主要體現在土體內部凹凸不平，隨機分布的纖維會與其相嵌，從而阻止土體變形的發(fā)展；摩擦效應是指纖維與土顆粒之間的摩擦力的發(fā)揮，與加筋土的作用機理相似，界面摩擦系數是摩擦效應能否發(fā)揮作用的關鍵；錨固效應其本質與隧道錨桿的作用相似，不過在纖維加固水泥土過程中，纖維的作用有其特別之處。廠家提供的纖維呈束，類似于尼龍繩，在試樣制備過程中，即便延長攪拌時間，依然無法充分打開成絲，在破壞后的試件中，此種現象普遍存在，如圖10所示。

圖10 纖維集束

纖維成束[18]，致使纖維與膠結材料的有效接觸面積減小，如圖11所示，外層纖維束的一側被水泥土包裹，而內部纖維處于自由狀態(tài)，并未發(fā)揮應有的作用，可能會成為試件的薄弱點，類似于巖石的節(jié)理面。

圖11 水泥土中纖維束狀態(tài)示意

所以，成束纖維的存在，外側能夠發(fā)揮一定的作用，而內側纖維被“束之高閣”，不僅降低了有效纖維摻入量，還使其自身成為薄弱點，最終試塊強度是成束處內、外纖維以及有效纖維摻量等綜合作用的結果。

3 結論

本試驗為玄武巖纖維加固長春地區(qū)紅土提供了試驗數據支持，在本試驗條件下，通過研究得到以下結論。

(1)低溫養(yǎng)護條件下，纖維水泥土的無側限抗壓強度隨齡期增加而增大，無論是按纖維摻入比整理，還是按纖維長度整理，28 d強度均存在峰值，最優(yōu)纖維摻入比為0.7%，最佳纖維長度為6 mm，混合纖維具有類似特點。

(2)增加振搗時間或者降低土的天然含水量能夠有效減小土體的孔隙比，使得土體更加密實，從而提高纖維水泥土的抗壓強度。

(3)在制樣過程中以及破壞后的試件中，均發(fā)現了纖維集束和纖維分布不均的現象，對抗壓強度有一定的影響，可進一步深入研究。