李春金 曾良球

摘要：為保證水侵蝕環(huán)境下水泥土具有足夠強(qiáng)度和穩(wěn)定性，文章通過外摻玄武巖纖維的方式，基于室內(nèi)試驗(yàn)研究了纖維摻量及長度對(duì)水泥土水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。研究表明，玄武巖纖維水泥土浸水1 d后抗壓強(qiáng)度降低顯著，養(yǎng)生前28 d內(nèi)，增加養(yǎng)生齡期對(duì)浸水抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)提高效果顯著，玄武巖纖維長度為9 mm時(shí)水泥土的力學(xué)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性最優(yōu)，纖維摻量為0.3%時(shí)的水泥土浸水后的抗壓強(qiáng)度最大，較素水泥土浸水抗壓強(qiáng)度提高39.3%以上。

關(guān)鍵詞：玄武巖纖維；水泥土；浸水試驗(yàn)；水穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：U416.03 A 28 088 5

0 引言

水泥土材料強(qiáng)度較高、施工簡便、原料來源方便，可用作道路、鐵路等工程中路基填料［1-2］，但水泥土在工程應(yīng)用中，易受水的侵蝕破壞作用，導(dǎo)致其力學(xué)性能和穩(wěn)定性降低，影響實(shí)體工程正常使用壽命。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者通過外摻纖維的方式改善水泥土材料的技術(shù)性質(zhì)，使其滿足工程性能要求。Lekha等［3］研究表明，檳榔殼纖維可增強(qiáng)水泥土整體穩(wěn)定性和使用耐久性。Lenoir等［4］研究表明，纖維摻量過高，土體中纖維分布不均勻，發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，改善水泥土穩(wěn)定性的作用降低。陳猛［5］研究表明，玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí)的水泥土干濕或凍融后無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大，耐久性最優(yōu)。張潔［6］研究表明，聚丙烯纖維摻量在0～0.3%時(shí)，纖維加筋水泥土干濕循環(huán)后的質(zhì)量損失及強(qiáng)度損失均降低，耐干濕穩(wěn)定性提高。徐麗娜等［7］研究表明，玄武巖纖維對(duì)不同土質(zhì)的水泥土改良效果不一，摻加纖維可減少水泥土凍融后強(qiáng)度損失。黃鈺程等［8］研究表明，聚丙烯纖維和水泥改良重金屬污染土的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度及穩(wěn)定性滿足工程技術(shù)要求，可作為路基填料?？紫＜t［9］研究表明，玻璃纖維摻量0.2%的水泥土力學(xué)強(qiáng)度最高，纖維加筋作用明顯。

上述研究表明，纖維加筋可較有效提高水泥土力學(xué)性能，而較少對(duì)水穩(wěn)定性展開深入研究。針對(duì)公路、鐵路等路基結(jié)構(gòu)工程，若材料力學(xué)強(qiáng)度和水穩(wěn)定性差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體性不足，將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的正常使用。鑒于此，本文選用玄武巖纖維加筋水泥土，通過室內(nèi)浸水試驗(yàn)研究纖維摻量及長度對(duì)水泥土水穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為實(shí)體工程提供數(shù)據(jù)支撐。

1 原材料與試驗(yàn)方案

1.1 原材料

土樣選自渭南某地高液限黏土，取土深度為1.5～4.0 m，技術(shù)性質(zhì)見表1。水泥選用P.O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，技術(shù)性質(zhì)見表2。纖維選用短切玄武巖纖維，技術(shù)性質(zhì)見表3。

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 方案設(shè)計(jì)

基于水環(huán)境作用下水泥土力學(xué)強(qiáng)度降低和整體穩(wěn)定性減弱，結(jié)合水泥土強(qiáng)度增長規(guī)律及影響因素，采用外摻玄武巖纖維的方式，通過室內(nèi)浸水試驗(yàn)研究纖維摻量及長度對(duì)水泥土水穩(wěn)定性的影響規(guī)律。試驗(yàn)中，擬水泥摻量為4%；擬玄武巖纖維摻量為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%，長度為6 mm、9 mm、12 mm、20 mm；擬養(yǎng)生齡期為7 d、28 d、90 d。

1.2.2 試件制備及養(yǎng)生

根據(jù)水泥土室內(nèi)重型擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果，采用靜壓法成型最佳含水率的100 mm×h100 mm玄武巖纖維水泥土試件，壓實(shí)度為96%；試件成型完畢后，用塑料薄膜包裹，置于溫度（20±2）℃、相對(duì)濕度95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室，養(yǎng)生至規(guī)定齡期。每組試驗(yàn)成型6個(gè)試件。

1.2.3 性能測(cè)試方法

參照《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）中無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，選用萬能伺服試驗(yàn)機(jī)WAW-100，分別測(cè)定規(guī)定養(yǎng)生齡期的玄武巖纖維加筋水泥土浸水1 d抗壓強(qiáng)度和不浸水抗壓強(qiáng)度，按式（1）計(jì)算其水穩(wěn)系數(shù)η，評(píng)價(jià)其浸水作用下的強(qiáng)度穩(wěn)定性。

η=Rwc（m，n）/Rc（m，n）×100（1）

式中：Rwc（m，n）——纖維摻量m%、纖維長度n mm的水泥土試件浸水1 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）；

Rc（m，n）——纖維摻量m%、纖維長度n mm的水泥土試件不浸水無側(cè)限抗壓強(qiáng)度（MPa）。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

不同玄武巖纖維摻量及長度的水泥土浸水試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，纖維水泥土浸水前后抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)生齡期變化曲線相近，浸水1 d后的抗壓強(qiáng)度降低顯著，其抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)生齡期延長逐漸提高，且浸水抗壓強(qiáng)度提高效果顯著，能有效改善其水環(huán)境下的水泥土強(qiáng)度穩(wěn)定性。另外，養(yǎng)生齡期對(duì)不同纖維摻量及長度的水泥土浸水前后抗壓強(qiáng)度影響效果相當(dāng)。其中，浸水抗壓強(qiáng)度提高較明顯，當(dāng)養(yǎng)生齡期由7 d增加至28 d時(shí)，浸水抗壓強(qiáng)度和浸水前抗壓強(qiáng)度提高分別達(dá)39.7%、20.5%以上；后隨齡期延長，其抗壓強(qiáng)度增長速率減緩，齡期由28 d增加至90 d時(shí)，浸水抗壓強(qiáng)度和浸水前抗壓強(qiáng)度提高分別不超過20.9%、12.3%。這是因?yàn)樗嗤量箟簭?qiáng)度增長速率與水泥水化速率相關(guān)，養(yǎng)生前期水泥水化速率快，生成較多的硅酸鈣等凝膠物質(zhì)填充土粒間孔隙，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性增強(qiáng)，從而抗壓強(qiáng)度提高明顯；后隨齡期延長，水泥熟料逐漸被消耗，水泥水化速率減緩，致使其水化硅酸鈣等凝膠物質(zhì)減少，故水泥土抗壓強(qiáng)度提高較緩慢。

不同玄武巖纖維長度下，纖維水泥土水穩(wěn)系數(shù)與養(yǎng)生齡期間變化規(guī)律大致相同。如下頁圖2所示，摻入玄武巖纖維后，水泥土水穩(wěn)系數(shù)顯著提高，且纖維水泥土水穩(wěn)系數(shù)隨齡期增加逐漸增大，即水穩(wěn)定性改善，其中玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí)的水泥土水穩(wěn)系數(shù)提高較顯著。養(yǎng)生前28 d，纖維水泥土水穩(wěn)系數(shù)提高顯著，其28 d水穩(wěn)系數(shù)較7 d水穩(wěn)系數(shù)提高10.7%以上；養(yǎng)生齡期＞28 d，纖維水泥土水穩(wěn)系數(shù)提高緩慢，其90 d水穩(wěn)系數(shù)較28 d水穩(wěn)系數(shù)提高不超過4.8%。這是因?yàn)樗嗤琉B(yǎng)生前期，水泥、土粒、纖維及水之間的物理化學(xué)反應(yīng)迅速，使其土體結(jié)構(gòu)密實(shí)性提高，抗壓強(qiáng)度增大，抗水破壞能力逐漸提高；后隨齡期增加，水泥熟料逐漸被消耗，土體內(nèi)物理化學(xué)作用減弱，致使其抗壓強(qiáng)度緩慢提高，故水穩(wěn)定性提高速率減緩。

2.1 纖維長度的影響

同一養(yǎng)生齡期下，不同玄武巖纖維摻量的水泥土浸水前后的抗壓強(qiáng)度與纖維長度變化規(guī)律相近。如圖3所示，玄武巖纖維長度由6 mm增加至9 mm，玄武巖纖維浸水抗壓強(qiáng)度提高，且纖維摻量較低時(shí)，纖維長度對(duì)水泥土浸水抗壓強(qiáng)度的影響較顯著，提高達(dá)10.5%以上；在纖維長度為9 mm時(shí)，水泥土浸水前后的抗壓強(qiáng)度均取得最大值，即力學(xué)性能和穩(wěn)定性最優(yōu)；玄武巖纖維長度由9 mm增加至20 mm，不同纖維摻量的水泥土浸水抗壓強(qiáng)度隨纖維長度增加而逐漸降低，且降低效果相當(dāng)，約為7.9%，這是因?yàn)殚L度較短的纖維在水泥土易分散，可較好發(fā)揮纖維加筋作用。

不同纖維摻量和養(yǎng)生齡期下，玄武巖纖維長度對(duì)水泥土水穩(wěn)系數(shù)的影響見圖4。

由圖4可知，隨玄武巖纖維長度增加，纖維水泥土水穩(wěn)系數(shù)變化較小，其中纖維摻量為0.3%時(shí)的水泥土水穩(wěn)系數(shù)相對(duì)穩(wěn)定。養(yǎng)生7 d條件下，纖維長度為9 mm的水泥土水穩(wěn)系數(shù)取得最大值，較纖維長度為6 mm的水泥土水穩(wěn)系數(shù)約提高1.3%。另外，纖維摻量≤0.5%的水泥土變化規(guī)律相近，隨纖維長度增加，纖維水泥土水穩(wěn)系數(shù)先提高后降低，纖維長度由12 mm增加至20 mm時(shí)，其水穩(wěn)系數(shù)降低相對(duì)明顯，約1.8%。養(yǎng)生28 d以后，纖維水泥土水穩(wěn)系數(shù)＞43.0%，且纖維摻量分別為0.1%、0.3%、0.7%的水泥土均在纖維長度9 mm時(shí)，水穩(wěn)系數(shù)取得最大值；纖維摻量為0.5%的水泥土在纖維長度12 mm時(shí)，水穩(wěn)系數(shù)取得最大值。這是因?yàn)樗嗤林卸汤w維易分散，與土體形成良好的三維加筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，較好地發(fā)揮單根加筋作用，故其纖維水泥土浸水后強(qiáng)度較高，水穩(wěn)系數(shù)較穩(wěn)定；而較長的纖維在水泥土拌和中易發(fā)生抱團(tuán)彎曲，致使其分布紊亂，影響水化產(chǎn)物與土粒間的膠結(jié)作用，故其纖維水泥土浸水后強(qiáng)度降低較大，水穩(wěn)系數(shù)變化較大。

2.2 纖維摻量的影響

同一養(yǎng)生齡期下，隨玄武巖纖維摻量增加，不同纖維長度的水泥土浸水前后的抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律大致相當(dāng)，如下頁圖5所示。水泥土摻加玄武巖纖維后，其抗壓強(qiáng)度提高，隨纖維摻量增加呈先提高后降低的拋物線變化趨勢(shì)，在纖維摻量為0.3%時(shí)，水泥土浸水前后的抗壓強(qiáng)度均取得最大值，其中纖維長度9 mm的水泥土強(qiáng)度提高相對(duì)最明顯。以玄武巖纖維水泥土浸水試驗(yàn)結(jié)果為例，分析纖維摻量對(duì)水泥土浸水抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。玄武巖纖維摻量＜0.3%時(shí)，隨纖維摻量增加，纖維水泥土浸水抗壓強(qiáng)度提高明顯，與素水泥土相比，玄武巖纖維摻量為0.3%時(shí)的水泥土7 d、28 d、90 d浸水抗壓強(qiáng)度分別提高46.7%、41.2%、39.3%以上，說明纖維摻量增加，改善低齡期水泥土水穩(wěn)定性良好。但隨纖維摻量增加，不同齡期的纖維水泥土浸水抗壓強(qiáng)度呈線性降低，且降低速率相當(dāng)，纖維摻量每增加0.1%，纖維水泥土浸水抗壓強(qiáng)度約降低2.6%。這是因?yàn)槔w維摻量較低時(shí)，水泥土內(nèi)纖維分布均勻，形成良好的三維加筋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高其強(qiáng)度；后隨纖維摻量增加，水泥土內(nèi)纖維分布紊亂，影響土粒與水化產(chǎn)物間的膠結(jié)作用，且纖維加筋效果減弱，故纖維水泥土浸水抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量增加而先提高后降低。

不同纖維長度和養(yǎng)生齡期下，玄武巖纖維摻量對(duì)水泥土水穩(wěn)系數(shù)的影響見下頁圖6。

由圖6可知，水泥土摻入玄武巖纖維后，水穩(wěn)系數(shù)提高明顯，至少提高10.6%，既有效減少水環(huán)境下水泥土強(qiáng)度損失，且隨玄武巖纖維摻量增加，纖維水泥土水穩(wěn)系數(shù)呈先提高后降低趨勢(shì)，存在最優(yōu)纖維摻量。這是因?yàn)槔w維具有良好的抗拉性能，抑制土體內(nèi)部裂縫處拉應(yīng)力發(fā)展，而隨纖維摻量增加，土體內(nèi)纖維分布逐漸不均勻，導(dǎo)致其纖維加筋作用減弱，故纖維摻量超過一定范圍后，水泥土水穩(wěn)系數(shù)呈降低趨勢(shì)。養(yǎng)生7 d條件下，纖維長度分別為6 mm、9 mm、12 mm的水泥土均在纖維摻量0.5%時(shí)水穩(wěn)系數(shù)取得最大值，且水穩(wěn)系數(shù)相當(dāng)；纖維長度20 mm的水泥土在纖維摻量0.3%的水穩(wěn)系數(shù)取得最大值，后隨纖維摻量增加，其水穩(wěn)系數(shù)呈線性降低，較纖維摻量為0.9%的水泥土水穩(wěn)系數(shù)提高2.7%。養(yǎng)生28 d以后，不同纖維長度的水泥土在纖維摻量為0.3%時(shí)的水穩(wěn)系數(shù)取得最大值，后隨纖維摻量增加，纖維長度為20 mm的水泥土水穩(wěn)系數(shù)降低相對(duì)顯著，較纖維摻量0.7%時(shí)的水泥土水穩(wěn)系數(shù)約降低2.0%。

3 結(jié)語

（1）玄武巖纖維水泥土浸水1 d后抗壓強(qiáng)度降低顯著，養(yǎng)生前28 d內(nèi)，增加養(yǎng)生齡期對(duì)浸水抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)提高效果顯著，養(yǎng)生齡期由7 d增加至28 d，浸水抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)提高達(dá)39.7%、10.7%以上。

（2）摻玄武巖纖維長度為9 mm時(shí)的水泥土力學(xué)特性和水穩(wěn)定性最優(yōu)，較低摻量的纖維長度由6 mm增加至9 mm，水泥土浸水抗壓強(qiáng)度提高達(dá)10.5%以上；纖維長度由9 mm增加至20 mm，不同纖維摻量的水泥土浸水抗壓強(qiáng)度降低效果相當(dāng)，約為7.9%。

（3）摻玄武巖纖維后，水泥土浸水后的抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)系數(shù)提高，隨纖維摻量增加呈先提高后降低的拋物線變化趨勢(shì)，纖維摻量為0.3%的水泥土浸水后的抗壓強(qiáng)度最大，較素水泥土浸水抗壓強(qiáng)度提高39.3%以上；養(yǎng)生28 d后，0.3%玄武巖纖維摻量的水泥土水穩(wěn)系數(shù)最大，后隨纖維摻量增加，纖維水泥土水穩(wěn)系數(shù)呈降低趨勢(shì)。

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收稿日期：2023-09-02