玄武巖纖維加筋水泥土的水穩定性試驗研究

李春金 曾良球

摘要：為保證水侵蝕環境下水泥土具有足夠強度和穩定性，文章通過外摻玄武巖纖維的方式，基于室內試驗研究了纖維摻量及長度對水泥土水穩定性的影響規律。研究表明，玄武巖纖維水泥土浸水1 d后抗壓強度降低顯著，養生前28 d內，增加養生齡期對浸水抗壓強度和水穩系數提高效果顯著，玄武巖纖維長度為9 mm時水泥土的力學強度和水穩定性最優，纖維摻量為0.3%時的水泥土浸水后的抗壓強度最大，較素水泥土浸水抗壓強度提高39.3%以上。

關鍵詞：玄武巖纖維；水泥土；浸水試驗；水穩定性

中圖分類號：U416.03 A 28 088 5

0 引言

水泥土材料強度較高、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］，但水泥土在工程應用中，易受水的侵蝕破壞作用，導致其力學性能和穩定性降低，影響實體工程正常使用壽命。對此，國內外學者通過外摻纖維的方式改善水泥土材料的技術性質，使其滿足工程性能要求。Lekha等［3］研究表明，檳榔殼纖維可增強水泥土整體穩定性和使用耐久性。Lenoir等［4］研究表明，纖維摻量過高，土體中纖維分布不均勻，發生團聚現象，改善水泥土穩定性的作用降低。陳猛［5］研究表明，玄武巖纖維摻量為0.3%時的水泥土干濕或凍融后無側限抗壓強度最大，耐久性最優。張潔［6］研究表明，聚丙烯纖維摻量在0～0.3%時，纖維加筋水泥土干濕循環后的質量損失及強度損失均降低，耐干濕穩定性提高。徐麗娜等［7］研究表明，玄武巖纖維對不同土質的水泥土改良效果不一，摻加纖維可減少水泥土凍融后強度損失。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度、抗壓強度及穩定性滿足工程技術要求，可作為路基填料?？紫＜t［9］研究表明，玻璃纖維摻量0.2%的水泥土力學強度最高，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性能，而較少對水穩定性展開深入研究。針對公路、鐵路等路基結構工程，若材料力學強度和水穩定性差，導致結構整體性不足，將嚴重影響結構的正常使用。鑒于此，本文選用玄武巖纖維加筋水泥土，通過室內浸水試驗研究纖維摻量及長度對水泥土水穩定性的影響規律，為實體工程提供數據支撐。

1 原材料與試驗方案

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，技術性質見表1。水泥選用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，技術性質見表2。纖維選用短切玄武巖纖維，技術性質見表3。

1.2 試驗方案

1.2.1 方案設計

基于水環境作用下水泥土力學強度降低和整體穩定性減弱，結合水泥土強度增長規律及影響因素，采用外摻玄武巖纖維的方式，通過室內浸水試驗研究纖維摻量及長度對水泥土水穩定性的影響規律。試驗中，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；擬養生齡期為7 d、28 d、90 d。

1.2.2 試件制備及養生

根據水泥土室內重型擊實試驗結果，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）℃、相對濕度95%以上的標準養生室，養生至規定齡期。每組試驗成型6個試件。

1.2.3 性能測試方法

參照《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（JTG E51-2009）中無側限抗壓強度試驗方法，選用萬能伺服試驗機WAW-100，分別測定規定養生齡期的玄武巖纖維加筋水泥土浸水1 d抗壓強度和不浸水抗壓強度，按式（1）計算其水穩系數η，評價其浸水作用下的強度穩定性。

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無側限抗壓強度（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限抗壓強度（MPa）。

2 試驗結果與分析

不同玄武巖纖維摻量及長度的水泥土浸水試驗結果如圖1所示，纖維水泥土浸水前后抗壓強度與養生齡期變化曲線相近，浸水1 d后的抗壓強度降低顯著，其抗壓強度隨養生齡期延長逐漸提高，且浸水抗壓強度提高效果顯著，能有效改善其水環境下的水泥土強度穩定性。另外，養生齡期對不同纖維摻量及長度的水泥土浸水前后抗壓強度影響效果相當。其中，浸水抗壓強度提高較明顯，當養生齡期由7 d增加至28 d時，浸水抗壓強度和浸水前抗壓強度提高分別達39.7%、20.5%以上；后隨齡期延長，其抗壓強度增長速率減緩，齡期由28 d增加至90 d時，浸水抗壓強度和浸水前抗壓強度提高分別不超過20.9%、12.3%。這是因為水泥土抗壓強度增長速率與水泥水化速率相關，養生前期水泥水化速率快，生成較多的硅酸鈣等凝膠物質填充土粒間孔隙，結構整體穩定性增強，從而抗壓強度提高明顯；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減少，故水泥土抗壓強度提高較緩慢。

不同玄武巖纖維長度下，纖維水泥土水穩系數與養生齡期間變化規律大致相同。如下頁圖2所示，摻入玄武巖纖維后，水泥土水穩系數顯著提高，且纖維水泥土水穩系數隨齡期增加逐漸增大，即水穩定性改善，其中玄武巖纖維摻量為0.3%時的水泥土水穩系數提高較顯著。養生前28 d，纖維水泥土水穩系數提高顯著，其28 d水穩系數較7 d水穩系數提高10.7%以上；養生齡期＞28 d，纖維水泥土水穩系數提高緩慢，其90 d水穩系數較28 d水穩系數提高不超過4.8%。這是因為水泥土養生前期，水泥、土粒、纖維及水之間的物理化學反應迅速，使其土體結構密實性提高，抗壓強度增大，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，土體內物理化學作用減弱，致使其抗壓強度緩慢提高，故水穩定性提高速率減緩。

2.1 纖維長度的影響

同一養生齡期下，不同玄武巖纖維摻量的水泥土浸水前后的抗壓強度與纖維長度變化規律相近。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度提高，且纖維摻量較低時，纖維長度對水泥土浸水抗壓強度的影響較顯著，提高達10.5%以上；在纖維長度為9 mm時，水泥土浸水前后的抗壓強度均取得最大值，即力學性能和穩定性最優；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度隨纖維長度增加而逐漸降低，且降低效果相當，約為7.9%，這是因為長度較短的纖維在水泥土易分散，可較好發揮纖維加筋作用。

不同纖維摻量和養生齡期下，玄武巖纖維長度對水泥土水穩系數的影響見圖4。

由圖4可知，隨玄武巖纖維長度增加，纖維水泥土水穩系數變化較小，其中纖維摻量為0.3%時的水泥土水穩系數相對穩定。養生7 d條件下，纖維長度為9 mm的水泥土水穩系數取得最大值，較纖維長度為6 mm的水泥土水穩系數約提高1.3%。另外，纖維摻量≤0.5%的水泥土變化規律相近，隨纖維長度增加，纖維水泥土水穩系數先提高后降低，纖維長度由12 mm增加至20 mm時，其水穩系數降低相對明顯，約1.8%。養生28 d以后，纖維水泥土水穩系數＞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，水穩系數取得最大值；纖維摻量為0.5%的水泥土在纖維長度12 mm時，水穩系數取得最大值。這是因為水泥土中短纖維易分散，與土體形成良好的三維加筋網狀結構，較好地發揮單根加筋作用，故其纖維水泥土浸水后強度較高，水穩系數較穩定；而較長的纖維在水泥土拌和中易發生抱團彎曲，致使其分布紊亂，影響水化產物與土粒間的膠結作用，故其纖維水泥土浸水后強度降低較大，水穩系數變化較大。

2.2 纖維摻量的影響

同一養生齡期下，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度變化規律大致相當，如下頁圖5所示。水泥土摻加玄武巖纖維后，其抗壓強度提高，隨纖維摻量增加呈先提高后降低的拋物線變化趨勢，在纖維摻量為0.3%時，水泥土浸水前后的抗壓強度均取得最大值，其中纖維長度9 mm的水泥土強度提高相對最明顯。以玄武巖纖維水泥土浸水試驗結果為例，分析纖維摻量對水泥土浸水抗壓強度的影響規律。玄武巖纖維摻量＜0.3%時，隨纖維摻量增加，纖維水泥土浸水抗壓強度提高明顯，與素水泥土相比，玄武巖纖維摻量為0.3%時的水泥土7 d、28 d、90 d浸水抗壓強度分別提高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度呈線性降低，且降低速率相當，纖維摻量每增加0.1%，纖維水泥土浸水抗壓強度約降低2.6%。這是因為纖維摻量較低時，水泥土內纖維分布均勻，形成良好的三維加筋網狀結構，提高其強度；后隨纖維摻量增加，水泥土內纖維分布紊亂，影響土粒與水化產物間的膠結作用，且纖維加筋效果減弱，故纖維水泥土浸水抗壓強度隨纖維摻量增加而先提高后降低。

不同纖維長度和養生齡期下，玄武巖纖維摻量對水泥土水穩系數的影響見下頁圖6。

由圖6可知，水泥土摻入玄武巖纖維后，水穩系數提高明顯，至少提高10.6%，既有效減少水環境下水泥土強度損失，且隨玄武巖纖維摻量增加，纖維水泥土水穩系數呈先提高后降低趨勢，存在最優纖維摻量。這是因為纖維具有良好的抗拉性能，抑制土體內部裂縫處拉應力發展，而隨纖維摻量增加，土體內纖維分布逐漸不均勻，導致其纖維加筋作用減弱，故纖維摻量超過一定范圍后，水泥土水穩系數呈降低趨勢。養生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%時水穩系數取得最大值，且水穩系數相當；纖維長度20 mm的水泥土在纖維摻量0.3%的水穩系數取得最大值，后隨纖維摻量增加，其水穩系數呈線性降低，較纖維摻量為0.9%的水泥土水穩系數提高2.7%。養生28 d以后，不同纖維長度的水泥土在纖維摻量為0.3%時的水穩系數取得最大值，后隨纖維摻量增加，纖維長度為20 mm的水泥土水穩系數降低相對顯著，較纖維摻量0.7%時的水泥土水穩系數約降低2.0%。

3 結語

（1）玄武巖纖維水泥土浸水1 d后抗壓強度降低顯著，養生前28 d內，增加養生齡期對浸水抗壓強度和水穩系數提高效果顯著，養生齡期由7 d增加至28 d，浸水抗壓強度和水穩系數提高達39.7%、10.7%以上。

（2）摻玄武巖纖維長度為9 mm時的水泥土力學特性和水穩定性最優，較低摻量的纖維長度由6 mm增加至9 mm，水泥土浸水抗壓強度提高達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度降低效果相當，約為7.9%。

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

參考文獻

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收稿日期：2023-09-02