玄武巖纖維水泥土抗拉性能試驗(yàn)研究

陳　峰

福建江夏學(xué)院環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心, 福建福州 350108

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玄武巖纖維水泥土抗拉性能試驗(yàn)研究

陳峰

福建江夏學(xué)院環(huán)保節(jié)能型高性能混凝土協(xié)同創(chuàng)新中心, 福建福州 350108

摘要：為提高水泥土的抗拉性能，利用纖維的加筋增強(qiáng)效果，探討在水泥土中摻入玄武巖纖維來改善其抗拉性能的方法. 對(duì)不同配比的玄武巖纖維水泥土進(jìn)行劈拉試驗(yàn)，得到相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度及不同的破壞形態(tài). 研究結(jié)果表明，玄武巖纖維的摻入能明顯提高不同齡期水泥土試件的抗拉強(qiáng)度，但隨著纖維摻量的增加，增強(qiáng)效果逐漸減弱，即過多的纖維摻量無法帶來更明顯的強(qiáng)度增長(zhǎng)；玄武巖纖維的摻入使水泥土的塑性增強(qiáng)，試件破壞時(shí)表現(xiàn)出一定的塑性，有利于提高工程穩(wěn)定性. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立了不同配比的玄武巖纖維水泥土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式，可為實(shí)際工程提供參考.

關(guān)鍵詞：水泥土；玄武巖纖維；劈拉試驗(yàn)；抗拉強(qiáng)度；纖維摻量；塑性；加筋

隨著地下工程的迅速發(fā)展，水泥土樁得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1-4]. 在工程實(shí)踐中，由于現(xiàn)場(chǎng)條件限制，測(cè)試較多的是水泥土的抗壓強(qiáng)度[5-9]，而水泥土的抗拉強(qiáng)度則測(cè)試相對(duì)較少[10]，因此對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度方面的研究也少于抗壓強(qiáng)度. 但隨著水泥土樁在地基處理及各種維護(hù)結(jié)構(gòu)中的廣泛使用，使得其破壞形式也有所不同. 在某些特定的情況下水泥土樁會(huì)發(fā)生拉裂破壞[11-12]，而纖維的摻入則可以增強(qiáng)其抗拉破壞的能力[13-15]，因此對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度進(jìn)行研究亦日顯必要. 目前尚無針對(duì)玄武巖纖維水泥土的試驗(yàn)研究. 玄武巖纖維防水和耐腐蝕性能良好，且具有彈性模量高、耐高溫和抗拉強(qiáng)度高等特性[16]，已被作為高性能混凝土的增強(qiáng)材料，并在實(shí)際工程中取得了不錯(cuò)的效果. 因此，研究玄武巖纖維在水泥土中的應(yīng)用有很好的實(shí)踐意義. 抗拉強(qiáng)度的測(cè)試方法主要有直接法和間接法. 直接法包括單軸拉伸法和三軸拉伸法，間接法包括徑向劈裂法、軸向劈裂法和土梁彎曲法，間接法因?yàn)椴僮骱?jiǎn)單得到了較為廣泛的使用[17-20]. 本研究采用劈裂法對(duì)玄武巖纖維水泥土的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，通過水泥土的劈裂抗拉試驗(yàn)得出其抗拉強(qiáng)度，結(jié)合抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，建立不同配比試件的抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系式，為工程實(shí)踐提供參考.

1研究方法

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用土料取自福州閩江邊上一工地，主要為沿海地帶常見的淤泥質(zhì)黏土，基本物理力學(xué)性能見表1.其中， ω為含水率； γ為土的重度； e為孔隙比； WL為液限； WP為塑限； IP為塑性指數(shù)； IL為液性指數(shù)； C為內(nèi)聚力； Φ為內(nèi)摩擦角. 水泥采用福建水泥股份有限公司煉石水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥. 纖維采用浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維短切原絲，其主要物理性能見表2.

表1　土料主要物理、力學(xué)性質(zhì)

表2　玄武巖纖維的主要物理性能指標(biāo)

1.2試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)的纖維摻量比為纖維與土的質(zhì)量比，通過玄武巖纖維摻量的等步增量(以摻量0.5%為增量步長(zhǎng))，研究其對(duì)水泥土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試件，通過劈拉試驗(yàn)裝置均勻加載至破壞(圖1)，記錄其破壞荷載，進(jìn)而換算為試件的劈拉強(qiáng)度. 土樣含水率按原狀土的含水率配置，水泥的質(zhì)量摻入比分別為15.0%及16.5%.其中，15.0%的為4組(A、C、D和E)；16.5%的1組(B).水灰比統(tǒng)一采用0.5. 試驗(yàn)齡期選取7、28、60和90 d，具體試驗(yàn)方案見表3. 共進(jìn)行5種配合比、4個(gè)齡期共20組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)制做抗拉試件3個(gè)、抗壓試件3個(gè)，合計(jì)120個(gè)試件.

圖1　劈拉試驗(yàn)裝置Fig.1　(Color online) Test device for splitting tensile test

劈裂抗拉強(qiáng)度計(jì)算式為

(1)

其中， fts為水泥土的抗拉強(qiáng)度； Pmax為試件破壞時(shí)的最大荷載值； a為試件的邊長(zhǎng).

表3　纖維水泥土試驗(yàn)方案

2結(jié)果與分析

2.1玄武巖纖維摻量與水泥土抗拉強(qiáng)度的關(guān)系

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得到不同配比玄武巖纖維水泥土試件在不同齡期下的劈拉強(qiáng)度值，如表4及圖2.

在7 d齡期時(shí)，不同玄武巖纖維摻量的水泥土試件試驗(yàn)結(jié)果表明，玄武巖纖維的摻入明顯提高了水泥土的抗拉強(qiáng)度，且隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥土的抗拉強(qiáng)度不斷增加，兩者呈正相關(guān)關(guān)系. 水泥摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.0%、玄武巖纖維摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的試件C抗拉強(qiáng)度已高于單摻水泥為16.5%的試件B，表明玄武巖纖維摻量的增加對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度有更好的增強(qiáng)效果. 在相同的水泥摻入比(15.0%)、不同的玄武巖纖維摻入比(0.5%、1.0%和1.5%)下，試件C、D和E的7 d齡期水泥土抗拉強(qiáng)度較同等條件下不摻玄武巖纖維的試件A分別增加了72.7%、109.0%和118.0%. 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果還可以看出，隨著纖維摻量的等步(0.5%)摻入，每個(gè)步長(zhǎng)對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率也逐漸變小，表明玄武巖纖維的摻入量過多可能會(huì)因拌和不均導(dǎo)致水泥水化后漿體與某些部位的纖維表面沒有形成足夠的握裹力，從而使這部分玄武巖纖維的加筋作用未得到最大程度的發(fā)揮，因此，限制了玄武巖纖維摻量對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度提高的速度.

表4　劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖2　劈拉強(qiáng)度與齡期關(guān)系Fig.2　Relationship between splitting tensile strength and the soil age

通過圖2可以看出，在28 d和60 d齡期時(shí)，在7～28 d和28～60 d這兩個(gè)階段，不同配比的水泥土抗拉強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)都有很大提高. 而在60～90 d齡期階段，水泥土的抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)則變緩，明顯低于前面兩個(gè)階段，這表明隨著齡期的增長(zhǎng)，水泥土中水泥水化、凝結(jié)和硬化等作用充分進(jìn)行，玄武巖纖維水泥土試件的抗拉強(qiáng)度增幅逐漸變小. 與7 d齡期時(shí)相比，28、60和90 d齡期時(shí)水泥土的抗拉強(qiáng)度也與纖維摻量成正比，且各等步摻量對(duì)抗拉強(qiáng)度的增速也逐漸變緩.

我們沒有祖國(guó)可以回歸。我們被一些不確定的闡釋，被一群過度敏感者過度闡釋的世界所包圍。在這種情況下，徐浡君在他的作品中摻入了一種能讓他墮入其中，卻不會(huì)被耗盡的敏感，或者說感覺，為了棲居扎根，為了與文化更靠近，或者喬裝成文化，這種感覺也是一種理解力，超越了事物的融和與差別，單純和忍讓。

2.2玄武巖纖維水泥土的受拉破壞性狀

試驗(yàn)中水泥土的劈裂破壞形式主要為突發(fā)性的脆性破壞，破壞時(shí)試件從中間劈開. 尤其是未摻入玄武巖纖維的60 d及90 d齡期水泥土試件呈現(xiàn)明顯脆性破壞的特點(diǎn)，劈裂面貫穿整個(gè)試件，表明強(qiáng)度越高的試件，破壞的脆性特征越明顯.

整體上，玄武巖纖維摻入前與摻入后，水泥土試件在劈裂破壞形式上差別不大，如圖3. 相比之下，摻入玄武巖纖維的試件破壞時(shí)存在一定的塑性特征，表現(xiàn)為裂而不斷，裂縫寬度明顯小于單摻水泥的水泥土試件. 這主要是因?yàn)橥饧雍奢d的作用，當(dāng)水泥土中微小裂紋開始擴(kuò)展時(shí)，纖維橫跨在裂縫之間，纖維的這種橋接作用減緩了裂紋尖端應(yīng)力的集中，提高了抗裂縫擴(kuò)展的能力，從而提高了水泥土的韌性.

圖3　水泥土的破壞形態(tài)Fig.3　(Color online)Failure mode of cement-soil

2.3玄武巖纖維水泥土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

在工程實(shí)踐中，對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)較多，而抗拉試驗(yàn)則相對(duì)較少. 本研究抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見表5. 結(jié)果表明，水泥土的抗拉強(qiáng)度與混凝土抗拉強(qiáng)度特性相似，即抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度，且兩者之間存在一定的關(guān)系. 根據(jù)玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，可以初步擬合出不同配比玄武巖纖維水泥土試件抗拉強(qiáng)度fts

表5　抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

與抗壓強(qiáng)度fcu之間的關(guān)系，如式(2)～式(7)，可為實(shí)際工程中利用玄武巖纖維水泥土抗壓強(qiáng)度計(jì)算其抗拉強(qiáng)度提供參考.

對(duì)試件A，有

(2)

對(duì)試件B，有

fts=0.143fcu(相關(guān)系數(shù)為0.98)

(3)

對(duì)試件C，有

fts=0.164fcu(相關(guān)系數(shù)為0.98)

(4)

對(duì)試件D，有

fts=0.167fcu(相關(guān)系數(shù)為0.95)

(5)

對(duì)試件E，有

fts=0.171fcu(相關(guān)系數(shù)為0.96)

(6)

因此，可得到玄武巖纖維水泥土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的一般擬合關(guān)系式為

fts=0.161fcu(相關(guān)系數(shù)為0.96)

(7)

根據(jù)擬合結(jié)果可知，本試驗(yàn)各個(gè)配比的玄武巖纖維水泥土試件，其抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度存在一定的線性關(guān)系. 對(duì)比式(2)和式(3)可以看出，未摻入玄武巖纖維時(shí)，水泥土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值隨著水泥摻量的增加而變小，這說明水泥摻量的增加對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果要好于對(duì)其抗拉強(qiáng)度的增強(qiáng)效果. 對(duì)比式(2)、式(4)、式(5)和式(6)可以看出，水泥土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的比值隨著玄武巖纖維摻量的增加而緩慢增加，表明玄武巖纖維對(duì)水泥土抗拉強(qiáng)度的提高方面有明顯效果，甚至好于對(duì)其抗壓強(qiáng)度的增強(qiáng)效果.

3結(jié)論

本研究對(duì)不同配比的玄武巖纖維水泥土試件進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，得到相應(yīng)的抗拉強(qiáng)度及不同的破壞形態(tài)，通過分析試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

1) 玄武巖纖維的摻入能明顯提高水泥土試件的抗拉強(qiáng)度，在試驗(yàn)范圍內(nèi)，玄武巖纖維摻量的增加對(duì)水泥土試件的增強(qiáng)效果高于水泥摻量增加帶來的增強(qiáng)效果，即玄武巖纖維具有更高的增強(qiáng)效率；

2)玄武巖纖維的摻入量過多可能會(huì)因拌和不均導(dǎo)致水泥水化后水泥土顆粒之間與某些部位的纖維表面沒有形成足夠的握裹力，從而使這部分玄武巖纖維的加筋作用沒有得到最大程度的發(fā)揮，使得過多的纖維摻量卻無法帶來更明顯的強(qiáng)度增長(zhǎng)；

3) 玄武巖纖維的摻入使得試件破壞時(shí)存在一定的塑性特征，表現(xiàn)為裂而不斷，從而提高了試件的破壞韌性，且隨著玄武巖纖維摻量的增加，其破壞韌性增強(qiáng)，有利于提高工程的安全性和穩(wěn)定性；

4)根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建立了玄武巖纖維水泥土試件抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系式，可為實(shí)際工程中水泥土的抗拉強(qiáng)度的預(yù)測(cè)提供參考.

引文：陳峰. 玄武巖纖維水泥土抗拉性能試驗(yàn)研究[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2016，33(2)：188-193.

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【中文責(zé)編：坪梓；英文責(zé)編：之聿】

Experiment research on tensile strength of basalt fiber cement-soil

Chen Feng?

Coordinative Innovation Center for Environmentally Friendly and Energy Saving High Performance Concrete,Fujian Jiangxia University, Fuzhou 350108, Fujian Province, P.R.China

Abstract：We explore a method to enhance the tensile strength of cement-soil by adding basalt fiber into the soil and conduct splitting tensile tests on the mixture with different proportions of basalt fiber to inspect the tensile strength and different failure modes. We establish the relationship between the tensile strength and the unconfined compression strength of cement-soil with different mixture ratios of basalt fiber. The results show that the addition of basalt fiber can effectively improve the tensile strength of cement-soil specimens at different ages and strengthen the plastic characteristics of cement-soil. However with the increase of fiber content, the enhancement effect on tensile strength is gradually weakened. Too much fiber content is incapable of bringing obvious strength enhancement. The basalt fiber cement-soil specimens give rise to a certain plasticity when they are damaged, thus improving the project stability. These results may provide reference for engineering practices.

Key words：cement-soil; basalt fiber; splitting tensile test; tensile strength; content of fiber; plasticity; reinforcement

作者簡(jiǎn)介：陳峰(1980—)，男，福建江夏學(xué)院副教授、博士．研究方向： 土木工程材料． E-mail： knicks2000@163.com

基金項(xiàng)目：福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014J01172)；福建省省屬高校專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(JK2014059)

中圖分類號(hào)：TU 411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3724/SP.J.1249.2016.02188

Received：2015-11-18；Accepted：2016-01-03

Foundation：Natural Science Foundation of Fujian Province (2014J01172); Special Research Projects of Provincial Colleges and Universities in Fujian Province (JK2014059)

? Corresponding author：Associate professor Chen Feng. E-mail: knicks2000@163.com

Citation：Chen Feng．Experiment research on tensile strength of basalt fiber cement-soil[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(2): 188-193.(in Chinese)

【土木建筑工程 / Architecture and Civil Engineering】