玄武巖纖維對水泥土抗拉強(qiáng)度的影響效應(yīng)研究★

崔乃夫 胡建林 張曙俊

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000； 2.張家口市清水河河務(wù)管理處，河北 張家口 075000)

·建筑材料及應(yīng)用·

玄武巖纖維對水泥土抗拉強(qiáng)度的影響效應(yīng)研究★

崔乃夫1胡建林1張曙俊2

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000； 2.張家口市清水河河務(wù)管理處，河北 張家口 075000)

選取5種不同長度、4種不同摻量的玄武巖纖維，制作了不同齡期的立方體試塊進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，研究了纖維對水泥土抗拉強(qiáng)度的影響，得到了玄武巖纖維的最優(yōu)摻入長度與最優(yōu)摻量范圍，指出玄武巖纖維對水泥土的抗拉強(qiáng)度具有明顯的提升效果。

玄武巖纖維，水泥土，抗拉強(qiáng)度，摻量

0 引言

隨著公路、交通等工程的快速發(fā)展，水泥土的加筋改良問題得到了很多科研工作者的關(guān)注。許多研究者都對纖維改良水泥土進(jìn)行了研究，莫永京等人通過正交試驗(yàn)，研究了水泥土摻入玻璃纖維后其抗拉強(qiáng)度與纖維摻量和長度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[1]。李云峰等人為了探究聚丙烯纖維對水泥土的改良作用，進(jìn)行了抗壓、抗拉等試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水泥土的力學(xué)指標(biāo)有明顯提升[2]。殷勇等人通過三軸壓縮試驗(yàn)，探究了水泥土摻入玻璃纖維后的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系[3]。劉芳等人通過室內(nèi)試驗(yàn)重點(diǎn)研究了玻璃纖維水泥土的強(qiáng)度特征和滲透特性[4]。近年來，曹明緯等人通過改變聚丙烯纖維的摻入長度和摻入量進(jìn)行了水泥土抗壓和抗拉試驗(yàn)，得出纖維最優(yōu)摻入長度為12 mm，最優(yōu)摻量為1%[5]。賀祖浩等人通過劈裂抗拉試驗(yàn)、抗折試驗(yàn)等研究了聚丙烯晴纖維對水泥土力學(xué)性能的影響[6]。張艷軍等人研究了石棉纖維加固軟土的效果，提出將石棉纖維與水泥、粉煤灰混合，形成復(fù)合土，得出纖維添加量在3%～6%左右對復(fù)合土效果最好[7]。

目前玄武巖纖維在混凝土改良方面的研究較為成熟，但是在水泥土改良方面的研究還有待完善，王劍燁、彭麗云選取了北京大興地區(qū)的粉土，對玄武巖改良粉土效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)改良后的粉土抗剪強(qiáng)度、抗?jié)B透性能均有提高[8]。陳峰等人[9]將玄武巖纖維摻入水泥土中，研究了水泥土抗拉性能的增強(qiáng)效果。目前對于玄武巖纖維水泥土的研究還很不充分，有待于科研工作者進(jìn)行進(jìn)一步探索。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)內(nèi)容

借鑒前人的已有成果，通過以下兩個(gè)方面對玄武巖纖維改良水泥土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)：

1)為了研究纖維摻入長度和摻入比例對水泥土力學(xué)性能的影響，對玄武巖纖維水泥土進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)，確定玄武巖纖維的較優(yōu)摻入長度和較優(yōu)摻入比例。

2)研究纖維水泥土和素水泥土的抗拉破壞形式，分析纖維改良水泥土的作用機(jī)理。

查閱了相關(guān)文獻(xiàn)，提出了以下研究變量：纖維摻入長度采用6 mm，12 mm，18 mm，24 mm，30 mm，摻量采用0.3%，0.5%，0.7%，1%，水泥摻量采用10%，15%，20%，25%。

1.2 試驗(yàn)方案

首先研究纖維的較優(yōu)摻入長度，在不同水泥摻量的水泥土中，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同(0.5%)，不同纖維長度的纖維，每種情況采用3組平行試驗(yàn)，試塊齡期為7 d,14 d，與素水泥土對比。在確定較優(yōu)纖維長度后，改變纖維摻量，與上一階段相同操作，試塊齡期為7 d,14 d,28 d，達(dá)到齡期后進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)材料及制樣過程

試驗(yàn)材料：試驗(yàn)土料來自張家口市區(qū)(見表1)，玄武巖纖維采用短切玄武巖纖維(見表2)。

試件制作過程：1)確定水泥土配合比。2)先將水泥、土料、纖維三種干料放入攪拌缸進(jìn)行干拌，待纖維在混和料內(nèi)分布均勻后加水拌合，避免局部出現(xiàn)的不均勻狀態(tài)。3)攪拌后將拌合物填入100 mm×100 mm×100 mm的試模中，每次填入之后進(jìn)行插搗。4)試件完成1 d～2 d后，進(jìn)行脫模，脫出后的試塊放入養(yǎng)護(hù)室繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，等到齡期達(dá)到后進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)。

表1 土料基本屬性指標(biāo)

表2 玄武巖纖維基本指標(biāo)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 纖維摻入長度對抗拉強(qiáng)度的影響

在纖維摻量為0.5%的情況下，研究了纖維長度變化對水泥土的影響，采用劈裂抗拉試驗(yàn)得到如下結(jié)果：

1)不同纖維摻入長度下水泥土7 d抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)曲線見圖1。

在纖維摻量相同，纖維長度不同的情況下，纖維水泥土7 d抗拉強(qiáng)度曲線的趨勢并不明朗，當(dāng)水泥摻量較低時(shí)，抗拉強(qiáng)度的變化不大，水泥含量較高時(shí)，曲線具有較為明顯的先增后減趨勢，峰值點(diǎn)穩(wěn)定在纖維長度為18 mm處。20%，25%水泥摻量下7 d抗拉峰值強(qiáng)度較素水泥土提高了27%，21%。

2)不同纖維摻入長度下水泥土14 d劈裂抗拉試驗(yàn)曲線見圖2。

如圖2所示,在水泥含量較低時(shí)，曲線峰值抗拉強(qiáng)度提升幅度較大，且較優(yōu)摻入長度穩(wěn)定在18 mm左右，說明隨齡期的增長，纖維的作用逐漸顯現(xiàn)出來，可以確定最優(yōu)纖維長度為18 mm，不同水泥摻量下的纖維水泥土抗拉強(qiáng)度峰值較素水泥土分別提升了114%，64%，31%，29%?？梢娫邶g期相對延長后，纖維對水泥土抗拉強(qiáng)度具有較大的提升效果。

2.2 纖維摻量對抗拉強(qiáng)度的影響

1)不同纖維摻量下纖維水泥土7 d抗拉強(qiáng)度曲線見圖3。

確定最優(yōu)摻入長度后，改變纖維摻量，得到了纖維水泥土隨纖維摻量變化的曲線，如圖3所示，在齡期為7 d時(shí)，可以看到曲線存在一定的起伏，說明纖維摻量對水泥土抗拉強(qiáng)度的影響較為明顯，峰值抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)在0.7%，除10%水泥不明顯以外，其他3種水泥摻量下的峰值抗拉強(qiáng)度較素水泥土提升幅度分別為91.6%，27%，74%，由于曲線還存在不穩(wěn)定性，需要觀察后續(xù)齡期水泥土抗拉強(qiáng)度曲線，確定較優(yōu)摻量。

2)不同摻量下纖維水泥土14 d抗拉強(qiáng)度曲線見圖4。

通過曲線可以看出，隨著齡期的增長，纖維水泥土抗拉強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)出明顯的先增后減趨勢，不同水泥摻量下的纖維水泥土抗拉強(qiáng)度峰值都出現(xiàn)在0.5%，且隨著水泥含量的增加，提高幅度分別為87%，41%，21%，32%。

3)不同摻量下纖維水泥土28 d抗拉強(qiáng)度曲線見圖5。

由圖5可以看出，養(yǎng)護(hù)28 d后，纖維水泥土抗拉曲線出現(xiàn)了兩個(gè)峰值，當(dāng)水泥含量較低時(shí)，峰值出現(xiàn)在0.5%，水泥含量較高時(shí)，峰值抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)在0.7%，隨著水泥摻量的增加，10%水泥摻量下水泥土抗拉強(qiáng)度變化并不明顯，另外3種水泥摻量下纖維水泥土抗拉峰值強(qiáng)度較素水泥土分別提升了11%，13%，13%。在水泥摻量為10%時(shí)，纖維的摻入對水泥土抗拉強(qiáng)度的影響存在差異，究其原因認(rèn)為是由于水泥含量較低以及纖維摻入的不均勻性，導(dǎo)致纖維與水泥的結(jié)合程度出現(xiàn)偏差?？梢?，纖維水泥土抗拉強(qiáng)度取決于纖維與水泥的作用，因此纖維水泥土存在一個(gè)較優(yōu)的摻量范圍，基本可以確定為0.5%～0.7%，具體配比還需要根據(jù)工程需要而定。

2.3 纖維水泥土抗拉作用機(jī)理

在對纖維水泥土進(jìn)行劈裂抗拉試驗(yàn)時(shí)，隨著上下兩端壓條對水泥土試塊壓力的增加，水泥土逐漸從表面開裂，進(jìn)而裂縫縱向延伸，在破壞的過程中，素水泥土表現(xiàn)出脆性破壞形態(tài)，水泥土試塊直接被劈裂為兩個(gè)部分，而加入纖維后的水泥土，裂縫的延性破壞形態(tài)較為明顯，表現(xiàn)為上端裂縫延伸到試塊中部后，可以說此時(shí)的纖維水泥土阻裂性能要明顯優(yōu)于素水泥土。

3 結(jié)論與展望

1)通過劈裂抗拉試驗(yàn)，研究了纖維對水泥土抗拉強(qiáng)度的影響，在纖維摻量一定的情況下，改變纖維長度和水泥摻量，研究了纖維水泥土抗拉強(qiáng)度隨纖維長度的變化趨勢，結(jié)果表明，纖維的摻入能夠一定程度上提高水泥土的抗拉強(qiáng)度，最優(yōu)的纖維長度為18 mm。

2)在確定纖維最優(yōu)摻入長度后，改變纖維摻量和水泥摻量，研究纖維水泥土抗拉強(qiáng)度的變化趨勢，結(jié)果表明，纖維摻量對水泥土的抗拉強(qiáng)度影響更加明顯，且纖維對于水泥土抗拉強(qiáng)度的影響與水泥摻量也有較大關(guān)系，主要表現(xiàn)為纖維在水泥反應(yīng)過程中與水泥的結(jié)合程度影響水泥土抗拉強(qiáng)度，基于試驗(yàn)結(jié)果提出最優(yōu)摻量范圍為0.5%～0.7%。

3)從破壞形態(tài)可以發(fā)現(xiàn)，隨著纖維的摻入，水泥土開裂程度和裂縫延伸情況得到了有效的緩解，纖維對水泥土增韌阻裂的作用較為明顯。

4)由于纖維的摻入，水泥土的流動性受到了一定的阻礙，對于水泥土其他耐久性的試驗(yàn)還有待于進(jìn)一步完善和分析，之后還需要對纖維摻入工藝進(jìn)行進(jìn)一步探討和研究。

[1] 莫永京,彭紅濤,雷廷武,等.纖維水泥土抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)研究[J].中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1999(6):106-109.

[2] 李云峰,李志國,鄭 剛.纖維水泥土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué),2004(6):56-60.

[3] 殷 勇,于小軍.玻璃纖維水泥土力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].工程勘察,2007(1):23-26.

[4] 劉 芳.玻璃纖維土的工程特性試驗(yàn)研究及工程應(yīng)用[D].上海：上海交通大學(xué),2011.

[5] 曹明緯,朱文旺,吳月勇,等.淺談聚丙烯對水泥土抗壓、抗拉強(qiáng)度的影響[J].科技視界,2014(14):138.

[6] 賀祖浩,李守德,姚 燕,等.聚丙烯腈纖維水泥土的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究[J].河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015(4):42-46.

[7] 張艷軍,于沉香,凌 飛,等.石棉纖維粉煤灰水泥加固軟土試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2015(5):982-988.

[8] 王劍燁,彭麗云.玄武巖纖維加固粉土性能試驗(yàn)研究[J].北京建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2015(3):33-38.

[9] 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(2):188-193.

On influence of basalt fiber on cement soil’s tensile strength★

Cui Naifu1Hu Jianlin1Zhang Shujun2

(1.HebeiUniversityofArchitecture,Zhangjiakou075000,China; 2.ZhangjiakouQingshuiRiverManagementDivision,Zhangjiakou075000,China)

The paper selects the basalt fibers with 5 different lengths and 4 mixing volumes, makes the cube trials at different ages to undertake the splitting tensile strength, researches the influence of the fiber on the cement tensile strength, concludes the optimal mixing length and volume scopes of the basalt fiber, and points out the basalt fiber can promote the tensile strength of the cement soil.

basalt fiber, cement soil, tensile strength, mixing volume

1009-6825(2017)03-0103-03

2016-11-16 ★：河北省教育廳科研項(xiàng)目(ZC2016161)；張家口科技局科研項(xiàng)目(1611068A)；河北建筑工程學(xué)院科學(xué)技術(shù)研究基金項(xiàng)目資助(QN201408)

崔乃夫(1992- )，男，在讀碩士； 胡建林(1986- )，男，講師； 張曙俊(1986- )，男，工程師

TU525

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