凍融條件下玄武巖纖維增強(qiáng)水泥土抗疲勞性能的試驗(yàn)研究

郭少龍, 鹿 群， 林永良, 劉有志

(1.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098; 2.天津城建大學(xué) 天津市軟土特性與工程環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；3.天津城建大學(xué) 信息化建設(shè)管理中心， 天津 300384； 4.天津元旭工程咨詢(xún)管理有限公司，天津 300191)

1 研究背景

疲勞破壞是指材料在循環(huán)荷載作用下其內(nèi)部產(chǎn)生局部損傷并不斷擴(kuò)展直至斷裂的過(guò)程。水泥土的疲勞性能對(duì)水泥土構(gòu)成的建筑物(構(gòu)筑物)的長(zhǎng)期受力性能有著直接的影響[1]。目前對(duì)水泥土的疲勞特性研究比較少，針對(duì)水泥土的疲勞破壞特性、疲勞壽命預(yù)測(cè)和長(zhǎng)期強(qiáng)度等方面的研究尚不完善，亟需在這些方面開(kāi)展相關(guān)研究[2]。在季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)，水泥土經(jīng)常用于路基、復(fù)合地基、堤防防滲墻中，因此研究及評(píng)價(jià)凍融循環(huán)對(duì)水泥土疲勞性能的影響很有必要。

研究發(fā)現(xiàn)在水泥土中摻入一定比例的纖維可以提高水泥土的抗壓、抗拉、抗疲勞性能[3-4]。以往摻入水泥土中的纖維主要是聚丙烯纖維和玻璃纖維。玄武巖纖維是近年來(lái)快速發(fā)展的一種無(wú)機(jī)環(huán)保材料，這種材料強(qiáng)度高，無(wú)毒、耐高溫、耐腐蝕，目前已廣泛應(yīng)用于道路、橋梁、水利、港口等行業(yè)，具有良好的發(fā)展前景。

鹿群等[5]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在水泥土中摻入聚丙烯纖維和玄武巖纖維后，水泥土的抗拉強(qiáng)度、抗疲勞能力均明顯提高，并且抗疲勞能力的提高程度更明顯；纖維摻入量相同時(shí)，玄武巖纖維水泥土比聚丙烯纖維水泥土在抗壓強(qiáng)度、抗疲勞能力等方面的提高程度更大。李云峰等[6]研究了聚丙烯纖維水泥土，發(fā)現(xiàn)水灰比越大，纖維水泥土的抗折強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度均越小。纖維對(duì)水泥土的抗壓強(qiáng)度影響不明顯，對(duì)抗折強(qiáng)度影響明顯。高常輝等[7]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和劈裂抗拉試驗(yàn)研究了玄武巖纖維摻砂水泥土的力學(xué)強(qiáng)度，研究發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)最佳摻入比使得纖維水泥土的抗拉強(qiáng)度取得最大值；摻入纖維后水泥土破壞時(shí)表現(xiàn)出一定的塑性特征。陳峰[8]通過(guò)劈裂抗拉試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)摻入纖維后可以明顯提高水泥土的抗拉強(qiáng)度，但摻入過(guò)多的纖維無(wú)法帶來(lái)明顯的強(qiáng)度增長(zhǎng)；建立了不同配比時(shí)的玄武巖纖維水泥土抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式。宋愛(ài)蘋(píng)等[9]通過(guò)試驗(yàn)研究了粉煤灰對(duì)水泥土的抗凍融性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著粉煤灰摻量的增大，摻粉煤灰水泥土的抗凍性能也逐漸增大。楊暾等[10]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水泥土的強(qiáng)度隨著溶液中的CaCl2濃度的增大而增加，但當(dāng)達(dá)到一定濃度后水泥土的強(qiáng)度反而下降；當(dāng)凍融次數(shù)相同時(shí)，酸性環(huán)境下水泥土的強(qiáng)度降低明顯，堿性環(huán)境下水泥土的強(qiáng)度有小幅度的提高。賀祖浩等[11]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聚丙烯腈纖維對(duì)水泥土劈裂抗拉和抗折強(qiáng)度的提高幅度大于對(duì)抗壓強(qiáng)度的提高幅度，纖維能明顯提高水泥土的黏聚力。江國(guó)龍等[12]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)氯化鈉溶液養(yǎng)護(hù)條件下的水泥土的早期強(qiáng)度較清水養(yǎng)護(hù)條件下的強(qiáng)度更高，但后期對(duì)水泥土的抗拉強(qiáng)度具有腐蝕效應(yīng)。黃敏建[13]研究了摻入玻璃纖維的水泥土的劈裂抗拉強(qiáng)度與纖維摻量、水泥摻量、土的含水量的關(guān)系，分析了纖維摻量對(duì)水泥土劈裂抗拉破壞模式的影響。

目前對(duì)考慮凍融循環(huán)作用下的素水泥土、纖維水泥土抗疲勞性能研究較少，本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)其開(kāi)展研究，以指導(dǎo)工程實(shí)踐。

2 試驗(yàn)材料與方法

本次試驗(yàn)土樣的采集地點(diǎn)為浙江溫州沿海某圍堤地表以下5 m深度處，土的力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。試驗(yàn)用水為該圍堤附近的海水。水泥土中摻入的玄武巖纖維長(zhǎng)度為6 mm，纖維各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表2。圖1、2分別為拌合前的玄武巖纖維照片和纖維水泥土中的玄武巖纖維電鏡照片。從現(xiàn)場(chǎng)取回的原狀土經(jīng)干燥、碾碎、過(guò)篩后制成土料并密封保存。

水泥土試塊的制作過(guò)程如下：將土料加海水配制成與原狀土相同含水率的重塑土，靜止24 h后加入一定水灰比配制的水泥漿和一定的玄武巖纖維，經(jīng)攪拌機(jī)充分?jǐn)嚢韬笕〕鲆徊糠炙嗤撂钊肽＞叩娜种惑w積，放入振動(dòng)臺(tái)振搗使氣泡排凈，重復(fù)上述操作直至填滿(mǎn)模具，24 h后拆模，之后將取出的試塊放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行海水養(yǎng)護(hù)，水溫控制在20±3℃。本次試驗(yàn)的試塊體積均為邊長(zhǎng)70.7 mm的立方體試塊。每次試驗(yàn)重復(fù)6次，剔除異常數(shù)據(jù)后求取平均值。試驗(yàn)儀器采用RMT-150C巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，見(jiàn)圖3。

最小應(yīng)力σmin與最大應(yīng)力σmax的比值為循環(huán)特征值r。當(dāng)r一定時(shí)，若材料在最大應(yīng)力σmax的作用下經(jīng)過(guò)N次循環(huán)荷載后發(fā)生疲勞破壞，則N為σmax時(shí)的疲勞壽命。為了研究不同水泥摻量、纖維摻量和齡期對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，制定了相關(guān)試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。為了研究不同纖維摻量、凍融循環(huán)次數(shù)和水灰比對(duì)水泥土的抗疲勞性能的影響，制定的疲勞試驗(yàn)方案見(jiàn)表4。表3和4中纖維摻量為纖維質(zhì)量與天然土質(zhì)量之比。疲勞試驗(yàn)采用RMT- 150C試驗(yàn)機(jī)(見(jiàn)圖3)，試驗(yàn)采用正弦波進(jìn)行加載。由于水泥土在破壞時(shí)的應(yīng)變較小，參考相關(guān)文獻(xiàn)[1，12]，本次疲勞試驗(yàn)以試件產(chǎn)生2%的應(yīng)變作為破壞標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)過(guò)程所加的應(yīng)力幅值的最小值為應(yīng)力幅值最大值的10%(即循環(huán)特征值r取0.1)，應(yīng)力幅值的最大值在0.4～2.6 MPa之間，試驗(yàn)加載頻率均為1.0 Hz。一次凍融循環(huán)為12 h氣凍(-20℃)加12 h水中融化( 15℃～20℃) 。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)過(guò)程

由于在進(jìn)行水泥土疲勞試驗(yàn)前需要先確定水泥土的抗壓強(qiáng)度，進(jìn)而確定疲勞荷載施加的大小，本文對(duì)不同水泥摻量、不同纖維摻量及不同齡期的水泥土試塊進(jìn)行了無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)土樣的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

注：表中c、φ值均為直剪快剪指標(biāo)。

表2 玄武巖纖維單絲的性質(zhì)指標(biāo)

表3 水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方案

表4 水泥土疲勞試驗(yàn)方案

圖1 玄武巖纖維照片 圖2 纖維水泥土中的玄武巖纖維[4]圖3 RMT-150C試驗(yàn)機(jī)

圖4(a)、4(b)分別為素水泥土(水泥摻量、水灰比、齡期分別為12%、0.8、90 d)和相同配比的纖維水泥土(纖維摻量af為0.2%)的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞照片。素水泥土的破壞模式一般為雙剪型[14]，破壞本質(zhì)為張裂破壞，是水泥土內(nèi)部的初始微裂縫在荷載的作用下不斷擴(kuò)展、變寬、變長(zhǎng)，最終將試塊切割成小柱體進(jìn)而壓碎的結(jié)果。纖維水泥土的破壞模式與素水泥土的破壞模式相似，但延性特征更為明顯。這是由于纖維水泥土內(nèi)部的纖維與水泥土之間的摩阻力隨著荷載應(yīng)力的增大而增大，纖維與水泥土接觸處的應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布，使得纖維在土體中形成的空間約束力不斷增大，因而纖維的摻入使得水泥土的抗拉能力增大，脆性破壞特征減弱。圖5為圖4對(duì)應(yīng)的素水泥土和纖維水泥土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)圖。由圖5可知，在水泥土中摻入纖維后，其強(qiáng)度明顯大于素水泥土的強(qiáng)度。而且纖維水泥土的延性明顯大于素水泥土的延性。

圖4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)破壞形態(tài)

圖5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)

3.2 水泥土疲勞試驗(yàn)過(guò)程

由于水泥土的疲勞試驗(yàn)歷時(shí)比較長(zhǎng)，為避免試驗(yàn)過(guò)程中水泥土試塊失水進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果，故在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中將水泥土試塊裝入自封袋中以減少試驗(yàn)過(guò)程中的水分損失，觀察發(fā)現(xiàn)采取該措施后水泥土試塊試驗(yàn)前后水分損失極少。試驗(yàn)過(guò)程照片見(jiàn)圖6(水泥摻量為12%、纖維摻量為0.2%、齡期為60 d，凍融次數(shù)為0)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 不同因素對(duì)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

圖7為水灰比等于0.8，齡期為90 d，不同纖維摻量(用af表示)、不同水泥摻量(用ac表示)情況下水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由圖7可看出，水泥土無(wú)側(cè)限強(qiáng)度(用pu表示)與水泥摻量ac之間大致呈線(xiàn)性關(guān)系，隨著纖維摻量的提高，水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度也增大，表明摻入玄武巖纖維后可以提高水泥土的抗壓強(qiáng)度。圖8為水灰比為0.8，纖維摻量為0.2%，不同齡期T、不同水泥摻量ac情況下水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。由圖8可看出，不同水泥摻量的水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均隨著齡期的增大而增大，且水泥土強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度隨著齡期的增大而逐漸減少，齡期在90 d以?xún)?nèi)的強(qiáng)度增長(zhǎng)較快，超過(guò)90 d后強(qiáng)度增長(zhǎng)明顯放緩。

圖6 疲勞試驗(yàn)照片(aw=12%)

圖7 不同纖維摻量水泥土無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果

圖8 不同水泥摻量水泥土無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)結(jié)果

4.2 不同因素對(duì)水泥土抗疲勞性能的影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水泥土在疲勞荷載作用下發(fā)生破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力往往小于其在靜荷載作用下發(fā)生破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，表明出低應(yīng)力性破壞的特征。相關(guān)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)[13]，水泥土發(fā)生疲勞破壞的關(guān)鍵因素是水泥土受到的峰值應(yīng)力與其抗壓強(qiáng)度(受凍融的水泥土取凍融后的抗壓強(qiáng)度)的比值(即應(yīng)力水平)的大小，應(yīng)力水平越大，水泥土越容易疲勞破壞。表5～9為不同纖維摻量水泥土的循環(huán)破壞周數(shù)，表中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的水泥摻量均為12%，齡期均為90 d。由表5～9可以看出，應(yīng)力水平越大，水泥土的循環(huán)破壞周數(shù)明顯減少。還可看出未凍融水泥土和受凍融水泥土的應(yīng)力水平相同時(shí)，后者的疲勞壽命和前者的疲勞壽命接近或略有降低，由此可見(jiàn)，應(yīng)力水平是決定水泥土材料疲勞壽命的關(guān)鍵因素。由表5～8對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，水泥土的循環(huán)破壞周數(shù)隨著纖維摻量的提高而明顯增大，摻入適量的玄武巖纖維可以改善水泥土的抗壓、抗疲勞性能，而且對(duì)后者的影響更顯著。圖6為水泥土(水泥摻量為12%、纖維摻量為0.2%、峰值應(yīng)力為2.0 MPa、2364次破壞)的疲勞試驗(yàn)破壞照片，圖9為該試塊的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系全過(guò)程曲線(xiàn)，由圖9可知水泥土的疲勞破壞是個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，該過(guò)程伴隨著裂縫的不斷擴(kuò)展，此過(guò)程也是能量的耗散過(guò)程。

表9中的數(shù)據(jù)為不同水灰比情況下的纖維水泥土在凍融次數(shù)為0、1、6次情況下的疲勞破壞周數(shù)，表中數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的纖維摻量均為0.2%，水泥摻量均為12%。由表9可看出，水灰比越大，水泥土抵抗疲勞破壞的能力越差，水灰比是影響水泥土抗凍性的重要參數(shù)。這是因?yàn)樗冶戎苯佑绊懰嗤恋拿?xì)孔數(shù)量和孔隙率，水灰比越大，水泥土中的孔隙越多，水泥土越不密實(shí)。水灰比越大，水泥土中的自由水越多，凍融循環(huán)過(guò)程中自由水的結(jié)冰膨脹導(dǎo)致水泥土內(nèi)部出現(xiàn)大量的微裂縫。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多，微裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，水泥土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)受到損傷，抗壓強(qiáng)度及抗疲勞能力必然受到影響。可見(jiàn)，水灰比越大對(duì)水泥土的抗凍性越不利。

對(duì)比表5～9可看出：在其他條件相同時(shí)，隨著凍融次數(shù)的增大，相同峰值應(yīng)力條件下水泥土的循環(huán)破壞周數(shù)明顯降低，凍融對(duì)水泥土抗疲勞性能的影響是非常大的，在工程應(yīng)用時(shí)，要考慮溫度對(duì)水泥土長(zhǎng)期強(qiáng)度、抗疲勞性能的不利影響。在寒冷地區(qū)，可采取一些針對(duì)性的措施，例如將水泥土體置于土層的凍結(jié)深度以下，或加入外加劑、減少拌和用水量以改善水泥土的密實(shí)性等來(lái)提高水泥土的抗凍性能。

圖9 纖維水泥土的循環(huán)破壞應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)

表5 素水泥土的循環(huán)破壞周數(shù)(af=0)

注：σmax為正弦荷載的峰值應(yīng)力，圓括號(hào)中的數(shù)值為應(yīng)力水平，即峰值應(yīng)力與抗壓強(qiáng)度的比值，下同。

表6 纖維水泥土的循環(huán)破壞周數(shù)(af=0.1%)

表7 纖維水泥土的循環(huán)破壞周數(shù)(af=0.2%)

表8 纖維水泥土的循環(huán)破壞周數(shù)(af=0.3%)

表9 纖維水泥土的循環(huán)破壞周數(shù)(水灰比為0.7、0.8時(shí))

4.3 S-N關(guān)系

S-N關(guān)系也稱(chēng)wholer曲線(xiàn)[15]，是一種常用的預(yù)估疲勞壽命的方法。應(yīng)力水平不同時(shí)，水泥土的疲勞壽命不同，應(yīng)力水平S和疲勞壽命N之間的關(guān)系可以用直角坐標(biāo)系來(lái)描述。

S-lgN之間的關(guān)系可采用如下的線(xiàn)性方程[16-17]進(jìn)行線(xiàn)性擬合：

S=a+blgN

(1)

式中：a、b為擬合參數(shù)。

以0.2%纖維摻量、12%水泥摻量、90 d齡期的水泥土凍融試驗(yàn)數(shù)據(jù)為例，擬合結(jié)果見(jiàn)表10所示(擬合優(yōu)度值越靠近1.0說(shuō)明擬合效果越好)。通過(guò)擬合方程既可以測(cè)算出某一應(yīng)力水平時(shí)對(duì)應(yīng)的疲勞壽命，也可以由疲勞壽命測(cè)算相應(yīng)的應(yīng)力水平。但由于水泥土材料內(nèi)部存在孔洞、裂隙等初始缺陷，試驗(yàn)結(jié)果離散性較大，根據(jù)S-N關(guān)系推測(cè)水泥土的應(yīng)力水平或疲勞壽命時(shí)需要根據(jù)實(shí)際工況對(duì)公式進(jìn)行驗(yàn)證后方可采用。

表10 線(xiàn)性擬合參數(shù)表

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)水泥土的疲勞試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

(1)摻入適量的玄武巖纖維可以改善水泥土的抗壓、抗疲勞性能，而且對(duì)后者的影響更顯著。

(2)纖維水泥土在相同凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)的疲勞破壞周數(shù)明顯高于素水泥土，且纖維摻量越高，水泥土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力也越強(qiáng)，最佳纖維摻量有待進(jìn)一步研究。

(3)水灰比對(duì)水泥土的抗壓能力、抗疲勞能力的影響很大，因此在保證水泥土均勻拌合的前提下盡可能降低水灰比。水泥土受到凍融循環(huán)后的抗壓強(qiáng)度和疲勞破壞周數(shù)明顯減少，工程上應(yīng)采取措施來(lái)降低凍融循環(huán)對(duì)水泥土體的不利影響。

(4)應(yīng)力水平越高，水泥土的疲勞壽命越短，應(yīng)力水平是決定水泥土材料疲勞壽命的關(guān)鍵因素。疲勞壽命N和應(yīng)力水平S之間的關(guān)系可以用線(xiàn)性方程進(jìn)行擬合，工程上可根據(jù)S-N關(guān)系推測(cè)出水泥土的應(yīng)力水平或疲勞壽命。