季凍區(qū)玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度試驗

徐麗娜， 牛 雷， 鄭俊杰

(1. 吉林建筑大學 土木工程學院， 吉林 長春 130118；2. 華中科技大學 土木工程與力學學院， 湖北 武漢 430074)

近年來，水泥土被廣泛應用于地基加固、路面墊層、基礎防滲、支護結構等各類工程中，它是將土、水泥和水按一定比例均勻攪拌，經(jīng)過一系列物理化學作用而形成的具有一定強度、整體性和水穩(wěn)性的復合材料[1]。水泥土是一種相對脆性材料，其抗壓強度較高，而抗拉強度、抗折強度較低[2,3]。為了改善水泥土的力學性質(zhì)，國內(nèi)外學者利用纖維加筋增強效果，將各類天然纖維或人工纖維摻入水泥土中，形成一種新型復合材料——纖維水泥土[3～6]。

季節(jié)性凍土區(qū)是指地表層冬季凍結、夏季全部融化的地區(qū)。在我國，大約有一半的地區(qū)處于季節(jié)性凍土區(qū)，每年土體至少要經(jīng)歷一次凍融循環(huán)[7,8]，凍融循環(huán)作用是影響水泥土結構和強度的一個非常重要的因素[9]。因此，國內(nèi)外學者已經(jīng)在這方面展開了一定的研究。王天亮等[10,11]發(fā)現(xiàn)在凍融循環(huán)作用下，水泥土的應力-應變關系為加工軟化型，而石灰土的應力-應變關系為加工硬化型，在反復凍融作用下水泥土的改良效果要優(yōu)于石灰土。Shibi 和Kamei[12]研究了凍融循環(huán)作用對水泥、燒石膏和粉煤灰加固土強度的穩(wěn)定性和持久性等的影響，并分析了燒石膏和粉煤灰的摻量與強度持久性之間的關系。Li等[13]通過室內(nèi)試驗，分析了凍融循環(huán)作用和溫度對纖維水泥土的應力-應變關系、無側(cè)限抗壓強度、彈性模量等影響。Aldaood等[14]研究了凍融循環(huán)作用對石灰加固石膏質(zhì)土體的力學性質(zhì)的影響。侯淑鵬等[15]通過研究發(fā)現(xiàn)水泥土的抗壓強度和質(zhì)量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，并得到抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)之間呈線性關系。Orakoglu和 Liu[16]通過不飽和不排水三軸試驗研究了細粒土在不同纖維摻量及不同凍融循環(huán)次數(shù)時的強度特征，研究表明，纖維起到了良好的效果，使凍融循環(huán)后土的強度損失由40%降低到了18%。王強等[17]通過室內(nèi)試驗分析凍融條件下水泥固化鉛污染土的抗壓強度特性，并建立水泥固化鉛污染土的抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)變化的預測模型。崔宏環(huán)等[18]對不同養(yǎng)護期齡的水泥改良土在不同凍融循環(huán)次數(shù)條件下進行單軸抗壓強度試驗研究。Ding等[19]通過無側(cè)限抗壓強度試驗得到了凍融循環(huán)作用對聚丙烯纖維水泥土力學性質(zhì)的影響，其中包括試樣尺寸的改變、應力-應變關系曲線、殘余應力比、正切模量等與凍融循環(huán)作用次數(shù)、水泥及纖維摻量之間的關系。

本文以吉林省長春市凈月區(qū)的紅色砂土為研究對象，以玄武巖纖維和水泥為加固材料，通過一系列的無側(cè)限抗壓強度試驗，研究了玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)、纖維長度之間的關系，探討了凍融循環(huán)作用下纖維水泥土的強度損失規(guī)律及應力-應變的關系特征，可為今后玄武巖纖維水泥土在季節(jié)性凍土區(qū)的應用提供一定的借鑒與參考。

1 試驗材料及試樣制備

1.1 試驗材料

本文采用的土樣取自吉林省長春市凈月區(qū)某基坑，土樣呈紅色，如圖1a所示。本研究按照JGJ/T 233-2011《水泥土配合比設計規(guī)程》中的要求進行配合比設計、試樣的制備及相關試驗。將采集的土樣在自然條件下風干，碾碎，并通過5 mm的篩，過篩后的試驗土樣如圖1b所示。圖2是試驗中所用土樣的粒徑分布曲線。

圖1 取樣現(xiàn)場及風干、過篩后的土樣

圖2 粒徑分布曲線

試驗中所采用的水泥是由長春亞泰集團生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥，水泥的強度等級為P·O 42.5。本試驗所采用的纖維為海寧安捷復合材料有限公司生產(chǎn)的短切玄武巖纖維，其直徑為7～15 μm。

1.2 試樣制備

試樣采用立方體試模，試樣的尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，試驗中所選用的水灰比為0.5，水泥摻量為10%，纖維摻量為0.5%，摻入纖維長度分別為0，3，6，12，20，35 mm。

試樣制備過程如下：(1)先將風干、過篩后的土樣和水泥攪拌均勻，摻入纖維后干攪，而后加水拌和至均勻；(2)將試樣裝入塑料模具中，放置振動臺振動3 min；(3)將頂部多余水泥土刮除后，蓋上塑料薄膜，在室溫(20±3 ℃)下，靜置48 h后拆模，圖3為拆模后試樣的照片；(4)試驗采用常溫水中養(yǎng)護，將拆模后試件放入水中，試件間的間隔不小于10 mm，水面高出試件表面不小于20 mm，養(yǎng)護28 d。

圖3 制備好的試樣

2 試驗方法

2.1 無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度試驗儀器采用長春科新試驗儀器有限公司生產(chǎn)的微機控制電液伺服萬能試驗機。加載采用位移勻速控制，加載速率為0.1 mm/s。

2.2 凍融循環(huán)試驗

參照吉林省長春地區(qū)的溫度變化及文獻[18]，本試驗首先將試塊在-15 ℃的溫度中凍結24 h，而后在室溫條件下水中浸泡24 h，該過程為一個凍融循環(huán)周期(次)，試驗中采用的凍融循環(huán)周期分別為0，3，6，11，20，24次。

3 試驗結果分析

3.1 玄武巖纖維對水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響

圖4為摻入不同長度的玄武巖纖維時水泥土的無側(cè)限抗壓強度，其中纖維長度分別為0，3，6，12，20，35 mm，養(yǎng)護齡期為28 d。從圖4可看出，摻入纖維后，水泥土的無側(cè)限抗壓強度均有所降低，與未摻入纖維的水泥土的強度相比分別降低了9.52%(3 mm)，10.79%(6 mm)，21.56%(12 mm)，27.97%(20 mm)和3.09%(35 mm)，其中摻入中等長度(如12，20 mm)時，強度下降比較明顯。主要原因是當摻入玄武巖纖維后，纖維在水泥土中呈無序、均勻分布，由于纖維之間的相互接觸會導致微孔隙的出現(xiàn)，纖維之間的接觸點越多，微孔隙就越多，進而形成裂縫從而導致其強度下降。當加入3，6 mm的短纖維時，纖維短，更容易分散，重疊交叉較少；摻入長度為35 mm的纖維時，摻入的數(shù)量較少，也不容易出現(xiàn)重疊交叉現(xiàn)象；當摻入中等長度纖維(如12，20 mm)時，由于在相同摻量的前提下，摻入數(shù)量較多，發(fā)生重疊、交叉、抱團的幾率比較大，更容易增加微孔隙，因此，強度降低明顯。

圖4 玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度與纖維長度的關系(養(yǎng)護齡期為28 d)

3.2 凍融循環(huán)作用對玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度的影響

圖5是摻入不同長度玄武巖纖維后，玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律。在凍融循環(huán)之前，未摻入纖維的水泥土無側(cè)限抗壓強度最大。經(jīng)過3次凍融循環(huán)后，纖維水泥土和未摻入纖維的水泥土的強度均有大幅下降，這是由于水泥土孔隙中的水凍結成冰，體積膨脹，在膨脹壓力的作用下，水泥土內(nèi)部結構發(fā)生損傷破壞，強度降低。在經(jīng)過6次和11次凍融循環(huán)時，纖維水泥土和未摻入纖維的水泥土的無側(cè)限抗壓強度有所提高，主要原因是經(jīng)過28 d的養(yǎng)護齡期，試樣中水泥的水化反應還未全部完成，同時本試驗融化過程采用的是在常溫水中融化，為水泥的水化反應提供了有利條件，因此，在融化過程中，水泥的水化反應繼續(xù)進行。在這個過程中，水泥土內(nèi)部受到凍融循環(huán)和水泥水化的共同作用，使內(nèi)部結構出現(xiàn)重塑，強度有所提高[18]。當經(jīng)過20次凍融循環(huán)后，水泥土中水泥的水化反應基本結束，水泥土的內(nèi)部結構趨于穩(wěn)定，此時，凍融循環(huán)作用更加明顯，強度繼續(xù)降低。經(jīng)過24次

圖5 玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關系

凍融循環(huán)后，未摻入纖維的水泥土強度下降幅度最大，其強度已經(jīng)明顯低于其他摻入纖維的水泥土強度。由此可知，纖維的摻入可以有效減緩水泥土強度的降低速率，從而提高了水泥土的抗凍性。

3.3 強度損失率

強度損失率可由式(1)計算得到。

(1)

式中：ΔfN為N次凍融循環(huán)后水泥土試件強度損失率；f0為凍融循環(huán)前水泥土試件的無側(cè)限抗壓強度；fN為N次凍融循環(huán)后水泥土試件的無側(cè)限抗壓強度。

根據(jù)式(1)可得到各個凍融循環(huán)次數(shù)下纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度損失率，如圖6所示。

圖6 玄武巖纖維水泥土強度損失與凍融循環(huán)次數(shù)關系

從圖6可以看出，未摻入纖維的水泥土在經(jīng)過24次凍融循環(huán)作用后，強度損失率最大，達到了34.58%，而其他摻入纖維的水泥土強度損失分別為10.01%(3 mm)，15.10%(6 mm)，11.77%(12 mm)，5.17%(20 mm)和12.13%(35 mm)。從整個凍融循環(huán)過程來看，摻入了長度為20 mm纖維的水泥土其強度損失率在不同凍融循環(huán)次數(shù)時的強度損失率均比較低，在0.98%～7.74%之間。結合圖4中玄武巖纖維水泥土無側(cè)限抗壓強度與纖維長度的關系可看出，在本試驗條件下，雖然摻入纖維未能提高水泥土的無側(cè)限抗壓強度，但纖維的摻入可以有效減緩水泥土在凍融循環(huán)過程中的強度損失。

3.4 應力-應變關系

圖7是纖維水泥土分別在凍融循環(huán)前和24次凍融循環(huán)作用下應力與應變之間的關系。從圖7a可看出，凍融循環(huán)前，未摻入纖維的水泥土峰值強度明顯高于其他摻入纖維的水泥土的峰值強度。從圖7b可看出經(jīng)過24次凍融循環(huán)后，未摻入纖維的水泥土的峰值強度低于摻入纖維的水泥土峰值強度。同時，在經(jīng)過24次凍融循環(huán)后，未摻入纖維的水泥土破壞時的軸向應變?yōu)?.98%，而摻入纖維的水泥土破壞時的軸向應變分別為2.08%(3 mm)，2.45%(6 mm)，2.13%(12 mm)，2.15%(20 mm)，2.62%(35 mm)。這表明，經(jīng)過凍融循環(huán)后，纖維不僅可以提高水泥土的無側(cè)限抗壓強度，同時，還有效改善了水泥土的破壞狀態(tài)，提高了水泥土的韌性。主要原因是分散的玄武巖纖維能夠在水泥土中形成網(wǎng)狀結構，與土顆粒共同受力改善水泥土的韌性，提高了水泥土的抗凍性。

圖7 不同纖維長度時水泥土應力-應變關系曲線

圖8為不同凍融循環(huán)次數(shù)時纖維水泥土應力與應變之間的關系。從圖8a可看出，未摻入纖維的水泥土的峰值強度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加明顯降低，同時，水泥土破壞時的軸向應變從2.65%(凍融循環(huán)前)降低到0.98%(24次凍融循環(huán)后)，這說明，經(jīng)過凍融循環(huán)后，水泥土的韌性減小了，更具脆性，主要是由于凍融循環(huán)作用破壞了水泥土的內(nèi)部結構，削弱了水泥土內(nèi)部結構粘結作用而引起的。而對于其他摻入纖維的水泥土來說(如圖8b，8c)，經(jīng)過3次凍融循環(huán)后，纖維水泥土峰值強度下降比較明顯，而之后經(jīng)歷凍融循環(huán)時，纖維水泥土的峰值強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加變化不明顯，破壞時軸向應變變化也不明顯，由此可以說明，纖維的摻入對抵抗凍融循環(huán)作用起到了一定的效果。

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)時纖維水泥土應力-應變關系

3.5 玄武巖纖維水泥土凍融破壞機理

水泥土抗凍性能受水泥土中水的含量、孔隙的數(shù)量和大小的影響較大。水泥土中的各類孔隙都是部分飽和的，在凍結過程中，孔隙中的水凍結成冰后，體積膨脹，產(chǎn)生凍脹力，當孔隙中的凍脹力達到水泥土的抗拉強度時，水泥土內(nèi)部就會產(chǎn)生新的裂隙[18,19]。在融化過程中，水進入到新的裂隙中，當水泥土再次進入凍結階段時，內(nèi)部的裂紋會持續(xù)擴展。經(jīng)過反復凍融循環(huán)，水泥土內(nèi)部裂紋不斷地產(chǎn)生、擴展，從而導致水泥土內(nèi)部結構破壞，使水泥土強度降低，并出現(xiàn)掉塊、碎裂等現(xiàn)象。將玄武巖纖維摻入到水泥土中，纖維水泥土的抗凍性能明顯提高，主要原因是，一方面，分散的玄武巖纖維能夠在水泥土中形成網(wǎng)狀結構，起到加筋作用，提高了水泥土的抗拉性能，可以很好地抑制由于凍脹力而產(chǎn)生的裂紋，阻止了水泥土內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和進一步發(fā)展；另一方面，分散的玄武巖纖維可在水泥土中形成均勻分布不相連的微孔，堵塞或阻斷了水泥土中滲水的通道，改善了水泥土的結構，因此，提高了水泥土的抗凍性[20,21]。

4 結 論

通過本文的研究，得到以下結論：

(1)摻入質(zhì)量比為0.5%的纖維后，纖維水泥土的無側(cè)限抗壓強度均有所降低，其中， 摻入纖維長度為12，20 mm時，水泥土的強度分別降低了21.56%，27.97%，下降幅度較大，說明纖維的摻入未能有效地提高水泥土的無側(cè)限抗壓強度。

(2)經(jīng)過3次凍融循環(huán)后，由于凍融循環(huán)作用，纖維水泥土內(nèi)部結構受損，纖維水泥土的無側(cè)限抗壓強度值均有所下降。僅僅進行28 d養(yǎng)護，水泥土的水化反應還未全部完成，其強度將持續(xù)增加，在凍融循環(huán)和水泥水化反應的共同作用下，纖維水泥土在經(jīng)過6次和11次凍融循環(huán)后，纖維水泥土的無側(cè)限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而增大。經(jīng)過20次凍融循環(huán)后，水泥水化反應基本結束，水泥土內(nèi)部結構趨于穩(wěn)定，此時凍融循環(huán)作用更加明顯，強度將繼續(xù)降低。

(3)在經(jīng)過24次凍融循環(huán)作用后，未摻入纖維的水泥土無側(cè)限抗壓強度下降最大，強度損失率達到了34.58%，而其他摻入纖維的水泥土強度損失率在5%～15%之間，表明纖維的加入可以有效減緩水泥土在凍融循環(huán)作用下的強度損失。

(4)在經(jīng)過24次凍融循環(huán)后，未摻入纖維的水泥土破壞時的軸向應變?yōu)?.98%，而摻入纖維的水泥土破壞時的軸向應變分別為2.08%(3 mm)，2.45%(6 mm)，2.13%(12 mm)，2.15%(20 mm)，2.62%(35 mm)。這表明，纖維的加入可以有效改善水泥土的抗破壞性能，提高水泥土的韌性，對于水泥土抗凍性的提高起到了積極的作用。