酸堿環(huán)境下纖維水泥土力學(xué)特性研究

師瑩琨，劉 鋒，陳四利，張晨曦，王艷文

(1.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110870；2.濟(jì)寧市政府投資工程建設(shè)管理中心，濟(jì)寧 272000)

0 引 言

在生產(chǎn)玻璃纖維時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量廢絲，這些工業(yè)尾料占總產(chǎn)量的10%～15%，由于回收再制成玻璃絲的流程復(fù)雜，工業(yè)大多選擇深埋的處理方式，對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。因此解決玻璃纖維工業(yè)尾料的再利用問(wèn)題，對(duì)中國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。國(guó)內(nèi)的多名學(xué)者對(duì)工程材料中摻入玻璃纖維進(jìn)行了研究,如王建超等[1]利用分形理論探討了廢棄纖維對(duì)再生混凝土碳化深度的影響，周靜海等[2]研究了廢棄纖維摻入體積對(duì)混凝土受力性能的影響。

而近年來(lái)隨著公路交通及地下工程的快速發(fā)展，水泥土因其造價(jià)低、便于施工、材料簡(jiǎn)單、污染少等優(yōu)點(diǎn)，在公路建設(shè)，邊坡防護(hù)等方面得到了廣泛應(yīng)用。但普通素水泥土仍屬于脆性材料且強(qiáng)度較低，在實(shí)際工程中可能出現(xiàn)脆性破壞進(jìn)而引發(fā)安全事故[3]。很多科研工作者開(kāi)始關(guān)注水泥土力學(xué)性能改良問(wèn)題，相關(guān)試驗(yàn)表明，在水泥土中加入纖維可以有效提高水泥土抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度[4]；與素水泥土相比，纖維水泥土在達(dá)到應(yīng)力峰值時(shí)，其相應(yīng)的應(yīng)變會(huì)明顯提高，且破壞后的殘余強(qiáng)度也有一定增加。殷勇等[5]研究表明，摻入適量且長(zhǎng)度合適的玻璃纖維，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度有明顯提升。因此玻璃纖維摻入水泥土中制成纖維水泥土，是玻璃纖維尾料再利用的重要途徑之一。

另一方面，由于工業(yè)制造、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生活污水排放等人為影響，我國(guó)大部分地區(qū)的地下水呈現(xiàn)不同酸堿度且差異較大，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重[6]。因部分水泥土長(zhǎng)期處于地下水浸泡環(huán)境中，陳四利等[7]對(duì)不同酸堿度環(huán)境下的水泥土進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明堿性環(huán)境有利于水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)，酸性環(huán)境會(huì)影響水泥的固化作用進(jìn)而影響水泥土的力學(xué)性能。

目前應(yīng)用于水泥土中的纖維種類(lèi)主要有玻璃纖維、玄武巖纖維及碳纖維等。而玻璃纖維由于制作工藝的提升，已經(jīng)成為一種良好的耐酸堿腐蝕的材料，但廢棄玻璃纖維耐腐蝕的性能以及將廢棄玻璃纖維摻入水泥土中能否改善水泥土抵抗環(huán)境腐蝕的性能，還需進(jìn)一步研究。因此本文研究了摻入廢棄玻璃纖維的水泥土在不同酸堿養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，不同纖維摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土力學(xué)性能的影響，同時(shí)與玄武巖纖維水泥土及素水泥土在相同條件下的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，研究不同纖維改善腐蝕環(huán)境中的水泥土的抗劣化能力。本文的研究成果可以為使用了工業(yè)廢料的水泥土在不同環(huán)境下的力學(xué)性能變化的研究提供參考，并為解決玻璃纖維尾料的再利用問(wèn)題提供新思路。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用強(qiáng)度等級(jí)為42.5的普通硅酸鹽水泥，原狀土取自沈陽(yáng)某工地粉質(zhì)黏土，其物理性能指標(biāo)如表1所示，土體經(jīng)過(guò)風(fēng)干后，過(guò)5 mm篩并碾碎待用。由于廢棄玻璃纖維普遍較短小細(xì)碎，纖維長(zhǎng)度取平均值，玄武巖纖維長(zhǎng)度根據(jù)已有研究選取最優(yōu)長(zhǎng)度[8]，兩種纖維的物理性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 土的物理性能指標(biāo)Table 1 Physical performance parameters of soil

表2 纖維的物理性能指標(biāo)Table 2 Physical performance parameters of fiber

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試件均根據(jù)《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》[10]，按配合比設(shè)計(jì)計(jì)算每組試件各原材料的質(zhì)量，并放入攪拌機(jī)攪拌。攪拌時(shí)先將土、水泥、纖維放入鍋中干拌，攪拌均勻后再加水?dāng)嚢?0 min，然后將拌合物分兩次填入模具插搗并在振動(dòng)臺(tái)上振實(shí)，試件制作完成后編號(hào)，24 h后脫模。試件拆模后放入預(yù)先配置好的不同酸堿度環(huán)境下的養(yǎng)護(hù)溶液，在室溫下養(yǎng)護(hù)。

試驗(yàn)使用兩種纖維的摻量選取最優(yōu)摻量[11-12]：玻璃纖維摻量設(shè)置為水泥土質(zhì)量的1%和3%，玄武巖纖維摻量為水泥土質(zhì)量的0.5%和0.7%，水泥摻入比為18%，水泥漿的水灰比為1∶1，設(shè)置素水泥土為對(duì)照組。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(立方體)，抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的試件為尺寸為40 mm×40 mm×160 mm(長(zhǎng)方體)。將試件放置在pH=5和pH=12的溶液中，在室溫下(15～18 ℃)養(yǎng)護(hù)7 d、28 d與45 d，每種尺寸的試樣共30組，每組中有6個(gè)試樣，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值以減小誤差。在HCl溶液及NaOH溶液環(huán)境下養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期間每日定時(shí)使用pH計(jì)測(cè)量養(yǎng)護(hù)溶液pH值，當(dāng)pH值偏差大于1時(shí)，使用滴管添加HCl溶液和NaOH溶液，以維持養(yǎng)護(hù)溶液酸堿值穩(wěn)定。養(yǎng)護(hù)完成后，立方體試件使用WDW4206型微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率為0.5 mm/min，長(zhǎng)方體試件使用DKZ-5000型電動(dòng)抗折機(jī)進(jìn)行抗折試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 纖維水泥土開(kāi)裂破壞分析

不添加纖維的水泥土抗壓試驗(yàn)破壞形式主要為脆性張拉破壞，如圖1所示，加載開(kāi)始時(shí)試件無(wú)明顯裂紋開(kāi)展，隨著荷載增加，試件四角開(kāi)始剝落較小塊體，并逐漸有細(xì)小裂紋出現(xiàn)，當(dāng)荷載加載到峰值時(shí)，試塊上的裂紋快速擴(kuò)展最終形成貫通的裂紋。在酸性環(huán)境下養(yǎng)護(hù)的素水泥土，試塊剝落程度大，裂隙發(fā)展快。

圖1 素水泥土張拉破壞Fig.1 Tensile failure of cement soil

摻入玄武巖纖維的水泥土試件在受壓破壞時(shí)呈現(xiàn)塑性剪切破壞特征，如圖2所示，具體表現(xiàn)為試件在達(dá)到峰值前沒(méi)有明顯的碎塊或土體剝落，無(wú)明顯發(fā)展的宏觀裂隙，加載至極限荷載時(shí)，試件表面只有數(shù)條斜向微裂隙，沒(méi)有貫通的開(kāi)裂面。隨著纖維摻量增加，高摻量纖維水泥土試塊在加載到峰值應(yīng)力后，應(yīng)力下降緩慢，仍能承受一定的荷載，有殘余強(qiáng)度存在，沒(méi)有塊體剝落。可見(jiàn)加入纖維后水泥土的脆性特性得到改善，由于試件受壓時(shí)水泥土顆粒間的空間不斷被壓縮，顆粒與纖維之間結(jié)合更加緊密，空間結(jié)構(gòu)的改變促進(jìn)纖維發(fā)揮其抗拉能力，使土體與纖維之間的摩擦力和纖維在土體中交錯(cuò)分布而形成的空間約束力增加，即使在大變形情況下，纖維形成的空間約束仍在存在，從而保證了試件破壞后仍然具有一定殘余強(qiáng)度。

圖2 0.5%玄武巖纖維水泥土剪切破壞Fig.2 Shear failure of 0.5% basalt fiber cement soil

圖3、圖4為摻入1%玻璃纖維的水泥土試件進(jìn)行抗折強(qiáng)度試驗(yàn)后的破壞形態(tài)，試件沒(méi)有完全開(kāi)裂為兩部分，而是有大量纖維在裂縫間連結(jié)。試件在試驗(yàn)過(guò)程中承受向下的壓力，土體內(nèi)的纖維受到外力擠壓而產(chǎn)生位移，在發(fā)生位移的過(guò)程中與土顆粒摩擦而產(chǎn)生摩擦阻力從而提高試件抗折強(qiáng)度。

圖3 1%玻璃纖維水泥土拉伸斷裂Fig.3 Tensile fracture of 1% glass fiber cement soil

圖4 1%玻璃纖維水泥土拉伸破壞截面Fig.4 Tensile fracture section of 1% glass fiber cement soil

2.2 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)纖維水泥土力學(xué)性能的影響

對(duì)纖維種類(lèi)及摻量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))進(jìn)行分組：A為1%廢棄玻璃纖維；B為3%廢棄玻璃纖維；C為0.5%玄武巖纖維；D為0.7%玄武巖纖維摻量；E為素水泥土對(duì)照組。

圖5～7為各實(shí)驗(yàn)組養(yǎng)護(hù)7 d、28 d、45 d時(shí)，不同種類(lèi)水泥土的抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)環(huán)境的變化。由圖5～7可知：堿性養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，摻入0.7%玄武巖纖維的水泥土的45 d抗壓強(qiáng)度最大；酸性環(huán)境中摻入1%廢棄玻璃纖維的水泥土的45 d抗壓強(qiáng)度最大；在纖維種類(lèi)與摻量相同的情況下，堿性養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的水泥土抗壓強(qiáng)度在各個(gè)齡期內(nèi)均高于酸性養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的。因此酸性養(yǎng)護(hù)溶液對(duì)摻入纖維的水泥土的抗壓強(qiáng)度均有負(fù)影響。

圖5 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響(7 d)Fig.5 Influence of curing environment on compressive strength of cement soil (7 d)

在28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期時(shí)，A～E組水泥土在酸性養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的抗壓強(qiáng)度較堿性養(yǎng)護(hù)下的分別降低了7.0%、5.9%、18.4%、42.1%、22.5%；齡期至45 d時(shí)，A～E組水泥土在酸性養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的抗壓強(qiáng)度較堿性養(yǎng)護(hù)下的分別降低了8.2%、8.1%、25.7%、39.1%、12.3%。摻入纖維可以提升水泥土的抗壓強(qiáng)度，是因?yàn)槔w維可以通過(guò)與水泥土顆粒間的摩擦力與粘聚力增加水泥土的整體性而增加強(qiáng)度，即加筋作用。酸性環(huán)境使水泥土劣化的原因是：溶液中大量的H+抑制了水泥土的水化過(guò)程，使水泥水化強(qiáng)度相對(duì)減小。酸性環(huán)境中H+對(duì)水泥土持續(xù)的劣化效應(yīng)會(huì)抵消部分加筋作用對(duì)抗壓強(qiáng)度的提升，使養(yǎng)護(hù)后期大部分摻入纖維的水泥土不再具有強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)，僅有摻入0.5%廢棄玻璃纖維水泥土的強(qiáng)度依然顯著高于素水泥土。

圖8為酸性環(huán)境下水泥土強(qiáng)度損失率柱狀圖。酸性環(huán)境對(duì)水泥土的腐蝕是持續(xù)性的，由抗壓強(qiáng)度及強(qiáng)度損失率可以看出，加入廢棄玻璃纖維的水泥土能有效改善酸性環(huán)境對(duì)水泥土力學(xué)性能的劣化效應(yīng)。雖然摻入玄武巖纖維的水泥土在養(yǎng)護(hù)期間的抗壓強(qiáng)度始終高于不添加纖維的素水泥土，但酸性環(huán)境下的強(qiáng)度損失率卻明顯高于廢棄玻璃纖維水泥土和素水泥土(見(jiàn)圖8)，說(shuō)明由于水泥土持續(xù)處于酸性環(huán)境下，摻入玄武巖纖維的水泥土強(qiáng)度會(huì)降低，導(dǎo)致纖維對(duì)水泥土力學(xué)性能的提升作用減小。

圖6 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響(28 d)Fig.6 Influence of curing environment on compressive strength of cement soil (28 d)

圖7 養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響(45 d)Fig.7 Influence of curing environment on compressive strength of cement soil (45 d)

圖8 酸性環(huán)境下水泥土強(qiáng)度損失率Fig.8 Cement soil strength loss rate in acidic environment

堿性環(huán)境下兩種摻入纖維的水泥土在全部齡期的抗壓強(qiáng)度均高于不摻加纖維的素水泥土。這是因?yàn)閴A性養(yǎng)護(hù)溶液在整個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期內(nèi)始終維持著強(qiáng)堿性環(huán)境，充足的OH-自水泥土開(kāi)始水化起，就不斷與土體中析出的Ca2+、Mg2+反應(yīng)，生成弱電解質(zhì)與沉淀等物質(zhì)，填充了試件內(nèi)部孔隙[9], 使水泥土試件更加密實(shí)，整體性好。而這些新生的弱電解質(zhì)與沉淀，進(jìn)一步加強(qiáng)了纖維水泥土中，纖維與水泥土顆粒間的摩擦力與粘聚力。所以在各個(gè)養(yǎng)護(hù)齡期，堿性環(huán)境養(yǎng)護(hù)下的纖維水泥土抗壓強(qiáng)度均高于素水泥土的強(qiáng)度。

mCa(OH)2+SiO2+nH2O→mCa (OH)2·SiO2·nH2O

(1)

mCa(OH)2+Al2O3+nH2O→mCa(OH)2·Al2O3·nH2O

(2)

2.3 纖維種類(lèi)與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)纖維水泥土力學(xué)性能的影響

通過(guò)研究水泥土強(qiáng)度在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下隨齡期的發(fā)展規(guī)律，可以更好地指導(dǎo)水泥土加固設(shè)計(jì)和施工進(jìn)度安排。圖9、圖10為加入不同種類(lèi)纖維的水泥土，在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化。

圖9 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響(pH=12)Fig.9 Influence of curing age on compressive strength of cement soil(pH=12)

圖10 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響(pH=5)Fig.10 Influence of curing age on compressive strength of cement soil(pH=5)

在堿性養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，五組水泥土的抗壓強(qiáng)度均隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而增大，且各時(shí)期增長(zhǎng)速率有所不同，7～28 d齡期，A～E組增長(zhǎng)速率依次為0.072 MPa/d、0.052 MPa/d、0.087 MPa/d、0.14 MPa/d、0.04 MPa/d。摻入量為0.7%的玄武巖纖維水泥土(D組)28 d抗壓強(qiáng)度最大，為6.68 MPa。在28～45 d齡期內(nèi)，各組試件抗壓強(qiáng)度日均增長(zhǎng)速率全部減慢，摻入玄武巖纖維的C、D兩組試件減緩程度最大，分別為0.003 MPa/d(0.5%摻量)、0.006 MPa/d(0.7%摻量)，而摻入廢棄玻璃纖維的兩組試件的日增長(zhǎng)速率均約為0.013 MPa/d，不添加纖維的素水泥土的抗壓強(qiáng)度日增長(zhǎng)速率在各齡期較為穩(wěn)定。

由于廢棄玻璃纖維單絲直徑為20 μm，其表面會(huì)有部分無(wú)定形SiO2存在[11]，堿性養(yǎng)護(hù)環(huán)境下大量存在的的OH-會(huì)在一定程度上激發(fā)玻璃纖維的活性，即玻璃纖維的高能-Si-O-鍵被打破-Si-O-鍵的斷裂會(huì)消耗水泥土中水泥水化產(chǎn)生的Ca(OH)2從而生成水化硅酸鈣，同時(shí)降低養(yǎng)護(hù)環(huán)境的堿度，進(jìn)一步促進(jìn)水泥水化，使廢棄玻璃纖維水泥土發(fā)生二次水化。這一現(xiàn)象體現(xiàn)為摻入廢棄玻璃纖維的水泥土在養(yǎng)護(hù)中后期仍有一定的強(qiáng)度增長(zhǎng)率。而玄武巖纖維表面光滑，表面能低，是一種處于介穩(wěn)定狀態(tài)下的物質(zhì)，這種特點(diǎn)使得其化學(xué)耐久性好，有優(yōu)良的耐腐蝕性，尤其是在堿性環(huán)境下不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[12]，所以摻入玄武巖纖維的水泥土在28 d時(shí)已基本達(dá)到其最終強(qiáng)度。

在酸性養(yǎng)護(hù)環(huán)境下，素水泥土抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化程度降低，45 d強(qiáng)度只比28 d增長(zhǎng)15%。而摻量為0.5%的玄武巖纖維在28 d時(shí)就已達(dá)到最終強(qiáng)度，浸泡至45 d，強(qiáng)度甚至出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，0.7%摻量的玄武巖纖維水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)率也僅有9.2%，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，玄武巖纖維水泥土力學(xué)性能增長(zhǎng)很小。而摻入廢棄玻璃纖維的水泥土因延長(zhǎng)了養(yǎng)護(hù)齡期，使水泥土充分二次水化，一定程度上改善了水泥土的孔徑分布，使Ca(OH)2和AFH晶體減少，水泥凝膠數(shù)量增加，從而使界面結(jié)構(gòu)變得致密，可以抵抗酸性環(huán)境對(duì)水泥土的腐蝕效應(yīng)。

2.4 纖維摻量對(duì)水泥土脆性指標(biāo)的影響

基于抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度指標(biāo)建立的脆性評(píng)價(jià)指標(biāo)是研究脆性的常用方法[13]。脆性指數(shù)小，表明材料塑性性能良好，在實(shí)際工程中發(fā)生突然斷裂或坍塌的概率相對(duì)減小，且破壞時(shí)會(huì)先出現(xiàn)裂紋或大變形現(xiàn)象，為工程提供預(yù)警，增加了工程安全系數(shù)。不添加纖維的素水泥土屬于脆性材料，破壞時(shí)以脆性張拉破壞為主，添加適量纖維后水泥土表現(xiàn)出一定的塑性特征，現(xiàn)對(duì)45 d養(yǎng)護(hù)后，添加不同量廢棄玻璃纖維的水泥土脆性指標(biāo)隨纖維摻量的變化進(jìn)行分析。

定義纖維水泥土脆性指數(shù)為B，表達(dá)式如下：

(3)

式中：σc為抗壓強(qiáng)度，MPa；σt為抗折強(qiáng)度，MPa。摻入廢棄玻璃纖維的水泥土，其45 d抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖7，其抗折強(qiáng)度如表3所示。

表3 廢棄玻璃纖維水泥土抗折強(qiáng)度Table 3 Flexural strength of waste glass fiber cement soil

圖11為廢棄玻璃纖維摻量對(duì)脆性指標(biāo)的影響。由圖11可以看出，四個(gè)試驗(yàn)組的脆性指數(shù)均隨著廢棄纖維摻量的增加而呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。并且不摻加纖維的素水泥土的脆性指數(shù)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加而減?。欢尤脒m量纖維后，脆性指數(shù)隨著齡期的增加而增大。加入適量玻璃纖維后，使得抗壓強(qiáng)度得到明顯增強(qiáng)，而抗折強(qiáng)度增加有限，造成脆性指數(shù)增加；當(dāng)纖維量繼續(xù)增加，雖然抗壓強(qiáng)度較之前低纖維摻量時(shí)降低，但仍比素水泥土試塊高，然而此時(shí)抗折強(qiáng)度升高幅度較大，造成脆性指數(shù)下降。

圖11 廢棄玻璃纖維摻量對(duì)脆性指標(biāo)的影響Fig.11 Effect of waste glass fiber content on brittleness

3 結(jié) 論

(1)加入纖維的水泥土與普通素水泥土相比，在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境下的力學(xué)性能均有提升：堿性環(huán)境中摻入0.7%玄武巖纖維的水泥土45 d抗壓強(qiáng)度最大；酸性環(huán)境中摻入1%廢棄玻璃纖維的水泥土45 d抗壓強(qiáng)度最大。

(2)堿性環(huán)境下纖維水泥土達(dá)到峰值強(qiáng)度所需的養(yǎng)護(hù)齡期相對(duì)于酸性條件下的少，摻入0.5%玄武巖纖維的水泥土在酸性環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28 d后出現(xiàn)強(qiáng)度負(fù)增長(zhǎng)。

(3)增加纖維摻量，會(huì)影響水泥土的破壞形式，使水泥土由脆性轉(zhuǎn)為塑性，但過(guò)高的摻量會(huì)降低水泥土的抗壓強(qiáng)度。

(4)使用廢棄玻璃纖維摻入水泥土，其抵抗酸性環(huán)境腐蝕的能力均優(yōu)于不摻入纖維的素水泥土和摻入玄武巖纖維的水泥土。對(duì)于廢棄玻璃纖維摻入水泥土后抗酸性能優(yōu)于摻入玄武巖纖維水泥土的現(xiàn)象，需要進(jìn)一步研究其作用機(jī)理。