玄武巖纖維水泥土抗壓強度試驗研究

陳 峰

(福建江夏工程學院，福建省環保節能型高性能混凝土協同創新中心,福建 福州 350108)

玄武巖纖維水泥土抗壓強度試驗研究

陳 峰

(福建江夏工程學院，福建省環保節能型高性能混凝土協同創新中心,福建 福州 350108)

為提高水泥土的受力性能，利用纖維加筋增強效果，探討在水泥土中摻入玄武巖纖維來改善其力學性能的方法.通過對不同配比的玄武巖纖維水泥土開展無側限抗壓試驗，結果表明:玄武巖纖維的摻入能明顯提高不同齡期水泥土試件的抗壓強度，但隨著纖維摻量的增加，其增強效果逐漸減弱.玄武巖纖維的摻入使水泥土塑性增強，試件達到峰值應力后仍能承受一定荷載，存在殘余強度，有利于提高工程安全性和穩定性.此外，根據實驗結果建立了不同配比的玄武巖纖維水泥土抗壓強度與齡期的關系式，可為實際工程提供參考.

軟土加固；水泥土；玄武巖纖維；無側限抗壓強度；纖維摻量

近年來，隨著地下工程的迅速發展，水泥土因其低壓縮性、低滲透性等優越特性被廣泛用于地基加固、止水帷幕、邊坡加固與穩定、深基坑支護等工程領域.然而，水泥加固軟土的強度存在偏低現象，常常達不到設計的強度要求，因此，如何改善其強度成為水泥土研究中的熱點[1].除了提高固化劑摻量、添加化學外摻劑和添加粉煤灰[2-5]等常規方法外,現在有研究者提出通過在水泥土中摻入纖維來提高水泥土強度的方法.殷勇[6]采用玻璃纖維來改善水泥土的力學性能；唐朝生等[7]提出利用聚丙烯纖維的物理加筋作用結合水泥的化學加固作用，討論了聚丙烯纖維的摻入量及長度對水泥土強度的影響；Nilo Cesar Consoli等[8]通過纖維水泥土的無側限抗壓試驗，發現纖維的加入提高了水泥土的抗壓強度；Hamidi等[9]通過常規三軸壓縮試驗及剪切等試驗，研究了聚丙烯纖維對水泥土強度的影響；Consoli等[10]還考慮了寬膠結范圍內纖維摻入對砂土強度的影響.目前，在纖維水泥土的研究中，尚沒有針對玄武巖纖維水泥土的相關研究.而玄武巖纖維具有良好的力學性能及較高的性價比，已被作為高性能混凝土的增強材料并取得了良好效果.因此，本研究通過抗壓強度試驗，研究相同水泥摻合比下，不同玄武巖纖維摻量、不同齡期水泥土試件的抗壓性能.

1 試驗研究方法

1.1 試驗材料

實驗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粘土，基本物理力學性能為：ω=54.5%，γ=16.2 kN·m-3，e=1.499，WL=45.%，WP=20.8%，IP=24.3%，IL=1.39,C=9.0 kPa，Φ=6.5°.水泥采用福建水泥股份有限公司煉石水泥廠生產的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的玄武巖纖維短切原絲，其主要的物理性能為：ρ=2 650 kg·m-3，R=17 μm,σb=4.15～4.80 GPa，E=93～110 GPa,斷裂伸長率為3.1%.

1.2 試樣成型及養護

試驗時先將土樣通過烘箱烘干之后粉碎過篩，并按初始含水率54.5%加水進行混合.再將纖維加入砂漿攪拌機與濕土攪拌均勻,將水和水泥放入砂漿攪拌機進行攪拌直至均勻，配制成水泥漿,再將配制好的水泥漿加入土樣中攪拌至均勻，攪拌時間應不少于5 min.將攪拌均勻的水泥土分三層裝入試模中，每裝完一層即在試模上表面覆蓋塑料薄膜后在振動臺上振動至密實，振動時間不少于60 s.完成最后一層振實后，水泥土上表面略高于試模上沿，把涂有一薄層脫模劑的平板玻璃均勻地壓在試模頂部.

試件成型后24 h拆模，放入溫度(20±3)℃、相對濕度90%以上的環境中進行標準養護，按試驗所需齡期分別養護7、28、60、90 d(從攪拌水泥漿開始計).

1.3 試驗方案

抗壓試驗采用70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm的立方體試件，通過壓力機以0.15 kN·s-1的加載速率均勻加載至破壞，記錄其破壞荷載，從而換算為試件的抗壓強度.通過等步增量(0.5%)的玄武巖纖維摻量,研究玄武巖纖維摻量對水泥土抗壓強度的影響.土樣含水率按原狀土的含水率配置，水泥土的摻入比為15%及16.5%，其中15%的為四組(A，C，D，E)對應纖維摻入比分別為1.5%、1.0%、0.5%和0%，16.5%的一組(B)對應纖維摻入比為0%，水灰比統一采用0.5.每個配比對7、28、60、90 d齡期各制作三個試件進行養護.

2 試驗結果與分析

2.1 玄武巖纖維摻量與水泥土抗壓強度的關系

試驗結果處理時，對每一組三個平行試件的破壞荷載取平均值，通過下式計算玄武巖纖維水泥土試件的抗壓強度，計算結果見表1及圖1.通過表1和圖1可以看出玄武巖纖維的摻入對水泥土抗壓強度有比較明顯的增強作用，具體分析如下:

fcu=P·A-1

式中：P為破壞荷載(N);A為試件受壓底面積(mm2).

表1 抗壓強度試驗結果Tab.1 Test result of unconfined compressive strength

1)由試驗結果可知，在7 d齡期時，水泥摻量及玄武巖纖維摻量的增加都較明顯提高了水泥土的抗壓強度.其中，試件D(水泥摻量15%、玄武巖纖維摻量1%)的抗壓強度約比試件B(單摻水泥16.5%)的抗壓強度強9.9%.由此可見，在同等條件下，玄武巖纖維摻量對水泥土抗壓強度的增強效果要優于水泥摻量增加帶來的增強效果.相同的水泥摻入比(15%)，不同玄武巖纖維摻入比(0.5%、1.0%、1.5%)的試件C、D、E，其7 d齡期水泥土較同等條件下不摻玄武巖纖維的試件A，其抗壓強度增長率分別為16.7%、32.1%和41.7%.

圖1 抗壓強度與齡期關系Fig.1 Relationship between unconfined compressive strength and age

玄武巖纖維摻量的等量增加，其每個階段的增量對水泥土的抗壓強度的增加效率是有所不同的.在第一個0.5%玄武巖纖維增量下，玄武巖纖維對水泥土抗壓強度的增幅最大，且隨著纖維的等量增加，抗壓強度的增長率慢慢變小，即增幅變小.

2)在28 d齡期時，與7 d齡期時相比，水泥摻量15%、玄武巖纖維摻量0.5%的水泥土試件C的抗壓強度已經高于單摻水泥16.5%的水泥土試件B.說明隨著齡期的增長，水泥水化程度越來越充分，水泥土顆粒與纖維之間的界面摩擦力得到極大增強，纖維加筋作用得到很好的展示.同樣，水泥土抗壓強度也隨著纖維摻量的增加得到提高.與在7 d齡期時一樣，等量玄武巖纖維增量下，第一個0.5%玄武巖纖維增量對水泥土抗壓強度的增長率最大，增強效果比較明顯.而后再增加纖維的增強效率則依次降低.

3)在60、90 d齡期時，隨著水泥水化、硬凝等作用程度越來越充分，水泥土顆粒與玄武巖纖維的界面摩擦力得到很大提高，玄武巖纖維對水泥土抗壓強度增強效果得到很好的展示.與7、28 d齡期一樣，60、90 d齡期下，隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥土試件抗壓強度也逐漸提高，且隨著玄武巖纖維摻量的等步增加，其對水泥土抗壓強度的增長速率也逐漸變慢.

4)綜上所述，水泥土抗壓強度隨著水泥摻量及玄武巖纖維的摻量增加而提高，且后者的增強效率要高于前者.對比各個齡期的試驗結果可知，玄武巖纖維對水泥土抗壓強度的增強即加筋作用，主要是纖維摻入，抑制了水泥土在受拉應力作用下裂縫的出現和發展，從而提高了水泥土強度.而水泥土試件中水泥的水化、硬凝程度對玄武巖纖維的加筋作用有著直接影響，隨著齡期增長，水泥水化、硬凝程度越來越充分，玄武巖纖維加筋效果也越來越明顯.此外，從每個齡期的試驗結果還可看出，玄武巖纖維摻量的等量增長對水泥土抗壓強度的增長效率在第一個5%時為最大，而后摻量增加的影響逐漸減弱.其原因主要為玄武巖纖維摻量過多而在試件中分布不均，導致水泥土在水化時沒有較好地增強其與水泥土顆粒之間的界面摩擦力及握裹力，從而使增強效率降低.

2.2 玄武巖纖維水泥土的受壓破壞性狀

1)脆性破壞.單摻水泥的水泥土的受壓破壞主要表現為脆性破壞，如圖2(a)所示.加載過程中試件四周有塊體剝離，且隨著荷載增加剝離程度越來越大.當試件達到其極限荷載時，試件中因加載形成的微裂隙迅速貫通，形成連通的裂隙面，荷載驟降，試件迅速發生破壞.說明單摻水泥的水泥土隨著齡期增長，水泥水化及硬凝作用充分進行，水泥土更多地表現出類似于水泥石或混凝土的破壞特征，呈現出脆性破壞的特點.

圖2 水泥土的破壞形態Fig.2 Failure mode of cement-soil

2)塑性破壞.摻入玄武巖纖維時，水泥土試件為塑性破壞形式，如圖2(b)所示，表現為達到峰值時試件表面產生多條縱向和斜向的微裂縫，但未形成貫通的裂隙面，試件尚能保持基本形狀.超過峰值后，應力下降比較緩慢，試件仍然能夠承受一定荷載，存在殘余強度.這是因為玄武巖纖維水泥土具有一定塑性，壓力增大使水泥土顆粒以及顆粒與玄武巖纖維間的結構變得更加密實，空間交織結構重新排列及不同位置玄武巖纖維抗拉強度的發揮，使玄武巖纖維與土體之間的咬合摩擦力和纖維在土體中交織形成的空間約束力不斷增加，有效起到荷載傳遞和分散作用，對破壞裂隙的產生起到限制作用，增加了土體整體性.說明加入玄武巖纖維使水泥土破壞韌性提高，同時降低其脆性，有利于提高工程的安全性和穩定性.

2.3 玄武巖纖維水泥土抗壓強度與齡期的關系式

3 結語

1)玄武巖纖維對水泥土試件的抗壓強度有較大提高.在試驗范圍內，玄武巖纖維摻量增加對水泥土試件增強效果高于水泥摻量增加帶來的增強效果，即相比之下，玄武巖纖維具有更高的增強效率.

2)玄武巖纖維對水泥土抗壓強度的增強即加筋作用主要是靠水泥水化后水泥土顆粒與玄武巖纖維之間的界面摩擦力及握裹力提高而體現.隨著齡期增長，水泥水化、硬凝程度越來越充分，玄武巖纖維的加筋效果也越來越明顯.玄武巖纖維的增強效果在纖維摻量為0.5%時較為明顯，而后隨著摻量增加增強的效率逐漸減弱.

3)玄武巖纖維的摻入增強了水泥土的塑性特征，使水泥土破壞形式向塑性發展.當試件達到峰值應力后仍能承受一定的荷載，存在殘余強度，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，有利于提高工程的安全性和穩定性.

4)根據試驗結果，建立了玄武巖纖維水泥土試件抗壓強度與齡期的關系式，可為實際工程中水泥土的強度預測提供參考.

[1] 龔曉南.21世紀巖土工程發展展望[J].巖土工程學報，2000，22(2)：238-242.

[2] 賀建清，曾娟，孫希望.低摻量水泥土抗剪強度試驗研究[J].礦冶工程，2009，29(6)：9-12.

[3] 賈蒼琴，黃茂松，姚環.水泥-粉煤灰加固閩江口地區軟粘土試驗研究[J].同濟大學學報(自然科學版)，2004，32(7)：705-709.

[4] HORPIBULSUK S,MIURA N,BERGADO D T.Undrained shear behavior of cement admixed clay at high water content[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,2004,130(10)：1 096-1 105.

[5] 陳燁，簡文彬，林生涼，等.水泥土的超聲波特性研究[J].福州大學學報(自然科學版)，2006,34(1):124-127.

[6] 殷勇，于小軍.玻璃纖維增強水泥土的試驗研究[J].巖土工程界，2006，9(11)：68-71.

[7] 唐朝生，顧凱.聚丙烯纖維和水泥加固軟土的強度特性[J].土木工程學報，2011，44(增刊1)：5-8.

[8] CONSOLI N C,ARCARI BASSANI M A,FESTUGATO L.Effect of fiber-reinforcement on the strength of cemented soils[J].Geotextiles and Geomembranes,2010,28(4)：344-351.

[9]HAMIDI A,HOORESFAND M.Effect of fiber reinforcement on triaxial shear behavior of cement treated sand[J].Geotextiles and Geomembranes,2013,36(1)：1-9.

[10] CONSOLI N C,VENDRUSCOLO M A,FONINI A,etal.Fiber reinforcement effects on sand considering a wide cementation range[J].Geotextiles and Geomembranes,2009,27(3)：196-203.

[11] 龔曉南.地基處理手冊[M].3版.北京：中國建筑工業出版社，2008.

(責任編輯：沈蕓)

Experimentstudy on compressive strength of basalt fiber cement-soil

CHEN Feng

(School of Engineering,Collaborative Innovation Center for Environmentally Friendly and Energy Saving High Performance Concrete of Fujian Province,Fujian Jiangxia University,Fuzhou,Fujian 350108,China)

In order to enhance the mechanics quality of cement-soil,the basalt fiber’s reinforcement effect,and the way to improve cement soil’s strength by means of mixing the basalt fiber have been discussed in this paper.The unconfined compression test was conducted on cement-soil mixing with basalt fiber in different ratio.The result showed that the incorporation of basalt fiber could effectively improve compressive strength of cement-soil specimens in different ages and it also strengthened the plastic characteristics of cement-soil.But with the increasing of fiber content,the enhancement effect was gradually weakened.The basalt fiber cement-soil specimens could still support a certain amount of load after reaching the peak load.Thus it could improve the security and stability of engineering project.Besides,the relationship between the unconfined compression strength and age of the cement-soil mixing with basalt fiber in different ratio was established.

soft soil improvement; cement-soil; basalt fiber; unconfined compressive strength; fiber content

10.7631/issn.1000-2243.2017.02.0212

1000-2243(2017)02-0212-04

2015-12-02

陳峰(1980-)，博士，副教授，主要從事土木工程材料力學性能方面的研究，cfxh@fzu.edu.cn

福建省自然科學基金資助項目(2015J01634)；福建省省屬高校專項基金資助項目(JK2014059)

TU411

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