凍融循環對玄武巖纖維水泥土力學性能的影響試驗

郭少龍, 鹿 群 , 林永良, 劉有志

(1.天津城建大學天津市軟土特性與工程環境重點實驗室，天津 300384； 2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098; 3.天津城建大學信息化建設管理中心，天津 300384； 4.天津元旭工程咨詢管理有限公司，天津 300191)

我國季節性凍土和常年凍土分布廣泛，這些地區的路基和復合地基工程中，水泥土因較差的抗凍性而受到一定的應用限制，因此提高集合料在循環凍融條件下的強度和改善其在惡劣環境下抵抗侵蝕的能力是水泥土在上述地區能夠長期使用的關鍵[1]。

水泥土中含有水化剩余的自由水，在凍融條件下自由水結冰膨脹，水泥石-土顆粒骨架受到損傷，水泥土結構破壞，產生大小不等的裂紋，使水泥土的抗壓、抗拉能力都有不同程度的降低。董慧等[2-4]通過試驗發現與未凍融水泥土相比，凍融水泥土的強度受含水率的影響更大；凍融水泥土的強度和剩余質量均隨凍融次數的增加而減小，前期的凍融循環對其強度損失影響更大；水泥土的滲透系數隨凍融循環次數的增加而變大。

相關研究表明在水泥土中均勻地摻入適量纖維可以改善水泥土的抗壓強度、抗拉強度和抗凍融性能[5-8]。已有的纖維水泥土相關研究中摻入的纖維主要是聚丙烯纖維、玻璃纖維，玄武巖纖維很少見到。玄武巖纖維作為一種新型無機高性能材料，具有強度高、電絕緣、耐腐蝕、耐高溫等特點，是一種綠色、環保的材料，將玄武巖纖維摻入水泥土中改善其力學性能是一種有益的嘗試。高常輝等[9]研究了玄武巖纖維和砂對水泥土強度的影響，發現摻砂量適宜時，水泥土的強度有一定程度的提高，但摻砂量過小或過大，對水泥土強度的提高作用很小。王閔閔等[10-11]通過試驗發現纖維摻量相同時玄武巖纖維水泥土的抗壓強度、最大動彈性模量均高于聚丙烯纖維水泥土。張迪迪等[12]通過試驗研究了玄武巖纖維水泥土在凍融循環條件下的力學特性，發現玄武巖纖維摻量為 1.5% 的水泥土的抗凍融特性優于普通水泥土，試樣的高度、質量和波速隨著凍融循環次數的增加總體呈先減小后增大的趨勢。陳峰[13]通過試驗研究了玄武巖纖維水泥土的劈裂抗拉強度和無側限抗壓強度，建立了劈裂抗拉強度與無側限抗壓強度的經驗關系式。目前，對玄武巖纖維水泥土凍融特性的研究非常缺乏。

纖維水泥土在工程方面的應用實例目前非常少，林兵[14]將再生聚丙烯纖維摻入穩定土中，提高了道路結構的承載力及使用壽命；陳潔[15]在海水混漿水泥土中摻入聚丙烯纖維，將纖維水泥土應用于舟山現代君苑商住小區基坑支護工程中，土體的膨脹得到了有效抑制，提高了土體的抗拉強度、抗壓強度和抗折強度。目前尚無玄武巖纖維水泥土在工程方面的應用實例。本文通過室內試驗對考慮凍融循環作用下的素水泥土、玄武巖纖維水泥土的抗壓、抗拉特性進行了研究，得到了一些規律性認識，以期為玄武巖纖維水泥土在工程中的應用提供技術支持。

1 試驗方法

試驗的淤泥質黏土取自浙江溫州龍灣區沿海灘涂地面以下4.5～5.0 m深度處，呈淺灰黃～灰色，性狀飽和、流塑、高壓縮性。其物理力學指標：天然密度為1.85 g/cm3，含水量為52%，液限為48.5%，塑限為28.5，塑性指數為20，液性指數為1.23，孔隙比為1.49，壓縮模量為2.47 MPa，壓縮系數為1.603 MPa-1，黏聚力為18.5 kPa，內摩擦角為7.6°。玄武巖纖維的耐酸堿性能極高，其單絲的性能指標：單絲直徑為13 μm，密度為2 650 kg/m3,平均長度為6 mm，抗拉強度大于2 000 MPa，彈性模量在90～110 GPa，極限延伸率為3.5%，熔點為1 250℃。圖1為玄武巖纖維的照片，圖2為纖維水泥土中的玄武巖纖維電鏡照片。原狀土經晾曬干燥、碾碎、過篩后妥善保存。采用駱駝牌P·O 42.5水泥，按照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設計規程》制成邊長70.7 mm的立方體水泥土樣。

圖1 玄武巖纖維

圖2 水泥土中的玄武巖纖維

具體制樣過程為：將風干、碾碎、過篩后的土料配制成與原狀土含水率相同的重塑土，靜置24 h。拌合用水采用現場取回的海水。按照設定的水灰比配制水泥漿并加入到重塑土中充分攪拌。將準確稱取的玄武巖纖維攆開，均分為5～10份，盡量做到玄武巖短切纖維的分散與獨立。將一份玄武巖纖維均勻灑落在混合料中，待攪拌均勻后重復該步驟直至摻入全部的玄武巖纖維。將混合料分3層裝入模具中，每裝入一層放入振動臺振搗一次以排凈水泥土樣中的氣泡，然后刮平試樣頂部多余的水泥土，蓋上保濕膜，靜置24 h時后拆模。將土樣放入養護箱進行水下(從現場取的海水)養護，水溫控制在20±3℃。養護至設定的齡期后取出試塊，淋干水分后放入恒溫恒濕養護箱等待試驗。在劈裂抗拉、無側限抗壓強度試驗時，每組采用6個試樣，剔除異常數據后計算標準差和變異系數，求取標準值。

為了研究不同水泥摻量ac、纖維摻量af、齡期T、凍融循環次數N、水灰比w/c等因素對凍融(未凍融)水泥土的無側限抗壓強度的影響，根據JGJ/T 233—2011《水泥土配合比設計規程》、JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》的相關規定和張迪迪等[12,16-17]的相關研究以及試配經驗，設計試驗方案見表1，其中水泥土摻入比為水泥質量與天然土質量之比。無側限抗壓試驗采用中國科學院武漢巖土所研制的RMT-150C型巖石壓力試驗機，加荷速率為1 mm/min，當試樣出現峰值應力后繼續試驗直至達到5%的應變后停止試驗。凍融循環試驗：先在-20℃的恒溫冷凍箱中進行12 h氣凍，然后在15～20℃的水中進行12 h融化，24 h為一個循環。

為了重點研究不同纖維摻量、凍融循環次數對凍融(未凍融)水泥土的劈裂抗拉強度的影響，設計試驗方案見表2。劈裂抗拉試驗采用邊長70.7 mm的水泥土立方體試件，在試件上下支承面與壓力機壓板之間加一寬15 mm的墊條，使試件上下形成對應的條形加載，使試件沿立方體中心劈裂破壞，將劈裂時的力值進行換算即可得到水泥土的抗拉強度。

表1 無側限抗壓強度試驗方案

表2 劈裂抗拉試驗方案

水泥土的劈裂抗拉強度fts換算公式[15]為

(1)

式中：Pmax為試件破壞時的最大豎向荷載值；a為試件的邊長。

2 水泥土無側限抗壓和劈裂抗拉試驗

2.1 無側限抗壓試驗

圖3 無側限抗壓強度試驗破壞形態

圖3(a)(b)分別為其他條件相同(ac=12%、T=90 d、w/c=0.8、N=0)時的素水泥土、纖維水泥土(af=0.2%)的無側限抗壓試驗破壞照片。由圖3可看出素水泥土的脆性破壞特征非常明顯，達到5%應變時試塊已成碎散體。素水泥土的破壞方式通常為雙剪型[18]，破壞實質為張裂破壞。試塊端部由于受到承壓板的約束作用因而出現斜裂縫。當水泥摻量和纖維摻量均達到一定的程度時，由于水泥土內部的纖維的拉結作用，纖維水泥土的脆性特征減弱，往往達到5%應變時試塊尚能保持立方體的形狀，剝落現象較素水泥土輕。這主要是由于達到一定水泥摻量和纖維摻量的纖維水泥土的抗拉強度大于相同水泥摻量的素水泥土的抗拉強度[7]以及纖維與水泥土之間的摩阻力隨著應力的增大而增大。

圖4為圖3對應的兩種水泥土的應力應變(σ-ε)關系曲線。由圖4可知，纖維水泥土和素水泥土達到峰值應力時的應變分別為3.2%與2.7%，纖維水泥土的無側限抗壓強度較素水泥土大；纖維水泥土的殘余強度遠大于素水泥土。纖維水泥土的延性較素水泥土的延性大，力學性能更好。

圖4 無側限抗壓強度試驗的σ-ε關系曲線

2.2 劈裂抗拉試驗

圖5(a)(b)分別為其他條件相同(ac=12%、T=90 d、w/c=0.8、N=0)時的素水泥土、纖維水泥土(af=0.2%)的劈裂抗拉試驗破壞照片。試驗中素水泥土和纖維水泥土的劈裂破壞形式基本一致，均為試件中部首先出現豎向裂縫，隨著荷載的增大，裂縫不斷延伸進而貫通整個試塊，最終進展為突發性脆性破壞。相比而言，纖維水泥土在加荷破壞時表現出一定的塑性特征，表現為試塊裂縫多而密，這是因為纖維在土體中交織形成空間約束力會限制裂縫的開展，引起應力重分布，表現出一定的塑性破壞特征。

圖5 劈裂抗拉試驗破壞形態

圖6為圖5對應的兩種水泥土的應力應變關系曲線圖。由圖6可知，纖維水泥土達到峰值應力時的應變較大，說明其劈裂抗拉強度較高，纖維的摻入提高了水泥土的劈裂抗拉強度。

圖6 劈裂抗拉強度試驗的σ-ε關系曲線

3 水泥土凍融試驗結果

圖7和圖8分別為ac=12%、T=90 d、w/c=0.8時的素水泥土、纖維水泥土(af=0.2%)在凍融循環次數N=1、3、6、9、15時的破壞照片。

由圖7可看出，凍融1次時，水泥土試塊出現較多細裂縫，當凍融次數達到6次以上時，水泥土試塊出現了明顯的剝落現象，而且隨著凍融次數的增多，裂縫越來越寬、越來越長，剝落現象越明顯，表明裂縫逐漸從局部型裂縫發展成為貫通型裂縫。

由圖8可以看出，凍融1次時，水泥土試塊出現微小的裂縫，隨著凍融次數的增多，水泥土試塊內部的裂縫越來越多，裂縫寬度逐漸增大，當凍融次數達到15次時，水泥土試塊出現了較寬的裂縫，出現明顯的剝落現象，水泥土的強度也受到較大損失。與素水泥土相比，在相同凍融次數情況下玄武巖纖維水泥土裂縫寬度、裂縫開展長度、裂縫數量相對較少。

圖7 素水泥土凍融試驗破壞形態

圖8 纖維水泥土凍融試驗破壞形態

4 試驗結果分析

4.1 不同因素對水泥土無側限抗壓強度的影響

不同ac和af時的水泥土在T=90 d、w/c=0.8、N=0和6情況下的fc、抗壓凍融強度損失率(1-凍融后強度/未凍融強度)分別如表3和表4所示。由表3可知，隨著水泥摻量的提高，素水泥土和纖維水泥土的強度均增大，且纖維摻量越高，水泥土的強度也越高。相關研究[13]發現纖維摻量并非越高越好，當纖維摻量超過某一比例，水泥土的強度反而逐漸減小，即存在一個最佳摻入比使得纖維水泥土的強度達到最大；凍融水泥土的強度明顯低于未凍融水泥土的強度。由表4可知，纖維水泥土的凍融強度損失率小于素水泥土，且纖維摻量越高，凍融強度損失率越小。在水泥土中摻入纖維后，經攪拌后纖維均勻分散在水泥土中，使得水泥土的抗拉強度增大，隨著纖維與水泥土接觸處的應力重分布及不同位置纖維抗拉強度的發揮，纖維在土體中交織形成的空間約束力不斷增加，水泥土抵抗凍融破壞的能力也不斷增強。另外，水泥摻量越高，水泥土的凍融強度損失率越小。這主要是因為水泥摻量越高，水泥土的強度也越高，抵抗凍融破壞的能力也就越強。

不同ac和T時的水泥土在af=0.2%、w/c=0.8、N=0和6情況下的fc、抗壓凍融強度損失率分別如表5和表6所示。隨著水泥摻量和齡期的提高，水泥土的強度不斷提高。齡期越長的水泥土的凍融強度損失率小于齡期較短的水泥土的凍融強度損失率，這是因為齡期越長，水泥水化越充分，水泥土中的自由水含量越低，生成的水泥土結晶體的強度越高，因此抵抗凍融破壞的能力越強，強度損失率越低。

不同ac和N時的水泥土在af=0.2%、T=90 d、w/c=0.8情況下的fc、抗壓凍融強度損失率分別如表7和表8所示。隨著凍融循環次數的增加，水泥土的強度明顯變小，水泥土的凍融強度損失率明顯增大。

表3 不同ac和af時水泥土的 fc

表4 不同ac和af時的抗壓凍融強度損失率 %

表5 不同ac和T時水泥土的 fc

表6 不同ac和T時的抗壓凍融強度損失率 %

表7 不同ac和N時水泥土的 fc

表8 不同ac和N時的抗壓凍融強度損失率 %

張晗冰等[19-20]采用雙曲線來擬合水泥穩定碎石的抗壓、抗折強度隨凍融次數的變化規律，其3項評價指標均良好。借鑒該規律，本文采用雙曲線來擬合凍融后的纖維水泥土、素水泥土的無側限抗壓強度pu與N之間的關系。擬合得到的雙曲線方程如式(2)或式(3)所示：

p0-pu=N/(d+bN)

(2)

N/(p0-pu) =d+bN

(3)

式中：p0為未經凍融的水泥土無側限抗壓強度；pu為經N次凍融循環后水泥土的無側限抗壓強度；d為截距，b為斜率。表7中試驗結果的擬合情況如圖9所示，擬合效果比較理想。

圖9 N/( p0 -pu)與N關系

不同ac和w/c時的水泥土在af=0.2%、T=90 d、N=0和6情況下的fc、抗壓凍融強度損失率分別如表9、表10所示。由表9、表10可知，隨著水灰比的增大，水泥土的強度減小。試驗發現，隨著水灰比的增大，水泥土抵抗凍融破壞的能力明顯減小。這是因為水灰比越大，水泥水化后殘留在水泥土中的自由水越多，水泥土凍融時越容易破壞。因此，在工程應用時，在滿足水泥充分水化及攪拌均勻的前提下，應盡量降低水灰比進而提高水泥土的抵抗凍融破壞的能力。此外，試驗還發現水灰比相同時，水泥摻量越高，水泥土凍融后的強度損失率越小。這是因為水泥摻量越高，水泥土的強度越高，抵抗凍融破壞的能力就越強。

表9 不同ac、w/c時水泥土的 fc

表10 不同ac和w/c時的抗壓凍融強度損失率 %

表11 不同af和N時水泥土的 fc

不同af和N時的水泥土在w/c=0.8、ac=12%、T=90 d情況下的fc、抗壓凍融強度損失率分別如表11和表12所示。纖維水泥土在相同凍融循環次數時的無側限強度高于素水泥土，且纖維摻量越高，水泥土抵抗凍融循環破壞的能力也越強。此外，從表12中還可發現當凍融循環次數較小時，隨著纖維摻量的提高，水泥土的凍融強度損失率逐漸變??；當凍融循環次數較小時，不同纖維摻量水泥土的凍融強度損失率變化不明顯。

不同T和N時的水泥土在w/c=0.8、ac=12%、af=0.2%情況下的fc、抗壓凍融強度損失率分別如表13和表14所示。隨著齡期的增大，水泥土的強度逐漸增大，水泥土的凍融強度損失率逐漸減小。這表明隨著齡期的增大，水泥土抵抗凍融循環破壞的能力逐漸增強。

表12 不同af和N時的抗壓凍融強度損失率 %

表13 不同T和N時水泥土的 fc

表14 不同T和N時的抗壓凍融強度損失率

不同w/c和N時的水泥土在T=90 d、ac=12%、af=0.2%情況下的fc、抗壓凍融強度損失率分別如表15和表16所示。水灰比對水泥強度的影響十分明顯，水灰比越大，水泥土的強度越小。隨著水灰比的增大，水泥土凍融后的強度損失率也越大。

表15 不同w/c和N時水泥土的 fc

表16 不同w/c和N時的抗壓凍融強度損失率

4.2 不同因素對水泥土劈裂抗拉強度的影響

不同ac和af時的水泥土在w/c=0.8、N=0和6、T=90 d情況下的ft、劈裂抗拉凍融強度損失率分別如表17和表18所示。隨著水泥摻量和纖維摻量的提高，水泥土的劈裂抗拉強度也隨之增大，而水泥土的凍融強度損失率則隨之減小。而且纖維水泥土在凍融后的劈裂抗拉強度均大于相同水泥土摻量的素水泥土的劈裂抗拉強度。經統計分析，本次試驗水泥土的劈裂抗拉強度與無側限抗壓強度的比值在14%～17%之間。

表17 不同ac和af時水泥土的 ft

表18 不同ac和af時的劈裂抗拉凍融強度損失率%

不同ac和N時的水泥土在w/c=0.8、af=0.2%、T=90 d情況下的ft、劈裂抗拉凍融強度損失率分別如表19和表20所示。隨著凍融循環次數的增加，水泥土的劈裂抗拉強度逐漸變小，水泥土的凍融強度損失率逐漸增大。試驗發現凍融后水泥土的劈裂抗拉強度與受到的凍融循環次數之間的關系也可以用雙曲線來近似擬合。表19試驗結果的擬合情況如圖10(圖中ps為經N次凍融循環后水泥土的劈裂抗拉強度)所示。

表19 不同ac，N時水泥土的 ft

表20 不同ac，N時的劈裂抗拉凍融強度損失率 %

圖10 N/( p0 -ps)與N關系

5 結 論

a. 加入纖維后可以提高水泥土的無側限抗壓強度和劈裂抗拉強度，纖維水泥土的延性較素水泥土的延性大，力學性能更好。纖維水泥土的凍融強度損失率小于素水泥土的凍融強度損失率。隨著水泥摻量和齡期的提高，水泥土的強度不斷提高，齡期越長的水泥土凍融循環后的強度損失率明顯小于齡期較短的水泥土的強度損失率。

b. 試驗發現凍融后水泥土的無側限抗壓強度、劈裂抗拉強度與其受到的凍融循環次數之間的關系可以用雙曲線模型擬合。

c. 隨著水灰比的增大，水泥土的無側限抗壓強度及抵抗凍融循環破壞的能力明顯減??；纖維水泥土在相同凍融循環次數時的無側限強度高于素水泥土，且纖維摻量越高，水泥土抵抗凍融循環破壞的能力也越強，最佳纖維摻入比有待進一步研究。在工程應用時，在滿足水泥充分水化及攪拌均勻的前提下，應盡量降低水灰比進而提高水泥土的抵抗凍融破壞的能力。

d. 隨著纖維摻量的提高，水泥土的劈裂抗拉強度也隨之增大。本次試驗水泥土的劈裂抗拉強度與無側限抗壓強度的比值在14%～17%之間。