玄武巖纖維水泥土無側限抗壓強度的研究

鄭寶榮，陳 峰

1.中城投集團第八工程局有限公司，福建 廈門 361024；2.福建江夏學院 工程學院，福建 福州 350108

0 引言

水泥土是指土顆粒間被水泥漿填滿，通過一系列的物理化學作用形成具有高強度但滲透性相對較低的固結體［1］。水泥土的無側限抗壓強度是水泥土最基本的力學性能，也是專家學者們對水泥土研究的最多的一個性能。長期研究表明［2-5］影響水泥土強度性能的主要有水泥摻量、養護齡期、水灰比、含水量等因素。隨著水泥土在工程建設當中的應用越來越廣泛，人們對于水泥土的工程性能要求也越來越高了。除了確定較優的水泥摻量、水灰比、養護齡期、含水量等來提高水泥土的強度性能之外，近年來，對于在水泥土中摻入外加劑的研究也逐漸多了起來。常見的外加劑有：石灰、硅粉、礦粉、纖維、粉煤灰、水玻璃、復合外加劑、表面活性劑、化學藥劑等。蔡奕等［6］研究聚丙烯纖維石灰土力學特性的結果表明，纖維的摻入減小了石灰土的膨脹性，但增大了收縮性。王娟娣等［7］通過對沿海地區典型的軟粘土進行配比試驗，闡述了添加粉煤灰、復合外加劑等對改善水泥土強度特性的作用，并針對水泥攪拌含有機質土時提出適宜采用的外加劑種類。楊雯雯等［8］研究表明纖維的摻入可以提高混凝土的基本力學性能、抗沖擊抗疲勞性能和耐久性能。玄武巖纖維屬于典型的硅酸鹽纖維，與其他常用的纖維相比，玄武巖纖維具有以下優點［9］：①穩定的化學性能；②良好的分散性和相容性；③優良的耐溫性能；④較高的彈性模量和抗拉強度；⑤性價比高，環保材料。Jone sung sim［10］研究表明，相比于普通的纖維水泥土，玄武巖纖維水泥土的拉伸強度高0.5～1倍，延伸率高3～5 倍，同時破壞時的形態和極限承載力也得到改善。林希寧等［11］也對玄武巖纖維與其他材料的復合情況進行了試驗研究，研究指出目前與玄武巖纖維進行復合的材料主要是：瀝青材料、樹脂材料和其他纖維材料。趙亮等［12］研究了玄武巖纖維對水泥基材料力學性能的影響，研究結果表明，在早齡期的時候，玄武巖纖維的加入有利于提高水泥基材的強度。本文基于上述研究，在水泥土中加入玄武巖纖維，開展玄武巖纖維含量對水泥土無側限抗壓強度的影響研究。

1 試樣材料

土樣來自福州火車站琴亭高架橋附近的某安置房項目的基坑內，其基本物理力學性能指標見表1 所示。采用的水泥是42.5 級的普通硅酸鹽水泥，化學成分及基本性能見表2 所示。采用的玄武巖纖維是由浙江石金玄武巖纖維有限公司生產的一種短切纖維，基本的物理力學性能指標見表3 所示。

2 試驗方案

本試驗的主要目的是研究玄武巖纖維摻量對水泥土無側限抗壓強度的影響。因此，最重要的一個變量是玄武巖纖維的摻入比。結合已有的資料，玄武巖纖維的摻入比設置了4 個水平，分別為 0、0.5%、1.0%和 1.5%。以這樣等步增量的方式來進行試驗，有利于更好地分析玄武巖纖維摻量對無側限抗壓強度的影響。而另一個變量則是養護齡期，分別設置了 7d、28d、60d 和90d 四個水平的齡期，以研究養護齡期對玄武巖纖維水泥土無側限抗壓強度的影響。

表1 淤泥質土土樣的基本物理力學性能指標

表2 水泥的主要化學成分及基本性能

表3 玄武巖纖維基本物理力學性能指標

除了上述兩個變量外，其他摻量都是常量。水泥土的含水率按原狀土的天然含水率57.5%進行設置；玄武巖纖維的摻入比按式（1）進行計算；水泥摻入比設置為15%，按式（2）進行計算；水灰比設置為0.5，按式（3）進行計算。對于每種配合比均制作三組試樣，分別進行三個平行試驗，結果取平均值，編號A、B、C、D 共4 組。具體的配合比設計為含水率57.5%，水泥摻入比15%，水灰比0.5，養護齡期分別為7d、28d、60d 和90d，試樣數量各為3 個。

式中：m 為玄武巖纖維的質量；m2為濕土的質量。

式中：m1為水泥的質量；m2為濕土的質量。

式中：m3為水的質量；m1為水泥的質量。

3 試驗及分析

3.1 試驗步驟

本次無側限抗壓強度試驗試樣采用的是 70.7 mm×70.7 mm ×70.7 mm 的標準立方體塊，具體試驗步驟如下：

（1）水泥土裝入三連模成型后，立即將其放入標準養護室（溫度為 20℃±3℃，相對濕度為 90%）養護 24h。

（2）養護 24h 后，將試樣從養護室中取出脫模并對其編號，最后再將其放入標準養護室中養護至相應的齡期。

（3）養護時應注意每個試樣彼此間的距離不應太近，且必須定期對試樣的

（4）將試樣取出后應立即將表面的水分擦干，涂一層凡士林以防止水分蒸發，并測出相互垂直的兩條直角邊的邊長。

（5）接通儀器電源，打開操控面板，設置試驗參數，本次試驗采用應變控制式，加壓速率為0.03mm/s。

（6）將試樣放在承壓底板的正中心，調整上面板至試樣的頂部。

（7）然后開始加壓直至試樣破壞，最后記錄下試樣承受的極限荷載。

3.2 試驗結果及分析

無側限抗壓強度可根據（4）式進行計算：

式中：fcu為水泥土的無側限抗壓強度，MPa；

P 為試樣的極限荷載，N；

A 為試樣的受壓面積，mm2。

根據式（4）可得到不同配合比的無側限抗壓強度。對各個試樣的試驗數據進行計算并通過處理后，可得到不同配合比的無側限抗壓強度，其具體結果見表4。

表4 玄武巖纖維水泥土無側限抗壓強度值

圖1 為未摻玄武巖纖維水泥土試塊的抗壓破壞性狀，圖2為摻有玄武巖纖維水泥土的抗壓破壞性狀。

圖1 未摻玄武巖纖維水泥土的抗壓破壞性狀

圖2 摻玄武巖纖維水泥土的抗壓破壞性狀

通過觀察兩種試件受壓時的表現，可以判斷玄武巖纖維對水泥土的影響，其中未摻玄武巖纖維的水泥土受壓時表現為脆性破壞（圖1），而摻有玄武巖纖維的水泥土受壓時表現為塑形破壞（圖2）。

由表4 可以比較直觀地看出，無論哪個齡期的水泥土，其無側限抗壓強度值均會隨著玄武巖纖維摻量的增加而增大，但是增大的幅度會減緩。具體分析如下：

（1）養護齡期為7d 時，B、C、D 各組的強度比未摻玄武巖纖維的A 組分別增長了21.43%、44.29%和61.43%，其強度增長率明顯高于其他齡期時的增長率。這說明玄武巖纖維的摻入在早期就能夠對水泥土的抗壓強度起到了較好的增強效果。B 組相對于A 組、C 組相對于B 組和D 組相對于C 組，玄武巖纖維的增量都是0.5%，但是它們的水泥土抗壓強度的增長率是不同的，分別為21.43%、18.82%和11.88%。由此可以得出，在相等的玄武巖纖維增量的情況下，水泥土抗壓強度的增長率隨摻量的增加而減小。

（2）養護齡期為28d 時，B、C、D 各組的強度相對于A 組分別增長了13.25%、21.69%和27.11%。B、C、D 各組的強度相對于前一組分別增長了13.25%、7.45%和4.46%。這一數據也說明了，雖然隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥土的抗壓強度也在增大，但是其增大的幅度在不斷減小。

（3）養護齡期為60d 和90d 時，其抗壓強度的增長趨勢也幾乎同7d 和28d 時一致，同樣也是強度增長的速率隨著玄武巖纖維摻量的增加而減小。

（4）摻有玄武巖纖維的水泥土試樣表現為塑性破壞，是因為在加壓過程中土顆粒與玄武巖纖維之間的膠結變得更加密實，使得兩者間的摩擦力不斷增加，可以有效地傳遞和分散荷載，抑制了水泥土內部裂縫的發展，破壞時不會形成連通的破裂面，增加了水泥土的整體性和韌性。

3.3 齡期與玄武巖纖維水泥土抗壓強度的關系

玄武巖纖維水泥土的無側限抗壓強度與齡期較符合對數曲線關系。因此，利用對數關系式對不同配合比的水泥土抗壓強度進行擬合。不同配合比的對數關系曲線如圖3 所示，擬合公式如式（5）～（8）所示。

玄武巖纖維水泥土的抗壓強度隨養護齡期的變化曲線如圖3 所示。

圖3 玄武巖纖維水泥土試樣A、B、C、D 的抗壓強度與齡期的關系曲線

從圖3 中可以比較直觀地看出，隨著養護齡期的增長，水泥土的抗壓強度也隨之增大，主要原因是水泥水化反應進行越來越充分了。在28d 齡期之前，水泥土的抗壓強度增長速率較快，是因為前期水泥的水化、硬凝等反應速率較快；而到了28d齡期之后，水泥土的抗壓強度增長速率減緩，但是其強度還是在增大，一般到90d 齡期時強度才會趨于穩定。

4 結論

本文通過開展無側限抗壓強度，研究不同玄武巖纖維的摻量以及齡期對水泥土抗壓強度的影響，得出以下結論：

（1）玄武巖纖維的摻量對水泥土的抗壓強度有顯著的提升作用，隨著玄武巖纖維摻量的增加，抗壓強度也增加，但其增幅會隨著摻量的增加而有所減緩。

（2）未摻玄武巖纖維的水泥土受壓時表現為脆性破壞，而摻有玄武巖纖維的水泥土受壓時表現為塑形破壞，這說明玄武巖纖維提高了水泥土的韌性和整體穩定性。

（3）隨著養護齡期的增長，水泥土的抗壓強度也隨之增大，28 齡期之前水泥土的抗壓強度增長速率較快，28d 齡期之后水泥土的抗壓強度增長速率減緩，通過擬合曲線，可以對水泥土的抗壓強度預測提供一定的參考價值。