凍融循環作用下土的性質對纖維水泥土力學性質的影響

徐麗娜，牛 雷*，張 婷，王亞波，王 軍

(1.吉林建筑大學土木工程學院，長春 130118;2.吉林大學建設工程學院，長春 130026)

纖維水泥土是按一定比例，將很細的纖維絲或纖維網摻入水泥土中并充分拌和而形成的一種新型復合材料，不僅施工工藝簡單，而且能大幅度提高水泥土的抗壓強度，同時提高了水泥土的抗剪、抗拉強度[1]。玄武巖纖維是一種新型無機環保綠色高性能纖維材料，由于玄武巖纖維具有較高的韌性和抗拉強度，同時具有對環境污染小、價格低廉等優良的性質，經常作為復合材料中的增強材料，在各個領域得到了廣泛的應用[2]。

對于水泥土來說，凍融作用對水泥土的物理力學性質均有較大的影響[3]。中外學者在這方面開展了大量研究。王天亮等[4]研究發現在凍融循環下，水泥土的應力-應變關系為加工軟化型，并以脆性破壞為主；陳四利等[5]研究發現水泥土的抗剪強度, 抗壓強度隨著凍融循環次數的增加而降低；崔宏環等[6]通過研究發現短齡期時，水泥土水化反映尚未結束，凍融循環造成的結構損傷可以恢復，而齡期90 d后,水化反應基本完全,結構近于穩定,經凍融循環造成不可修復的損傷,導致抗壓強度均隨循環次數增加呈下降的趨勢；劉桂香等[7]通過三軸對比試驗，發現加筋處理適用于多年凍土地區。徐麗麗等[8]、趙立財[9]、何巖[10]、王勃等[11]的研究進一步證實了上述觀點。而汪恩良等[12]通過研究發現凍融循環使筋土表層土變得疏松，局部變形偏大；韓春鵬等[13]分析纖維摻量、纖維長度、凍融循環次數3個因素對聚丙烯纖維土抗剪強度的影響規律，經過綜合分析得到纖維長度、摻量的最佳組合方案；纖維土黏聚力較素土有一定的提升，且提升效果隨凍融次數的增加更顯著；內摩擦角隨凍融次數的增加出現先增大后減小的現象。

以吉林省長春市凈月區的兩種常見土為研究對象，以玄武巖纖維和水泥為加固材料，通過一系列的無側限抗壓強度試驗，分析了纖維質量摻入比為0.5%時，土體性質對玄武巖纖維水泥土無側限抗壓強度的影響，并得到了凍融循環作用下土體性質對纖維水泥土力學強度的影響，進一步分析了凍融循環作用下水泥土的破壞狀態，為纖維水泥土在季節性凍土區域的應用提供一定的借鑒和參考。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗所采用的兩種土樣均取自于吉林省長春市凈月區，試驗用土的現場取樣照片如圖1所示。將采集的土樣在自然條件下風干、碾碎，并通過5 mm 的篩，圖2為試驗中所用土樣的粒徑分布曲線，表1為兩種土樣的基本物理指標，其中土樣一為低液限黏土，土樣二為含細粒砂土。試驗中所采用的水泥是由長春亞泰集團生產的普通硅酸鹽水泥，水泥的強度等級為P.O 42.5。試驗所采用的纖維為海寧安捷復合材料有限公司生產的短切玄武巖纖維，其直徑為7～15 μm。

表1 兩種土的基本物理性質指標

圖1 試驗用土現場取樣

圖2 粒徑分布曲線

1.2 試樣制備

按照《水泥土配合比設計規程》(JGJ/T 233—2011)中的要求進行配合比設計、試樣的制備及相關試驗。試樣采用70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm的立方體試模，試驗采用的水灰比為0.5，水泥摻量為10%，玄武巖纖維摻量為0.5%，摻入纖維長度分別為0、3、6、12、20、35 mm。具體試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

1.3 試驗方法

1.3.1 無側限抗壓強度試驗

無側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。

1.3.2 凍融循環試驗

參照吉林省長春地區的溫度變化，首先將制備好的試樣在-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周期。

2 試驗結果分析

2.1 無側限抗壓強度的對比分析

由圖3可以看出，在土樣一的水泥土中加入纖維，有效地提高了水泥土的無側限抗壓強度，其中添加長度為6 mm的纖維時，強度提高最明顯。而在土樣二的水泥土中添加玄武巖纖維后，水泥土的無側限抗壓強度不僅沒有提高，反而有所降低。通過試驗研究發現，在水泥土中加入纖維不一定能提高水泥土的無側限抗壓強度，土體的性質對纖維的加固效果影響比較大。

圖3 玄武巖纖維水泥土無側限抗壓強度(養護齡期：28 d)

2.2 凍融循環作用下強度變化的對比分析

圖4為凍融循環次數與無側限抗壓強度之間的關系。從圖4可以看出，隨著凍融循環次數的增加，水泥土的無側限抗壓強度逐漸減低。其中，方案1中試樣的強度降低幅度比較大，而方案2 中試樣的強度減低幅度較小。方案1中未添加纖維的水泥土經過5次凍融循環后，失去承載能力，而方案2中未添加纖維經過24次凍融循環后才開始下降比較明顯，這說明，土的性質在水泥土抵抗凍融循環過程中有很重要的作用。對于方案1來說，添加纖維的水泥土經過11次凍融循環后，開始有明顯的下降，而對于方案2來說，添加纖維的水泥土經過24次凍融循環后，強度降低并不明顯，這說明纖維的添加可以有效地提高水泥土抵抗凍融循環的能力。

圖4 無側限抗壓強度與凍融循環次數之間的關系

2.3 強度損失的對比分析

表3為凍融循環作用下水泥土的強度損失率。從表3可以看出，方案1中未添加纖維的水泥土經過5次凍融循環后強度損失在49%，添加纖維的水泥土經過11次凍融循環后，強度均損失在50%左右。而方案2中未添加纖維的水泥土經過24次凍融循環，強度損失達到33%，而添加纖維的水泥土強度損失在5%～14%。

表3 凍融循環作用下強度損失率

3 凍融破壞狀態分析

圖5為經過不同次數凍融循環作用后水泥土的照片。由圖5可以看出，兩種土樣添加纖維后，水泥土經過凍融循環后的裂紋均有所減少，說明纖維的添加可以有效地提高水泥土在凍融循環作用下的抗開裂能力。方案1中未添加纖維的水泥土經過11次循環后，裂紋已經貫通，完全破碎成小塊，失去承載能力，而添加纖維的水泥土經過11次凍融循環后，表面也已經出現裂紋，但裂紋沒有貫通；方案2中的試樣經過24次凍融循環后，除了個別表面出現輕微裂紋的現象外，并沒有形成貫通性的裂紋，這也是其無側限抗壓強度損失率較低的主要原因之一。

數字表示添加纖維長度

4 結論

通過研究凍融循環作用下土的性質對纖維水泥土力學性質的影響，得到以下結論。

(1)玄武巖纖維的加入未必能提高水泥土的強度，對于黏性土來說，纖維的加固效果比較明顯，而對于砂土來說，纖維對提高無側限抗壓強度的作用比較小。

(2)隨著凍融循環次數的增加，水泥土的無側限抗壓強度逐漸減低，未添加纖維的水泥土抵抗凍融循環的能力較弱，添加纖維的水泥土可以抵抗更多次的凍融循環。因此，說明纖維的添加可以有效地提高水泥土抵抗凍融循環的能力，同時，纖維的添加可以降低水泥土在凍融循環作用下的強度損失。

(3)玄武巖纖維和水泥加固砂土經過24次凍融循環后，強度損失小，表面裂紋不明顯，而玄武巖纖維和水泥加固黏土經過11次循環后，強度損失就已經達到50%，同時，表面出現明顯的裂紋，這說明土體本身的性質對抵抗凍融循環作用有顯著的影響。