玻璃纖維對水泥土水穩定性能的影響探究

鄭東輝

（東莞市交業工程質量檢測有限公司，廣東 東莞 523125)

0 引言

水泥土材料強度較高、施工簡便、原料來源方便，可用作道路、鐵路等工程中的路基填料，但水泥土在實際工程應用中，易遭受水的侵蝕破壞，導致其力學性能和穩定性降低，影響實體工程正常使用壽命[1-2]。近年來，國內外學者通過外摻纖維的方式改善了水泥土材料的技術性質，使其更好地滿足工程性能要求。陳猛[3]研究表明，玄武巖纖維摻量為0.3%的水泥土干濕或凍融后無側限抗壓強度最大，耐久性最優；張潔[4]研究表明，聚丙烯纖維摻量在0%～0.3%范圍內，纖維加筋水泥土干濕循環后的質量損失及強度損失均降低，耐干濕穩定性提高。盡管現階段已取得較多有關纖維改善水泥土的研究成果，但大多集中于其力學性能方面的改善，而關于纖維改善水泥土水穩定性能方面的研究則較為欠缺。鑒于此，本文選用玻璃纖維加筋水泥土，通過室內飛散試驗研究纖維摻量及長度對水泥土水穩定性的影響規律，為實體工程提供數據支撐。

1 原材料與試驗方案

1.1 原材料

本文中的土樣選自某地高液限黏土，取土深度為1.5m～4m，技術性質如表1所示。水泥選用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其比表面積為343m2·kg-1，燒失量為1.01%，初凝時間為136min，終凝時間為249min，3d、28d抗壓強度分別為26.9MPa、51.2MPa，3d、28d抗折強度分別為5.7MPa、8.5MPa。選用直徑為12μm的玻璃纖維（GF），密度為2.47g·cm-3，抗拉強度為1300MPa，彈性模量為82GPa，斷裂伸長率為5.3%。

表1 土樣技術性質

1.2 試驗方案

基于水環境作用下的水泥土力學強度降低和整體穩定性減弱，結合水泥土強度增長規律及影響因素，采用外摻玻璃纖維的方式，通過室內飛散試驗研究玻璃纖維摻量及長度對水泥土水穩定性影響規律。試驗中，擬水泥摻量為4%；擬玻璃纖維摻量為0.1%、0.3%、0.5%、0.7%，長度為6mm、9mm、12mm、20mm；擬養生齡期為90d。根據水泥土室內重型擊實試驗結果顯示，采用靜壓法成型最佳含水率的Φ100×h100mm玻璃纖維水泥土試件，壓實度為96%。試件成型完畢后，用塑料薄膜包裹，置于溫度（20±2）℃、相對濕度95%以上的標準養生室，養生至規定齡期。每組試驗成型6個試件。參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中瀝青混合料飛散試驗方法，選用洛杉磯磨耗試驗機分別測定90d齡期下玻璃纖維加筋水泥土浸水前后的飛散損失，旋轉速率為30r/min，旋轉300r。

2 試驗結果及分析

2.1 纖維長度影響

纖維長度對水泥土飛散損失的影響如圖1所示。

圖1 纖維長度對水泥土飛散損失影響

由圖1可知，同一養生條件下，不同玻璃纖維摻量的水泥土飛散損失與纖維長度變化曲線形狀相近，隨纖維長度增加，水泥土飛散損失先降低后提高，在纖維長度為9mm時，其飛散損失取得最小值，即水穩定性最優。其中，纖維摻量為0.3%的水泥土飛散損失最小，纖維摻量為0.1%、0.3%的水泥土飛散損失相當，纖維摻量為0.7%的水泥土飛散損失最大。這是因為纖維長度較少時，纖維能夠較好地發揮加筋作用，增強土體穩定性，隨著纖維摻量增加，土體內纖維分布紊亂，纖維加筋作用減弱，土體穩定性降低，故其飛散損失增大。

鑒于同一纖維摻量的水泥土浸水前后飛散損失曲線形狀相近，以纖維水泥土浸水飛散損失試驗結果為例，分析纖維長度對水泥土飛散損失的影響規律。纖維長度由6mm增加至9mm，不同纖維摻量的水泥土浸水飛散損失降低相當，約為2.8%；纖維長度超過9mm后，當纖維摻量為0.1%、0.3%和0.5%時，水泥土浸水飛散損失隨纖維長度增加呈線性提高，且提高速率相當，纖維長度每增加1mm，纖維水泥土浸水飛散損失提高1.6%。另外，纖維長度為20mm、摻量為0.7%的水泥土浸水飛散損失為88.78%，高于素水泥土浸水飛散損失，說明纖維長度較長或過多時，不利于纖維水泥土水穩定性。

2.2 纖維摻量影響

纖維摻量對水泥土飛散損失影響如圖2所示。

圖2 纖維摻量對水泥土飛散損失影響

由圖2可知，同一養生條件下，纖維摻量對不同玻璃纖維長度的水泥土飛散損失影響規律相近，隨纖維摻量增加，水泥土飛散損失先降低后提高。其中，浸水飛散損失變化較明顯，在纖維摻量為0.3%時，纖維水泥土飛散損失取得最小值。這是因為水泥土浸水后，其在荷載等外部環境作用下結構整體性和土體密實性降低，致使其水穩定性減弱。同時，隨纖維摻量增加，土體內纖維分布由均勻向紊亂狀態轉變，導致其纖維加筋作用減弱，故纖維摻量較高時，水泥土飛散損失隨之提高。

以纖維水泥土浸水飛散損失試驗結果為例，分析纖維摻量對水泥土飛散損失的影響規律。水泥土摻入玻璃纖維后，其浸水飛散損失降低顯著，纖維摻量為0.1%的水泥土浸水飛散損失較素水泥土降低5.6%以上。其中，纖維長度為9mm的水泥土浸水飛散損失降低效果最顯著，纖維長度為6mm的水泥土次之。纖維摻量由0.1%增加至0.3%，水泥土浸水飛散損失約降低2.6%；纖維摻量由0.3%增加至0.7%，纖維長度6mm、9mm的水泥土浸水飛散損失與纖維摻量呈線性正相關關系，纖維摻量每增加0.1%，水泥土浸水飛散損失約提高1.7%；而纖維摻量由0.5%增加至0.7%，纖維長度12mm、20mm的水泥土浸水飛散損失提高較顯著，約提高11.2%。

3 結束語

不同玻璃纖維摻量的水泥土飛散損失隨纖維長度增加呈先降低后提高的趨勢，纖維長度為9mm的水泥土飛散損失最小，纖維長度超過9mm后，當纖維摻量為0.1%、0.3%和0.5%時，水泥土浸水飛散損失隨纖維長度增加呈線性提高，纖維長度每增加1mm，纖維水泥土浸水飛散損失提高約1.6%。

隨玻璃纖維摻量增加，不同纖維長度的水泥土飛散損失呈先降低后提高的趨勢，纖維摻量0.3%的水泥土飛散損失最小，纖維摻量由0.1%增加至0.3%，水泥土浸水飛散損失約降低2.6%；纖維摻量由0.3%增加至0.7%，纖維長度6mm、9mm的水泥土浸水飛散損失提升較小，纖維長度12mm、20mm的水泥土飛散損失提升較顯著，約為11.2%。