陳 峰

福建江夏學院工程學院, 福建福州 350108

【土木建筑工程/ArchitectureandCivilEngineering】

早齡期玄武巖纖維水泥土的強度及變形特性

陳 峰

福建江夏學院工程學院, 福建福州 350108

為提高水泥土的受力性能，利用玄武巖纖維的加筋增強效果，探討在水泥土中摻入玄武巖纖維來改善其7 d時力學性能的方法. 通過不固結不排水三軸試驗，研究了早齡期玄武巖纖維水泥土的抗剪強度與變形特性. 試驗結果表明，玄武巖纖維的摻入使水泥土的黏聚力有較大幅度的提高，且兩者大致呈正相關關系；應力應變曲線可分為線彈性階段、塑性屈服階段和峰值軟化階段等；玄武巖纖維的摻入具有類圍壓作用，對水泥土強度具有明顯的提高作用，且增大了其塑性變形；擬合了不同配比的玄武巖纖維水泥土試件7 d時的變形模量與抗壓強度的關系，可為實際工程提供參考.

巖土工程；水泥土；玄武巖纖維；早齡期；抗壓強度；變形模量

近年來，隨著地下工程的迅速發(fā)展，水泥土憑借其低滲透性等[1]優(yōu)越特性在地下工程的運用正變的越來越多，包括軟基處理、重力式擋墻和基坑工程中的止水帷幕等工程領域[2-5]. 然而，大量工程實踐表明，水泥土在加固地基時易產(chǎn)生較大的變形且在動荷載作用下易產(chǎn)生疲勞破壞[6-7]. 因此，如何改善其強度及抗變形能力成為水泥土研究中的新方向[8-13]. 許多學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. 赫文秀等[14]提出在水泥土中摻入一定量玻璃纖維和粉煤灰，以此來改善水泥土在力學性能方面存在的不足；唐朝生等[15]通過加入聚丙烯纖維來改善水泥土性能，提出纖維的物理加筋作用理論；殷勇等[16]討論了玻璃纖維的摻入比、水泥土齡期和圍壓等對水泥土強度的影響；袁玉卿等[17]通過試驗分別討論了聚丙烯纖維摻量及纖維長度對水泥穩(wěn)定土強度等性能的影響；Hamidi 等[18]進行了聚丙烯纖維對水泥土的常規(guī)三軸壓縮試驗及剪切等試驗，分析了纖維對水泥土的強度的影響；Consoli等[19]進行了纖維水泥土的無側限抗壓試驗研究；莫永京等[20]研究了纖維摻量及長度對水泥土抗拉強度的影響. 將玄武巖纖維作為增韌材料，在混凝土中已比較普遍[21-24]，而玄武巖纖維對水泥土增強方面的研究還不多. 因此，參考玄武巖纖維在混凝土中的運用[25]，將玄武巖纖維摻入到水泥土中具有很好的研究價值. 本研究利用三軸儀對玄武巖纖維水泥土進行不固結不排水三軸試驗研究，深入了解早齡期玄武巖纖維水泥土的強度及變形特性.

1 試驗方法

1.1 試驗材料

本試驗所用土料為沿海地帶常見的淤泥質黏土，采樣地點為福建省福州市閩江邊某工地；試驗用水泥為福建某水泥廠生產(chǎn)的42.5普通硅酸鹽水泥；玄武巖纖維選用浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的玄武巖纖維短切原絲纖維. 土的基本物理力學性能與纖維的物理性能指標可參見文獻[8].

1.2 試驗方案

本試驗所采用的加載設備為TSZ30-2.0應變式三軸儀. 試驗先前將土樣烘干粉碎，使用篩分機過2 mm篩；再將過篩土與水按初始含水率54.5%(質量分數(shù))進行混合攪拌，并均勻摻入玄武巖纖維；按0.5的水灰比(質量比)配制水泥漿并摻入土樣中攪拌5 min；最后將水泥土倒入三瓣模內(nèi)分層擊實，制成直徑為39.1 mm、高80 mm的圓柱體試件. 水泥土樣裝模擊實后應及時抽氣飽和，脫模后在溫度20 ℃，相對濕度90%以上的環(huán)境中養(yǎng)護至早齡期7 d，部分對比試件養(yǎng)護至14和28 d. 養(yǎng)護時，試件彼此間隔10～20 mm，且試件應避免直接被水沖淋. 水泥土中水泥的質量分數(shù)宜控制在15.0%～20.0%，因此本研究水泥的質量分數(shù)選用15.0%及16.5%，其中15.0%的為4組(A、C、D和E)，16.5%的1組(B). 在圍壓為0、100、200和300 kPa下進行試驗. 本次試驗所用儀器為ZBSX 92A型震擊式標準振篩機以及WDW-50微機控制電子萬能試驗機，并采用自動采集系統(tǒng)對加載過程中的試驗數(shù)據(jù)進行采集.

2 結果與分析

2.1 玄武巖纖維水泥土的抗剪強度參數(shù)

通過同一種配比的試件在不同圍壓σ3下豎向加載，可以獲得不同圍壓下三軸試樣剪切破壞的最大主應力，由不同圍壓下水泥土的摩爾應力圓，作出摩爾應力圓的破壞包線，得到水泥土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ， 如表1所示. 7 d時玄武巖纖維水泥土抗剪強度包線如圖1所示.

表1 7 d時玄武巖纖維水泥土試件的不排水剪切強度參數(shù)Table 1 Shear strength parameters of basalt fiber cement-soil through undrained triaxial compression tests (7 d)

圖1 7 d齡期水泥土抗剪強度包線Fig.1 Shear strength envelopes of cement-soil specimens at 7 d

從圖1可以看出，水泥土的摩爾應力圓直徑均隨著圍壓的增大而增大，其強度包線與水平方向成一定夾角. 同時結合表1試驗數(shù)據(jù)可知，隨著圍壓、水泥摻入比和纖維摻入比的增加，早齡期玄武巖纖維水泥土的強度也相應提高，水泥土中的孔隙壓力則逐漸減少. 由此可見，玄武巖纖維水泥土中的有效應力并不是不變的，其值會隨著纖維摻入量等影響因素的改變而變化，強度包線不再是水平的，而是變成了一條斜線，φ值遠大于0，這與天然土不固結不排水剪切試驗中有效應力保持不變，φ值接近0的情況有所不同. 由此可見，隨著水泥的摻入，玄武巖纖維水泥土的力學性能已與普通天然原狀土有較大差別.

通過對比分析不同配比和試驗結果可知，水泥摻入量的改變對7 d齡期玄武巖纖維水泥土的黏聚力和內(nèi)摩擦角影響不大. 如A組和B組，水泥摻量由15%增加到16.5%，玄武巖纖維水泥土的黏聚力相比C組增幅較小，而內(nèi)摩擦角則幾乎不變. 相比于水泥摻量不變，在水泥土中摻入一定量的纖維，其黏聚力和內(nèi)摩擦角都有較明顯的提高.

在7 d齡期時，水泥的質量分數(shù)為15%、玄武巖纖維的質量分數(shù)為0.5%的C組試件黏聚力和內(nèi)摩擦角已比單摻水泥16.5%的B組試件高出8.2%和12.5%. 由此可知玄武巖纖維摻量對水泥土抗剪強度的增強效率遠大于水泥摻量. 水泥與玄武巖纖維復摻的試件C、D和E組與單摻水泥15%的試件A組相比，黏聚力增長率分別為28.1%、88.1%和93.2%，內(nèi)摩擦角增長率分別為14.3%、14.3%和15.1%. 該齡期內(nèi)玄武巖纖維摻量對水泥土黏聚力及內(nèi)摩擦角的影響見圖2. 其中，ωbf為玄武巖纖維質量分數(shù)，水泥的質量分數(shù)均為15%. 由圖2可知，水泥土試件的黏聚力、內(nèi)摩擦角與玄武巖纖維的摻量總體呈正比關系. 但對水泥土內(nèi)摩擦角而言，玄武巖纖維的摻量只在初始時有比較大的增幅，其后增幅比較平緩.

圖2 7 d玄武巖纖維摻量對黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響Fig.2 Influence of basalt fiber content on the cohesion and internal friction angle (7 d)

綜上可知，7 d齡期時水泥摻量及玄武巖纖維摻量對水泥土黏聚力及內(nèi)摩擦角都有相應提升，但玄武巖纖維的增強效果要明顯好于同等條件下水泥摻量的效果. 玄武巖纖維對水泥土的增強在其黏聚力及內(nèi)摩擦角兩方面均有體現(xiàn)，與兩者大致呈正比關系，且對水泥土黏聚力增強較顯著. 由此表明，玄武巖纖維的摻入對水泥土抗剪強度的提升主要體現(xiàn)在對其黏聚力的提升.

2.2 玄武巖纖維水泥土的應力應變關系

早齡期時玄武巖纖維水泥土的應力應變關系是其強度-變形性能的重要參數(shù)，本研究以7 d齡期試件應力應變曲線為例進行分析.

圖3 不同圍壓下主應力差與軸向應變關系曲線Fig. 3 Relationship between principal stress difference and axial strain under different confining pressures

7 d齡期下不同配比的水泥土試件在不同圍壓下的應力-應變關系如圖3所示，其中，σ1和σ2為試件受到的主應力，σ1-σ2為主應力差. 由圖3可知：

1)早齡期(7 d)玄武巖纖維水泥土試件的應力應變曲線由3部分構成，分別是：① 線彈性階段，試樣受力還較小，內(nèi)部還不存在裂紋，應力應變呈線性增長關系；② 塑性屈服階段，當受力超過某一限值時，試樣開始出現(xiàn)裂紋，應力-應變曲線不再呈線性關系，其切線曲率逐漸減小并趨于零；③ 峰值軟化階段，即達到峰值后，應力隨應變的增長而呈下降趨勢.

2)7 d齡期的玄武巖纖維水泥土表現(xiàn)出很大的塑性變形特征，與原土的變形特征相似，這是因為水泥的水化及硬凝過程在短齡期內(nèi)沒有充分進行，使水泥土試件的變形特征更加傾向于原土.

3)對比分析早齡期玄武巖纖維水泥土相同圍壓不同配比試驗圖及試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，復摻玄武巖纖維的水泥土試件線性變形階段較單摻水泥的水泥土試件更長，較遲進入屈服階段，且進入屈服時的屈服應力更大，塑性變形也有所增大.

4)相同圍壓(分別為0、100、200和300 kPa)下，摻入玄武巖纖維的水泥土試件不管其破壞應力還是破壞應變均大于未摻纖維的試件. 玄武巖纖維摻量增加，其破壞應力應變也相應提高. 在早齡期即可表明玄武巖纖維的摻入能提高水泥土的強度和增大水泥土的塑性，發(fā)揮出玄武巖纖維在水泥土中的有利作用. 同時分析不同圍壓下相同配合比的應力應變曲線可知，圍壓的增大不僅提高了破壞應力和破壞應變，而且使水泥土的殘余強度也得到提高.

5)在任一圍壓下，水泥土試件中隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥土試件達到峰值應力后的應力衰減速度越來越慢，試件應力衰減穩(wěn)定后的殘余應力也逐漸增大. 其原因主要是玄武巖纖維在水泥土中起到一種加筋的作用，當試件加載到開始出現(xiàn)裂縫時，玄武巖纖維能在裂縫中起到“橋梁”的作用，從而能有效抑制或減緩裂縫的發(fā)展，在提高水泥土的強度的同時，也能增大水泥土的塑性變形和殘余應力.

為比較清晰地體現(xiàn)出玄武巖纖維在水泥土中的作用，本研究設計了規(guī)格化強度(σ1+σ3)fr/(σ1-σ3)f， 該強度表示將不同玄武巖纖維摻量的水泥土破壞主應力差除以未摻纖維(單摻水泥15%)的水泥土破壞主應力差，再進行對比分析，結果如表2.

表2 7 d齡期水泥土試件的規(guī)格化強度

通過表2可以看出，對應于同一圍壓下，玄武巖纖維水泥土的規(guī)格化強度隨纖維摻量的增加而逐漸增大，兩者呈正相關. 但在同一玄武巖纖維摻量下，玄武巖纖維水泥土的規(guī)格化強度逐漸減低，表明玄武巖纖維在水泥土中的作用效應會隨著圍壓的增大而有所減弱.

2.3 玄武巖纖維水泥土的變形模量

土的變形模量是指土體在無側限條件下的應力與應變的比值. 本研究根據(jù)試件在圍壓為0時所得的應力應變曲線，可得玄武巖纖維水泥土的變形模量E50為

(1)

其中，qu為試件的峰值強度；ε50為試件峰值強度50%所對應的應變值.

為了與早齡期進行對比，也分別進行了7、14和28 d的玄武巖纖維水泥土變形模量測試，結果見表3.

表3表明，隨著齡期的增加，玄武巖纖維水泥土試件的變形模量也相應增大. 纖維加強的水泥土試件變形模量均大于單摻水泥而未摻纖維的水泥土，并隨著玄武巖纖維摻入量的提高而逐漸增大. 在玄武巖纖維的質量分數(shù)小于1.0%時增幅較大，超過1.0%后增幅變緩. 玄武巖纖維的摻入能較好地減少水泥土的后期變形，或者在相同的變形要求下能承受更大的荷載. 研究表明，水泥土的變形模量和其抗壓強度存在一定的線性關系. 因此，本研究將不同養(yǎng)護齡期下玄武巖纖維水泥土的變形模量和抗壓強度進行線性擬合，得到不同配比的玄武巖纖維水泥土試件平均變形模量與抗壓強度的關系，如表4.

表3 不同齡期玄武巖纖維水泥土變形模量

表4 變形模量與抗壓強度的關系

由表4可知，摻入玄武巖纖維的水泥土平均變形模量的變化范圍為E50=(83～92)qu， 而未摻玄武巖纖維，水泥質量分數(shù)為15%的水泥土試件變形模量為E50=125qu， 并且變形模量與抗壓強度的比例系數(shù)隨著抗壓強度的增大而逐漸減小.

3 結 論

本研究通過對水泥土試件中有無玄武巖纖維摻量和玄武巖纖維摻量的大小不同進行三軸不固結不排水對比試驗研究，試驗得到早齡期(7 d)玄武巖纖維的應力應變關系、抗剪強度參數(shù)和變形模量與抗壓強度的關系式，得出以下結論：

1)早齡期時水泥摻量及玄武巖纖維摻量的增加都能提高水泥土的強度，但玄武巖纖維的增強效果更明顯；玄武巖纖維加強水泥土在其黏聚力及內(nèi)摩擦角兩方面均有體現(xiàn)，與兩者大致呈正比關系，并且對水泥土黏聚力增強效果較顯著.

2)玄武巖纖維水泥土試件的應力應變曲線主要經(jīng)歷了3個不同的線性變化階段，即最初的線彈性階段、隨后的塑性屈服階段以及最后的峰值軟化階段. 水泥土試件在7 d齡期時表現(xiàn)出與原土相類似的變形特征，即比較大的塑性變形特征，同時玄武巖纖維的摻入也增大了水泥土的屈服應力.

3)不同圍壓下，相比較未摻纖維的水泥土而言，摻有纖維的水泥土試件破壞應力與破壞應變均有明顯提高. 在早齡期就體現(xiàn)出玄武巖纖維的摻入能提高水泥土的強度，增大水泥土塑性的作用. 利用規(guī)格化強度來進一步體現(xiàn)玄武巖纖維的摻入對水泥土的影響，結果表明，規(guī)格化強度與玄武巖纖維摻量呈正相關，與圍壓呈負相關.

4)摻入玄武巖纖維的水泥土試件7 d變形模量均大于單摻水泥的水泥土，并隨著玄武巖纖維摻入量的提高而逐漸增大，在玄武巖纖維的質量分數(shù)小于1.0%時增幅較大，超過1.0%后增幅變緩. 本研究擬合了不同配比的玄武巖纖維水泥土試件平均變形模量與抗壓強度的關系，可為實際工程提供參考.

引文：陳 峰. 早齡期玄武巖纖維水泥土的強度及變形特性 [J]. 深圳大學學報理工版，2017，34(6)：611-617.

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【中文責編：坪梓；英文責編：之聿】

2017-02-24；Accepted2017-06-20

Professor Chen Feng. E-mail: knicks2000@163.com

Strengthanddeformationcharacteristicsofbasaltfibercement-soilatearlyage

ChenFeng

College of Engineering, Fujian Jiangxia University, Fuzhou 350108, Fujian Province, P.R.China

In order to enhance the mechanics quality of cement-soil and the reinforcement effect of basalt fiber, we study the way to improve the strength of cement soil at age of 7 d by means of mixing the basalt fiber. By the undrained triaxial compression tests, the early age shear strength and deformation of basalt fiber cement-soil are studied. The results show that the incorporation of fiber greatly improves the cohesion of cement-soil. Both are roughly proportional to each other. The stress-strain curves could be divided into three stages which are linear elastic stage, plastic yield stage and peak stage of softening. The incorporation of basalt fibers has the effect of quasi confining pressure on the strength of specimens, which can obviously improve the strength of cement soil and increase its plastic deformation. Eventually we fit the relationship between the deformation modulus and compressive strength of specimens with different mixing ratio of basalt fiber and cement-soil at age of 7 d. This study provides reference for practical engineering.

geotechnical engineering; cement-soil; basalt fiber; early age; compressive strength; deformation modulus

Foundation：Natural Science Foundation of Fujian Province (2015J01634); Special Research Projects of Provincial Colleges and Universities in Fujian Province (JK2016045)

：Chen Feng. Strength and deformation characteristics of basalt fiber cement-soil at early age[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(6): 611-617.(in Chinese)

TU 411

A

10.3724/SP.J.1249.2017.06611

福建省自然科學基金資助項目(2015J01634)；福建省省屬高校專項科研資助項目(JK2016045)

陳 峰(1980—)，男，福建江夏學院教授．研究方向：混凝土性能.E-mail：knicks2000@163.com