陳 峰，童生豪，任健華，簡(jiǎn)文彬

1)福建江夏學(xué)院工程學(xué)院，福建福州 350108；2)福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建福州350116；3)福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建福州 350001

近年來(lái)，水泥土憑借低滲透性的特點(diǎn)，在止水防滲方面的運(yùn)用越來(lái)越廣泛[1-2]．不僅可以應(yīng)用于小型的水利工程中，還可以用于大壩及大型渠道，在用地緊張、環(huán)保要求嚴(yán)格的地區(qū)更是被廣泛選用[3]．水泥土的滲透性與強(qiáng)度性能一樣，是評(píng)價(jià)水泥土工程性能的重要指標(biāo)[4-6]．目前，對(duì)于水泥土抗?jié)B性能的研究較多的集中在水泥摻量和養(yǎng)護(hù)齡期這兩個(gè)方面[7-8].張雷等[9-11]利用回歸分析的方法得到了水泥土滲透系數(shù)與水泥摻量、養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系式.但在實(shí)際工程中，還要考慮周邊環(huán)境的影響.焦德才等[12]考慮了侵蝕環(huán)境對(duì)水泥土滲透性的影響．陳四利等[13-14]模擬了污水環(huán)境對(duì)水泥土滲透性的影響，并通過(guò)改變環(huán)境溫度得到海洋環(huán)境和清水環(huán)境下滲透系數(shù)隨溫度變化的回歸曲線方程．隨著科技的進(jìn)步，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始運(yùn)用數(shù)值模擬軟件[15]和微觀試驗(yàn)[16]對(duì)水泥土的滲透性能做更深入的研究．如KUNITO等[17]通過(guò)微觀試驗(yàn)研究了水泥土的滲透性與土體結(jié)構(gòu)致密性的關(guān)系．鄭曉培[18]從微觀結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，建立水泥土孔徑分布與滲透系數(shù)的分析模型，并利用數(shù)值模擬進(jìn)一步討論滲透系數(shù)的影響因素．

隨著水利工程的大規(guī)模建設(shè)，水泥土在土體加固及止水防滲方面發(fā)揮著不可替代的作用．水泥土作為止水防滲帷幕應(yīng)用于工程時(shí)，常處于地下水或侵蝕離子豐富的環(huán)境中，不可避免地會(huì)遭受到環(huán)境的侵蝕，甚至?xí)绊懣節(jié)B性能．對(duì)水泥土抗?jié)B性能影響最大的是氯離子，它可以通過(guò)滲透作用、毛細(xì)作用和電化學(xué)轉(zhuǎn)移等方式侵入到水泥土的內(nèi)部，造成水泥土性質(zhì)的改變，嚴(yán)重影響水泥土的抗?jié)B性能及安全性能，降低使用年限．為了滿足工程建設(shè)的需求，進(jìn)一步提高水泥土的抗?jié)B性能，玄武巖纖維憑借優(yōu)良的工程性能被作為增強(qiáng)材料摻入到水泥土中[19-21].文獻(xiàn)[22-23]研究表明，在水泥土中摻入一定量的玄武巖纖維，能提高其抗拉性能，從而減少裂縫的產(chǎn)生，進(jìn)而能提高水泥土的抗?jié)B性能，但玄武巖纖維的摻入降低了水泥土的和易性，影響水泥土的成型質(zhì)量和抗?jié)B性能. 因此，需要對(duì)玄武巖纖維摻量對(duì)水泥土抗?jié)B性能的影響做深入的研究，確定較優(yōu)的玄武巖纖維摻量值，使水泥土的抗?jié)B性能得到提高，對(duì)工程實(shí)踐提供指導(dǎo)．

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土料取自中國(guó)福州市火車站琴亭高架橋附近的某安置房項(xiàng)目基坑內(nèi)的淤泥質(zhì)土，取土深度約為8.40～13.20 m，天然含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為57.5%，密度為15.52 g/cm3，孔隙比為1.72，液限指數(shù)為1.43，塑限指數(shù)為21.72，壓縮系數(shù)為1.58 MPa-1，黏聚力為9.69 kPa，內(nèi)摩擦角為6.69°．試驗(yàn)采用福建煉石牌P42.5級(jí)的普通硅酸鹽水泥，所用玄武巖纖維為浙江石金玄武巖纖維有限公司生產(chǎn)的短切纖維[20]．試驗(yàn)用水為福州自來(lái)水經(jīng)純水機(jī)提純后的純水．

1.2 試驗(yàn)方法

本研究采用滲透性試驗(yàn)、抗氯離子滲透性試驗(yàn)和掃描電鏡測(cè)試，通過(guò)宏觀結(jié)合微細(xì)觀的方法，研究玄武巖纖維對(duì)水泥土抗?jié)B性能的增強(qiáng)效果．根據(jù)《JGJT 233—2011 水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》，采用TJSS-25型水泥土滲透試驗(yàn)裝置進(jìn)行滲透性試驗(yàn)；采用型號(hào)為BSJ的全自動(dòng)飽鹽飽水機(jī)和型號(hào)為RCM-DTL的多功能氯離子測(cè)定儀進(jìn)行抗氯離子滲透性試驗(yàn)；采用QUANTA 250型多功能掃描電子顯微鏡進(jìn)行掃描電鏡(scanning electron microscope, SEM)測(cè)試．

按原狀土的含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))57.5%配制試驗(yàn)用土．水泥土的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%；水泥漿的水灰比(質(zhì)量比)為0.5；玄武巖纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.5%、1.0%和1.5%，對(duì)應(yīng)的水泥土編號(hào)分別為A、B、C和D．每個(gè)配合比均制作3個(gè)試樣， 成型后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)90 d再進(jìn)行平行試驗(yàn)， 結(jié)果取平均值．

2 結(jié)果與分析

2.1 滲透性試驗(yàn)

本研究按水壓力法確定玄武巖纖維水泥土的滲透系數(shù)k(單位：cm/s)，即

(1)

其中，t為時(shí)間間隔(單位：s)；Q為t時(shí)間段內(nèi)的滲水量(單位：cm3)；S為試樣中部的截面積(單位：cm2)；p為滲透壓力(單位：MPa)；h為試樣高度(單位：cm)；γw為水的重度，本研究取0.009 8 N/cm3．

利用式(1)，可得到各玄武巖纖維摻量下水泥土的滲透系數(shù)，如圖1．

圖1 滲透系數(shù)隨玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.1 Permeability coefficient versus the mass fraction of basalt fiber

由圖1可知，隨著玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水泥土的滲透系數(shù)逐漸降低，抗?jié)B性能逐漸增強(qiáng)．當(dāng)玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%和1.5%時(shí)，水泥土的滲透系數(shù)相對(duì)未摻玄武巖纖維的滲透系數(shù)分別降低了23.88%、38.69%和48.6%．而玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增至0.5%時(shí)，水泥土的滲透系數(shù)降低了23.88%；從0.5%增至1.0%時(shí)，滲透系數(shù)降低了19.48%；從1.0%增至1.5%時(shí)，滲透系數(shù)降低了16.17%．這表明隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水泥土滲透系數(shù)的下降呈減緩趨勢(shì)．

由于玄武巖纖維的摻入會(huì)降低水泥土早期的收縮量，而后期的硬化干縮量也會(huì)因?yàn)槔w維的保水性而減少，因此，摻入玄武巖纖維后水泥土的內(nèi)部裂縫減少，孔隙率降低，提高了水泥土的密實(shí)度．不僅如此，玄武巖纖維還能阻擋裂縫的擴(kuò)展，避免形成連通的裂縫，減少滲流通道的形成，同時(shí)纖維能阻隔基體內(nèi)部水的流動(dòng)．由此表明，玄武巖纖維能夠提高水泥土的抗?jié)B性能．然而，水泥土中摻入玄武巖纖維也存在不利的影響因素：① 若纖維摻量較大，其暴露在試樣外的可能性就大，不利于水泥土的抗?jié)B性能；② 隨著玄武巖纖維摻量的增加，纖維與土顆粒的接觸面增大，易產(chǎn)生孔隙，同時(shí)纖維增多有可能發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使水泥土產(chǎn)生更多的孔隙或裂隙，降低了纖維與水泥土間的黏聚力，從而使纖維對(duì)水泥土抗?jié)B性能的增強(qiáng)作用有所減弱．

綜上所述，隨著玄武巖纖維摻量增加，水泥土的滲透系數(shù)降低，即水泥土的抗?jié)B性能增強(qiáng)．結(jié)合文獻(xiàn)[22-25]對(duì)玄武巖纖維水泥土力學(xué)性能的研究，力學(xué)性能并不會(huì)無(wú)限增強(qiáng)，增強(qiáng)幅度會(huì)隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而持續(xù)降低，當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.0%時(shí)，性能增長(zhǎng)幅度將明顯降低，力學(xué)性能較優(yōu)的玄武纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于1.0%～1.5%之間．本研究玄武巖纖維的較優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)取1.5%．

2.2 抗氯離子滲透性試驗(yàn)

本研究采用快速法中的電通量法對(duì)水泥土進(jìn)行抗氯離子滲透性試驗(yàn)．由于玄武巖纖維具有耐高溫、耐腐蝕和絕緣性好的特性，故氯離子對(duì)纖維的影響可以忽略不計(jì)．本試驗(yàn)所用儀器為全自動(dòng)的電通量測(cè)定儀，試樣電通量值的計(jì)算以及換算都由儀器自動(dòng)完成．電通量值隨玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化如圖2．

圖2 電通量值隨玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化Fig.2 Electric flux versus the content of basalt fiber

由圖2可見(jiàn)，隨著玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水泥土的電通量值不斷減?。虼耍鋷r纖維對(duì)水泥土的抗?jié)B性能具有增強(qiáng)作用．當(dāng)玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.5%、1.0%和1.5%時(shí)，水泥土的電通量值相對(duì)未摻玄武巖纖維的電通量值分別減少了10.15%、17.71%和23.06%．而當(dāng)玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0增至0.5%時(shí)，電通量值降低了10.15%；從0.5%增至1.0%時(shí)，電通量值降低了8.42%；從1.0%增至1.5%時(shí)，電通量值降低了6.50%．由此表明，隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，水泥土的電通量值的下降幅度減小，即水泥土抗?jié)B性能的增強(qiáng)效果有所減緩．

綜上所述，抗氯離子滲透性試驗(yàn)中玄武巖纖維對(duì)水泥土滲透性的影響效果與水壓力法試驗(yàn)結(jié)果基本一致．

2.3 掃描電鏡測(cè)試

微觀形貌分析是研究水泥土的重要方法，通過(guò)水泥土的掃描電鏡試驗(yàn)，不僅能實(shí)現(xiàn)以宏觀和微觀相結(jié)合的方式來(lái)說(shuō)明試驗(yàn)現(xiàn)象，而且能從本質(zhì)出發(fā)，提出對(duì)改善玄武巖纖維水泥土抗?jié)B性能更加有利的方法．本研究通過(guò)掃描電鏡，觀察不同玄武巖纖維摻量水泥土顆粒的孔隙大小、數(shù)量、連通性以及纖維與顆粒間的膠結(jié)情況，從微觀形貌及孔隙特征的角度對(duì)玄武巖纖維水泥土的強(qiáng)度及滲透性能進(jìn)行定性分析．不同試樣的掃描電鏡形貌圖如圖3，其中亮色為顆粒，黑色為孔隙．

從圖3可以看出，隨著玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水泥土顆粒間的孔隙直徑和數(shù)量都減?。鋷r纖維增強(qiáng)水泥土抗?jié)B性能的原因主要有：

1)玄武巖纖維的摻入填充了部分土顆粒間的孔隙，使水泥土的孔隙減少，結(jié)構(gòu)變得更致密，起到阻斷液體滲流途徑的作用，提高了水泥土的抗?jié)B性能．

2)玄武巖纖維具有良好韌性，而水泥的結(jié)晶物會(huì)將纖維表面包裹，猶如在纖維外形成了一層堅(jiān)硬的外殼，提高了纖維的剛度，使纖維能夠起到傳遞力的作用，從而達(dá)到增強(qiáng)水泥土性能的效果．

3)水泥的水化晶體具有較高的黏結(jié)力，它不僅能將玄武巖纖維與土顆粒很好的聯(lián)結(jié)起來(lái)，提高了筋-土接觸面間的黏結(jié)力，而且纖維表面的晶體與孔隙中的晶體也會(huì)相互聯(lián)結(jié)起來(lái)，使玄武巖纖維、水泥和土顆粒形成一個(gè)穩(wěn)定的整體．

圖3 試樣的掃描電鏡圖片F(xiàn)ig.3 Scanning electron microscope pictures of samples

3 結(jié) 論

1)隨著玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，水泥土的滲透系數(shù)降低，水泥土的抗?jié)B性能增強(qiáng)，但同時(shí)纖維的增多也會(huì)導(dǎo)致纖維與土顆粒間的孔隙增多，且纖維可能會(huì)發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，使得水泥土中的原生裂縫增多．因此水泥土的抗?jié)B性能不會(huì)隨著纖維的增加而無(wú)限增強(qiáng)，而是會(huì)呈現(xiàn)出減緩的趨勢(shì)．

2)隨著玄武巖纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，通過(guò)水泥土的總電通量值降低，說(shuō)明水泥土的抗氯離子滲透性能增強(qiáng)，但是增強(qiáng)的幅度會(huì)隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而有所減弱．

3)通過(guò)掃描電鏡測(cè)試發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維的摻入不僅會(huì)使得水泥土的孔隙減少，結(jié)構(gòu)變得更致密，還能將離散的土顆粒有效地聯(lián)結(jié)起來(lái)，增強(qiáng)了纖維與土顆粒間的黏結(jié)力，使得玄武巖纖維、土顆粒和水泥形成一個(gè)更穩(wěn)定的整體．