阮波，張佳森，丁茴，袁忠正，聶如松(.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙40075；

2.湖南鐵院土木工程檢測有限公司，湖南 長沙410075；3.中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢430063)

玄武巖纖維是天然玄武巖經(jīng)高溫熔融、拉絲而得的無機纖維，具有耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦、抗拉強度高和絕緣性好等特性[1]，廣泛用其來改良各種土及水泥砂漿的力學性能[2-3]。WANG等[4]發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維加筋水泥改良粉質(zhì)黏土的最優(yōu)摻量為0.4%。WANG等[5]將玄武巖纖維用于加筋高嶺土，發(fā)現(xiàn)纖維摻量為0.2%的無側(cè)限抗壓強度最大。高常輝等[6]的研究結(jié)果顯示，玄武巖纖維水泥改良摻砂粉質(zhì)黏土的最優(yōu)纖維摻量為1.5%，與未摻纖維的水泥摻砂粉質(zhì)黏土相比，最優(yōu)纖維摻量時，水泥摻砂粉質(zhì)黏土的無側(cè)限抗壓強度提高了16.5%。莊心善等[7]研究表明，玄武巖纖維加筋膨脹土時最優(yōu)摻量為0.3%。柳濤[8]通過三軸壓縮試驗發(fā)現(xiàn)，玄武巖纖維加筋粉質(zhì)黏土的黏聚力最優(yōu)摻量為0.2%。尤波等[9]將玄武巖纖維用于加筋膨脹土，通過固結(jié)不排水三軸試驗，發(fā)現(xiàn)在相同圍壓下，加筋膨脹土的主應(yīng)力差在纖維摻量為0.4%時達到最大值。徐洪鐘等[10]將玄武巖纖維摻入膨脹土中，當纖維摻量為0.4%時，玄武巖纖維加筋膨脹土的無側(cè)限抗壓強度達到最大值。徐麗娜等[11]通過無側(cè)限抗壓強度試驗發(fā)現(xiàn)用玄武巖纖維和水泥加固河床淤泥土時玄武巖纖維的最優(yōu)摻量為0.7%。ZHAO等[12]采用玄武巖纖維和水泥對標準砂進行增強，纖維摻量為1.4%左右時，玄武巖纖維對無側(cè)限抗壓強度的提高程度最大。上述結(jié)果表明，采用玄武巖纖維加筋水泥粉質(zhì)黏土、水泥摻砂粉質(zhì)黏土、摻砂淤泥土、膨脹土和標準砂時的最優(yōu)纖維摻量為0.2%～1.5%，加筋不同土質(zhì)的最優(yōu)纖維摻量各不相同。核磁共振試驗具有無損、快速和觀測直接等優(yōu)點，能夠測量出土體內(nèi)部孔徑分布[13]。王穎等[14]對聚氨酯固化砂土開展了核磁共振試驗，分析了浸水作用對聚氨酯固化砂土孔隙占比的影響。呂超等[15]對聚丙烯纖維加筋紅黏土進行核磁共振試驗，分析出0.3%纖維含量時聚丙烯纖維加筋紅黏土的孔隙分布最佳。LIU等[16]通過核磁共振試驗，建立了水泥回填砂漿無側(cè)限抗壓強度與孔隙率之間的關(guān)系。風積沙是由于風積作用形成的粉細砂，在粒度成分上屬于粉質(zhì)細砂土，風積沙實際在成分上由細砂和不同含量的粉粒及黏粒組成，因顆粒很細，可由風力搬運形成砂丘，所以習慣上稱之為風積沙[17-20]。新建和若鐵路沿線位于塔克拉瑪干沙漠南邊緣。沿線所經(jīng)地區(qū)地表以風積沙為主，風積沙的級配不良，按鐵路路基工程分類為C3類填料[21]，不能直接用作鐵路路基基床填料，因此，開展玄武巖纖維水泥改良風積沙風積沙無側(cè)限抗壓強度試驗和核磁共振試驗，分析纖維摻量對水泥改良風積沙的無側(cè)限抗壓強度和微觀結(jié)構(gòu)的影響，研究纖維水泥改良風積沙用于沙漠地區(qū)鐵路路基基床填料的適用性。

1 試驗

1.1 試驗材料

試驗采用的風積沙來自新疆和若鐵路施工現(xiàn)場，其掃描電鏡照片見圖1，物理力學指標見表1。顆粒級配曲線見圖2，粒徑位于0.075 mm～0.25 mm的風積沙占比達到97.2%，顆粒均勻單一，級配不良。通過X射線衍射(XRD)對風積沙的化學組成進行分析，通過X射線熒光光譜分析(XRF)，得到化學元素質(zhì)量百分比組成，見圖3。風積沙的硅元素占比33.13%，這表明SiO2的含量較高，而金屬氧化物的含量較低。玄武巖纖維的物理力學性質(zhì)見表2，其技術(shù)指標由海寧安捷復(fù)合材料有限責任公司提供。

圖1 掃描電鏡照片(×102)Fig.1 S canning electron micrograph of aeolian sand(×102)

表1 風積沙物理力學性質(zhì)指標Table 1 Basic physical and mechanical properties of aeolian sand

水泥為PO42.5普通硅酸鹽水泥，生產(chǎn)廠家為新疆洛浦天山水泥廠，其化學成分組成見圖4，LOI表示燒失量。

圖4 水泥化學成分Fig.4 Cement chemical composition

1.2 試驗方案

相關(guān)文獻[2-10]的研究結(jié)果表明，玄武巖纖維加筋土的最優(yōu)纖維摻量為0.2%～1.5%，不同土質(zhì)的最優(yōu)摻量不同，而玄武巖纖維加筋風積沙的最優(yōu)纖維摻量鮮有報道。為了研究玄武巖纖維水泥改良風積沙無側(cè)限抗壓強度的最優(yōu)纖維摻量，制作水泥摻量為5%[22]，纖維摻量為0%，0.2%，0.5%，0.8%，1.1%，1.4%和1.7%的纖維水泥改良風積沙試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗。水泥摻量ac及纖維摻量af的定義如式(1)和式(2)。

式中：ms為烘干的風積沙質(zhì)量，g；mc為水泥質(zhì)量，g；mf為玄武巖纖維質(zhì)量，g。

制作水泥改良風積沙和纖維摻量0.8%的纖維水泥改良風積沙試樣進行核磁共振試驗，研究纖維對水泥改良風積沙微觀結(jié)構(gòu)的影響。

1.3 試樣制備

按照試驗方案稱取烘干的風積沙，玄武巖纖維及水泥，將風積沙、水泥、纖維與水拌合均勻，制作成混合料。依據(jù)相關(guān)規(guī)范[23]，稱取一定質(zhì)量的混合料裝入鋼試模中，采用錘擊法制樣，壓實系數(shù)為0.95，上下壓柱應(yīng)擊入試模內(nèi)，試樣制作成型后隔2 h采用脫模器脫模。試樣脫模后，稱量其質(zhì)量，見圖5，放入HBY-60B型水泥恒溫恒濕標準養(yǎng)護箱中進行養(yǎng)護，養(yǎng)護溫度為(20±2)℃，養(yǎng)護濕度95%，養(yǎng)護齡期28 d。無側(cè)限抗壓強度試驗為直徑和高度均為50 mm的圓柱體試樣，核磁共振試驗為高度30 mm，直徑20 mm的圓柱體試樣。

圖5 試樣養(yǎng)護(塑料薄膜包裹)Fig.5 Sample maintenance

1.4 試驗

1.4.1 NMR試驗

采用NMRC12-010V核磁共振低場孔隙分析儀，儀器見圖6。標準養(yǎng)護28 d后將試樣置于真空飽和泵中抽氣飽和，取出試樣，用濕毛巾快速輕拂試樣表面游離的水分，將試樣放置于試樣瓶及量筒中，置于測試系統(tǒng)內(nèi)部的試樣盒中開始測試，通過數(shù)據(jù)采集軟件獲取試樣的采樣曲線，并進行反演得到T2譜曲線。

圖6 NMRC12-010V核磁共振低場孔隙分析儀Fig.6 NMRC12-010V nuclear magnetic resonance low(plastic thin-film wrap)field pore analyzer

1.4.2 無側(cè)限抗壓強度試驗

養(yǎng)生期最后一天，將試樣浸沒水中24 h，試樣頂面低于水面25 mm。養(yǎng)生完成后，用軟抹布吸去表面余水，根據(jù)相關(guān)規(guī)范[23]進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗儀器采用ETM電子萬能試驗機，加載速率為1 mm/min，記錄試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 核磁共振試驗結(jié)果及分析

2.1.1 核磁共振基本原理

氫原子在強磁場中能夠產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象，使用特定的射頻磁場發(fā)射和接收設(shè)備，就能夠把核磁共振信號通轉(zhuǎn)化為計算機上的圖像和數(shù)據(jù)。磁化矢量在垂直外部磁場方向上減弱至0的過程稱為橫向弛豫，由符號T2表示。T2時間與原子核所在分子的運動性相關(guān)，即橫向弛豫時間T2時間隨著分子運動性的增強而延長。核磁共振技術(shù)能夠只表現(xiàn)液態(tài)物質(zhì)在巖土體中的弛豫過程[24]。表面弛豫決定了巖土體孔隙中的液態(tài)物質(zhì)的T2弛豫時間。T2弛豫時間可以表示為[25]：

式(3)為弛豫時間T2與孔徑的換算關(guān)系式，ρ2為T2對應(yīng)的表面弛豫率可用式(4)[26]計算。

式中：Ks為土體的滲透率；φ為土體的孔隙度；T2LM為T2譜的加權(quán)幾何平均值。

橫向弛豫時間T2的分布曲線反映了試樣孔隙結(jié)構(gòu)的分布信息。T2分布曲線中，橫坐標T2弛豫時間與孔徑大小正相關(guān)?？v坐標核磁共振信號幅度與孔隙數(shù)量呈現(xiàn)正比例關(guān)系。

2.1.2 纖維摻量對T2譜分布曲線的影響

玄武巖纖維水泥改良風積沙的T2譜分布曲線見圖7，相對于水泥改良風積沙，纖維摻量為0.8%的玄武巖纖維水泥改良風積沙的T2譜分布曲線整體向左偏移，水泥改良風積沙的弛豫時間為0.37μs～1.97 s，對應(yīng)的孔隙半徑0.74 nm～0.39 mm；玄武巖纖維水泥改良風積沙的弛豫時間0.31μs～1.07 s，對應(yīng)的孔隙半徑為0.61 nm～0.21 mm，纖維加筋后水泥改良風積沙的孔隙半徑減小，孔徑范圍縮短。

圖7 T2譜分布曲線Fig.7 T2 distribution curves

2.1.3 纖維摻量對孔徑分布的影響

T2譜分布曲線與橫坐標所圍成的區(qū)域稱為譜峰，譜峰面積與孔隙體積成正比，是反映孔隙結(jié)構(gòu)分布及其變化的重要參數(shù)，各峰所占面積比例可以反映孔隙半徑的比例[27]。參考DENG等[27]孔徑范圍的分類標準，見表3，纖維水泥改良風積沙的總體孔徑分布見圖8。與水泥改良風積沙相比，纖維水泥改良風積沙的大孔減少25.7%，而中孔增大12.7%，對微孔和小孔的影響較小。這說明玄武巖纖維能有效抑制水泥改良風積沙內(nèi)部的大孔產(chǎn)生和進一步發(fā)展。

表3 孔徑范圍的分類標準Table 3 Pore classification standard

圖8 纖維摻量對總體孔徑分布的影響Fig.8 Effect of fiber content on overall pore size distribution

2.2 纖維摻量對水泥改良風積沙應(yīng)力應(yīng)變曲線的影響

不同纖維摻量下的水泥改良風積沙應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖9，為應(yīng)變軟化型。水泥改良風積沙的應(yīng)力應(yīng)變曲線起始階段近似線性急劇增大，曲線頂端較尖，達到峰值強度后，隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力急劇下降，峰值應(yīng)變較小，呈脆性破壞。而纖維水泥改良風積沙的應(yīng)力應(yīng)變曲線起始階段近似緩慢增大，曲線頂端較平緩，達到峰值強度后，隨著應(yīng)變的增大，應(yīng)力緩慢下降，峰值應(yīng)變較大，呈塑性破壞。

圖9 玄武巖纖維水泥改良風積沙的應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.9 Stress-strain curves of cemented aeolian sand reinforced with basalt fiber

2.3 纖維摻量對水泥改良風積沙無側(cè)限抗壓強度的影響

玄武巖纖維水泥改良風積沙的無側(cè)限抗壓強度見圖10。纖維水泥改良風積沙的無側(cè)限抗壓強度隨著纖維摻量的增加而增加，纖維摻量達到0.8%時無側(cè)限抗壓強度達到最大值，繼續(xù)增大纖維摻量，無側(cè)限抗壓強度逐漸減小，最優(yōu)纖維摻量為0.8%。

圖10 纖維摻量對無側(cè)限抗壓強度及峰值應(yīng)變的影響Fig.10 Effect of fiber content on unconfined compressive strength and peak strain

為量化纖維對水泥改良風積沙無側(cè)限抗壓強度的影響，引入無側(cè)限抗壓強度增強比R[28]，即纖維水泥改良風積沙的無側(cè)限抗壓強度與未摻纖維的水泥改良風積沙的無側(cè)限抗壓強度的比值，計算結(jié)果見表4。無側(cè)限抗壓強度增強比為1.14～1.54。

表4 纖維摻量對無側(cè)限抗壓強度及延性增強比的影響Table 4 Effects of fiber content on unconfined compressive strength and ductility enhancement ratio

軸心受壓時，玄武巖纖維水泥改良風積沙會發(fā)生橫向的裂隙擴張。當纖維摻量較低時，玄武巖纖維的摻入會不斷使玄武巖纖維與水泥改良風積沙固體顆粒更加充分接觸，不斷提供更多的黏結(jié)力和摩阻力，阻止內(nèi)部橫向裂縫的擴張[29]，使試樣能夠承受更大的軸向荷載，提高玄武巖纖維水泥改良風積沙的無側(cè)限抗壓強度。玄武巖纖維在土體中相互搭接構(gòu)成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也越來越充分，其約束力也起到了抑制破壞，提升無側(cè)限抗壓強度的作用。當纖維摻量持續(xù)增大時，固體顆粒對纖維的包裹程度逐漸飽和，當纖維摻量超過0.8%后，玄武巖纖維與風積沙顆粒、水泥拌和的均勻性變差，纖維在固體顆粒中存在重疊甚至成團的現(xiàn)象，因此纖維與固體顆粒之間的接觸變差，黏結(jié)力降低[30]，并且使內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生受力薄弱界面，進而降低其力學性能，即無側(cè)限抗壓強度降低。由核磁共振結(jié)果可知，摻纖維后水泥改良風積沙的孔隙率明顯下降，從而導(dǎo)致無側(cè)限抗壓強度提高。

2.4 纖維摻量對水泥改良風積沙峰值應(yīng)變的影響

玄武巖纖維水泥改良風積沙的峰值應(yīng)變見圖10，峰值應(yīng)變隨著纖維摻量的增加而增大，纖維能顯著提高材料的塑性和側(cè)向應(yīng)力。玄武巖纖維能夠提升水泥改良風積沙峰值應(yīng)變的原因在于：一方面，承受外部荷載均會調(diào)動玄武巖纖維與固體顆粒接觸形成的黏結(jié)力和摩阻力，從而阻止受荷載過程中縱向裂縫的擴張，隨著豎向變形的增大，越來越多的玄武巖纖維參與到橫向抗拉過程中，所以纖維摻量較大時抗拉作用得到更加顯著的體現(xiàn)，纖維水泥改良風積沙的整體性越好，其破壞時的軸向應(yīng)變即峰值應(yīng)變就越大。另一方面，由于纖維在土體中的分布是均勻隨機的，而且彎曲的纖維相互交織在一起，以固體顆粒為鉸接點共同形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[31]。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以有效抑制裂縫的產(chǎn)生，阻止裂縫的進一步擴展，近似產(chǎn)生“圍壓”作用，一定程度上提高了結(jié)構(gòu)整體延性，從而提高了玄武巖纖維水泥改良風積沙的塑性變形能力。而一定范圍內(nèi)，纖維摻量越大，這種纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的約束力就越強，因此峰值應(yīng)變越大。

為了定量研究其纖維對峰值應(yīng)變的影響，引入延性增強比D[28]，即纖維水泥改良風積沙的峰值應(yīng)變與未摻纖維的水泥改良風積沙的峰值應(yīng)變比值，計算結(jié)果見表4。纖維水泥改良風積沙的延性增強比D值隨著纖維摻量的增大而增大，D值為1.43～2.67，與無側(cè)限抗壓強度對比，纖維對水泥改良風積沙的延性改善更明顯。

2.5 纖維摻量對能量吸收能力的影響

為了進一步從能量吸收能力角度研究玄武巖纖維摻入對水泥改良風積沙的峰值應(yīng)變和無側(cè)限抗壓強度的影響，定義纖維水泥改良風積沙的能量吸收能力為參考應(yīng)變水平下應(yīng)力應(yīng)變曲線與橫坐標軸圍成區(qū)域的面積[32]：

式中：ε為軸向應(yīng)變；σ為軸向應(yīng)變對應(yīng)的應(yīng)力。

將圖9的應(yīng)力應(yīng)變曲線積分，得到纖維水泥改良風積沙能量吸收能力曲線，見圖11。與未摻纖維的水泥改良風積沙相比，纖維水泥改良風積沙的能量吸收曲線形狀發(fā)生顯著變化，當應(yīng)變大于2.8%時，玄武巖纖維改良風積沙的能量吸收能力大于水泥改良風積沙的能量吸收能力，隨著應(yīng)變繼續(xù)增大，玄武巖纖維改良風積沙與水泥改良風積沙的能量吸收能力的差值越來越大。

圖11 玄武巖纖維水泥改良風積沙的能量應(yīng)變曲線Fig.11 Energy-strain curves of cemented aeolian

為了定量研究纖維摻量對纖維水泥改良風積沙能量吸收能力的影響，定義E D5為軸向應(yīng)變?yōu)?%時試樣能量吸收能力，纖維摻量對ED5的影響見圖12。與水泥改良風積沙相比，纖維水泥改良風積沙的E D5值是水泥改良風積沙的1.95～3.08倍，纖維摻入能顯著提高水泥改良風積沙的能量吸收能力。這說明玄武巖纖維能有效提高土體的強度和抑制土體的變形，使得土體產(chǎn)生相同變形時所需要吸收的能量增大。水泥改良風積沙吸收的能量主要是通過土體顆粒和水泥水化產(chǎn)物的變形而耗散，纖維水泥改良風積沙吸收的能量主要是通過纖維在纖維-土作用界面上的拉伸以及纖維和土基質(zhì)之間的摩擦而耗散[33]。

圖12 纖維摻量對能量吸收能力的影響Fig.12 Effect of fiber content on energy absorption capacity sand reinforced with basalt fiber

3 結(jié)論

1)水泥改良風積沙的弛豫時間為0.37μs～1.97 s，對應(yīng)的孔隙半徑0.74 nm～0.39 mm；纖維摻量為0.8%的玄武巖纖維水泥改良風積沙的弛豫時間0.31μs～1.07 s，對應(yīng)的孔隙半徑為0.61 nm～0.21 mm。相對于水泥改良風積沙，纖維水泥改良風積沙的大孔減少25.7%，而中孔增大12.7%，微孔和小孔的變化較小。

2)玄武巖纖維改良風積沙的無側(cè)限抗壓強度隨著纖維摻量的增加而提高，當纖維摻量為0.8%無側(cè)限抗壓強度增強比為1.54，隨后隨著纖維摻量增大無側(cè)限抗壓強度開始降低，但仍高于水泥改良風積沙的無側(cè)限抗壓強度。玄武巖纖維水泥改良風積沙的峰值應(yīng)變與纖維摻量呈正相關(guān)關(guān)系，延性增強比D為1.43～2.67。

3)纖維摻入顯著提高了水泥改良風積沙的能量吸收能力，當應(yīng)變大于2.8%時，隨著纖維摻量繼續(xù)增大，玄武巖纖維水泥改良風積沙與水泥改良風積沙的能量吸收能力的差值不斷擴大。E D5提高到1.95～3.08倍，其延性明顯提高。