玄武岩纤维改良膨胀土的试验研究

庄心善， 周　谈， 游　鹏

(湖北工业大学建筑与土木工程学院， 湖北 武汉 430068)

玄武岩纤维改良膨胀土的试验研究

庄心善， 周谈， 游鹏

(湖北工业大学建筑与土木工程学院， 湖北 武汉 430068)

[摘要]以河南南阳某公路的膨胀土为研究对象，在实验室通过试验得到改良膨胀土的最优二灰比，在此基础上以不同的玄武岩纤维掺入量和养护周期为变量，通过击实试验、胀缩试验、无侧限抗压强度实验以及直接剪切试验研究膨胀土各个指标的变化规律。结果表明：掺入玄武岩纤维后膨胀土的膨胀量和膨胀力随玄武岩纤维掺入量的增加呈减小趋势，在掺入量为0.3%左右膨胀量和膨胀力最小；经过养护的膨胀土的膨胀量和膨胀力呈减小趋势，在14 d左右达到最小；掺入玄武岩纤维后膨胀土的无侧线抗压强度和抗剪强度都呈上升趋势，且都在掺入量为0.3%左右达到最优；经过养护的膨胀土试样无侧限抗压强度有明显提高，在养护周期14 d时达到最大；经过养护的膨胀土试样的抗剪强度有明显提高，随着养护时间的增长抗剪强度逐渐增大，没有出现最大值。

[关键词]膨胀土； 玄武岩纤维； 养护龄期； 膨胀力； 抗压强度； 抗剪强度

河南南阳是南水北调的起点，但其地质条件复杂，膨胀土是南阳一种常见的土体,具有遇水剧烈膨胀失水显著收缩等不稳定性质[1]。玄武岩纤维是一种弹性模量和强度都较大的纤维，其优良的性质在很多方面都有广泛的用途。二灰(石灰和粉煤灰)是常见有效的土体改良材料。膨胀土不良性质给工程施工造成很多困难，如何解决这些问题是亟须面对的课题。土中加筋是改良膨胀土最为有效的方法之一。笔者在试验中得到改良膨胀土的最优二灰比，石灰掺入量为6%，粉煤灰掺入量为12%，并以此为基础继续往膨胀土中掺入不同含量的玄武岩纤维，经过一定的养护时间，通过击实试验、胀缩试验、无侧限抗压强度实验以及直接剪切试验,研究膨胀土各个指标的变化规律。

1石灰、粉煤灰及玄武岩纤维改良膨胀土机理

1.1石灰改良膨胀土机理

石灰是改良膨胀土最常用的材料,在空气和水中都可发生硬化。石灰的胶结能力与其含有的活性氧化钙和氧化镁的含量成正比，通过与土体颗粒的物理作用和化学作用共同改良膨胀土的性能。石灰改良膨胀土的途径通常有离子交换作用、凝胶反应、碳化作用和结晶作用四种。离子交换作用是指生石灰遇水会迅速发生化学反应产生氢氧化钙和氢氧化镁，氢氧化钙和氢氧化镁继续与水反应，水解出正二价的钙离子和镁离子，钙离子和镁离子通过化学反应置换出正一价的钠离子和钾离子，高价的离子会使膨胀土的结合水膜较薄，使膨胀土的亲水性和分散性降低、塑性指数下降，进而使膨胀土土体膨胀潜势减小，更易成型，产生初期强度。凝胶反应是指膨胀土中的某些成分在碳化作用后会和石灰发生化学反应形成难溶于水的凝胶，它可在膨胀土颗粒外表面形成具有较强粘结力的稳定结构，既可使灰土的强度得到明显的提高也可使膨胀土保持稳定。碳化作用是指生石灰遇水生成的氢氧化钙和氢氧化镁会与空气中的二氧化碳发生化学反应，生成不溶于水的沉淀性固体颗粒，这种固体颗粒会使土体强度得到提升，逐渐形成膨胀土后期的强度。结晶作用是指生石灰遇到水时生成的氢氧化钙和氢氧化镁是难溶于水的固体沉淀颗粒，除去部分发生化学反应外，都是以结晶水的形式存在，同样可使膨胀土的强度得到稳定提升。

1.2粉煤灰改良膨胀土的机理

粉煤灰是常用的可有效提高膨胀土强度的添加剂，主要由SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO等成分组成，前三种成分占大部分比例。把粉煤灰掺入到膨胀土中可产生一系列的化学反应，从而提高膨胀土强度并有效减小膨胀土的胀缩性[2]。化学反应包括离子交换作用和硬凝作用。离子交换作用是指在一定的含水条件下，粉煤灰可与膨胀土发生离子交换反应，即粉煤灰中的Ca 、Al、Fe等高价阳离子和土体中的低价阳离子发生置换反应，可使膨胀土的塑性指数和胀缩性得到明显的降低，土体中的细粒也会相互抱团形成相对较大的颗粒。硬凝反应是指粉煤灰中含有一定量的SiO2、Al2O3，能够在一段养护时间之后逐渐与膨胀土作用产生水化硅酸钙和水化铝酸钙胶体，能大幅提高膨胀土的强度和延性。

1.3石灰和粉煤灰共同作用改良膨胀土的机理

粉煤灰的硬凝作用需要养护一段时间后慢慢形成，所以早期强度较低，而石灰可以在早期形成表面具有较强粘结力的稳定结构。当石灰和粉煤灰共同作用时，两者可相互发挥各自的优点，使膨胀土早期和晚期的强度都得到稳定的提升[3]。

1.4玄武岩纤维改良膨胀土的机理

玄武岩纤维改良膨胀土的主要原因是玄武岩纤维增强了与膨胀土接触界面间的力学作用，包括接触面的摩擦力和粘结力。膨胀土中掺入玄武岩纤维可使颗粒间的摩擦力增大，进而使土体颗粒间的连接力增大，土体的强度得到进一步的提高、胀缩性逐渐减小[4]。

2实验材料

2.1短切玄武岩纤维

本试验所用的是6 mm短切玄武岩纤维，将其手工均匀撕开成细丝状，然后与石灰以及粉煤灰均匀混合充分，其物理性能指标为：单丝直径13 μm；密度2650 kg/m3；平均长度6 mm；抗拉强度≥2000 MPa；弹性模量90～110 GPa；极限延伸率3.5%；熔点1250℃。

2.2石灰与粉煤灰

石灰：为III级石灰，其CaO和MgO的含量占消解后总含量的56.6%。

粉煤灰：粉煤灰的化学成分属二级。物理力学参数为：SiO2，45.25%；Al2O3，26.36%；Fe2O3，9.15%；CaO，8.55%；MgO，2.15%；SO3，3.83%；Na2O，1.35%；K2O，1.25%；烧失量，2.11。

2.3膨胀土

本试验用土取自南阳某公路,颜色为淡红色、褐色, 呈松散半坚硬状态,膨胀土内掺杂有少量钙质结核,层里为片状, 按照现有的膨胀土分类标准可综合判定为中等膨胀土。其基本物理化学性质见表2。

表2　膨胀土的物理力学参数

3试样制备

1)对南阳运来的土块进行去核处理，并把较大的土块锤碎；

2)对土块进行风干捣碎，过2 mm的筛，进行击实试验测得最优含水率为23%；

3)将6%的石灰、12%的粉煤灰以及0、0.1%、0.3%和0.5%的玄武岩纤维掺入到最优含水率的膨胀土中。试验过程中，首先将目标重量的石灰和粉煤灰与目标重量的膨胀土混合均匀，然后慢慢将目标重量的玄武岩纤维用手工均匀撕开分散在膨胀土混合物中，充分搅拌混合均匀，再分多次将目标含量的水均匀撒在膨胀土混合物中，重复搅拌使其充分混合均匀。

4)将配置好的土体分别标记装入薄膜塑料袋内，在标准的温度和湿度条件下养护24 h使其水分分布均匀。

5)养护结束后马上将养护好的土体适量装入内径40 mm、高80 mm的重塑桶内制作无侧限抗压强度试验试块，制作过程中分三层由下及上分层击实，每层分别击实25次制成试样。再用标准环刀截取环刀样制作足够数量的胀缩性试验和直接剪切试验试块，胀缩性试验的试样高度20 mm，直径61.8 mm。每组试验至少制作两个平行试样。将制作好的试样装入保鲜膜内，在标准的恒温和湿度条件下进行目标时间的养护。

4实验方法

胀缩性试验、无侧限抗压强度试验和直剪试验都按照《公路土工试验规程》进行，为研究玄武岩纤维掺入量和养护龄期对二灰改良膨胀土各个指标的影响，在最优二灰比的基础上制作不同玄武岩纤维掺入量的试样，纤维掺入量分别占烘干土样的0、0.1%、0.3%、0.5%，不同纤维含量和养护时间的平行试样每组至少2个，试验结束后取两组试验结果的平均值。分别在养护0 d、7 d、14 d、28 d后将配置好的膨胀土进行胀缩性试验、无侧限抗压强度试验和直接剪切实验，记录实验结果，实验结束后取下试样拍照。

5实验结果与分析

5.1玄武岩纤维和养护龄期对无荷膨胀量和膨胀力的影响

掺入不同含量玄武岩纤维以及不同养护龄期对二灰膨胀土无荷膨胀量和膨胀力的影响如图1、图2所示。由图可见，随着玄武岩纤维含量的增加，在相同养护龄期下二灰膨胀土无荷膨胀量和膨胀力都随着纤维含量的增加整体上呈减小趋势，纤维含量在0.3%时，膨胀量和膨胀力开始呈较稳定状态，说明在不考虑养护龄期的影响的情况下，掺入玄武岩纤维能明显降低膨胀土的胀缩量和膨胀力，在掺入含量为0.3%时效果较好，超过这个掺量后变化较为平缓，趋于稳定状态。因为在掺入少量的玄武岩纤维时，纤维会以单根丝状状态存在，当土体膨胀时提供的是一维的约束力。当玄武岩纤维掺入量增加时，纤维会相互交错形成网状结构，当土体膨胀时纤维会提供三维的约束力，大幅度抑制了膨胀土的胀缩性[5]。但是当纤维含量过多时，大部分纤维会以束状形式存在，由于纤维和土粒之间的弹性模量相差较大，反而减小了土颗粒与纤维之间的摩擦力。因此，较为合理的玄武岩掺入量为0.3%。

图 1　养护齡期与纤维掺入量对无荷膨胀量的影响

图 2　养护齡期与纤维掺入量对膨胀力的影响

由图1、图2可以看出，不同纤维掺入量的膨胀土随着养护时间的增长，其膨胀量和膨胀力都是开始快速减小，后以较小的减速趋于平稳，并且在养护时间14 d膨胀量和膨胀力较小。因为经过养护后的二灰膨胀土中石灰粉煤灰与膨胀土发生了硬凝作用，使膨胀土的结构发生了变化从而抑制了膨胀土的胀缩性，最好的养护时间应为14 d。

5.2玄武岩纤维和养护龄期对无侧限抗压强度的影响

掺入不同含量玄武岩纤维以及不同养护龄期对二灰膨胀土无侧限抗压强度的影响见图3。由图可见，随着玄武岩纤维含量的增加，在相同养护龄期下二灰膨胀土的最大无侧限抗压强度整体呈上升趋势，玄武岩纤维掺入量为0.3%时达到最大，超过0.3%时反而减小。这说明在最优二灰比条件下膨胀土的最佳玄武岩纤维掺入量为0.3%。因为在二灰土中掺入玄武岩纤维可提高土体与玄武岩纤维表面的摩擦力与粘结力，使土体的抗压强度提高。

图 3　养护齡期与纤维掺入量对无测限抗压强度的影响

由图3可以看出，不同纤维掺入量的膨胀土随着养护时间的增长，最大无侧限抗压强度在0～7 d时急剧增大，7～14 d时以较小增幅增大，后以平稳的趋势延长至28 d。因为石灰和粉煤灰共同的离子交换作用和硬凝作用在合理养护时间为14 d时效果最好，所以在工程实际中建议的养护时间为14 d。

5.3玄武岩纤维和养护龄期对抗剪强度的影响

掺入不同含量玄武岩纤维以及不同养护龄期对二灰膨胀土抗剪强度的影响见图4。

图 4　养护齡期与纤维掺入量对抗剪强度的影响

由图4可见，随着玄武岩纤维含量的增加，在相同养护龄期下，二灰膨胀土的最大无侧限抗压强度整体呈上升趋势，以较大的上升趋势增长到0.3%，后以非常缓慢甚至可忽略的上升趋势增长到0.5%。因为当玄武岩纤维掺入量渐渐变大时，土体受力时纤维会提供三维的约束力，大幅度提高了土体的结构性，使其抗剪强度增大[6]。但由图4可见掺入量超过0.3%时抗剪强度增幅很小，所以最优玄武岩掺入量应为0.3%。

由图4可看出，不同纤维掺入量的膨胀土随着养护时间的增长，最大抗剪强度在0～7 d时急剧增大，在7～14 d时以较小增幅增大，后以较小的增幅延长至28 d。这是因为石灰的离子交换作用、凝胶反应、碳化作用和结晶作用以及粉煤灰的离子交换作用和硬凝作用大幅度提高了膨胀土的结构性，但是过了14 d后物理化学作用基本已经完成，最大抗剪强度达到最优，为工程施工提供了依据。

6结论

在最优二灰比基础上，以不同的玄武岩纤维掺入量和养护周期为变量，进行击实试验、胀缩试验、无侧限抗压强度实验及直接剪切试验，结果表明：

1)玄武岩纤维可减小二灰膨胀土的膨胀量和膨胀力，随着玄武岩纤维掺入量增加, 二灰膨胀土的膨胀量和膨胀力逐渐减小，最佳玄武岩纤维掺入量为0.3%。

2)二灰膨胀土养护龄期为14 d时膨胀量和膨胀力最小。

3)玄武岩纤维能提高二灰膨胀土的无侧限抗压强度和抗剪强度，随着玄武岩纤维掺入量增加,二灰膨胀土的无侧限抗压强度和抗剪强度逐渐增大，最佳玄武岩纤维掺入量为0.3%。

4)二灰膨胀土的养护龄期为14 d时无侧限抗压强度和抗剪强度达到最大值。

[参考文献]

[1]宋会川，屠拥军，等.河南南阳膨胀土的了解与研究[J].科技向导，2013,23:389．

[2]庄心善，王功勋，朱瑞庚，等.粉煤灰炉渣加固土的室内无侧限抗压强度试验研究[J].岩土工程学报，2005,27(8)：1411-1414.

[3]超普生，刘松玉，杜廷军，等.石灰-粉煤灰改良膨胀土试验 [J]．东南大学学报，2007，37(2)：339-344.

[4]张丹，许强，郭莹，等.玄武岩纤维加筋膨胀土的强度与干缩变形特性试验[J].东南大学学报，2012,42(5)：975-980.

[5]陈孚华．膨胀土上的基础 [M]. 北京: 中国建筑工业出版社,1979:26-29.

[6]中华人民共和国国家标准. 膨胀土地区建筑技术规范(GBJ112-87)[S]. 北京: 中国计划出版社, 1989.

[责任编校： 张岩芳]

Experiment Study on Improvement of Expansive Soil with Basalt Fiber

ZHUANG Xinshan，ZHOU Tan，YOU Peng

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：The objective of this experiment is expansive soil from a highway in Nanyang, Henan. After acquiring the two cement ratio from the lab experiment, the paper analyzed the basalt with different fiber incorporation and maintenance cycle by the compaction experiment, expansive experiment, the unconfined compressive strength and direct shear test study regular pattern of expansive soil. The results show that the basalt fiber can greatly improve the compressive strength of expansive soil. Adding 0.3% expansive oil achieves the minimum compressive strength. The maintained expansive soil will decrease and reach its minimum in 14 days. But after adding 0.3 % basalt fiber, the unconfined compressive strength and direct shear will increase to the best. The unconfined compressive strength of maintained expansive soil will increase and reach its maximum in 14 days. With time going by, its direct shear strength will be enhanced dramatically, but with no maximum.

Keywords：expansive oil, basalt fiber, the days of maintenance, expansive strength, compressive strength, shearing strength

[收稿日期]2015-03-19

[基金项目]国家自然科学基金，项目编号51209084

[作者简介]庄心善(1964-)， 男， 河南淮阳人，工学博士，湖北工业大学教授，研究方向为环境岩土与边坡工程

[文章编号]1003-4684(2016)02-0089-04

[中图分类号]TU411.3

[文献标识码]：A