早龄期玄武岩纤维水泥土的强度及变形特性

陈 峰

福建江夏学院工程学院, 福建福州 350108

【土木建筑工程/ArchitectureandCivilEngineering】

早龄期玄武岩纤维水泥土的强度及变形特性

陈 峰

福建江夏学院工程学院, 福建福州 350108

为提高水泥土的受力性能，利用玄武岩纤维的加筋增强效果，探讨在水泥土中掺入玄武岩纤维来改善其7 d时力学性能的方法. 通过不固结不排水三轴试验，研究了早龄期玄武岩纤维水泥土的抗剪强度与变形特性. 试验结果表明，玄武岩纤维的掺入使水泥土的黏聚力有较大幅度的提高，且两者大致呈正相关关系；应力应变曲线可分为线弹性阶段、塑性屈服阶段和峰值软化阶段等；玄武岩纤维的掺入具有类围压作用，对水泥土强度具有明显的提高作用，且增大了其塑性变形；拟合了不同配比的玄武岩纤维水泥土试件7 d时的变形模量与抗压强度的关系，可为实际工程提供参考.

岩土工程；水泥土；玄武岩纤维；早龄期；抗压强度；变形模量

近年来，随着地下工程的迅速发展，水泥土凭借其低渗透性等[1]优越特性在地下工程的运用正变的越来越多，包括软基处理、重力式挡墙和基坑工程中的止水帷幕等工程领域[2-5]. 然而，大量工程实践表明，水泥土在加固地基时易产生较大的变形且在动荷载作用下易产生疲劳破坏[6-7]. 因此，如何改善其强度及抗变形能力成为水泥土研究中的新方向[8-13]. 许多学者提出通过在水泥土中掺入纤维来提高水泥土强度的方法. 赫文秀等[14]提出在水泥土中掺入一定量玻璃纤维和粉煤灰，以此来改善水泥土在力学性能方面存在的不足；唐朝生等[15]通过加入聚丙烯纤维来改善水泥土性能，提出纤维的物理加筋作用理论；殷勇等[16]讨论了玻璃纤维的掺入比、水泥土龄期和围压等对水泥土强度的影响；袁玉卿等[17]通过试验分别讨论了聚丙烯纤维掺量及纤维长度对水泥稳定土强度等性能的影响；Hamidi 等[18]进行了聚丙烯纤维对水泥土的常规三轴压缩试验及剪切等试验，分析了纤维对水泥土的强度的影响；Consoli等[19]进行了纤维水泥土的无侧限抗压试验研究；莫永京等[20]研究了纤维掺量及长度对水泥土抗拉强度的影响. 将玄武岩纤维作为增韧材料，在混凝土中已比较普遍[21-24]，而玄武岩纤维对水泥土增强方面的研究还不多. 因此，参考玄武岩纤维在混凝土中的运用[25]，将玄武岩纤维掺入到水泥土中具有很好的研究价值. 本研究利用三轴仪对玄武岩纤维水泥土进行不固结不排水三轴试验研究，深入了解早龄期玄武岩纤维水泥土的强度及变形特性.

1 试验方法

1.1 试验材料

本试验所用土料为沿海地带常见的淤泥质黏土，采样地点为福建省福州市闽江边某工地；试验用水泥为福建某水泥厂生产的42.5普通硅酸盐水泥；玄武岩纤维选用浙江石金玄武岩纤维有限公司生产的玄武岩纤维短切原丝纤维. 土的基本物理力学性能与纤维的物理性能指标可参见文献[8].

1.2 试验方案

本试验所采用的加载设备为TSZ30-2.0应变式三轴仪. 试验先前将土样烘干粉碎，使用筛分机过2 mm筛；再将过筛土与水按初始含水率54.5%(质量分数)进行混合搅拌，并均匀掺入玄武岩纤维；按0.5的水灰比(质量比)配制水泥浆并掺入土样中搅拌5 min；最后将水泥土倒入三瓣模内分层击实，制成直径为39.1 mm、高80 mm的圆柱体试件. 水泥土样装模击实后应及时抽气饱和，脱模后在温度20 ℃，相对湿度90%以上的环境中养护至早龄期7 d，部分对比试件养护至14和28 d. 养护时，试件彼此间隔10～20 mm，且试件应避免直接被水冲淋. 水泥土中水泥的质量分数宜控制在15.0%～20.0%，因此本研究水泥的质量分数选用15.0%及16.5%，其中15.0%的为4组(A、C、D和E)，16.5%的1组(B). 在围压为0、100、200和300 kPa下进行试验. 本次试验所用仪器为ZBSX 92A型震击式标准振筛机以及WDW-50微机控制电子万能试验机，并采用自动采集系统对加载过程中的试验数据进行采集.

2 结果与分析

2.1 玄武岩纤维水泥土的抗剪强度参数

通过同一种配比的试件在不同围压σ3下竖向加载，可以获得不同围压下三轴试样剪切破坏的最大主应力，由不同围压下水泥土的摩尔应力圆，作出摩尔应力圆的破坏包线，得到水泥土的黏聚力c和内摩擦角φ， 如表1所示. 7 d时玄武岩纤维水泥土抗剪强度包线如图1所示.

表1 7 d时玄武岩纤维水泥土试件的不排水剪切强度参数Table 1 Shear strength parameters of basalt fiber cement-soil through undrained triaxial compression tests (7 d)

图1 7 d龄期水泥土抗剪强度包线Fig.1 Shear strength envelopes of cement-soil specimens at 7 d

从图1可以看出，水泥土的摩尔应力圆直径均随着围压的增大而增大，其强度包线与水平方向成一定夹角. 同时结合表1试验数据可知，随着围压、水泥掺入比和纤维掺入比的增加，早龄期玄武岩纤维水泥土的强度也相应提高，水泥土中的孔隙压力则逐渐减少. 由此可见，玄武岩纤维水泥土中的有效应力并不是不变的，其值会随着纤维掺入量等影响因素的改变而变化，强度包线不再是水平的，而是变成了一条斜线，φ值远大于0，这与天然土不固结不排水剪切试验中有效应力保持不变，φ值接近0的情况有所不同. 由此可见，随着水泥的掺入，玄武岩纤维水泥土的力学性能已与普通天然原状土有较大差别.

通过对比分析不同配比和试验结果可知，水泥掺入量的改变对7 d龄期玄武岩纤维水泥土的黏聚力和内摩擦角影响不大. 如A组和B组，水泥掺量由15%增加到16.5%，玄武岩纤维水泥土的黏聚力相比C组增幅较小，而内摩擦角则几乎不变. 相比于水泥掺量不变，在水泥土中掺入一定量的纤维，其黏聚力和内摩擦角都有较明显的提高.

在7 d龄期时，水泥的质量分数为15%、玄武岩纤维的质量分数为0.5%的C组试件黏聚力和内摩擦角已比单掺水泥16.5%的B组试件高出8.2%和12.5%. 由此可知玄武岩纤维掺量对水泥土抗剪强度的增强效率远大于水泥掺量. 水泥与玄武岩纤维复掺的试件C、D和E组与单掺水泥15%的试件A组相比，黏聚力增长率分别为28.1%、88.1%和93.2%，内摩擦角增长率分别为14.3%、14.3%和15.1%. 该龄期内玄武岩纤维掺量对水泥土黏聚力及内摩擦角的影响见图2. 其中，ωbf为玄武岩纤维质量分数，水泥的质量分数均为15%. 由图2可知，水泥土试件的黏聚力、内摩擦角与玄武岩纤维的掺量总体呈正比关系. 但对水泥土内摩擦角而言，玄武岩纤维的掺量只在初始时有比较大的增幅，其后增幅比较平缓.

图2 7 d玄武岩纤维掺量对黏聚力和内摩擦角的影响Fig.2 Influence of basalt fiber content on the cohesion and internal friction angle (7 d)

综上可知，7 d龄期时水泥掺量及玄武岩纤维掺量对水泥土黏聚力及内摩擦角都有相应提升，但玄武岩纤维的增强效果要明显好于同等条件下水泥掺量的效果. 玄武岩纤维对水泥土的增强在其黏聚力及内摩擦角两方面均有体现，与两者大致呈正比关系，且对水泥土黏聚力增强较显著. 由此表明，玄武岩纤维的掺入对水泥土抗剪强度的提升主要体现在对其黏聚力的提升.

2.2 玄武岩纤维水泥土的应力应变关系

早龄期时玄武岩纤维水泥土的应力应变关系是其强度-变形性能的重要参数，本研究以7 d龄期试件应力应变曲线为例进行分析.

图3 不同围压下主应力差与轴向应变关系曲线Fig. 3 Relationship between principal stress difference and axial strain under different confining pressures

7 d龄期下不同配比的水泥土试件在不同围压下的应力-应变关系如图3所示，其中，σ1和σ2为试件受到的主应力，σ1-σ2为主应力差. 由图3可知：

1)早龄期(7 d)玄武岩纤维水泥土试件的应力应变曲线由3部分构成，分别是：① 线弹性阶段，试样受力还较小，内部还不存在裂纹，应力应变呈线性增长关系；② 塑性屈服阶段，当受力超过某一限值时，试样开始出现裂纹，应力-应变曲线不再呈线性关系，其切线曲率逐渐减小并趋于零；③ 峰值软化阶段，即达到峰值后，应力随应变的增长而呈下降趋势.

2)7 d龄期的玄武岩纤维水泥土表现出很大的塑性变形特征，与原土的变形特征相似，这是因为水泥的水化及硬凝过程在短龄期内没有充分进行，使水泥土试件的变形特征更加倾向于原土.

3)对比分析早龄期玄武岩纤维水泥土相同围压不同配比试验图及试验数据可以发现，复掺玄武岩纤维的水泥土试件线性变形阶段较单掺水泥的水泥土试件更长，较迟进入屈服阶段，且进入屈服时的屈服应力更大，塑性变形也有所增大.

4)相同围压(分别为0、100、200和300 kPa)下，掺入玄武岩纤维的水泥土试件不管其破坏应力还是破坏应变均大于未掺纤维的试件. 玄武岩纤维掺量增加，其破坏应力应变也相应提高. 在早龄期即可表明玄武岩纤维的掺入能提高水泥土的强度和增大水泥土的塑性，发挥出玄武岩纤维在水泥土中的有利作用. 同时分析不同围压下相同配合比的应力应变曲线可知，围压的增大不仅提高了破坏应力和破坏应变，而且使水泥土的残余强度也得到提高.

5)在任一围压下，水泥土试件中随着玄武岩纤维掺量的增加，水泥土试件达到峰值应力后的应力衰减速度越来越慢，试件应力衰减稳定后的残余应力也逐渐增大. 其原因主要是玄武岩纤维在水泥土中起到一种加筋的作用，当试件加载到开始出现裂缝时，玄武岩纤维能在裂缝中起到“桥梁”的作用，从而能有效抑制或减缓裂缝的发展，在提高水泥土的强度的同时，也能增大水泥土的塑性变形和残余应力.

为比较清晰地体现出玄武岩纤维在水泥土中的作用，本研究设计了规格化强度(σ1+σ3)fr/(σ1-σ3)f， 该强度表示将不同玄武岩纤维掺量的水泥土破坏主应力差除以未掺纤维(单掺水泥15%)的水泥土破坏主应力差，再进行对比分析，结果如表2.

表2 7 d龄期水泥土试件的规格化强度

通过表2可以看出，对应于同一围压下，玄武岩纤维水泥土的规格化强度随纤维掺量的增加而逐渐增大，两者呈正相关. 但在同一玄武岩纤维掺量下，玄武岩纤维水泥土的规格化强度逐渐减低，表明玄武岩纤维在水泥土中的作用效应会随着围压的增大而有所减弱.

2.3 玄武岩纤维水泥土的变形模量

土的变形模量是指土体在无侧限条件下的应力与应变的比值. 本研究根据试件在围压为0时所得的应力应变曲线，可得玄武岩纤维水泥土的变形模量E50为

(1)

其中，qu为试件的峰值强度；ε50为试件峰值强度50%所对应的应变值.

为了与早龄期进行对比，也分别进行了7、14和28 d的玄武岩纤维水泥土变形模量测试，结果见表3.

表3表明，随着龄期的增加，玄武岩纤维水泥土试件的变形模量也相应增大. 纤维加强的水泥土试件变形模量均大于单掺水泥而未掺纤维的水泥土，并随着玄武岩纤维掺入量的提高而逐渐增大. 在玄武岩纤维的质量分数小于1.0%时增幅较大，超过1.0%后增幅变缓. 玄武岩纤维的掺入能较好地减少水泥土的后期变形，或者在相同的变形要求下能承受更大的荷载. 研究表明，水泥土的变形模量和其抗压强度存在一定的线性关系. 因此，本研究将不同养护龄期下玄武岩纤维水泥土的变形模量和抗压强度进行线性拟合，得到不同配比的玄武岩纤维水泥土试件平均变形模量与抗压强度的关系，如表4.

表3 不同龄期玄武岩纤维水泥土变形模量

表4 变形模量与抗压强度的关系

由表4可知，掺入玄武岩纤维的水泥土平均变形模量的变化范围为E50=(83～92)qu， 而未掺玄武岩纤维，水泥质量分数为15%的水泥土试件变形模量为E50=125qu， 并且变形模量与抗压强度的比例系数随着抗压强度的增大而逐渐减小.

3 结 论

本研究通过对水泥土试件中有无玄武岩纤维掺量和玄武岩纤维掺量的大小不同进行三轴不固结不排水对比试验研究，试验得到早龄期(7 d)玄武岩纤维的应力应变关系、抗剪强度参数和变形模量与抗压强度的关系式，得出以下结论：

1)早龄期时水泥掺量及玄武岩纤维掺量的增加都能提高水泥土的强度，但玄武岩纤维的增强效果更明显；玄武岩纤维加强水泥土在其黏聚力及内摩擦角两方面均有体现，与两者大致呈正比关系，并且对水泥土黏聚力增强效果较显著.

2)玄武岩纤维水泥土试件的应力应变曲线主要经历了3个不同的线性变化阶段，即最初的线弹性阶段、随后的塑性屈服阶段以及最后的峰值软化阶段. 水泥土试件在7 d龄期时表现出与原土相类似的变形特征，即比较大的塑性变形特征，同时玄武岩纤维的掺入也增大了水泥土的屈服应力.

3)不同围压下，相比较未掺纤维的水泥土而言，掺有纤维的水泥土试件破坏应力与破坏应变均有明显提高. 在早龄期就体现出玄武岩纤维的掺入能提高水泥土的强度，增大水泥土塑性的作用. 利用规格化强度来进一步体现玄武岩纤维的掺入对水泥土的影响，结果表明，规格化强度与玄武岩纤维掺量呈正相关，与围压呈负相关.

4)掺入玄武岩纤维的水泥土试件7 d变形模量均大于单掺水泥的水泥土，并随着玄武岩纤维掺入量的提高而逐渐增大，在玄武岩纤维的质量分数小于1.0%时增幅较大，超过1.0%后增幅变缓. 本研究拟合了不同配比的玄武岩纤维水泥土试件平均变形模量与抗压强度的关系，可为实际工程提供参考.

引文：陈 峰. 早龄期玄武岩纤维水泥土的强度及变形特性 [J]. 深圳大学学报理工版，2017，34(6)：611-617.

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【中文责编：坪梓；英文责编：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

福建省自然科学基金资助项目(2015J01634)；福建省省属高校专项科研资助项目(JK2016045)

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