季冻区玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度试验

徐丽娜， 牛 雷， 郑俊杰

(1. 吉林建筑大学 土木工程学院， 吉林 长春 130118；2. 华中科技大学 土木工程与力学学院， 湖北 武汉 430074)

近年来，水泥土被广泛应用于地基加固、路面垫层、基础防渗、支护结构等各类工程中，它是将土、水泥和水按一定比例均匀搅拌，经过一系列物理化学作用而形成的具有一定强度、整体性和水稳性的复合材料[1]。水泥土是一种相对脆性材料，其抗压强度较高，而抗拉强度、抗折强度较低[2,3]。为了改善水泥土的力学性质，国内外学者利用纤维加筋增强效果，将各类天然纤维或人工纤维掺入水泥土中，形成一种新型复合材料——纤维水泥土[3～6]。

季节性冻土区是指地表层冬季冻结、夏季全部融化的地区。在我国，大约有一半的地区处于季节性冻土区，每年土体至少要经历一次冻融循环[7,8]，冻融循环作用是影响水泥土结构和强度的一个非常重要的因素[9]。因此，国内外学者已经在这方面展开了一定的研究。王天亮等[10,11]发现在冻融循环作用下，水泥土的应力-应变关系为加工软化型，而石灰土的应力-应变关系为加工硬化型，在反复冻融作用下水泥土的改良效果要优于石灰土。Shibi 和Kamei[12]研究了冻融循环作用对水泥、烧石膏和粉煤灰加固土强度的稳定性和持久性等的影响，并分析了烧石膏和粉煤灰的掺量与强度持久性之间的关系。Li等[13]通过室内试验，分析了冻融循环作用和温度对纤维水泥土的应力-应变关系、无侧限抗压强度、弹性模量等影响。Aldaood等[14]研究了冻融循环作用对石灰加固石膏质土体的力学性质的影响。侯淑鹏等[15]通过研究发现水泥土的抗压强度和质量随着冻融循环次数的增加而降低，并得到抗压强度与冻融循环次数之间呈线性关系。Orakoglu和 Liu[16]通过不饱和不排水三轴试验研究了细粒土在不同纤维掺量及不同冻融循环次数时的强度特征，研究表明，纤维起到了良好的效果，使冻融循环后土的强度损失由40%降低到了18%。王强等[17]通过室内试验分析冻融条件下水泥固化铅污染土的抗压强度特性，并建立水泥固化铅污染土的抗压强度与冻融循环次数变化的预测模型。崔宏环等[18]对不同养护期龄的水泥改良土在不同冻融循环次数条件下进行单轴抗压强度试验研究。Ding等[19]通过无侧限抗压强度试验得到了冻融循环作用对聚丙烯纤维水泥土力学性质的影响，其中包括试样尺寸的改变、应力-应变关系曲线、残余应力比、正切模量等与冻融循环作用次数、水泥及纤维掺量之间的关系。

本文以吉林省长春市净月区的红色砂土为研究对象，以玄武岩纤维和水泥为加固材料，通过一系列的无侧限抗压强度试验，研究了玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度与冻融循环次数、纤维长度之间的关系，探讨了冻融循环作用下纤维水泥土的强度损失规律及应力-应变的关系特征，可为今后玄武岩纤维水泥土在季节性冻土区的应用提供一定的借鉴与参考。

1 试验材料及试样制备

1.1 试验材料

本文采用的土样取自吉林省长春市净月区某基坑，土样呈红色，如图1a所示。本研究按照JGJ/T 233-2011《水泥土配合比设计规程》中的要求进行配合比设计、试样的制备及相关试验。将采集的土样在自然条件下风干，碾碎，并通过5 mm的筛，过筛后的试验土样如图1b所示。图2是试验中所用土样的粒径分布曲线。

图1 取样现场及风干、过筛后的土样

图2 粒径分布曲线

试验中所采用的水泥是由长春亚泰集团生产的普通硅酸盐水泥，水泥的强度等级为P·O 42.5。本试验所采用的纤维为海宁安捷复合材料有限公司生产的短切玄武岩纤维，其直径为7～15 μm。

1.2 试样制备

试样采用立方体试模，试样的尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，试验中所选用的水灰比为0.5，水泥掺量为10%，纤维掺量为0.5%，掺入纤维长度分别为0，3，6，12，20，35 mm。

试样制备过程如下：(1)先将风干、过筛后的土样和水泥搅拌均匀，掺入纤维后干搅，而后加水拌和至均匀；(2)将试样装入塑料模具中，放置振动台振动3 min；(3)将顶部多余水泥土刮除后，盖上塑料薄膜，在室温(20±3 ℃)下，静置48 h后拆模，图3为拆模后试样的照片；(4)试验采用常温水中养护，将拆模后试件放入水中，试件间的间隔不小于10 mm，水面高出试件表面不小于20 mm，养护28 d。

图3 制备好的试样

2 试验方法

2.1 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度试验仪器采用长春科新试验仪器有限公司生产的微机控制电液伺服万能试验机。加载采用位移匀速控制，加载速率为0.1 mm/s。

2.2 冻融循环试验

参照吉林省长春地区的温度变化及文献[18]，本试验首先将试块在-15 ℃的温度中冻结24 h，而后在室温条件下水中浸泡24 h，该过程为一个冻融循环周期(次)，试验中采用的冻融循环周期分别为0，3，6，11，20，24次。

3 试验结果分析

3.1 玄武岩纤维对水泥土无侧限抗压强度的影响

图4为掺入不同长度的玄武岩纤维时水泥土的无侧限抗压强度，其中纤维长度分别为0，3，6，12，20，35 mm，养护龄期为28 d。从图4可看出，掺入纤维后，水泥土的无侧限抗压强度均有所降低，与未掺入纤维的水泥土的强度相比分别降低了9.52%(3 mm)，10.79%(6 mm)，21.56%(12 mm)，27.97%(20 mm)和3.09%(35 mm)，其中掺入中等长度(如12，20 mm)时，强度下降比较明显。主要原因是当掺入玄武岩纤维后，纤维在水泥土中呈无序、均匀分布，由于纤维之间的相互接触会导致微孔隙的出现，纤维之间的接触点越多，微孔隙就越多，进而形成裂缝从而导致其强度下降。当加入3，6 mm的短纤维时，纤维短，更容易分散，重叠交叉较少；掺入长度为35 mm的纤维时，掺入的数量较少，也不容易出现重叠交叉现象；当掺入中等长度纤维(如12，20 mm)时，由于在相同掺量的前提下，掺入数量较多，发生重叠、交叉、抱团的几率比较大，更容易增加微孔隙，因此，强度降低明显。

图4 玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度与纤维长度的关系(养护龄期为28 d)

3.2 冻融循环作用对玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度的影响

图5是掺入不同长度玄武岩纤维后，玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度随冻融循环次数的变化规律。在冻融循环之前，未掺入纤维的水泥土无侧限抗压强度最大。经过3次冻融循环后，纤维水泥土和未掺入纤维的水泥土的强度均有大幅下降，这是由于水泥土孔隙中的水冻结成冰，体积膨胀，在膨胀压力的作用下，水泥土内部结构发生损伤破坏，强度降低。在经过6次和11次冻融循环时，纤维水泥土和未掺入纤维的水泥土的无侧限抗压强度有所提高，主要原因是经过28 d的养护龄期，试样中水泥的水化反应还未全部完成，同时本试验融化过程采用的是在常温水中融化，为水泥的水化反应提供了有利条件，因此，在融化过程中，水泥的水化反应继续进行。在这个过程中，水泥土内部受到冻融循环和水泥水化的共同作用，使内部结构出现重塑，强度有所提高[18]。当经过20次冻融循环后，水泥土中水泥的水化反应基本结束，水泥土的内部结构趋于稳定，此时，冻融循环作用更加明显，强度继续降低。经过24次

图5 玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度与冻融循环次数的关系

冻融循环后，未掺入纤维的水泥土强度下降幅度最大，其强度已经明显低于其他掺入纤维的水泥土强度。由此可知，纤维的掺入可以有效减缓水泥土强度的降低速率，从而提高了水泥土的抗冻性。

3.3 强度损失率

强度损失率可由式(1)计算得到。

(1)

式中：ΔfN为N次冻融循环后水泥土试件强度损失率；f0为冻融循环前水泥土试件的无侧限抗压强度；fN为N次冻融循环后水泥土试件的无侧限抗压强度。

根据式(1)可得到各个冻融循环次数下纤维水泥土无侧限抗压强度损失率，如图6所示。

图6 玄武岩纤维水泥土强度损失与冻融循环次数关系

从图6可以看出，未掺入纤维的水泥土在经过24次冻融循环作用后，强度损失率最大，达到了34.58%，而其他掺入纤维的水泥土强度损失分别为10.01%(3 mm)，15.10%(6 mm)，11.77%(12 mm)，5.17%(20 mm)和12.13%(35 mm)。从整个冻融循环过程来看，掺入了长度为20 mm纤维的水泥土其强度损失率在不同冻融循环次数时的强度损失率均比较低，在0.98%～7.74%之间。结合图4中玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度与纤维长度的关系可看出，在本试验条件下，虽然掺入纤维未能提高水泥土的无侧限抗压强度，但纤维的掺入可以有效减缓水泥土在冻融循环过程中的强度损失。

3.4 应力-应变关系

图7是纤维水泥土分别在冻融循环前和24次冻融循环作用下应力与应变之间的关系。从图7a可看出，冻融循环前，未掺入纤维的水泥土峰值强度明显高于其他掺入纤维的水泥土的峰值强度。从图7b可看出经过24次冻融循环后，未掺入纤维的水泥土的峰值强度低于掺入纤维的水泥土峰值强度。同时，在经过24次冻融循环后，未掺入纤维的水泥土破坏时的轴向应变为0.98%，而掺入纤维的水泥土破坏时的轴向应变分别为2.08%(3 mm)，2.45%(6 mm)，2.13%(12 mm)，2.15%(20 mm)，2.62%(35 mm)。这表明，经过冻融循环后，纤维不仅可以提高水泥土的无侧限抗压强度，同时，还有效改善了水泥土的破坏状态，提高了水泥土的韧性。主要原因是分散的玄武岩纤维能够在水泥土中形成网状结构，与土颗粒共同受力改善水泥土的韧性，提高了水泥土的抗冻性。

图7 不同纤维长度时水泥土应力-应变关系曲线

图8为不同冻融循环次数时纤维水泥土应力与应变之间的关系。从图8a可看出，未掺入纤维的水泥土的峰值强度随着冻融循环次数的增加明显降低，同时，水泥土破坏时的轴向应变从2.65%(冻融循环前)降低到0.98%(24次冻融循环后)，这说明，经过冻融循环后，水泥土的韧性减小了，更具脆性，主要是由于冻融循环作用破坏了水泥土的内部结构，削弱了水泥土内部结构粘结作用而引起的。而对于其他掺入纤维的水泥土来说(如图8b，8c)，经过3次冻融循环后，纤维水泥土峰值强度下降比较明显，而之后经历冻融循环时，纤维水泥土的峰值强度随冻融循环次数增加变化不明显，破坏时轴向应变变化也不明显，由此可以说明，纤维的掺入对抵抗冻融循环作用起到了一定的效果。

图8 不同冻融循环次数时纤维水泥土应力-应变关系

3.5 玄武岩纤维水泥土冻融破坏机理

水泥土抗冻性能受水泥土中水的含量、孔隙的数量和大小的影响较大。水泥土中的各类孔隙都是部分饱和的，在冻结过程中，孔隙中的水冻结成冰后，体积膨胀，产生冻胀力，当孔隙中的冻胀力达到水泥土的抗拉强度时，水泥土内部就会产生新的裂隙[18,19]。在融化过程中，水进入到新的裂隙中，当水泥土再次进入冻结阶段时，内部的裂纹会持续扩展。经过反复冻融循环，水泥土内部裂纹不断地产生、扩展，从而导致水泥土内部结构破坏，使水泥土强度降低，并出现掉块、碎裂等现象。将玄武岩纤维掺入到水泥土中，纤维水泥土的抗冻性能明显提高，主要原因是，一方面，分散的玄武岩纤维能够在水泥土中形成网状结构，起到加筋作用，提高了水泥土的抗拉性能，可以很好地抑制由于冻胀力而产生的裂纹，阻止了水泥土内部裂纹的产生和进一步发展；另一方面，分散的玄武岩纤维可在水泥土中形成均匀分布不相连的微孔，堵塞或阻断了水泥土中渗水的通道，改善了水泥土的结构，因此，提高了水泥土的抗冻性[20,21]。

4 结 论

通过本文的研究，得到以下结论：

(1)掺入质量比为0.5%的纤维后，纤维水泥土的无侧限抗压强度均有所降低，其中， 掺入纤维长度为12，20 mm时，水泥土的强度分别降低了21.56%，27.97%，下降幅度较大，说明纤维的掺入未能有效地提高水泥土的无侧限抗压强度。

(2)经过3次冻融循环后，由于冻融循环作用，纤维水泥土内部结构受损，纤维水泥土的无侧限抗压强度值均有所下降。仅仅进行28 d养护，水泥土的水化反应还未全部完成，其强度将持续增加，在冻融循环和水泥水化反应的共同作用下，纤维水泥土在经过6次和11次冻融循环后，纤维水泥土的无侧限抗压强度随冻融循环次数增加而增大。经过20次冻融循环后，水泥水化反应基本结束，水泥土内部结构趋于稳定，此时冻融循环作用更加明显，强度将继续降低。

(3)在经过24次冻融循环作用后，未掺入纤维的水泥土无侧限抗压强度下降最大，强度损失率达到了34.58%，而其他掺入纤维的水泥土强度损失率在5%～15%之间，表明纤维的加入可以有效减缓水泥土在冻融循环作用下的强度损失。

(4)在经过24次冻融循环后，未掺入纤维的水泥土破坏时的轴向应变为0.98%，而掺入纤维的水泥土破坏时的轴向应变分别为2.08%(3 mm)，2.45%(6 mm)，2.13%(12 mm)，2.15%(20 mm)，2.62%(35 mm)。这表明，纤维的加入可以有效改善水泥土的抗破坏性能，提高水泥土的韧性，对于水泥土抗冻性的提高起到了积极的作用。