玄武岩纤维水泥土的渗透性试验研究

杨建学

(1.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福州 350108；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州 350108)

水泥土凭借其低渗透性的优点已经在实际工程中得到了广泛的应用，尤其是在地下工程中的水泥土截渗墙方面的应用。而目前，对于水泥土渗透性能的研究还较少，特别是考虑到掺入玄武岩纤维的情况下。

为研究玄武岩纤维对其他物质的影响，许多学者做了研究。张莉等[1]研究了玄武岩纤维对粉煤灰混凝土的影响；吴涛[2]研究了其对乳化沥青水泥的影响；刘雨姗等[3]研究了其对橡胶混凝土的影响；苟万等[4]研究了其在建筑材料领域的应用；吴双江等[5]研究了玄武岩纤维自密实混凝土；曹佳伟等[6]研究了玄武岩纤维透水沥青混合料的性能；陈停伟等[7]对玄武岩纤维混凝土进行研究。

对于水泥土渗透性，也有众多学者对此进行了研究。陈四利等[8]对水泥复合土的渗透性能进行了研究；杨静等[9]对水泥土渗透性研究现状进行了总结；夏正兵[10]研究了水泥土渗透系数影响因素；杨俊杰等[11]对水泥土渗透性能室内试验进行了研究；王贤昆[12]研究了土体性质差异对复合水泥土渗透性的影响；庞文台等[13]对复合水泥土抗渗性能进行了实验研究；许展峰[14]基于室内试验对水泥土渗透性进行了研究；陈迪等[15]对在减水剂影响下水泥土力学与渗透特性进行了研究；卢亮等[16]对两种类型水泥土抗渗性能进行了实验研究。

在水泥土中掺入不同掺量的玄武岩纤维，以研究玄武岩纤维掺量、养护龄期对水泥土渗透性能的影响，并根据试验数据拟合出玄武岩纤维掺量、养护龄期与水泥土渗透系数的关系式，为实际工程提供参考。

1 玄武岩纤维水泥土渗透性试验

1.1 试验方案

试验的主要目的是研究玄武岩纤维掺量、龄期对水泥土渗透性能的影响，并根据试验数据建立玄武岩纤维掺量、龄期t与水泥土渗透系数k的关系式。

试验设置了2个变量：一个是玄武岩纤维掺量，4个掺量水平分别为0、0.5%、1.0%和1.5%；另一个是水泥土的养护龄期，4个水平分别为7、28、60、90 d。除了玄武岩纤维掺量和龄期两个变量外，其他掺量都是常量。

玄武岩纤维水泥土渗透性试验配合比设计数据如表1所示。

表1 玄武岩纤维水泥土渗透性试验配合比设计

1.2 试验过程

试验过程主要可分为试样的制作及养护、试验仪器的选择、试样的密封、试验步骤和试验结果处理5个方面。

试验材料：土样、水泥、水和玄武岩纤维。

试验仪器：TJSS-25型水泥土渗透试验装置。

试样的密封：采用石蜡对玄武岩纤维水泥土试样进行密封。

试验步骤：

(1)在密封完的水泥土试样和钢模的下口先后放上滤纸和透水石，并使透水石与钢模底部齐平，然后再将钢模安装到渗透装置上。

(2)接通渗透装置的电源。

(3)调整完水压力后，关闭排水阀门且打开压力阀门，开始试验。

(4)当水泥土试样表明开始有水较均匀也渗出时，便可以开始记录某时间段内的出水量Q，并同时要测量水温。将水分吸出，读取出水量Q。

(5)当水泥土试样表明的渗水量较小且稳定时，便可结束试验。

2 试验结果

根据计算并修正后，可得到不同配合比的渗透系数k。其具体结果如表2所示。

表2 玄武岩纤维水泥土的渗透系数

3 玄武岩纤维掺量对水泥土渗透性能的影响

3.1 试验结果分析

根据表2的试验结果，绘制了玄武岩纤维掺量与渗透系数k的关系曲线，如图1所示。

由图1可知，无论是哪个龄期的水泥土，其渗透系数均会随着玄武岩纤维掺量的增加而减小。以玄武岩纤维掺量为0的A组为基准组，通过计算得到其余各组相对于A组渗透系数的下降率，其结果如表3所示。具体分析如下。

图1 水泥土渗透系数与玄武岩纤维掺量的关系曲线Fig.1 Relationshipcurve between cemented soilpermeability coefficient and basalt fiber content

表3 玄武岩纤维水泥土渗透系数的下降率

(1)随着玄武岩纤维掺量的增加，水泥土的渗透系数降低，即水泥土的抗渗性能提高了。

(2)掺加等量玄武岩纤维的情况下，随着纤维含量的增大，水泥土渗透系数的下降率降低了，即水泥土渗透系数的下降幅度减缓。

(3)养护龄期为60 d和90 d时，其渗透系数的变化趋势也几乎同7 d和28 d时一致，折线的斜率也都是由陡变缓。

以上结果分析证明了玄武岩纤维能够提高水泥土的抗渗性能。因此，综合试验分析，玄武岩纤维的最佳掺量为1.5%。

3.2 渗透系数与玄武岩纤维掺量的关系式

由试验结果可以通过建立玄武岩纤维掺量与水泥土渗透系数之间的函数关系式，对玄武岩纤维掺量超过1.5%的情况下水泥土的渗透系数作出合理预测。

(1)7 d龄期时，如图2所示，渗透系数随玄武岩纤维掺量变化的二次多项式方程为

k7=1.68x2-5.352x+12.304，R2=0.963 8

(1)

(2)28 d龄期时，如图3所示，渗透系数随玄武岩纤维掺量变化的二次多项式方程为

k28=0.92x2-3.592x+9.344，R2=0.990 8

(2)

图2 7 d渗透系数与纤维掺量的拟合曲线Fig.2 Fitting curve of 7 d permeability coefficient and fiber content

图3 28 d渗透系数与纤维掺量的拟合曲线Fig.3 Fitting curve of 28 d permeability coefficient and fiber content

图4 60 d渗透系数与纤维掺量的拟合曲线Fig.4 Fitting curve of 60 d permeability coefficient and fiber content

(3)60 d龄期时，如图4所示，渗透系数随玄武岩纤维掺量变化的二次多项式方程为

k60=0.44x2-2.912x+7.729，R2=0.982 9

(3)

(4)90 d龄期时，如图5所示，渗透系数随玄武岩纤维掺量变化的二次多项式方程为

k90=1.00x2-3.801x+7.145，R2=0.985 0

(4)

图5 90 d渗透系数与纤维掺量的拟合曲线Fig.5 Fitting curve of 90 d permeability coefficient and fiber content

4 龄期对玄武岩纤维水泥土渗透性能的影响

4.1 试验结果分析

根据表2的试验结果，绘制了水泥土渗透系数随龄期变化的关系曲线，如图6所示，水泥土的渗透系数随着养护龄期的增长而降低。

图6 水泥土渗透系数与养护龄期的关系曲线Fig.6 Relationship curvebetween cement soil permeability coefficient and curing age

4.2 渗透系数与养护龄期的关系

根据试验数据分别建立不同玄武岩纤维掺量下养护龄期与渗透系数的幂函数回归模型。

(1)玄武岩纤维掺量为0时，如图7所示，渗透系数随养护龄期变化的曲线方程为

kA=18.925 8t-0.219 9，R2=0.989 8

(5)

(2)玄武岩纤维掺量为0.5%时，如图8所示，渗透系数随养护龄期变化的曲线方程为

kB=16.160 1t-0.230 7，R2=0.979 3

(6)

(3)玄武岩纤维掺量为1.0%时，如图9所示，渗透系数随养护龄期变化的曲线方程为

kC=13.557 9t-0.233 0，R2=0.946 9

(7)

图7 试样A渗透系数与龄期的拟合曲线Fig.7 Fitting curve of sample A permeability coefficient and curing age

图8 试样B渗透系数与养护龄期的拟合曲线Fig.8 Fitting curve of sample B permeability coefficient and curing age

(4)玄武岩纤维掺量为1.5%时，如图10所示，渗透系数随养护龄期变化的曲线方程为

kD=14.452 0t-0.288 0，R2=0.955 2

(8)

图10 试样D渗透系数与养护龄期的拟合曲线Fig.10 Fitting curve of sample D permeability coefficient and curing age

5 结论

对不同玄武岩纤维掺量和不同养护龄期的水泥土进行了渗透性试验，研究玄武岩纤维掺量和龄期对水泥土渗透性能的影响，得出以下结论。

(1)玄武岩纤维的掺入对于水泥土的渗透系数有较显著的降低作用，随着玄武岩纤维掺量的增加，水泥土渗透系数逐渐降低，水泥土的抗渗性能增强，但是其增强的幅度会随着掺量的增加而有所减缓。因此在研究范围内，玄武岩纤维的最佳掺量为1.5%。

(2)随着养护龄期的增长，水泥土的渗透系数也会下降。在早龄期时，渗透系数下降的速率较快，而到了60 d龄期后，随着水泥水化速率的降低，渗透系数的下降速率也随之变慢。

(3)根据试验数据，分别对不同养护龄期的水泥土渗透系数和玄武岩纤维掺量进行了回归分析，得到了渗透系数与玄武岩纤维掺量的二次多项式拟合曲线。

(4)根据试验数据，分别对不同玄武岩纤维掺量的水泥土渗透系数和养护龄期进行了回归分析，得到了渗透系数与养护龄期的幂函数拟合曲线。