玄武岩纤维-砒砂岩水泥土力学特性试验研究

王辉，李晓丽，杨健，耿凯强

(内蒙古农业大学水利与土木工程学院，内蒙古 呼和浩特010018)

砒砂岩干燥时坚硬，遇水则易溃散，分布于黄土高原北部的鄂尔多斯地区.其遇水易散的特性每年带给黄河大量泥沙，造成严重水土流失，给黄河流域的水土治理带来了极大的挑战.近年来建筑行业快速发展，大部分砒砂岩被开挖，由于其结构强度低、遇水溃散的特性，使其在工程中难以运用[1].砒砂岩作为一种自然产物，如果通过技术手段变废为宝，作为建筑材料利用到当地工程中，不但可以减少黄河泥沙治理的成本，还能降低工程造价[2].陈科皓等[3]将砒砂岩用作改性建筑材料、复配成土材料、矿区修复料，对砒砂岩加以利用；董晶亮等[4]通过力学试验证明砒砂岩复合材料具有良好的力学性能及耐水性，砒砂岩具有一定强度和承载力.

水泥土取材方便、经济效益好，被广泛用于道路、房屋建筑等地基处理、加固工程.耿凯强等[5]发现水泥的掺入使砒砂岩具有一定的强度和抗冻性，砒砂岩水泥土理论上可以被应用于工程中.但水泥的掺入会引起材料脆性提升，水泥土如何通过外加剂或改性的方式改善其特性成为众多学者研究的方向，KUMAR等[6]研究黏土的无侧限抗压强度发现，当纤维混合在水泥土中时，水泥土的抗压和抗拉强度都有明显提升.大量研究也表明[7-9]，纤维的加入可以提高水泥土的延性，改善水泥土耐受性.水泥土中掺入纤维可以有效增强水泥土的强度及耐久性，并改善其脆性，因此文中在原有砒砂岩水泥土的基础上掺入纤维改善砒砂岩力学性能及耐久性.

玄武岩纤维是一种新型无机高性能纤维材料，有较好的耐温、透波、吸波性能以及较强的抗拉强度.文中拟将玄武岩纤维掺入砒砂岩水泥中，制成玄武岩纤维(BF)-砒砂岩水泥土，研究其力学性能的变化和本构关系.通过无侧限抗压强度和SEM扫描电镜等手段探究其强度指标变化及强度形成机理，为今后砒砂岩水泥土在工程中的应用提供理论支持.

1 试验内容与方法

1.1 试验材料

取内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗的红色砒砂岩，依据《土工试验方法标准》(GB/T50123—2019)进行土样的物理性质试验，见表1.表中,ρ为密度；ωp为塑限；ωI为液限；P为孔隙率；W为天然含水率.

表1 鄂尔多斯红色砒砂岩物理指标

将试样敲碎、碾压、自然风干后用2.36 mm筛作为试验用土.水泥采用内蒙古某水泥厂冀东P·O 42.5普通硅酸盐水泥，密度3.143 g/cm3，比表面积187 m2/kg，初凝165 min，终凝390 min，体积安定性合格.纤维采用上海某玄武岩纤维(简称BF)，其物理指标见表2.表中,D为单丝直径；E为弹性模量；Rm为拉伸强度；t为使用温度.水取自内蒙古呼和浩特市区自来水.

表2 玄武岩纤维物理指标

1.2 试验设计

依据《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》(JTG E51—2009)进行试验.利用电动击实仪对试样土进行击实，得到最大干密度1.883 g/cm3，最优含水量13.42%；水泥掺量选取10%，15%，玄武岩纤维掺量选用0%，0.2%，0.5%，0.7%.按照最优含水量加水充分拌制土样并置于密封袋封存24 h，按照不同配比称取砒砂岩土样、水泥、纤维(精确到0.01 mm).使用小型搅拌机充分搅拌后，置于Φ50 mm×H50 mm的模具中，使用压模机进行压实，经脱模机脱出试块，并编号(水泥掺量、纤维掺量分别用C，CBF表示),见图1.每配比4个平行试块，设置7，28，60 d 3个龄期I.成型后的试块放入恒温恒湿标准养护箱内养护，养护温度为20±2 ℃，养护湿度为95%.到达龄期前1 d将待测试块放入20±2 ℃水中浸泡饱水，水面高于试块2.5 mm.饱水后取出试块，用滤纸将其表面多余的水分拭去，放入WDW-50型万能试验机，以2 mm/min的加载速度进行无侧限抗压强度试验.

图1 试验部分试样

2 试验分析

2.1 纤维掺量对强度的影响

图2为10%(C10)，15%(C15)水泥掺量的砒砂岩水泥土抗压强度fC随纤维掺量CBF的变化.随纤维掺量的增加，BF-砒砂岩水泥土抗压强度呈现先增大后减小的态势，表明适量的纤维掺入可以有效增加其抗压强度，而纤维掺量过多反而影响强度.图2a中C10砒砂岩水泥土峰值强度分别为2.59,3.98,5.39 MPa，均出现在纤维掺量为0.2%时；图2b中C15砒砂岩水泥土峰值强度为3.32,5.69,6.46 MPa，同样出现在纤维掺量为0.2%时，故本试验最优纤维掺量为0.2%.因此表明掺入纤维的砒砂岩水泥土，在纤维掺量为0.2%附近存在强度极值，后续可在此附近改变纤维掺量，寻找纤维最优掺量.

图2 不同纤维掺量下砒砂岩水泥土强度变化

从本试验设计的掺量可见，当纤维掺量小于0.2%时，纤维的掺入有助于水泥土强度的提高，当掺量大于0.2%时强度反而降低，表明适量纤维的掺入对水泥土有加筋效应，土体在水泥水化作用下砒砂岩土颗粒与纤维黏聚在一起，发生破坏时纤维处于受拉状态，约束土体的位移和变形，使得其强度有效提升.过量纤维的掺入使水泥土强度下降，一些学者[10-12]在试验中也得到类似的结果，纤维存在最优掺量，而超过纤维的最优掺量会致使水泥土强度下降.这是由于过量的纤维容易聚集成团而分散纤维与土体的黏聚力，隔绝水泥的水化反应导致分层，造成其初始裂缝增多，最终致使水泥土强度下降.

由图2可以发现，CBF对砒砂岩水泥土的早期强度影响并不显著，这可能是由于前期水泥水化不充分，纤维在试块内部不具有足够的黏结力，试块不够密实，无法对纤维形成握裹力、摩擦力.之后水泥与水不断水化填充土粒间、土粒和纤维间的空隙，将土粒和纤维包裹起来，使得试块固化.随着水化不断进行，试块愈加密实并对纤维产生挤压形成握裹力.水泥养护时间越长，水化越充分，对纤维所形成的握裹力就越大，所以BF-砒砂岩水泥土后期强度同比砒砂岩水泥土强度提高更明显.

2.2 龄期对强度的影响

图3为龄期T对BF-砒砂岩水泥土的抗压强度fC的影响.由图可知，养护龄期7 d时C10砒砂岩水泥土，随玄武岩纤维掺入(0.2%,0.5%,0.7%)强度分别增长41%,25%,20%，C15砒砂岩水泥土强度增长9%,0%,-5%；养护龄期28 d时C10砒砂岩水泥土随纤维掺入强度增长42%,13%,6%，C15砒砂岩水泥土强度增长40%,16%,12%；养护龄期60 d时C10砒砂岩水泥土随纤维掺入强度增长78%,39%,13%，C15砒砂岩水泥土强度增长22%,10%,2%.试验表明纤维的掺入对C10砒砂岩水泥土强度提高更加明显.

图3 龄期对BF-砒砂岩水泥土的强度的影响

BF-砒砂岩水泥土的龄期与抗压强度表现为正相关，而与强度增长速率表现负相关.随龄期的增长，0.2%,0.5%,0.7%纤维掺量的水泥土相比无掺砒砂岩水泥土强度增长均有所提升，其中0.2%掺量强度增长较为明显.

将C10砒砂岩水泥土最优组C10BF0.2与C15砒砂岩水泥土强度增长进行对比，如图4所示.发现龄期7 d时强度分别为2.56，3.05 MPa；龄期28 d时强度分别为4.17，4.06 MPa，达到了7 d强度的162%和133%；龄期60 d时，C10BF0.2,C15无侧限抗压强度分别为5.39, 5.30 MPa，达到7 d强度的211%,174%；对比2组数据，虽然C15水泥土早期强度更高，但C10BF0.2的水泥土后期强度增长更快.当龄期28,60 d时C10BF0.2与C15水泥土强度基本相当，所以根据28,60 d无侧限抗压强度，C10BF0.2的砒砂岩水泥土完全可以达到C15砒砂岩水泥土的强度.

图4 强度随龄期的变化

2.3 BF-砒砂岩水泥土强度变化趋势

水泥土强度一般随着龄期的增长大致呈对数增长，计算公式为

fC=alnT+b，

(1)

式中：fC为无侧限抗压强度.

对C15与C10BF0.2这2种水泥土进行对比拟合发现R2均大于0.95，证明拟合效果较好.

C10BF0.2：fC=1.3lnT-0.02,R2=0.99;

C15：fC=1.25lnT+0.18,R2=0.98.

通过拟合公式发现C10BF0.2水泥土参数b=-0.02<0.18,表明前期强度低于C15砒砂水泥土；参数a=1.3>1.25,说明其后期强度增长块，且增长趋势高于C15砒砂岩水泥土.

通过图4中强度拟合发现C10BF0.2砒砂岩水泥土相较C15后期强度曲线增长斜率更高，随着时间增长，其后期强度更高.因此，从强度指标对比可知，实际工程中使用C10BF0.2完全可以替代C15砒砂岩水泥土.

2.4 纤维砒砂岩水泥土微观结构

选取28 d同批次C15，C15BF0.2砒砂岩水泥土，通过SEM扫描电镜试验，对比探究纤维水泥土强度形成的机理，结果如图5所示.

图5 SEM电镜形貌

从图5a可以看到，微观形貌中，水泥水化与砒砂岩颗粒黏结在一起，形成片状、絮状、针棒状水化产物，有极少空隙和微小裂缝.水泥水化形成的水化产物比表面积大于砒砂岩土粒的比表面积，因此具有更大的吸附能.从图5b可以看到大量针刺状的水泥水化产物，这是俗称“水泥杆菌”的钙矾石.这些钙矾石黏结土体和纤维，并在空隙中水化膨胀，呈现为针棒状，支撑着空隙形成网状结构，使水泥土有稳定的强度.观察图5c，结构较为密实有少许裂缝，在纤维周围可以看到大量水泥水化产物，将砒砂岩土体颗粒与纤维黏结在一起.纤维在水泥土中分布，承担试样内的拉应力，对试块内部的土体位移有约束作用.通过图5d可以发现大量的水泥水化产物覆盖在纤维表明，受力时应力传播、分散到纤维表面，通过这样的结构不易产生集中应力，使其传力更加稳定.

3 BF-砒砂岩水泥土本构方程推导

3.1 分段曲线方程

文中以龄期28 d水泥掺量为10%，15%，纤维掺量为0%，0.2%，0.5%，0.7%的BF-砒砂岩水泥土作为研究对象.在实际应力-应变的基础上，对数据进行量纲归一化处理.以数据峰值应力σp、峰值应变εp为基准，y=σ/σp和x=ε/εp为纵、横坐标(σ，ε为试验的实际应力和实际应变)，分为上升段和下降段.

3.1.1 上升段曲线方程

贾尚华[13]提出水泥土上升段曲线模型，拟合方程式为

y(x)=3x2-2x3+b[(1-x)3-(1-x)2]3.

(2)

式(2)基本符合砒砂岩复合土的应力-应变特征，故选用为BF-砒砂岩水泥土上升段应力应变曲线拟合式.

3.1.2 下降段曲线方程

选用过镇海[14]提出的下降段应力-应变拟合方程，代入边界条件

(3)

则拟合应力-应变方程式为

(4)

当α=0时，y≡1，曲线从峰值点到水平线先相当于理想的塑性变形.

当α→∞时，y≡0，峰值后试块残余强度为0，属于完全脆性破坏.

始终有独立参数b，α,结合实测试验数据利用最小二乘法进行计算.利用式(4)，求出该掺量的BF-砒砂岩水泥土应力-应变全曲线拟合数据，计算数据如表3所示.表中b,α为独立参数；Rup为上升段拟合相关系数；Rdown为下降段相关系数；R为全曲线相关系数.

表3 龄期为28 d BF-砒砂岩水泥土应力-应变拟合曲线

由表3可以看出,实测数据与拟合曲线的相关系数均大于0.900，说明所用拟合公式可以很好地反映该掺量下BF-砒砂岩水泥土的应力-应变特征.

3.2 纤维的影响

文中建立纤维掺量CBF与独立参数b和α之间的关系式.利用Origin软件探究独立参数与纤维掺量的线性关系，并拟合线性方程，结果如图6所示.关系式为

图6 纤维掺量与b，α之间的关系拟合

b(x)=2.38CBF2-2.64CBF+1.78，

α(x)=-0.45CBF2+1.49CBF+5.85.

(5)

式中: 0≤CBF≤0.7.相关系数均大于0.900，满足要求，说明推导式可用.

建立应力-应变本构关系式为

(6)

利用式(4)，(5)拟合应力-应变曲线，结果如图7所示.

图7 不同配比的BF-砒砂岩水泥土应力-应变曲线拟合

4 结 论

1) 适量的纤维掺入可以有效增加其抗压强度，而纤维掺量过多会影响强度，所以随着纤维掺量的增加，强度呈现先增大后减小的趋势.

2) 本试验最优纤维掺量为0.2%，因此在纤维掺量为0.2%附近存在强度极值，后续可在此附近改变纤维掺量，寻找砒砂岩水泥土纤维最优掺量.

3) BF-砒砂岩水泥土的龄期与无侧限抗压强度表现为正相关，而与其强度增长速率表现负相关.

4) 强度指标对比可知，实际工程中使用C10BF0.2完全可以替代C15砒砂岩水泥土.BF-砒砂岩水泥土后期强度增长优于普通砒砂岩水泥土.

5)通过试验提出适用于BF-砒砂岩水泥土试件，纤维掺量在0%～0.7%的应力-应变计算公式，具有较高的可靠性.