玄武岩纤维对水泥固化软土性能的影响研究_陈慧娥.pdf

书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0432-09陈慧娥，王仕鑫，牛壮 2023 玄武岩纤维对水泥固化软土性能的影响研究J 工程地质学报，31(2):432440 doi:1013544/jcnkijeg20220448Chen Hui e，Wang Shixin，Niu Zhuang 2023 Effect of basalt fiber on properties of cement solidified soft soilJ Journal of Engineering Geology，31(2):432440 doi:1013544/jcnkijeg20220448玄武岩纤维对水泥固化软土性能的影响研究*陈慧娥王仕鑫牛壮(吉林大学建设工程学院，长春 130026，中国)摘要水泥固化软土是工程中一种常见的地基处理方法。然而众多工程实践表明，仅利用水泥加固软土，其早期强度偏低，且随着养护龄期的增长水泥固化土体积收缩，易造成工程土体的沉降和开裂等问题。本研究选用玄武岩纤维与水泥共同固化软土，探究玄武岩纤维对水泥固化土强度以及收缩性能的影响。本试验制备了不同水泥掺量、不同玄武岩纤维掺量的固化土试样，对各龄期条件下试样的无侧限抗压强度及收缩性质进行测试，结合力学性质及收缩特征，确定最佳的水泥及纤维掺量。并结合试样的微观结构特征来分析，考虑纤维对水泥固化土强度及收缩变形影响的机理。结果表明:纤维的加入能有效提高水泥土的强度，改善其收缩性。纤维在试样中随机离散分布，纤维的存在可起到一种“桥梁”作用，与水泥的水化产物一起充填于土样孔隙中，使得土颗粒间充分连接起来，限制了颗粒间的位移，提高了试样的强度，抑制了试样的收缩，提高了土体整体的稳定性。研究成果可为软土的有效固化处理及高效利用提供理论及实践参考。关键词软土;水泥固化;玄武岩纤维;收缩特征;无侧限抗压强度中图分类号:TU42文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg20220448*收稿日期:20220630;修回日期:20230208基金项目:国家自然科学基金(资助号:41472242)This research is supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No 41472242)第一(通讯)作者简介:陈慧娥(1978)，女，博士，教授，博士生导师，主要从事特殊土质学、土力学、土体微观结构方面的研究 E-mail:chenhe jlueducnEFFECT OF BASALT FIBE ON POPETIES OF CEMENT SOLIDIFIEDSOFT SOILCHEN Hui eWANG ShixinNIU Zhuang(College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China)AbstractCement solidified soft soil is a common foundation treatment method in engineering However，many en-gineering practices have shown that the early strength of soft soil reinforced by cement alone is low，and the volumeof cement solidified soil shrinks with the growth of the curing age They are likely to cause settlement and crackingof the engineering soil mass We used basalt fibers to solidify soft soils with cement to explore the effect of basalt fi-bers on the strength and shrinkage performance We prepared the different cement and basalt fibers solidified soilsamples in this experiment Under various age conditions，we tested the unconfined compressive strength and vol-ume shrinkage property of the specimens to determine the optimum cement and fibers dosage From the microstruc-tural characteristics of the specimens，we analyzed the fibers mechanism on the strength and shrinkage distortion ofcement solidified soil The results show that the addition of fibers can effectively improve the strength and shrinkageof the cement soil The fibers are randomly distributed in the specimen The presence of fibers can play a“bridge”role，filling the pores of the soil sample together with the hydration products of cement，making the soil particlesfully connected，limiting the displacement between the particles，improving the strength of the specimen，inhibitingthe shrinkage of the specimens，and improving the overall stability of the soil mass The research results can providetheoretical and practical references for the effective solidified treatment and efficient utilization of soft soilsKey wordsSoft soil;Cement solidification;Basalt fiber;Shrinkage characteristics;Unconfined compressionstrength0引言软土在我国广泛分布，随着经济建设的快速发展，大量工程建设在软土场地逐步开展。在涉及到土方开挖及回填的工程中(如管廊工程)，如工程场地为软土场地，由于软土具有含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低等较差的工程性质，不适宜作为回填用土。若将开挖出来的软土废弃不用，需使用其他土进行回填，因此大量土方的购买和运输工作造成了项目成本的提高，影响经济效益。且丢弃的软土还会占用土地空间，对环境造成污染。因此对软土进行适当处理，使其性能得到改良并适用于相关工程建设，从经济及环境角度均具有重要的实际意义。早在 20 世纪 80、90 年代，国外及国内一些学者便展开了利用水泥加固软土的相关试验。有学者采用水泥对淤泥质土进行固化，研究发现随着水泥掺量比的增加，其中固化土的液塑限降低，无侧限抗压强度和剪切强度得到了显著提高(Eriktius et al，2017);而经过水泥加固的土黏聚力可以达到原状土的 2431.2 倍，内摩擦角达到原状土的 7.963倍(彭皖生等，1998);研究提出，水泥固化土的抗压强度主要取决于试验添加的水泥用量，其次是土样含水量，并提出多数软土固化存在一个最低水泥用量，若超过该水泥用量，试验才会有比较明显的固化效果(汤怡新等，2000);有研究通过向水泥中加入不同量的超细水泥来组成复合水泥固化剂，用于对软土的固化处理，探寻超细水泥含量对于固化水泥土早期力学性能的影响，并根据强度结果提出了复合水泥固化软土的结构模型(征西遥等，2020)。目前水泥类固化剂是处理软土最常见且较为成熟的方法，该方法已被众多学者所研究并应用到工程项目上(张家柱等，1999;梁仁旺等，2001;储诚富等，2005;Bahmani et al，2016)。但是对于一些高含水率、塑性指数较高且含有有机质的软土而言，单掺水泥对其性质的改善具有一定的局限性。因此，一些学者在水泥固化土中添加其他材料，来进一步改善水泥土的强度，其中纤维类材料的应用较为广泛。纤维的加入可在水泥土颗粒之间起到连接作用，有效提高水泥土的强度及变形性能。纤维含量的增加对于纤维砂土软黏土体系承载力、刚度和延性具有一定的影响，且土体承载力、刚度及延性等特性随纤维的增加也随之增强(Yetimoglu et al，2005);通过向水泥土中加入不同掺量及形状的聚丙烯纤维，研究纤维掺量和形状对水泥土强度的影响，结果表明纤维的加入降低了水泥土脆性并提高了水泥土断裂破坏韧性的结果(唐朝生等，2007a，2007b，2011)。目前在水泥固化土、纤维及水泥固化土研究方面已经取得了丰富成果(汤怡新等，2000;陈娃等，2001;唐朝生等，2011;阮波等，2022)，但现有研究主要集中于固化后土体强度性能的要求，忽略了固化土样自收缩的变形特征。而对于一些例如路面、管廊等市政工程，不仅要考虑土体强度因素，且由于软土经过水泥材料固化后，在后期回填养护过程中由于蒸发及水泥发生水化反应，土样水分减少，造成固化土体积缩小，局部土体开裂，从而产生相应工程问题，因此固化后土体的收缩变形特征也应给予重视。本试验以众多学者利用纤维改良水泥加固软土效果的研究为基础，了解到玄武岩纤维是我国重点研究的 4 大高新技术纤维之一，其本身及复合材料在土建、复合材料增强材料、过滤材料、军工材料等方面应用广泛(张玮等，2022)，因此选用玄武岩纤维作为水泥固化土中的一种外加材料。基于不同水泥及纤维掺入比固化前后试样的无侧限抗压强度、线缩以及体积收缩试验结果，分析玄武岩纤维对于水泥固化土强度及收缩性的改良效果，并结合电镜试验对试样的微观结构特征进行测试，探究其作用机理。33431(2)陈慧娥等:玄武岩纤维对水泥固化软土性能的影响研究1试验用材料及方案1.1试验用材料试验用土为某管廊项目开挖出的土样，土样粒度组成中砾粒占比 2%，粉粒占比 59%，黏粒达到了32%。试样物理力学性质指标如表 1 所示。该土样颜色呈灰黑色，具有淤臭味。天然状态下含水率达到 40%以上，大于液限，天然孔隙比大于 1，无侧限抗压强度 qu=42.35 kPa，工程性质较差。根据建设部 建筑地基基础设计规范，最终确定该土为淤泥质粉质黏土。表 1土样各物理指标Table 1Physical indexes of soil samples含水率/%密度/g cm3土粒相对密度 Gs孔隙比 e有机质/%塑限 WP/%液限 WL/%液性指数 IL塑性指数 Ip4210177274120313223039201171690水泥采用42.5 级普通硅酸盐水泥，其主要成分为氧化钙、二氧化硅及氧化铝等(表 2)。玄武岩纤维采购自湖南长沙汇祥建材有限公司(图 1)，其由二氧化硅、氧化铝、氧化钙和二氧化钛等多种氧化物组成，不仅强度高，而且还具有耐高温、抗酸碱等多种优异性能，其性质如表 3 所示。1.2试样制备及试验方案将风干的土样敲碎过 2 mm 孔径的筛，用于后续试样的制作。根据水泥土配合比设计规程(JGJ T233-2011)规范，设定水泥与干土质量比分别为 6%、8%、10%、12%;结合一些学者针对纤维类加固土文献研究(唐朝生等，2007a，2007b;常志璐等，2017)，设定玄武岩纤维与干土质量比分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%，我们通过对土样掺入不同梯度水泥掺量、不同梯度纤维掺量且养护不同龄期，来测定各试样无侧限抗压强度及收缩性质，表 4 为试验方案表。将称取好的干土分为两份，一份加入水泥，一份加入水泥和玄武岩纤维。我们首先通过预试验设置了 20%40%平均 5 个梯度的土样含水率，分别加入同梯度水泥，基于 13 d 的龄期强度，且考虑实际工程施工方法及回填后土体均匀性条件，最终确定了拌合制样时 25%土体含水率值为最佳。在制样过程中，先将土样、水泥和纤维搅拌均匀，之后用喷洒器将规定的水量在边洒边拌和的情况下，使水均匀地分布于土样内。取出事先涂抹凡士林的无侧限抗压试样模具(内径 40 mm，高表 2,42.5 级水泥成分组成表(%)Table 2Chemical composition of 42.5 cement(%)CaOFe2O3SiO2Al2O3MgOSO362364272265574085108图 1玄武岩纤维Fig 1Basalt fiber表 3玄武岩纤维性质Table 3The properties of basalt fiber比重/g cm3抗拉强度/N tex1弹性模量/GPa纤维长度/mm纤维直径/m抗高温性/抗酸碱性2833041100617260650小表 4试验方案设计Table 4Experimental design水泥掺量/%纤维掺量/%养护龄期/d601、02、03、04、051、3、7、14、288101280 mm)，向其中先装入一半体积搅拌好的土样，放于振动台上振动 1 min，再装入另一半试样振动1 min，并用铁棒辅助振捣最后将试件表面刮平。上述步骤用以模拟拌合后土体回填过程。对制备的土样密度进行测试，由于试样为定体积的无侧限抗压圆柱样，我们通过质量测定即可测得各试样密度值在 1.920.02 gcm3范围。之后将制作的试样利用液压机进行脱模，并用塑料薄膜密封好放入封闭养护箱内进行 1 d、3 d、7 d、14 d、28 d 的龄期养护，用以进行不同水泥和不同纤维掺量土样在不同龄期条434Journal of Engineering Geology工程地质学报2023件下的无侧限抗压强度测试，结合土工试验方法标准(GBT-2019)分别计算得到应力应变。根据无侧限抗压试验试样的密度，将搅拌好的水泥土及水泥纤维土采用静压法压制成环刀试样(直径 61.8 mm，高度 20 mm)，用于进行收缩试验。待环刀土样脱模后，进行1 d、3 d、7 d、14 d、28 d 的龄期养护。当土样达到养护龄期后，参考土工试验方法标准(GBT-2019)规范，分别采用百分表测定即通过将制好的环刀试样与透水板接触，安放好百分表记录试样养护前后读数变化测量线收缩量，以及通过蜡封排水法即将养护后的土样用刚过熔点的蜡包裹，待冷却后通过排水法测得体积变化量的方法，进行各条件下试样线性收缩量和体积收缩率的测试。图 2不同水泥各纤维掺量下无侧限抗压强度变化曲线Fig 2Variation curve of unconfined compressive strength under different cement and fiber contentsa 6%水泥;b 8%水泥;c 10%水泥;d 12%水泥2试样强度特征图 2 为在各水泥掺量条件下，不同玄武岩纤维掺量试样无侧限抗压强度随养护龄期的变化曲线。由图可知，试样的强度随着水泥掺量的增大而增大。当水泥掺量为 6%和 8%时，随着龄期的增长，试样强度增长相对较为缓慢。当水泥掺量为 10%和12%时，很明显看到土样强度提升速率加快，且对应龄期强度同比较高。在控制水泥掺量一定时，试样的强度随着纤维掺量的增加而增大。对比加入纤维前后试样强度变化，水泥掺量由 6%增加到 12%时，对于试样强度的增长效果低于纤维的加入对试样强度的增长效果。加入纤维之后，试样整体强度的增长速率加快。在前 3 d 养护中，强度增长速率较未加纤维的试样加快，37 d 有所减缓，后续龄期强度增长速率进一步加快。对于不同水泥掺量，纤维对水泥土的强度影响大小也有所区别，较低水泥掺量即 6%、8%水泥掺量时，玄武岩纤维掺量对强度的提升效果较 10%、12%水泥掺量大。总体来讲，加入纤维后，水泥固化土的强度有了较大的提升，各水泥掺量条件下纤维掺量变化对强度的增长幅值相差不大，相对来讲低掺量水泥条件下纤维对试样强度的改良效果更加明显。结合实际工程成本考虑，选用6%的水泥为研究试样水泥的最佳添加量。另外，从图 2 中可以看出，玄武岩纤维加入以53431(2)陈慧娥等:玄武岩纤维对水泥固化软土性能的影响研究后，试样的早期强度明显提高。以 6%水泥掺量的土样为例，当向其加入 0.1%的纤维掺量，养护 1 d后的强度就已超过了不加入纤维 3 d 的强度。而当纤维掺量增加至 0.5%时，试样 3 d 后的强度已经超过了单掺水泥 14 d 的强度，养护 7 d 时同比单掺水泥的强度提高到了约 1.5 倍。所以试样期强度提高较为明显，适用于涉及大量软土处理的市政工程建设项目中。图 3不同水泥各纤维掺量下线性收缩量变化曲线Fig 3The change curve of linear shrinkage of samples with different cement and fiber contentsa 6%水泥;b 8%水泥;c 10%水泥;d 12%水泥3试样收缩特征3.1试样的线缩量特征试样的线缩量特征如图 3 所示。由图可知，随着养护时间的增长，各试样线性收缩量逐步增大的同时增长速率有所减小，表明纤维的加入对试样收缩起到了明显的抑制作用。不同水泥掺量条件下纤维掺量变化时，试样收缩规律相似，即随着纤维掺量的增大，对于试样线性收缩有着明显的改善效果。因此，在水泥土中掺入纤维可有效改良实际工程中土层开裂和沉降等问题。在本次试验中，基于设定的 5 个纤维掺量条件下，考虑试样收缩性能结果，表明在 0.5%纤维的掺量下，对于试样线性收缩量的改良效果较好。3.2试样体缩率特征图 4 为不同掺量水泥加入各掺量纤维之后体缩率变化。由结果可知，单掺水泥时，随着养护龄期的增长，水泥土的体积收缩量随之增大。随着水泥掺量的提高，水泥土的体积收缩量逐渐降低。相对于单掺水泥试样，纤维的加入对于试样体积收缩的抑制作用有了进一步的提升。试样整体在前 3 d 养护过程中的收缩率速率最大，随着养护龄期的增长，体积收缩率逐渐增大，体积收缩率增长速率减小。且随着纤维掺量的提高，水泥固化土的体积收缩量随之减小，收缩速率有了明显减缓。在0.1%0.3%纤维掺量条件下，试样体积收缩率随龄期变化虽整体逐渐减缓但依旧较为明显。而此后随着纤维掺量的增加，即在 0.4%和 0.5%纤维掺量下，各水泥掺量下试样收缩率变化量不大且变化特征相似，当龄期达到 7 d 之后变化基本趋于稳定。较高的纤维掺634Journal of Engineering Geology工程地质学报2023量对于水泥土试样线性收缩效果抑制作用较好，短期养护内试样收缩便可稳定。因此，向水泥土试样加入纤维可以有效地减小水泥土的体积收缩量，抑制土层变形及裂缝的发展，增强土层的整体稳定性。可以发现，较高的纤维掺量对于试样线性收缩抑制性则更加明显，但结合相关学者理论研究及基于实际工程经济性考虑，我们暂不考虑继续加大玄武岩纤维的掺量。因此，在本次试验中我们认为 0.5%纤维掺量对试样收缩抑制效果为较佳。图 4不同水泥各纤维掺量下体积收缩率变化曲线Fig 4Volume shrinkage curve under different cement and fiber contentsa 6%水泥;b 8%水泥;c 10%水泥;d 12%水泥4试样微观结构特征研究表明，土体的工程性质很大程度上受到其微观结构的影响。根据上述试样无侧限抗压强度及收缩性试验结果分析，不同水泥及玄武岩纤维掺量对于试样物理力学性质有着不同的作用效果。结合实验结果，从实际工程经济性及安全性角度考虑，6%水泥和 0.5%纤维掺量为本研究试样最佳固化剂掺量。选取 6%水泥及 10%水泥掺量试样，来探究水泥掺量变化对于试样微观结构的影响。我们选取了 10%水泥掺量下，不掺纤维、0.1%纤维、0.5%纤维掺量试样。此次电镜试验设备型号为飞纳电镜ProX，我们将养护好的试样切成 2 cm3的小块，之后用纱布包起来烘干，从样品上掰下一小块粘在样品台进行喷金，放于电镜下观察，以探究纤维掺量对于试样微观结构影响。同时对最佳水泥及纤维掺量即6%水泥、0.5%纤维掺量试样进行了微观结构测试，结果如图 5 所示。由 6%水泥和 10%水泥掺量条件下试样的微观图片可以发现，掺入水泥后，水泥发生水化反应生成絮状、针棒水化产物胶结于土颗粒孔隙之间。对比发现随着水泥掺量的升高，水化产物增多，土样孔隙减少，试样整体为凝块状结构，试样结构明显致密。水泥水化产物胶结土颗粒，在土样内部形成骨架，土的强度增高。在 10%水泥条件下，0.1%纤维掺量和 0.5%纤维掺量试样 2000 倍微观结构图片与 6%水泥 0.5%纤维掺量试样微观结构图片对比可知，在掺入纤维之后，其在水泥土体中随机分布，纤维在73431(2)陈慧娥等:玄武岩纤维对水泥固化软土性能的影响研究图 5不同水泥纤维掺量下试样微观结构Fig 5Microstructure of samples with different cement and fiber contents土颗粒之间为圆片形状，且水泥水化产物包裹在纤维周围，使得土颗粒受力时的应力传播、分散到整个土体表面，这样的结构使得土体内部不易产生集中应力，使其受力时更加稳定(朱迎，2017;王辉等，2021)。本次试验选用的纤维直径为 17 m，我们在微观结构中观察到该纤维截面完整，判断在土粒之间并未发生折断。在水泥发生水化反应后，圆片状的玄武岩纤维与其生成物黏结，原本较为独立、微小的黏土颗粒叠聚体在这些纤维状凝胶水泥水化物的包裹下组成了大体积的团聚体，且纤维和土壤之间相结合形成绑定效应。因此纤维的掺入有效限制了土体结构的变形(贾羽等，2022;牛雷等，2022)，增834Journal of Engineering Geology工程地质学报2023加了颗粒之间的胶结作用，使得孔隙结构被填充，在水泥土早期硬化收缩过程中，起到了很好的抑制收缩的效果。5结论通过相关物理力学试验，对比研究了水泥梯度掺量、玄武岩梯度掺量对研究土样无侧限抗压强度以及收缩性的影响，得到如下结论:(1)水泥固化土的无侧限抗压强度随水泥掺量的增加而增大，线性收缩量和体积收缩率随着掺量的增加而减小。(2)纤维的加入能够有效增强水泥土的强度。当水泥掺量一定，增加纤维掺量使水泥固化土强度增高、线性收缩量及体积收缩率减小。较于水泥，玄武岩纤维对试样强度及收缩性能的影响更加明显。(3)玄武岩纤维整体呈圆片状随机分散于试样土颗粒之间，水泥水化产物及纤维填充于土粒孔隙之间或联结颗粒，使得土体结构更加密实，颗粒间联结增强，进而提高了土样强度，抑制了土样收缩。(4)针对试样无侧限抗压强度及收缩性试验结果，且结合经济性角度考虑，对于试验研究土样，6%水泥及 0.5%玄武岩纤维为最佳掺量。参考文献Bahmani S H，Farzadnia N，Asadi A，et al 2016 The effect of size andreplacement content of nanosilica on strength development of cementtreated residual soil J Construction and Building Materials，118:294306Chang Z L，Pei X J，Wu M Q，et al 2017 Experimental study on com-pressive strength and permeability of soil solidified with coconut-fiberand double polyethylene material J Journal of Engineering Geolo-gy，25(4):912919Chen S，Song S H，Shen J L，et al 2001 Experimental study on mechani-cal property of cement-stabilized dark soil in DJM pile J ChineseJournal of Geotechnical 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