玄武岩纤维提升水泥土抗压性能试验研究

Experimental Study on Improving the Compressive Performance of Cement-Soil with Basalt Fiber

摘要

水泥土搅拌桩常用于处治山区软弱土路基，但其抗压强度和变形性能较弱，易发生脆性破坏。为此，提出采用玄武岩纤维提升水泥土搅拌桩抗压性能的方法，并通过单轴抗压试验分析纤维掺量和长度对玄武岩纤维水泥土抗压性能的影响规律，最后通过电镜扫描试验（SEM）揭示玄武岩纤维对水泥土的抗压性能提升机理。结果表明：玄武岩纤维水泥土的应力-应变曲线先后经历孔隙压密、弹性变形、弹塑性变形及破坏4个典型阶段；玄武岩纤维的掺入有效提高了水泥土的抗压性能，抗压强度、峰值应变随着纤维掺量的增加先增大后减小，弹性模量随之先减小后小幅上下波动；抗压强度随着纤维长度的增加而减小，峰值应变随之先增大后减小，而弹性模量则先减小后增大，在纤维掺量为0.6%、长度为6 mm时抗压强度最大；玄武岩纤维通过与水泥土颗粒之间的摩擦力和机械锚固力对土体进行摩擦加筋，锚固水泥土内部的裂纹增强颗粒之间的连接作用力，但当纤维过多或者较长时，会出现“堆聚”和“交叉搭接”现象，减少有效加筋纤维数量，从而降低试样的抗压性能，因此在水泥土中掺入玄武岩纤维时，纤维掺量和长度要适宜。

Abstract

Cement-soil mixing piles are often used to treat soft soil roadbeds in mountainous areas. However, weak compressive strength and deformation performance make them prone to brittle failure. Therefore, a method using basalt fibers to improve the compressive performance of cement-soil mixing piles is proposed in this study. Then, the influence of fiber content and length on the compressive performance of basalt fiber reinforced cement-soil is analyzed through a series of uniaxial compression tests. Finally, the mechanism of basalt fiber improving the compressive performance of cement-soil is revealed through several scanning electron microscope (SEM) tests. The results show that the stress-strain curves of basalt fiber reinforced cement-soil have undergone four typical stages: pore compaction, elastic deformation, elastic-plastic deformation, and failure. The addition of basalt fibers effectively improves the compressive performance of cement-soil. Its compressive strength and peak strain first increase and then decrease with the increase of fiber content, and the elastic modulus first decreases and then fluctuates slightly. As the fiber length increases, the compressive strength decreases, the peak strain first increases and then decreases, while the elastic modulus first decreases and then increases. When the fiber content is 0.6% and the length is 6 mm, the compressive strength reaches its maximum value. Basalt fibers reinforce the cement-soil through friction and anchoring force between the basalt fibers and the cement soil particles. This constrains the crack propagation inside the cement-soil and enhances the connecting force between the particles. However, the fibers will be stacking and cross overlapping when they are too much or too long in length. This phenomenon will reduce the number of effective reinforced fibers and thereby reducing the compressive performance of the sample. Therefore, when adding basalt fibers to cement-soil, the fiber content and length should be appropriate.

Graphical abstract

关键词

软弱土 / 玄武岩纤维 / 水泥土搅拌桩 / 单轴抗压试验 / 电镜扫描

Key words

Soft soil / Basalt fiber / Cement-soil mixing pile / Uniaxial compressive test / Scanning electron microscope (SEM)

山区软弱土作为我国山区铁路建设中常遇到的一类特殊土，具有高含水量、高孔隙比、高压缩系数、低渗透系数、低承载力等特点^［1］，其强度、变形和稳定性问题突出。水泥土搅拌桩施工效率高、工程造价低，且能充分发挥山区软弱土自身承载性能的优点，因而广泛应用于山区软弱土中。但水泥土的抗压强度低、变形性能较差^［2］，造成水泥土搅拌桩易发生脆性破坏，导致路基沉降和失稳等问题。因此，有必要开展提升水泥土搅拌桩抗压性能的研究。

早期部分学者研究了化学剂对水泥土力学性能的提升效果。李琦等^［3］进行水泥土配比及室内无侧限抗压强度试验发现，采用硅酸盐水泥比普硅水泥加固的水泥土抗压强度更高。王伟等^［4］在滨海水泥土中加入纳米SiO₂后发现，该物质能有效提高水泥土的抗压、抗拉强度和弹性模量，但却加剧了试样的脆性。赵振亚等^［5］在3种不同龄期下的水泥土中加入Ca（OH）₂，发现水泥土的无侧限抗压强度随Ca（OH）₂掺量的增加而逐渐增大。韩鹏举等^［6］探究了Mg²⁺和SO₄^2-对水泥土抗压强度的影响规律，发现水泥土强度随着Mg²⁺和SO₄^2-浓度的升高而逐渐降低。张鹏远等^［7］研究掺砂量和聚丙烯酰胺（PAM）对纤维水泥土强度的影响，发现在掺砂量12%和PAM掺量6%时，纤维加筋效果最优，此时纤维水泥土的抗压强度最大。以上研究均只考虑了化学剂对水泥土强度提升的影响，但却未能考虑到化学剂对水泥土脆性的劣化作用。

部分学者通过在水泥土中加入玻璃纤维、聚丙烯纤维等提升水泥土力学性能，特别是改善水泥土易发生脆性破坏的不足。许巍等^［8］采用玻璃纤维对水泥土进行加筋发现，玻璃纤维掺量为0.3%、长度为6或12 mm时对水泥土的抗压强度和延性提升效果最好。黄晓实等^［9］分析了水泥土抗压强度受纤维掺量和垃圾掺入量影响的变化规律。除在水泥土中加入玻璃纤维外，还有学者研究了聚丙烯纤维对水泥土力学性能的影响。阮波等^［10-11］研究聚丙烯纤维加筋水泥土发现，其抗压强度、抗拉强度及拉压比随着纤维掺量的增加而增大，延性也随之增强。唐朝生等^［2］在水泥土中加入适量聚丙烯纤维发现，该纤维能有效提高水泥土的强度，降低其脆性，提高其断裂破坏时的韧性。通过掺入玻璃纤维、聚丙烯纤维确实能改善水泥土试样的强度和脆性，但由于玻璃纤维材料性质较脆，聚丙烯纤维韧性较差，且几种纤维环保性低，不利于开展后续的工程应用和绿色发展。

玄武岩纤维作为21世纪的新型绿色环保材料，因具有重量轻、抗压缩强度高、化学稳定性好及综合性价比高^［12-14］等优点而备受青睐，被广泛应用于混凝土加固中。部分学者将其应用于水泥土中进行研究和分析。马芹永等^［15］将玄武岩纤维加入水泥土中发现，玄武岩纤维的拉应力随着纤维掺量的增加而增大，且纤维掺量为1.0%~1.5%时对抗压强度的提升效果最佳。鹿群等^［16］对比了素水泥土与玄武岩纤维水泥土的抗压强度，发现纤维的加入提高了水泥土破坏后的残余强度和延性，提升了其抗疲劳的能力。在玄武岩纤维加筋水泥土的研究中，较少关注到粉煤灰与玄武岩纤维联合处治水泥土的方法，且对于纤维掺量和长度对抗压性能的影响分析还不够全面。同时，现有研究多局限于宏观数据分析，而微观作用机理尚不明确。

本文首先提出联合玄武岩纤维和粉煤灰提升水泥土抗压性能的方法，然后通过单轴抗压试验分析玄武岩纤维掺量（0%，0.3%，0.6%和0.9%）及长度（6，9，12和18 mm）对水泥土抗压性能的影响规律，最后结合电镜扫描试验（SEM）揭示玄武岩纤维对水泥土的微观加固机理。

1 玄武岩纤维水泥土单轴抗压试验

1.1　试验材料

试验所用山区软弱土取自重庆合川至四川安岳某铁路路基，呈灰褐色，通过室内试验^［17］测得其基本物理指标见表1，其含水率较大，为软塑-可塑状的低液限粉质黏土。

当前市场上生产的玄武岩纤维长度为6~18 mm，因此选取海宁安捷复合材料有限公司生产的6，9，12和18 mm的玄武岩纤维作为本试验材料，如图1所示。

玄武岩纤维物理力学指标见表2，纤维类型为单丝束状。粉煤灰为I级，其主要成分有SiO₂和Al₂O₃。水泥为红狮牌PO42.5普通硅酸盐水泥。搅拌用水为自来水。

1.2　试验方案

根据《水泥土配合比设计规程》^［18］中的要求进行试验设计。结合已有文献，设置水泥掺量为风干土质量的15%、粉煤灰掺量为风干土质量的12%^［19］，试样的养护龄期为28 d，水灰比为0.5。

1）单轴抗压试验

单轴抗压试验具有原理简单、仪器普及率高、测量结果误差小等优点，是目前评价混凝土、水泥土等桩体材料抗压性能最广泛和最有效的方法之一^［20-25］。因此，本研究拟开展单轴抗压强度试验。试验方案见表3。试验中A组（A1—A4）研究不同玄武岩纤维掺量下的影响，其范围为0%~0.9%（以0.3%为增量）；B组（B1—B4）研究不同纤维长度下的影响，取值分别为6，9，12和18 mm。共计8组，每组制作6个重复试件，总计48个试件。根据《水泥土配合比设计规程》，单轴抗压试验采用立方体水泥土作为试件，尺寸为70.7 mm×70.7 mm ×70.7 mm。

2）SEM试验

选取玄武岩纤维水泥土中间部位的碎屑进行扫描电镜试验，从微观角度探究玄武岩纤维对水泥土抗压性能提升的机理。

1.3　试验仪器

试验仪器如图2所示。单轴抗压强度测试仪器选用WDW-100C型微机控制电子万能试验机，该仪器最大试验力为100 kN，试验力测试范围为2%~100%，试验力示值最大误差与位移示值极限误差均在±0.5%以内，试验速度调节范围为0.05~200 mm · min^—1，仪器的有效试验宽度为550 mm。SEM试验扫描仪采用德国蔡司Sigma300热场发射扫描电子显微镜，该仪器放大倍数为10~1 000 000倍，分辨率不低于1.2 nm‍ · ‍（15kV）^—1（二次电子像）。

1.4　试验步骤

（1）将玄武岩纤维、粉煤灰、水泥和水按试验方案配合比倒入搅拌机中进行均匀拌制，制成玄武岩纤维水泥浆液。

（2）将天然状态下的山区软弱土与配制好的玄武岩纤维水泥浆液混合，均匀搅拌，分3层填入刷好油的立方体试样模具中，装填完毕后用保鲜膜密封，再放入标准养护箱中进行养护。

（3）养护28 d后进行单轴抗压强度试验，试样加压速度控制为1 mm · min^—1。

（4）试验完成后，取所需试样碎屑进行真空处理、镀金，后将其放入电子显微镜下进行不同倍数放大扫描，并提取所需图片。

2 试验结果及分析

2.1　应力-应变曲线

不同玄武岩纤维掺量及长度下的应力-应变曲线变化趋势较为相似，以A3组应力-应变曲线为例进行说明。图3为单轴抗压强度试验A3组应力-应变曲线，可知试样主要经历孔隙压密阶段（Ⅰ‍）、弹性变形阶段（Ⅱ‍）、弹塑性变形阶段（Ⅲ‍）和破坏阶段（Ⅳ‍）共4个阶段。

（1）孔隙压密阶段。图3中OA段曲线，水泥土内部因制样时产生的孔隙开始压缩减少，该段曲线呈现凹状。

（2）在弹性变形阶段。图3中AB段曲线，在土颗粒与胶凝材料胶结及玄武岩纤维摩擦加筋作用下，水泥土的抗压强度随着压缩力的增大而增大。

（3）弹塑性变形阶段。图3中BC段曲线，由于试样横向膨胀程度较大，颗粒间的胶结无法发挥，唯有部分玄武岩纤维在发挥摩擦加筋作用，试样侧面出现不同程度的掉渣现象，其整体表现为横向膨胀而不散的现象。

（4）破坏阶段。图3中CD段曲线，试样在达到抗压强度峰值后开始逐渐下降，此时水泥土自身将不再承担压力，承担摩擦加筋的玄武岩纤维也在逐渐减少。

2.2　抗压强度

1）纤维掺量的影响

单轴抗压强度试验中玄武岩纤维水泥土应力-应变曲线的峰值强度即为抗压强度。图4是纤维掺量对抗压强度的影响。由图4可知：玄武岩纤维水泥土的抗压强度随着纤维掺量的增加先增大后减小，在纤维掺量为0.6%时，抗压强度最大，为2.67 MPa；与玄武岩纤维掺量为0相比，纤维掺量为0.6%时的抗压强度提升了15.58%。玄武岩纤维通过与水泥土颗粒间的摩擦和锚固来增加颗粒间的连接力，从而提高其抗压强度；但当纤维掺量过量时，纤维会因“堆聚”使得有效进行摩擦加筋的纤维数量减少，从而降低其抗压强度。

2）纤维长度的影响

图5是纤维长度对玄武岩纤维水泥土抗压强度的影响。由图5可知：玄武岩纤维水泥土的抗压强度随着纤维长度的增长而逐渐降低，本试验的纤维最佳长度为6 mm。说明玄武岩纤维长度的增长会劣化试样的抗压强度，且劣化程度与纤维长度呈正相关。因为纤维越长越容易发生“交叉搭接”且同掺量下纤维数量会减少，从而造成较多薄弱面及裂纹处无法加筋，从而降低其抗压强度。

2.3　弹性模量

1）纤维掺量的影响

弹性模量为应力-应变曲线中弹性段的斜率。图6是纤维掺量对玄武岩纤维水泥土弹性模量的影响。由图6可知：玄武岩纤维水泥土的弹性模量随着纤维掺量的增加先大幅降低后小幅上下波动，在纤维掺量为0时试样的弹性模量最大，为443 MPa。由于玄武岩纤维直径较小、细长比较大，其整体抗拉强度高，但受压却易屈服，且其抗压能力弱于水泥土，加入水泥土中降低了试样的整体刚度，增大了试样的变形，从而使试样的弹性模量下降。

2）纤维长度的影响

图7是纤维长度对玄武岩纤维水泥土弹性模量的影响。由图7可知：随着玄武岩纤维长度的不断增长，玄武岩纤维水泥土的弹性模量也随之逐渐降低，在纤维长度为6 mm时，其弹性模量取值最大，为290 MPa。说明相比6 mm纤维而言，较长纤维的长细比更大，其对水泥土整体的刚度提升程度更低，使得其在受压过程中抵抗变形的能力更弱。同时，较长的纤维在制样时易发生回弹而造成水泥土结构内部出现更大薄弱面，从而降低试样的整体刚度，使得弹性模量下降。

2.4　玄武岩纤维水泥土峰值应变

1）纤维掺量的影响

峰值应变为应力-应变曲线中峰值强度对应的应变。图8是纤维掺量对玄武岩纤维水泥土峰值应变的影响。由图8可知：玄武岩纤维水泥土的峰值应变随着纤维掺量的增加先增大后减小，在纤维掺量为0.6%时，其峰值应变取值最大；与玄武岩纤维掺量为0的试样相比，掺入纤维的试样其峰值应变明显更大。说明玄武岩纤维的加入有效地改善了试样的脆性，增加其延性，且改善效果在纤维掺量0.6%时为最佳。适量的玄武岩纤维能有效加筋水泥土结构中的裂纹和薄弱面，使其在受压过程中横向膨胀及纵向裂纹开裂速度放缓，从而提高试样的峰值应变，但纤维掺量过多会因“堆聚”而降低有效加筋的纤维数量，无法减缓裂纹开裂速度，从而降低了峰值应变。

2）纤维长度的影响

图9是纤维长度对玄武岩纤维水泥土峰值应变的影响。

由图9可知：随着玄武岩纤维长度的不断增长，试样的峰值应变随之先增大后减小，在纤维长度为12 mm时，试样的峰值应变为最大。说明纤维长度越长对试样的脆性改善效果越明显。因为，纤维长度较长时，在受压过程中断裂的纤维在有效加筋长度范围内能继续发挥加筋作用，从而延缓裂纹开裂速度，提高峰值应变；但当纤维长度过长时，等掺量下的纤维加筋数量会减少过多，从而造成较多裂纹无法进行加筋，降低了峰值应变。

2.5　玄武岩纤维水泥土破坏形态

1）纤维掺量的影响

不同纤维掺量下的玄武岩纤维水泥土试样破坏形态如图10所示。由图10可知：纤维掺量0%的普通水泥土试样在受压破坏时伴随着大小不等的片状碎屑剥落，且右侧有1条明显的纵向裂纹，表现为极为明显的脆性破坏，受压破坏程度更明显，且表面存在一定数量的孔洞；图10（b）和图10（d）中的试样在受压破坏后掉渣量较少，但表面浮现较多裂纹，图10（c）中试样受压时几乎不掉渣，此时试样的整体性表现较好。

2）纤维长度的影响

不同纤维长度下的玄武岩纤维水泥土试样破坏形态如图11所示。由图11可知：6 mm纤维长度下试样在受压破坏时出现了一定数量的微裂纹，但裂纹数量少，且无明显掉渣现象；而18 mm纤维长度下试样在破坏时，出现的裂纹数量相对较多，且伴随少量的掉渣碎屑。

玄武岩纤维的加入一定程度上改善了玄武岩纤维水泥土试样的脆性破坏，但在纤维长度较长时，由于各纤维间出现了“交叉搭接”现象，且同掺量下较长纤维的数量相对减少，导致试样存在较多薄弱面，且试样有较多裂纹未能有效进行加筋处理，从而降低了玄武岩纤维水泥土试样的抗压性能。

3 玄武岩纤维提升水泥土抗压性能机理分析

3.1　纤维掺量的影响机理

将微观结构与宏观模型图结合并进行分析，不仅能实现以微观与宏观相结合的方式来说明试验现象，而且能从本质出发，提出对玄武岩纤维水泥土抗压性能提升更加有利的方法。

图12为玄武岩纤维水泥土局部锚固图。由图12可知：玄武岩纤维通过与水泥土颗粒之间的摩擦力和机械锚固力对土体进行了摩擦加筋，锚固了试样内部的裂纹，增强了颗粒之间的连接作用力^［26］，从而增强了试样的抗压性能。

图13为适量纤维掺量下的微观结构和模型图。由图13可知：适量的纤维掺入，使得纤维较为分散，使得纤维有效加筋的面积增多；一定范围内，纤维的掺入提高了试样的抗压强度与峰值应变，有效改善了玄武岩纤维水泥土的脆性，提高了其延性。

图14为过量纤维掺量下的微观结构和模型图。由图14可知：当纤维掺量较多时，纤维之间会产生“堆聚”现象，有效加筋的面积有所减小，使得在试样内形成较多薄弱面；同时，制样时“堆聚”的纤维难以压缩，造成脱模后纤维发生回弹，带动土体张拉，使得土体内的裂纹未能及时有效的锚固与连接，锚固力减小，致使玄武岩纤维水泥土产生较多裂纹，从而降低其抗压强度和峰值应变；由于玄武岩纤维的压缩模量小，加入水泥土中降低了其整体刚度，增大了变形，从而降低了弹性模量。

因此，在工程实际应用中，应针对工程拟建设地点的土质情况，找到玄武岩纤维的最优掺量，最大限度地利用玄武岩纤维来提升水泥土的抗压性能。

3.2　纤维长度的影响机理

玄武岩纤维水泥土内部，对于6 mm长度的玄武岩纤维而言，纤维与土体界面之间的相互作用力近似接近于纤维自身拉断时所需要的作用力，因而能更加有效的发挥玄武岩纤维的“摩擦加筋”作用。

图15为过长纤维交叉搭接的玄武岩纤维水泥土微观结构与模型图。由图15可知：当玄武岩纤维过长时，会出现“交叉及搭接”“聚集”的现象，减少了受拉纤维的有效数量。

图16为低 含量下的过长纤维微观结构与模型图。由图16可知：纤维在等掺量条件下，较长纤维的数量相对减少，在某些薄弱面上，纤维能承担的总拉应力也随之减小，从而降低了玄武岩纤维水泥土的抗压性能。因此，实际工程应用中合理选择纤维的使用长度至关重要，且能节省材料，降低工程成本，提高性价比。

4 结论

（1）单轴抗压试验中，不同纤维掺量及长度下的应力-应变曲线变化趋势相似，大致分为孔隙压密、弹性变形、弹塑性变形及破坏4个典型阶段。

（2）随着纤维掺量的增加，玄武岩纤维水泥土的抗压强度、峰值应变先增大后减小，弹性模量先减小后小幅上下波动；随着纤维长度的增长，玄武岩纤维水泥土的抗压强度逐渐减小，弹性模量先减小后增大，峰值应变先增大后减小；当玄武岩纤维掺量为0.6%、长度为6 mm时，试样的抗压强度最大，为2.67 MPa，为玄提升武岩纤维水泥土抗压强度的最优掺量值。

（3）玄武岩纤维通过与水泥土颗粒之间的摩擦力和机械锚固力对土体进行了摩擦加筋，增强了颗粒之间的连接作用力，从而提高了试样的抗压性能。但当玄武岩纤维掺量过量或者长度较长时，会因“堆聚”“交叉搭接”等现象使得有效加筋的纤维数量减少，从而降低了试样的抗压性能。

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基金资助

重庆市技术创新与应用发展专项项目(CSTB2022TIAD-GPX0046)

重庆市南岸区技术创新与应用发展项目(2022-24)

重庆市建设科技计划项目(城科字2022第1-3号)