莊心善， 周　談， 游　鵬

(湖北工業(yè)大學建筑與土木工程學院， 湖北 武漢 430068)

玄武巖纖維改良膨脹土的試驗研究

莊心善， 周談， 游鵬

(湖北工業(yè)大學建筑與土木工程學院， 湖北 武漢 430068)

[摘要]以河南南陽某公路的膨脹土為研究對象，在實驗室通過試驗得到改良膨脹土的最優(yōu)二灰比，在此基礎上以不同的玄武巖纖維摻入量和養(yǎng)護周期為變量，通過擊實試驗、脹縮試驗、無側(cè)限抗壓強度實驗以及直接剪切試驗研究膨脹土各個指標的變化規(guī)律。結(jié)果表明：摻入玄武巖纖維后膨脹土的膨脹量和膨脹力隨玄武巖纖維摻入量的增加呈減小趨勢，在摻入量為0.3%左右膨脹量和膨脹力最??；經(jīng)過養(yǎng)護的膨脹土的膨脹量和膨脹力呈減小趨勢，在14 d左右達到最??；摻入玄武巖纖維后膨脹土的無側(cè)線抗壓強度和抗剪強度都呈上升趨勢，且都在摻入量為0.3%左右達到最優(yōu)；經(jīng)過養(yǎng)護的膨脹土試樣無側(cè)限抗壓強度有明顯提高，在養(yǎng)護周期14 d時達到最大；經(jīng)過養(yǎng)護的膨脹土試樣的抗剪強度有明顯提高，隨著養(yǎng)護時間的增長抗剪強度逐漸增大，沒有出現(xiàn)最大值。

[關鍵詞]膨脹土； 玄武巖纖維； 養(yǎng)護齡期； 膨脹力； 抗壓強度； 抗剪強度

河南南陽是南水北調(diào)的起點，但其地質(zhì)條件復雜，膨脹土是南陽一種常見的土體,具有遇水劇烈膨脹失水顯著收縮等不穩(wěn)定性質(zhì)[1]。玄武巖纖維是一種彈性模量和強度都較大的纖維，其優(yōu)良的性質(zhì)在很多方面都有廣泛的用途。二灰(石灰和粉煤灰)是常見有效的土體改良材料。膨脹土不良性質(zhì)給工程施工造成很多困難，如何解決這些問題是亟須面對的課題。土中加筋是改良膨脹土最為有效的方法之一。筆者在試驗中得到改良膨脹土的最優(yōu)二灰比，石灰摻入量為6%，粉煤灰摻入量為12%，并以此為基礎繼續(xù)往膨脹土中摻入不同含量的玄武巖纖維，經(jīng)過一定的養(yǎng)護時間，通過擊實試驗、脹縮試驗、無側(cè)限抗壓強度實驗以及直接剪切試驗,研究膨脹土各個指標的變化規(guī)律。

1石灰、粉煤灰及玄武巖纖維改良膨脹土機理

1.1石灰改良膨脹土機理

石灰是改良膨脹土最常用的材料,在空氣和水中都可發(fā)生硬化。石灰的膠結(jié)能力與其含有的活性氧化鈣和氧化鎂的含量成正比，通過與土體顆粒的物理作用和化學作用共同改良膨脹土的性能。石灰改良膨脹土的途徑通常有離子交換作用、凝膠反應、碳化作用和結(jié)晶作用四種。離子交換作用是指生石灰遇水會迅速發(fā)生化學反應產(chǎn)生氫氧化鈣和氫氧化鎂，氫氧化鈣和氫氧化鎂繼續(xù)與水反應，水解出正二價的鈣離子和鎂離子，鈣離子和鎂離子通過化學反應置換出正一價的鈉離子和鉀離子，高價的離子會使膨脹土的結(jié)合水膜較薄，使膨脹土的親水性和分散性降低、塑性指數(shù)下降，進而使膨脹土土體膨脹潛勢減小，更易成型，產(chǎn)生初期強度。凝膠反應是指膨脹土中的某些成分在碳化作用后會和石灰發(fā)生化學反應形成難溶于水的凝膠，它可在膨脹土顆粒外表面形成具有較強粘結(jié)力的穩(wěn)定結(jié)構，既可使灰土的強度得到明顯的提高也可使膨脹土保持穩(wěn)定。碳化作用是指生石灰遇水生成的氫氧化鈣和氫氧化鎂會與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學反應，生成不溶于水的沉淀性固體顆粒，這種固體顆粒會使土體強度得到提升，逐漸形成膨脹土后期的強度。結(jié)晶作用是指生石灰遇到水時生成的氫氧化鈣和氫氧化鎂是難溶于水的固體沉淀顆粒，除去部分發(fā)生化學反應外，都是以結(jié)晶水的形式存在，同樣可使膨脹土的強度得到穩(wěn)定提升。

1.2粉煤灰改良膨脹土的機理

粉煤灰是常用的可有效提高膨脹土強度的添加劑，主要由SiO2、Fe2O3、Al2O3、CaO、MgO等成分組成，前三種成分占大部分比例。把粉煤灰摻入到膨脹土中可產(chǎn)生一系列的化學反應，從而提高膨脹土強度并有效減小膨脹土的脹縮性[2]?；瘜W反應包括離子交換作用和硬凝作用。離子交換作用是指在一定的含水條件下，粉煤灰可與膨脹土發(fā)生離子交換反應，即粉煤灰中的Ca 、Al、Fe等高價陽離子和土體中的低價陽離子發(fā)生置換反應，可使膨脹土的塑性指數(shù)和脹縮性得到明顯的降低，土體中的細粒也會相互抱團形成相對較大的顆粒。硬凝反應是指粉煤灰中含有一定量的SiO2、Al2O3，能夠在一段養(yǎng)護時間之后逐漸與膨脹土作用產(chǎn)生水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣膠體，能大幅提高膨脹土的強度和延性。

1.3石灰和粉煤灰共同作用改良膨脹土的機理

粉煤灰的硬凝作用需要養(yǎng)護一段時間后慢慢形成，所以早期強度較低，而石灰可以在早期形成表面具有較強粘結(jié)力的穩(wěn)定結(jié)構。當石灰和粉煤灰共同作用時，兩者可相互發(fā)揮各自的優(yōu)點，使膨脹土早期和晚期的強度都得到穩(wěn)定的提升[3]。

1.4玄武巖纖維改良膨脹土的機理

玄武巖纖維改良膨脹土的主要原因是玄武巖纖維增強了與膨脹土接觸界面間的力學作用，包括接觸面的摩擦力和粘結(jié)力。膨脹土中摻入玄武巖纖維可使顆粒間的摩擦力增大，進而使土體顆粒間的連接力增大，土體的強度得到進一步的提高、脹縮性逐漸減小[4]。

2實驗材料

2.1短切玄武巖纖維

本試驗所用的是6 mm短切玄武巖纖維，將其手工均勻撕開成細絲狀，然后與石灰以及粉煤灰均勻混合充分，其物理性能指標為：單絲直徑13 μm；密度2650 kg/m3；平均長度6 mm；抗拉強度≥2000 MPa；彈性模量90～110 GPa；極限延伸率3.5%；熔點1250℃。

2.2石灰與粉煤灰

石灰：為III級石灰，其CaO和MgO的含量占消解后總含量的56.6%。

粉煤灰：粉煤灰的化學成分屬二級。物理力學參數(shù)為：SiO2，45.25%；Al2O3，26.36%；Fe2O3，9.15%；CaO，8.55%；MgO，2.15%；SO3，3.83%；Na2O，1.35%；K2O，1.25%；燒失量，2.11。

2.3膨脹土

本試驗用土取自南陽某公路,顏色為淡紅色、褐色, 呈松散半堅硬狀態(tài),膨脹土內(nèi)摻雜有少量鈣質(zhì)結(jié)核,層里為片狀, 按照現(xiàn)有的膨脹土分類標準可綜合判定為中等膨脹土。其基本物理化學性質(zhì)見表2。

表2　膨脹土的物理力學參數(shù)

3試樣制備

1)對南陽運來的土塊進行去核處理，并把較大的土塊錘碎；

2)對土塊進行風干搗碎，過2 mm的篩，進行擊實試驗測得最優(yōu)含水率為23%；

3)將6%的石灰、12%的粉煤灰以及0、0.1%、0.3%和0.5%的玄武巖纖維摻入到最優(yōu)含水率的膨脹土中。試驗過程中，首先將目標重量的石灰和粉煤灰與目標重量的膨脹土混合均勻，然后慢慢將目標重量的玄武巖纖維用手工均勻撕開分散在膨脹土混合物中，充分攪拌混合均勻，再分多次將目標含量的水均勻撒在膨脹土混合物中，重復攪拌使其充分混合均勻。

4)將配置好的土體分別標記裝入薄膜塑料袋內(nèi)，在標準的溫度和濕度條件下養(yǎng)護24 h使其水分分布均勻。

5)養(yǎng)護結(jié)束后馬上將養(yǎng)護好的土體適量裝入內(nèi)徑40 mm、高80 mm的重塑桶內(nèi)制作無側(cè)限抗壓強度試驗試塊，制作過程中分三層由下及上分層擊實，每層分別擊實25次制成試樣。再用標準環(huán)刀截取環(huán)刀樣制作足夠數(shù)量的脹縮性試驗和直接剪切試驗試塊，脹縮性試驗的試樣高度20 mm，直徑61.8 mm。每組試驗至少制作兩個平行試樣。將制作好的試樣裝入保鮮膜內(nèi)，在標準的恒溫和濕度條件下進行目標時間的養(yǎng)護。

4實驗方法

脹縮性試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗和直剪試驗都按照《公路土工試驗規(guī)程》進行，為研究玄武巖纖維摻入量和養(yǎng)護齡期對二灰改良膨脹土各個指標的影響，在最優(yōu)二灰比的基礎上制作不同玄武巖纖維摻入量的試樣，纖維摻入量分別占烘干土樣的0、0.1%、0.3%、0.5%，不同纖維含量和養(yǎng)護時間的平行試樣每組至少2個，試驗結(jié)束后取兩組試驗結(jié)果的平均值。分別在養(yǎng)護0 d、7 d、14 d、28 d后將配置好的膨脹土進行脹縮性試驗、無側(cè)限抗壓強度試驗和直接剪切實驗，記錄實驗結(jié)果，實驗結(jié)束后取下試樣拍照。

5實驗結(jié)果與分析

5.1玄武巖纖維和養(yǎng)護齡期對無荷膨脹量和膨脹力的影響

摻入不同含量玄武巖纖維以及不同養(yǎng)護齡期對二灰膨脹土無荷膨脹量和膨脹力的影響如圖1、圖2所示。由圖可見，隨著玄武巖纖維含量的增加，在相同養(yǎng)護齡期下二灰膨脹土無荷膨脹量和膨脹力都隨著纖維含量的增加整體上呈減小趨勢，纖維含量在0.3%時，膨脹量和膨脹力開始呈較穩(wěn)定狀態(tài)，說明在不考慮養(yǎng)護齡期的影響的情況下，摻入玄武巖纖維能明顯降低膨脹土的脹縮量和膨脹力，在摻入含量為0.3%時效果較好，超過這個摻量后變化較為平緩，趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因為在摻入少量的玄武巖纖維時，纖維會以單根絲狀狀態(tài)存在，當土體膨脹時提供的是一維的約束力。當玄武巖纖維摻入量增加時，纖維會相互交錯形成網(wǎng)狀結(jié)構，當土體膨脹時纖維會提供三維的約束力，大幅度抑制了膨脹土的脹縮性[5]。但是當纖維含量過多時，大部分纖維會以束狀形式存在，由于纖維和土粒之間的彈性模量相差較大，反而減小了土顆粒與纖維之間的摩擦力。因此，較為合理的玄武巖摻入量為0.3%。

圖 1　養(yǎng)護齡期與纖維摻入量對無荷膨脹量的影響

圖 2　養(yǎng)護齡期與纖維摻入量對膨脹力的影響

由圖1、圖2可以看出，不同纖維摻入量的膨脹土隨著養(yǎng)護時間的增長，其膨脹量和膨脹力都是開始快速減小，后以較小的減速趨于平穩(wěn)，并且在養(yǎng)護時間14 d膨脹量和膨脹力較小。因為經(jīng)過養(yǎng)護后的二灰膨脹土中石灰粉煤灰與膨脹土發(fā)生了硬凝作用，使膨脹土的結(jié)構發(fā)生了變化從而抑制了膨脹土的脹縮性，最好的養(yǎng)護時間應為14 d。

5.2玄武巖纖維和養(yǎng)護齡期對無側(cè)限抗壓強度的影響

摻入不同含量玄武巖纖維以及不同養(yǎng)護齡期對二灰膨脹土無側(cè)限抗壓強度的影響見圖3。由圖可見，隨著玄武巖纖維含量的增加，在相同養(yǎng)護齡期下二灰膨脹土的最大無側(cè)限抗壓強度整體呈上升趨勢，玄武巖纖維摻入量為0.3%時達到最大，超過0.3%時反而減小。這說明在最優(yōu)二灰比條件下膨脹土的最佳玄武巖纖維摻入量為0.3%。因為在二灰土中摻入玄武巖纖維可提高土體與玄武巖纖維表面的摩擦力與粘結(jié)力，使土體的抗壓強度提高。

圖 3　養(yǎng)護齡期與纖維摻入量對無測限抗壓強度的影響

由圖3可以看出，不同纖維摻入量的膨脹土隨著養(yǎng)護時間的增長，最大無側(cè)限抗壓強度在0～7 d時急劇增大，7～14 d時以較小增幅增大，后以平穩(wěn)的趨勢延長至28 d。因為石灰和粉煤灰共同的離子交換作用和硬凝作用在合理養(yǎng)護時間為14 d時效果最好，所以在工程實際中建議的養(yǎng)護時間為14 d。

5.3玄武巖纖維和養(yǎng)護齡期對抗剪強度的影響

摻入不同含量玄武巖纖維以及不同養(yǎng)護齡期對二灰膨脹土抗剪強度的影響見圖4。

圖 4　養(yǎng)護齡期與纖維摻入量對抗剪強度的影響

由圖4可見，隨著玄武巖纖維含量的增加，在相同養(yǎng)護齡期下，二灰膨脹土的最大無側(cè)限抗壓強度整體呈上升趨勢，以較大的上升趨勢增長到0.3%，后以非常緩慢甚至可忽略的上升趨勢增長到0.5%。因為當玄武巖纖維摻入量漸漸變大時，土體受力時纖維會提供三維的約束力，大幅度提高了土體的結(jié)構性，使其抗剪強度增大[6]。但由圖4可見摻入量超過0.3%時抗剪強度增幅很小，所以最優(yōu)玄武巖摻入量應為0.3%。

由圖4可看出，不同纖維摻入量的膨脹土隨著養(yǎng)護時間的增長，最大抗剪強度在0～7 d時急劇增大，在7～14 d時以較小增幅增大，后以較小的增幅延長至28 d。這是因為石灰的離子交換作用、凝膠反應、碳化作用和結(jié)晶作用以及粉煤灰的離子交換作用和硬凝作用大幅度提高了膨脹土的結(jié)構性，但是過了14 d后物理化學作用基本已經(jīng)完成，最大抗剪強度達到最優(yōu)，為工程施工提供了依據(jù)。

6結(jié)論

在最優(yōu)二灰比基礎上，以不同的玄武巖纖維摻入量和養(yǎng)護周期為變量，進行擊實試驗、脹縮試驗、無側(cè)限抗壓強度實驗及直接剪切試驗，結(jié)果表明：

1)玄武巖纖維可減小二灰膨脹土的膨脹量和膨脹力，隨著玄武巖纖維摻入量增加, 二灰膨脹土的膨脹量和膨脹力逐漸減小，最佳玄武巖纖維摻入量為0.3%。

2)二灰膨脹土養(yǎng)護齡期為14 d時膨脹量和膨脹力最小。

3)玄武巖纖維能提高二灰膨脹土的無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度，隨著玄武巖纖維摻入量增加,二灰膨脹土的無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度逐漸增大，最佳玄武巖纖維摻入量為0.3%。

4)二灰膨脹土的養(yǎng)護齡期為14 d時無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度達到最大值。

[參考文獻]

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[6]中華人民共和國國家標準. 膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范(GBJ112-87)[S]. 北京: 中國計劃出版社, 1989.

[責任編校： 張巖芳]

Experiment Study on Improvement of Expansive Soil with Basalt Fiber

ZHUANG Xinshan，ZHOU Tan，YOU Peng

(SchoolofCivilEngin.andArchitecture,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Abstract：The objective of this experiment is expansive soil from a highway in Nanyang, Henan. After acquiring the two cement ratio from the lab experiment, the paper analyzed the basalt with different fiber incorporation and maintenance cycle by the compaction experiment, expansive experiment, the unconfined compressive strength and direct shear test study regular pattern of expansive soil. The results show that the basalt fiber can greatly improve the compressive strength of expansive soil. Adding 0.3% expansive oil achieves the minimum compressive strength. The maintained expansive soil will decrease and reach its minimum in 14 days. But after adding 0.3 % basalt fiber, the unconfined compressive strength and direct shear will increase to the best. The unconfined compressive strength of maintained expansive soil will increase and reach its maximum in 14 days. With time going by, its direct shear strength will be enhanced dramatically, but with no maximum.

Keywords：expansive oil, basalt fiber, the days of maintenance, expansive strength, compressive strength, shearing strength

[收稿日期]2015-03-19

[基金項目]國家自然科學基金，項目編號51209084

[作者簡介]莊心善(1964-)， 男， 河南淮陽人，工學博士，湖北工業(yè)大學教授，研究方向為環(huán)境巖土與邊坡工程

[文章編號]1003-4684(2016)02-0089-04

[中圖分類號]TU411.3

[文獻標識碼]：A