張迪迪，甘小江，侯燁，任泓丞

（中鐵隧道集團有限公司 蕪黃項目部，廣西 南寧 530007）

1 概述

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，鐵路、公路的修建工程越來越多，隨之遇到的問題也逐漸凸顯。如一些鐵路、公路基底處于軟土地層中，對于一般運行速度低、對軌道沉降要求不高的基底而言，可不作特殊處理[1]，但是對于重載列車，若線路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)偏低，基礎(chǔ)承載能力差，線路基底在長期循環(huán)振動荷載作用下會出現(xiàn)開裂、破損、下沉，以及向兩側(cè)外擠及翻漿冒泥等病害[2]。

目前在基底加固方面，尤其是基底為軟土或承載力較低的工程加固，通常采用水泥土攪拌樁法，該施工技術(shù)成本較低，操作簡單，得到了廣泛應(yīng)用，并取得了良好的加固效果和經(jīng)濟效益[3]。然而，為適應(yīng)工作性能日益繁重的工程基底要求，用于水泥土攪拌樁法的主要材料——水泥土，其性能的提升成為研究熱點，各種新型的水泥土材料應(yīng)運而生，玄武巖纖維水泥土就是其中之一。

玄武巖纖維水泥土即在水泥土的拌和基礎(chǔ)上摻入一定量的玄武巖纖維制備而成，其抗壓性能有所改善，抗拉性能增強尤為顯著。陳峰[4-5]對不同玄武巖纖維摻量和不同齡期下的水泥土分別進行了抗壓和抗拉試驗，發(fā)現(xiàn)摻量為0.5%的玄武巖纖維能夠顯著提高水泥土抗壓強度，摻量1.5%的玄武巖纖維水泥土較普通水泥土的28 d抗拉強度提高約50%；高常輝等[6]通過試驗表明，摻入適量玄武巖纖維能夠使水泥土試樣在破壞時保持較好的整體性，而過量的纖維會影響與水泥漿之間的相容性導(dǎo)致強度下降；崔乃夫等[7]選取5種不同長度、4種不同摻量的玄武巖纖維進行了劈裂抗拉試驗，發(fā)現(xiàn)玄武巖纖維對水泥土的抗拉強度具有顯著增強效果，并給出了試驗范圍內(nèi)玄武巖纖維的最優(yōu)摻入長度與最優(yōu)摻量范圍。

綜合上述研究可以看出，玄武巖纖維水泥土優(yōu)越的力學(xué)性能已經(jīng)得到認(rèn)可，然而，關(guān)于凍融循環(huán)下的玄武巖纖維水泥土的研究卻鮮有報道。評價反復(fù)凍融循環(huán)作用對玄武巖纖維水泥土物理力學(xué)特性的影響，對季節(jié)性凍土區(qū)加固工程的研究具有重要意義。因此，在前人基礎(chǔ)上，以玄武巖纖維水泥土為試驗對象，探討其在凍融循環(huán)條件下的物理力學(xué)特性影響，該研究可為鐵路、公路等工程基底加固設(shè)計與建設(shè)提供一定的試驗基礎(chǔ)。

2 試驗過程

2.1 試樣制備

表1 試驗土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

玄武巖纖維選自南京某建材公司，綜合考慮前人研究成果，本試驗選取長度9 mm的短切玄武巖，其單絲直徑17 μm，密度2 650 kg/m3，抗拉強度約為4 500 MPa，彈性模量100 GPa；水泥采用42.5級普通硅酸鹽水泥。

試樣制備前，先將干土按最優(yōu)含水率配制，密封后浸潤24 h；取出濕土，摻入水泥和玄武巖纖維，并充分?jǐn)嚢杈鶆颉；旌狭蠑嚢杈鶆蚝?，立即進行制樣，制樣時分5層擊實，抗壓強度試驗的試樣尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，劈裂抗拉強度試樣為直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱體。試樣成型后用保鮮袋密封并置于養(yǎng)護室內(nèi)，養(yǎng)護28 d。

2.2 試驗設(shè)計

試驗配合比為：m干土︰m水泥︰m玄武巖纖維︰m水=1.000︰0.150︰0.015︰0.202。待養(yǎng)護結(jié)束后，立即進行室內(nèi)凍融試驗。參照季節(jié)性凍土區(qū)的溫度變化，設(shè)定冷卻溫度為-15 ℃，融化溫度為20 ℃。凍結(jié)時在低溫試驗箱中放置12 h，然后在恒溫水浴箱中浸泡融化12 h，此為1個凍融循環(huán)周期。試驗設(shè)計0、1、3、6、9、12共6個循環(huán)周期。為準(zhǔn)確了解玄武巖纖維水泥土在凍融循環(huán)前后的物理特征變化，在每次凍融循環(huán)后測量試樣的高度、質(zhì)量以及超聲波波速變化，最后對達到凍融循環(huán)周期的玄武巖纖維水泥土試樣分別進行無側(cè)限抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗。試驗儀器采用電子萬能試驗機，應(yīng)變控制加載速率為1 mm/min。

3 凍融循環(huán)對試樣物理特性的影響

3.1 表觀特征變化

不同凍融循環(huán)次數(shù)后玄武巖纖維水泥土試樣的表觀特征見圖1，經(jīng)歷凍融循環(huán)后試樣表面有輕微的剝蝕破損現(xiàn)象，然而6次和12次凍融循環(huán)后的試樣表觀差別不大，說明玄武巖纖維水泥土具有一定的抗凍融侵蝕性能。

3.2 高度變化

選取3個玄武巖纖維水泥土試樣用來記錄每次凍融循環(huán)后的高度變化，采用數(shù)顯游標(biāo)卡尺對其固定位置進行測量。3個試樣的高度變化情況分別見圖2。

圖1 不同凍融循環(huán)次數(shù)的試樣表觀特征

圖2 凍融循環(huán)下試樣的高度變化

由圖2可知，3個試樣的高度變化規(guī)律基本一致，總體呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在凍融循環(huán)0～2次范圍內(nèi)，試樣高度不斷減?。?次凍融循環(huán)后，其高度有所回升，接著高度急劇下降，7次凍融循環(huán)后試樣高度降至最?。?次以后試樣高度再次回升。觀察紅色圓圈標(biāo)記的凍融周期為0、1、3、6、9和12次的試樣高度變化，可以看出6次凍融循環(huán)后的試樣高度最小，較0次凍融循環(huán)的試樣高度縮減了約0.02 mm；9次和12次后高度有所增大，但變化幅度不大。由上可知，凍融循環(huán)作用對玄武巖纖維水泥土高度的影響較小，最大僅為0.03 mm，原因在于離散的玄武巖纖維在水泥土內(nèi)部呈空間網(wǎng)狀分布，使得水泥土的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

圖3 凍融循環(huán)下試樣的質(zhì)量變化

3.3 質(zhì)量變化

每次凍融循環(huán)結(jié)束后，對3個試樣的質(zhì)量損失率φn進行計算：

式中：mn為每次凍融循環(huán)結(jié)束后試樣的質(zhì)量，g；m0為凍融循環(huán)試驗開始前試樣的質(zhì)量，g。

現(xiàn)階段藥品批發(fā)企業(yè)的上游來貨尚未全部做到發(fā)票隨貨同行，對于上游發(fā)票未到的藥品，批發(fā)企業(yè)暫時無法向公立醫(yī)療機構(gòu)銷售，有可能會影響部分藥品適時到貨，特別是臨床短缺藥品的使用。

試樣質(zhì)量損失率見圖3。凍融2～3次的試樣質(zhì)量損失率最大，之后質(zhì)量不斷增大，至7～8次時試樣質(zhì)量損失率降至最小，9次時質(zhì)量損失率再次增大。觀察藍(lán)色圓圈標(biāo)記的凍融周期為0、1、3、6、9和12次的試樣質(zhì)量變化，可以看出質(zhì)量損失率總體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，3次凍融循環(huán)后試樣的質(zhì)量損失最大，6和9次的試樣質(zhì)量變化不大，12次的試樣質(zhì)量稍微增大。

3.4 聲波變化

采用非金屬超聲波檢測儀（見圖4）對每次凍融循環(huán)后的試樣進行波速測試（見圖5）?？梢钥闯鰞鋈谘h(huán)條件下試樣的波速變化具有一定的規(guī)律性，其中6次凍融循環(huán)對試樣的波速影響較大，隨后波速有所增大。綠色圓圈標(biāo)記的凍融周期為0、1、3、6、9和12次的試樣波速總體先減小后緩慢增大。

4 凍融循環(huán)對試樣力學(xué)性能的影響

普通水泥土和玄武巖纖維水泥土的無側(cè)限抗壓強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的試驗結(jié)果見圖6?？梢钥闯?，摻加1.5%玄武巖纖維的水泥土在凍融循環(huán)過程中無側(cè)限抗壓強度高于普通水泥土，說明玄武巖纖維對水泥土的抗凍融特性起到了一定的增強效果。由圖6（b）可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)在0～12次范圍內(nèi)增加，試樣的強度呈現(xiàn)先減小后緩慢增大的趨勢。其中，6次凍融循環(huán)后的試樣強度最低，為2.26 MPa，相比未經(jīng)歷凍融循環(huán)（0次凍融）的試樣強度下降了29.4%。9次和12次凍融循環(huán)的試樣強度出現(xiàn)緩慢增大，與文獻[8]試驗結(jié)果相似。

圖4 非金屬超聲波檢測儀

圖5 凍融循環(huán)下試樣的波速變化

普通水泥土和玄武巖纖維水泥土的劈裂抗拉強度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的試驗結(jié)果見圖7，兩曲線的趨勢與抗壓試樣結(jié)果基本相同，且同樣可知玄武巖纖維水泥土的抗凍融特性明顯優(yōu)于普通水泥土。由圖7（b）可知，試樣的抗拉強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加先減小后增大，且增長幅度較小。試驗中，未經(jīng)歷凍融循環(huán)的試樣表現(xiàn)出最大抗拉強度，平均為0.47 MPa；1次凍融循環(huán)后其強度下降達23.4%；6次后強度降至最小，平均0.31 MPa；9次和12次的試樣強度有所回升，較6次分別提高了12.5%和16.1%。

圖6 無側(cè)限抗壓強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

結(jié)合玄武巖纖維水泥土在凍融循環(huán)條件下的物理特性變化情況，可以發(fā)現(xiàn)其力學(xué)特性與物理特性之間存在一定的相關(guān)性，其中波速與強度的相關(guān)性見圖8。

具體而言，在試驗設(shè)定的凍融循環(huán)周期范圍內(nèi)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)逐步增加，玄武巖纖維水泥土的高度、質(zhì)量以及波速總體先減小后增大，6次凍融循環(huán)作為一個轉(zhuǎn)折點，同時其強度變化也符合這一規(guī)律，凍融循環(huán)6次的試樣強度最小。分析原因，隨著凍融循環(huán)的反復(fù)進行，試樣內(nèi)部的水分反復(fù)凍結(jié)和融化，并不斷遷移，使得少量土顆粒流失，故其高度和質(zhì)量有所減?。辉僬?，試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，內(nèi)部孔隙度增大，超聲波傳遞過程中衰減嚴(yán)重，故其波速降低，同時強度也會下降。然而到6次凍融循環(huán)后，試樣內(nèi)部的土顆粒會重新排列，顆粒間的接觸點增多[9-10]，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，故其強度會再次出現(xiàn)緩慢增長。

圖7 劈裂抗拉強度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

圖8 強度與波速的相關(guān)性

5 結(jié)論

試驗對凍融循環(huán)作用下玄武巖纖維水泥土的物理及力學(xué)特性進行研究，試驗結(jié)果可為季節(jié)性凍土區(qū)的隧道工程設(shè)計與施工提供一定的試驗基礎(chǔ)。試驗得出的主要結(jié)論如下：

（1）玄武巖纖維對水泥土抗凍融特性具有明顯的增強效果，玄武巖纖維摻量為1.5%的水泥土的抗凍融特性明顯優(yōu)于普通水泥土，該配比的水泥土材料可為工程施工提供一定的參考。

（2）玄武巖纖維水泥土試樣的無側(cè)限抗壓強度和劈裂抗拉強度隨凍融次數(shù)的增加均呈現(xiàn)先減小后緩慢增大的趨勢，6次凍融循環(huán)后的試樣強度最低，分別為2.26 MPa和 0.31 MPa。

（3）在試驗范圍內(nèi)，玄武巖纖維水泥土試樣的高度、質(zhì)量和波速隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加總體呈先減小后增大的趨勢。

（4）凍融循環(huán)作用影響著玄武巖纖維水泥土的物理和力學(xué)特性，且物理特性和力學(xué)特性之間存在一定的相關(guān)性。