张迪迪，甘小江，侯烨，任泓丞

（中铁隧道集团有限公司 芜黄项目部，广西 南宁 530007）

1 概述

随着我国经济的快速发展，铁路、公路的修建工程越来越多，随之遇到的问题也逐渐凸显。如一些铁路、公路基底处于软土地层中，对于一般运行速度低、对轨道沉降要求不高的基底而言，可不作特殊处理[1]，但是对于重载列车，若线路设计标准偏低，基础承载能力差，线路基底在长期循环振动荷载作用下会出现开裂、破损、下沉，以及向两侧外挤及翻浆冒泥等病害[2]。

目前在基底加固方面，尤其是基底为软土或承载力较低的工程加固，通常采用水泥土搅拌桩法，该施工技术成本较低，操作简单，得到了广泛应用，并取得了良好的加固效果和经济效益[3]。然而，为适应工作性能日益繁重的工程基底要求，用于水泥土搅拌桩法的主要材料——水泥土，其性能的提升成为研究热点，各种新型的水泥土材料应运而生，玄武岩纤维水泥土就是其中之一。

玄武岩纤维水泥土即在水泥土的拌和基础上掺入一定量的玄武岩纤维制备而成，其抗压性能有所改善，抗拉性能增强尤为显著。陈峰[4-5]对不同玄武岩纤维掺量和不同龄期下的水泥土分别进行了抗压和抗拉试验，发现掺量为0.5%的玄武岩纤维能够显著提高水泥土抗压强度，掺量1.5%的玄武岩纤维水泥土较普通水泥土的28 d抗拉强度提高约50%；高常辉等[6]通过试验表明，掺入适量玄武岩纤维能够使水泥土试样在破坏时保持较好的整体性，而过量的纤维会影响与水泥浆之间的相容性导致强度下降；崔乃夫等[7]选取5种不同长度、4种不同掺量的玄武岩纤维进行了劈裂抗拉试验，发现玄武岩纤维对水泥土的抗拉强度具有显著增强效果，并给出了试验范围内玄武岩纤维的最优掺入长度与最优掺量范围。

综合上述研究可以看出，玄武岩纤维水泥土优越的力学性能已经得到认可，然而，关于冻融循环下的玄武岩纤维水泥土的研究却鲜有报道。评价反复冻融循环作用对玄武岩纤维水泥土物理力学特性的影响，对季节性冻土区加固工程的研究具有重要意义。因此，在前人基础上，以玄武岩纤维水泥土为试验对象，探讨其在冻融循环条件下的物理力学特性影响，该研究可为铁路、公路等工程基底加固设计与建设提供一定的试验基础。

2 试验过程

2.1 试样制备

表1 试验土的基本物理性质指标

玄武岩纤维选自南京某建材公司，综合考虑前人研究成果，本试验选取长度9 mm的短切玄武岩，其单丝直径17 μm，密度2 650 kg/m3，抗拉强度约为4 500 MPa，弹性模量100 GPa；水泥采用42.5级普通硅酸盐水泥。

试样制备前，先将干土按最优含水率配制，密封后浸润24 h；取出湿土，掺入水泥和玄武岩纤维，并充分搅拌均匀。混合料搅拌均匀后，立即进行制样，制样时分5层击实，抗压强度试验的试样尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，劈裂抗拉强度试样为直径39.1 mm、高80 mm的圆柱体。试样成型后用保鲜袋密封并置于养护室内，养护28 d。

2.2 试验设计

试验配合比为：m干土︰m水泥︰m玄武岩纤维︰m水=1.000︰0.150︰0.015︰0.202。待养护结束后，立即进行室内冻融试验。参照季节性冻土区的温度变化，设定冷却温度为-15 ℃，融化温度为20 ℃。冻结时在低温试验箱中放置12 h，然后在恒温水浴箱中浸泡融化12 h，此为1个冻融循环周期。试验设计0、1、3、6、9、12共6个循环周期。为准确了解玄武岩纤维水泥土在冻融循环前后的物理特征变化，在每次冻融循环后测量试样的高度、质量以及超声波波速变化，最后对达到冻融循环周期的玄武岩纤维水泥土试样分别进行无侧限抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验。试验仪器采用电子万能试验机，应变控制加载速率为1 mm/min。

3 冻融循环对试样物理特性的影响

3.1 表观特征变化

不同冻融循环次数后玄武岩纤维水泥土试样的表观特征见图1，经历冻融循环后试样表面有轻微的剥蚀破损现象，然而6次和12次冻融循环后的试样表观差别不大，说明玄武岩纤维水泥土具有一定的抗冻融侵蚀性能。

3.2 高度变化

选取3个玄武岩纤维水泥土试样用来记录每次冻融循环后的高度变化，采用数显游标卡尺对其固定位置进行测量。3个试样的高度变化情况分别见图2。

图1 不同冻融循环次数的试样表观特征

图2 冻融循环下试样的高度变化

由图2可知，3个试样的高度变化规律基本一致，总体呈现先减小后增大的趋势。在冻融循环0～2次范围内，试样高度不断减小；3次冻融循环后，其高度有所回升，接着高度急剧下降，7次冻融循环后试样高度降至最小；8次以后试样高度再次回升。观察红色圆圈标记的冻融周期为0、1、3、6、9和12次的试样高度变化，可以看出6次冻融循环后的试样高度最小，较0次冻融循环的试样高度缩减了约0.02 mm；9次和12次后高度有所增大，但变化幅度不大。由上可知，冻融循环作用对玄武岩纤维水泥土高度的影响较小，最大仅为0.03 mm，原因在于离散的玄武岩纤维在水泥土内部呈空间网状分布，使得水泥土的结构更加稳定。

图3 冻融循环下试样的质量变化

3.3 质量变化

每次冻融循环结束后，对3个试样的质量损失率φn进行计算：

式中：mn为每次冻融循环结束后试样的质量，g；m0为冻融循环试验开始前试样的质量，g。

现阶段药品批发企业的上游来货尚未全部做到发票随货同行，对于上游发票未到的药品，批发企业暂时无法向公立医疗机构销售，有可能会影响部分药品适时到货，特别是临床短缺药品的使用。

试样质量损失率见图3。冻融2～3次的试样质量损失率最大，之后质量不断增大，至7～8次时试样质量损失率降至最小，9次时质量损失率再次增大。观察蓝色圆圈标记的冻融周期为0、1、3、6、9和12次的试样质量变化，可以看出质量损失率总体呈现先增大后减小的趋势，3次冻融循环后试样的质量损失最大，6和9次的试样质量变化不大，12次的试样质量稍微增大。

3.4 声波变化

采用非金属超声波检测仪（见图4）对每次冻融循环后的试样进行波速测试（见图5）。可以看出冻融循环条件下试样的波速变化具有一定的规律性，其中6次冻融循环对试样的波速影响较大，随后波速有所增大。绿色圆圈标记的冻融周期为0、1、3、6、9和12次的试样波速总体先减小后缓慢增大。

4 冻融循环对试样力学性能的影响

普通水泥土和玄武岩纤维水泥土的无侧限抗压强度随冻融循环次数变化的试验结果见图6。可以看出，掺加1.5%玄武岩纤维的水泥土在冻融循环过程中无侧限抗压强度高于普通水泥土，说明玄武岩纤维对水泥土的抗冻融特性起到了一定的增强效果。由图6（b）可知，随着冻融循环次数在0～12次范围内增加，试样的强度呈现先减小后缓慢增大的趋势。其中，6次冻融循环后的试样强度最低，为2.26 MPa，相比未经历冻融循环（0次冻融）的试样强度下降了29.4%。9次和12次冻融循环的试样强度出现缓慢增大，与文献[8]试验结果相似。

图4 非金属超声波检测仪

图5 冻融循环下试样的波速变化

普通水泥土和玄武岩纤维水泥土的劈裂抗拉强度随冻融循环次数变化的试验结果见图7，两曲线的趋势与抗压试样结果基本相同，且同样可知玄武岩纤维水泥土的抗冻融特性明显优于普通水泥土。由图7（b）可知，试样的抗拉强度随冻融循环次数的增加先减小后增大，且增长幅度较小。试验中，未经历冻融循环的试样表现出最大抗拉强度，平均为0.47 MPa；1次冻融循环后其强度下降达23.4%；6次后强度降至最小，平均0.31 MPa；9次和12次的试样强度有所回升，较6次分别提高了12.5%和16.1%。

图6 无侧限抗压强度与冻融循环次数的关系

结合玄武岩纤维水泥土在冻融循环条件下的物理特性变化情况，可以发现其力学特性与物理特性之间存在一定的相关性，其中波速与强度的相关性见图8。

具体而言，在试验设定的冻融循环周期范围内，随着冻融循环次数逐步增加，玄武岩纤维水泥土的高度、质量以及波速总体先减小后增大，6次冻融循环作为一个转折点，同时其强度变化也符合这一规律，冻融循环6次的试样强度最小。分析原因，随着冻融循环的反复进行，试样内部的水分反复冻结和融化，并不断迁移，使得少量土颗粒流失，故其高度和质量有所减小；再者，试样的内部结构遭到破坏，内部孔隙度增大，超声波传递过程中衰减严重，故其波速降低，同时强度也会下降。然而到6次冻融循环后，试样内部的土颗粒会重新排列，颗粒间的接触点增多[9-10]，内部结构不断优化，故其强度会再次出现缓慢增长。

图7 劈裂抗拉强度与冻融循环次数的关系

图8 强度与波速的相关性

5 结论

试验对冻融循环作用下玄武岩纤维水泥土的物理及力学特性进行研究，试验结果可为季节性冻土区的隧道工程设计与施工提供一定的试验基础。试验得出的主要结论如下：

（1）玄武岩纤维对水泥土抗冻融特性具有明显的增强效果，玄武岩纤维掺量为1.5%的水泥土的抗冻融特性明显优于普通水泥土，该配比的水泥土材料可为工程施工提供一定的参考。

（2）玄武岩纤维水泥土试样的无侧限抗压强度和劈裂抗拉强度随冻融次数的增加均呈现先减小后缓慢增大的趋势，6次冻融循环后的试样强度最低，分别为2.26 MPa和 0.31 MPa。

（3）在试验范围内，玄武岩纤维水泥土试样的高度、质量和波速随着冻融循环次数的增加总体呈先减小后增大的趋势。

（4）冻融循环作用影响着玄武岩纤维水泥土的物理和力学特性，且物理特性和力学特性之间存在一定的相关性。