玄武巖纖維水泥土的滲透性試驗(yàn)研究

楊建學(xué)

(1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福州 350108；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350108)

水泥土憑借其低滲透性的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在地下工程中的水泥土截滲墻方面的應(yīng)用。而目前，對(duì)于水泥土滲透性能的研究還較少，特別是考慮到摻入玄武巖纖維的情況下。

為研究玄武巖纖維對(duì)其他物質(zhì)的影響，許多學(xué)者做了研究。張莉等[1]研究了玄武巖纖維對(duì)粉煤灰混凝土的影響；吳濤[2]研究了其對(duì)乳化瀝青水泥的影響；劉雨姍等[3]研究了其對(duì)橡膠混凝土的影響；茍萬(wàn)等[4]研究了其在建筑材料領(lǐng)域的應(yīng)用；吳雙江等[5]研究了玄武巖纖維自密實(shí)混凝土；曹佳偉等[6]研究了玄武巖纖維透水瀝青混合料的性能；陳停偉等[7]對(duì)玄武巖纖維混凝土進(jìn)行研究。

對(duì)于水泥土滲透性，也有眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。陳四利等[8]對(duì)水泥復(fù)合土的滲透性能進(jìn)行了研究；楊靜等[9]對(duì)水泥土滲透性研究現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)；夏正兵[10]研究了水泥土滲透系數(shù)影響因素；楊俊杰等[11]對(duì)水泥土滲透性能室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了研究；王賢昆[12]研究了土體性質(zhì)差異對(duì)復(fù)合水泥土滲透性的影響；龐文臺(tái)等[13]對(duì)復(fù)合水泥土抗?jié)B性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究；許展峰[14]基于室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)水泥土滲透性進(jìn)行了研究；陳迪等[15]對(duì)在減水劑影響下水泥土力學(xué)與滲透特性進(jìn)行了研究；盧亮等[16]對(duì)兩種類(lèi)型水泥土抗?jié)B性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

在水泥土中摻入不同摻量的玄武巖纖維，以研究玄武巖纖維摻量、養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)水泥土滲透性能的影響，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出玄武巖纖維摻量、養(yǎng)護(hù)齡期與水泥土滲透系數(shù)的關(guān)系式，為實(shí)際工程提供參考。

1 玄武巖纖維水泥土滲透性試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的主要目的是研究玄武巖纖維摻量、齡期對(duì)水泥土滲透性能的影響，并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立玄武巖纖維摻量、齡期t與水泥土滲透系數(shù)k的關(guān)系式。

試驗(yàn)設(shè)置了2個(gè)變量：一個(gè)是玄武巖纖維摻量，4個(gè)摻量水平分別為0、0.5%、1.0%和1.5%；另一個(gè)是水泥土的養(yǎng)護(hù)齡期，4個(gè)水平分別為7、28、60、90 d。除了玄武巖纖維摻量和齡期兩個(gè)變量外，其他摻量都是常量。

玄武巖纖維水泥土滲透性試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 玄武巖纖維水泥土滲透性試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)過(guò)程主要可分為試樣的制作及養(yǎng)護(hù)、試驗(yàn)儀器的選擇、試樣的密封、試驗(yàn)步驟和試驗(yàn)結(jié)果處理5個(gè)方面。

試驗(yàn)材料：土樣、水泥、水和玄武巖纖維。

試驗(yàn)儀器：TJSS-25型水泥土滲透試驗(yàn)裝置。

試樣的密封：采用石蠟對(duì)玄武巖纖維水泥土試樣進(jìn)行密封。

試驗(yàn)步驟：

(1)在密封完的水泥土試樣和鋼模的下口先后放上濾紙和透水石，并使透水石與鋼模底部齊平，然后再將鋼模安裝到滲透裝置上。

(2)接通滲透裝置的電源。

(3)調(diào)整完水壓力后，關(guān)閉排水閥門(mén)且打開(kāi)壓力閥門(mén)，開(kāi)始試驗(yàn)。

(4)當(dāng)水泥土試樣表明開(kāi)始有水較均勻也滲出時(shí)，便可以開(kāi)始記錄某時(shí)間段內(nèi)的出水量Q，并同時(shí)要測(cè)量水溫。將水分吸出，讀取出水量Q。

(5)當(dāng)水泥土試樣表明的滲水量較小且穩(wěn)定時(shí)，便可結(jié)束試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)計(jì)算并修正后，可得到不同配合比的滲透系數(shù)k。其具體結(jié)果如表2所示。

表2 玄武巖纖維水泥土的滲透系數(shù)

3 玄武巖纖維摻量對(duì)水泥土滲透性能的影響

3.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，繪制了玄武巖纖維摻量與滲透系數(shù)k的關(guān)系曲線，如圖1所示。

由圖1可知，無(wú)論是哪個(gè)齡期的水泥土，其滲透系數(shù)均會(huì)隨著玄武巖纖維摻量的增加而減小。以玄武巖纖維摻量為0的A組為基準(zhǔn)組，通過(guò)計(jì)算得到其余各組相對(duì)于A組滲透系數(shù)的下降率，其結(jié)果如表3所示。具體分析如下。

圖1 水泥土滲透系數(shù)與玄武巖纖維摻量的關(guān)系曲線Fig.1 Relationshipcurve between cemented soilpermeability coefficient and basalt fiber content

表3 玄武巖纖維水泥土滲透系數(shù)的下降率

(1)隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥土的滲透系數(shù)降低，即水泥土的抗?jié)B性能提高了。

(2)摻加等量玄武巖纖維的情況下，隨著纖維含量的增大，水泥土滲透系數(shù)的下降率降低了，即水泥土滲透系數(shù)的下降幅度減緩。

(3)養(yǎng)護(hù)齡期為60 d和90 d時(shí)，其滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)也幾乎同7 d和28 d時(shí)一致，折線的斜率也都是由陡變緩。

以上結(jié)果分析證明了玄武巖纖維能夠提高水泥土的抗?jié)B性能。因此，綜合試驗(yàn)分析，玄武巖纖維的最佳摻量為1.5%。

3.2 滲透系數(shù)與玄武巖纖維摻量的關(guān)系式

由試驗(yàn)結(jié)果可以通過(guò)建立玄武巖纖維摻量與水泥土滲透系數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式，對(duì)玄武巖纖維摻量超過(guò)1.5%的情況下水泥土的滲透系數(shù)作出合理預(yù)測(cè)。

(1)7 d齡期時(shí)，如圖2所示，滲透系數(shù)隨玄武巖纖維摻量變化的二次多項(xiàng)式方程為

k7=1.68x2-5.352x+12.304，R2=0.963 8

(1)

(2)28 d齡期時(shí)，如圖3所示，滲透系數(shù)隨玄武巖纖維摻量變化的二次多項(xiàng)式方程為

k28=0.92x2-3.592x+9.344，R2=0.990 8

(2)

圖2 7 d滲透系數(shù)與纖維摻量的擬合曲線Fig.2 Fitting curve of 7 d permeability coefficient and fiber content

圖3 28 d滲透系數(shù)與纖維摻量的擬合曲線Fig.3 Fitting curve of 28 d permeability coefficient and fiber content

圖4 60 d滲透系數(shù)與纖維摻量的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of 60 d permeability coefficient and fiber content

(3)60 d齡期時(shí)，如圖4所示，滲透系數(shù)隨玄武巖纖維摻量變化的二次多項(xiàng)式方程為

k60=0.44x2-2.912x+7.729，R2=0.982 9

(3)

(4)90 d齡期時(shí)，如圖5所示，滲透系數(shù)隨玄武巖纖維摻量變化的二次多項(xiàng)式方程為

k90=1.00x2-3.801x+7.145，R2=0.985 0

(4)

圖5 90 d滲透系數(shù)與纖維摻量的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of 90 d permeability coefficient and fiber content

4 齡期對(duì)玄武巖纖維水泥土滲透性能的影響

4.1 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，繪制了水泥土滲透系數(shù)隨齡期變化的關(guān)系曲線，如圖6所示，水泥土的滲透系數(shù)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而降低。

圖6 水泥土滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curvebetween cement soil permeability coefficient and curing age

4.2 滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分別建立不同玄武巖纖維摻量下養(yǎng)護(hù)齡期與滲透系數(shù)的冪函數(shù)回歸模型。

(1)玄武巖纖維摻量為0時(shí)，如圖7所示，滲透系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期變化的曲線方程為

kA=18.925 8t-0.219 9，R2=0.989 8

(5)

(2)玄武巖纖維摻量為0.5%時(shí)，如圖8所示，滲透系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期變化的曲線方程為

kB=16.160 1t-0.230 7，R2=0.979 3

(6)

(3)玄武巖纖維摻量為1.0%時(shí)，如圖9所示，滲透系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期變化的曲線方程為

kC=13.557 9t-0.233 0，R2=0.946 9

(7)

圖7 試樣A滲透系數(shù)與齡期的擬合曲線Fig.7 Fitting curve of sample A permeability coefficient and curing age

圖8 試樣B滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期的擬合曲線Fig.8 Fitting curve of sample B permeability coefficient and curing age

(4)玄武巖纖維摻量為1.5%時(shí)，如圖10所示，滲透系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期變化的曲線方程為

kD=14.452 0t-0.288 0，R2=0.955 2

(8)

圖10 試樣D滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期的擬合曲線Fig.10 Fitting curve of sample D permeability coefficient and curing age

5 結(jié)論

對(duì)不同玄武巖纖維摻量和不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥土進(jìn)行了滲透性試驗(yàn)，研究玄武巖纖維摻量和齡期對(duì)水泥土滲透性能的影響，得出以下結(jié)論。

(1)玄武巖纖維的摻入對(duì)于水泥土的滲透系數(shù)有較顯著的降低作用，隨著玄武巖纖維摻量的增加，水泥土滲透系數(shù)逐漸降低，水泥土的抗?jié)B性能增強(qiáng)，但是其增強(qiáng)的幅度會(huì)隨著摻量的增加而有所減緩。因此在研究范圍內(nèi)，玄武巖纖維的最佳摻量為1.5%。

(2)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)，水泥土的滲透系數(shù)也會(huì)下降。在早齡期時(shí)，滲透系數(shù)下降的速率較快，而到了60 d齡期后，隨著水泥水化速率的降低，滲透系數(shù)的下降速率也隨之變慢。

(3)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的水泥土滲透系數(shù)和玄武巖纖維摻量進(jìn)行了回歸分析，得到了滲透系數(shù)與玄武巖纖維摻量的二次多項(xiàng)式擬合曲線。

(4)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別對(duì)不同玄武巖纖維摻量的水泥土滲透系數(shù)和養(yǎng)護(hù)齡期進(jìn)行了回歸分析，得到了滲透系數(shù)與養(yǎng)護(hù)齡期的冪函數(shù)擬合曲線。