纖維水泥土耐久性能研究現狀

徐亞利，周振南

（合肥學院 城市建設與交通學院，安徽 合肥 230601）

水泥土因具備取材方便、施工快、周期短等優點被廣泛應用于地基加固、邊坡穩定等工程領域，但抗拉強度低，韌性差等缺點使其在應用中存在安全隱患。同時，自然環境下，水泥土受干濕交替變化、溫度變化以及鹽溶液侵蝕等劣化因子的影響較大，導致水泥土結構耐久性能降低，因此改善水泥土的性能至關重要。纖維可以抑制水泥土基體內裂紋的產生和發展，提高水泥土的抗滲性能和抗裂能力，并改善其抗拉強度和彎曲性能。

為探究纖維對水泥土耐久性能的改善效果，近年來，國內外學者通過室內試驗對纖維水泥土開展研究，對纖維水泥土抗干濕性能、抗凍融性能、抗硫酸鹽侵蝕和抗滲透性能等耐久性進行評價分析，取得了大量研究成果，為纖維水泥土耐久性的研究發展提供參考。

1 纖維水泥土的抗干濕性能

在實際項目中，氣候周期性變化導致水泥土受到干濕循環的影響產生干縮濕脹變形，土體內部結構松散，力學性能逐漸下降。因此，保證干濕條件下水泥土性能良好具有重要意義。張潔［1］將聚丙烯纖維摻入水泥土中，通過干濕循環試驗，研究不同纖維摻量和長度對水泥土抗壓強度的作用效果。結果表明，聚丙烯纖維的加入顯著改善了水泥土的抗干濕性能，隨著纖維摻量的增加，干濕循環后水泥土試樣的質量損失下降。韓春鵬等［2］通過圖像處理和裂隙特征分析探究纖維對膨脹土的加筋效果。研究結果顯示，纖維水泥土在干濕循環后的裂隙面積和長度有所增長，裂隙寬度減少，且裂隙在摻入纖維后由貫穿裂隙轉變為“蜘蛛網”狀細小裂隙，表明纖維對膨脹土具有干縮抗裂作用。為了提高膨脹土的抗剪強度，降低脹縮性，陳翔等［3］進行了大量直剪試驗。研究結果表明，聚丙烯纖維膨脹土的內摩擦角和黏聚力與干濕循環次數之間并非線性關系；當纖維摻量為0.3%時，6次干濕循環后，纖維膨脹土的內摩擦角和黏聚力下降幅度最小，分別為3.4°和47 kPa，此纖維摻量對膨脹土在干濕條件下的抗剪強度衰減的抑制效果最好。李永彬等［4-5］從棉花纖維水泥土的干濕循環試驗中發現，一定量的纖維可以提高水泥土的抗壓強度，養護7 d與養護28 d的水泥土在干濕循環前期的強度變化幅度基本相同；7 d、28 d齡期下水泥土強度達到峰值時的干濕循環次數分別為10、5，且在干濕循環30次后，纖維仍具有較高的加筋效果。陳猛等［6-7］對比分析土體抗壓強度和間接抗拉強度在干濕循環作用下受水泥摻量、纖維摻量的影響。室內試驗結果表明，當玄武巖纖維摻量為0.2%時，水泥摻量對纖維水泥土間接抗拉強度的提高比抗壓強度明顯；當水泥摻量為12%時，水泥土強度達到峰值時的最佳纖維摻量為0.3%；NaCl溶液浸泡養護的試塊強度整體低于標準養護下的試塊強度，表明鹽溶液對纖維有腐蝕作用，影響纖維對土顆粒的加筋效果。徐麗娜等［8］研究了鹽溶液侵蝕環境和干濕循環共同作用下，摻加玄武巖纖維對水泥土抗壓強度和應力-應變關系的影響，發現當水泥土在干濕循環和硫酸鹽侵蝕共同作用下，纖維的摻入一定程度上改善了水泥抗裂性能，增強了水泥土的抗干濕循環能力和韌性。

由上述試驗研究結果可知，水泥土外摻劑一般為聚丙烯纖維、棉花秸稈纖維和玄武巖纖維。干濕交替變化會導致土體產生干縮濕脹變形，孔隙增加，裂縫出現，最終整體遭到破壞。纖維的摻入可延緩裂縫的擴展并抵抗內部收縮變形。隨著干濕循環的進行，土體內部結構重組達到新的平衡后逐漸趨于穩定。目前，纖維對水泥土的抗干濕性能的影響研究主要以聚丙烯纖維、棉花秸稈纖維和玄武巖纖維為主，其他類型纖維對水泥土的影響和加筋機理還需進一步探討。

2 纖維水泥土的抗凍融性能

在我國北方寒冷地區，隨著氣溫的冷熱交替變化，水泥土反復凍融，導致土體內部產生凍脹破壞，強度衰減，對工程的長期穩定安全產生不利影響。因此需要提高水泥土在凍融循環環境下的強度和抗侵蝕能力。

Kou等［9］通過抗壓強度、峰后應力比、彈性模量和質量損失率來衡量水泥土加入纖維后的抗凍融性能，并利用經驗公式評價凍融循環次數和纖維含量對抗壓強度的影響。研究發現，當纖維摻量為1.75%時，加筋水泥土具有更好的延性和殘余強度；微觀研究表明，纖維和土顆粒形成三維網格，抑制了水泥土的變形，提高了其抗凍融性能。Ding等［10］測定了1、5、10次凍融循環后聚丙烯纖維水泥土的抗壓強度和試件尺寸變化。結果表明，水泥摻量為3%、6%、9%和12%的試件的無側限抗壓強度（UCS）分別降低了69%、65%、56%和49%；纖維摻量為0.05%、0.1%、0.2%和0.3%的6%水泥增強土的抗壓強度分別降低了45%、55%、42%和64%；試件直徑在第1次和第5次凍融循環中急劇增加，在第10次凍融循環時變化不大，聚丙烯纖維顯著提高了水泥土的抗凍融性能。趙安平等［11］在水泥土中添加1%的聚丙烯纖維，纖維水泥土達到屈服破壞時的凍融循環次數高于普通水泥土，凍融壽命有所延長，且凍融作用下水泥土強度損失有所降低，添加聚丙烯纖維的水泥土抗凍性能更加優越。郭少龍等［12］通過試驗發現，凍融水泥土的強度受養護齡期、水灰比及纖維摻量的影響較大，加筋土的抗壓凍融強度損失率和劈裂抗拉凍融強度損失率均低于未摻加纖維的水泥土；纖維摻量和水泥摻量越高，齡期越長，水灰比越小，凍融強度損失率越小，抵抗凍融循環破壞的能力越強。Gao等［13］利用無側限抗壓強度試驗（UCT）、霍普金森壓桿試驗（SHPB）和超聲脈沖速度試驗得出兩種水泥土試樣在凍融條件下性能的變化。1次凍融循環后，玄武巖纖維水泥土和素水泥土樣品的波速分別下降了3.84%和1.91%；3次凍融循環后，試樣波速的下降趨勢放緩；在靜荷載和沖擊荷載作用下，抗壓強度隨凍融循環次數的增加而降低。巨澍朋等［14-15］通過凍融循環試驗得出，由于玄武巖纖維具有較強的韌性，摻加該纖維對水泥土強度與抗凍融性能的影響作用顯著；纖維摻量0.5%時水泥土抗壓強度達到峰值，纖維摻量1.5%時水泥土抗剪強度達到峰值。沈婷［16］采用快凍法對比研究了摻加稻秸稈纖維和未加筋的水泥固化重金屬污染土的抗凍性能。結果表明，秸稈纖維加筋土的抗壓強度明顯高于未加筋土，摻入秸稈纖維可提高水泥土的抗凍性能，且纖維摻量為0.1%時，效果最佳。吳發紅等［17］通過凍融循環試驗研究發現，齡期7 d的棉花秸稈纖維水泥土試塊凍融循環15次達到屈服破壞，強度下降50.03%；齡期28 d的試塊經20次凍融循環后強度下降48.82%；秸稈纖維水泥土長期處于強堿環境，纖維表面發生降解導致水泥土強度下降。夏香港等［18］研究玄武巖纖維和玻璃纖維混摻對粉煤灰水泥土抗凍性能的影響。試驗結果顯示，當玻璃纖維、玄武巖纖維和粉煤灰摻量為0.5%、1%和6%時，隨著凍融循環的進行，纖維水泥土和普通水泥土的表面劣化程度均加重，且纖維水泥土的劣化程度和質量損失均小于普通水泥土。

適當摻加纖維可以有效緩解凍融循環后水泥土的劣化，減少土體因凍脹產生的孔隙和裂隙，從而提升水泥土的抗凍融性能。但纖維摻量過大時，土體中會出現團簇現象，纖維分布不均勻導致水泥土內部形成凍脹薄弱面，造成土體抗凍融性能下降。因此，纖維種類和摻量的選擇對纖維水泥土抗凍融損傷性能的研究至關重要。

3 纖維水泥土的抗硫酸鹽侵蝕性能

纖維水泥土因其優越的性能被廣泛應用于地基處理、邊坡穩定等實際工程，這些工程周圍的地質環境多為具有侵蝕性的地下水和海水，其中的SO42-會使土體受到侵蝕，導致水泥土內部裂縫增加、強度下降。因此，探究硫酸鹽侵蝕環境下水泥土強度劣化規律是非常有必要的。

針對水泥土在侵蝕環境下的強度變化，劉鑫等［19］通過直接剪切試驗發現，與自然養護試樣相比，HCl 溶液、 NaCl溶液、Na2SO4溶液、無污染水及 NaOH 溶液侵蝕后試樣的剪切強度均下降，且影響強度的主要因素為Cl-和SO42-。同時Na2SO4溶液浸泡的試樣短期內被破壞，說明SO42-的侵蝕效果更加顯著。陳四利等［20］分析了不同腐蝕環境對水泥土動應力的影響。研究結果表明，水泥土動強度隨Na2SO4溶液濃度先增大后減小，當濃度達到0.03 mol/L時極限動應力最大，且此濃度下動應力與腐蝕時間、圍壓和水泥摻量呈正比關系。Pham等［21］對水泥土柱施加壓縮荷載，采用海水連續浸泡的方法對水泥土柱進行硫酸鹽侵蝕，通過無側限抗壓強度和針入度試驗研究發現，小尺寸水泥土柱樣品的強度劣化更加顯著，硫酸鹽濃度較高時樣品劣化速度更快，不利于水泥土柱的長久使用。

為了研究纖維對水泥土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，陸元鵬等［22］通過試驗發現摻入玻璃纖維和少量粉煤灰有利于增強水泥土的抗硫酸鹽侵蝕能力，水泥土試件強度隨Na2SO4溶液濃度提高呈現先增后降的趨勢，硫酸根濃度為0.01 mol/L時，玻璃纖維復摻粉煤灰水泥土抗硫酸鹽侵蝕效果最好?？紫＜t［23］進一步研究表明，摻入玻璃纖維可以減少水泥土微裂縫的產生，對提高試樣抗鹽溶液侵蝕具有重要作用，最佳摻量（纖維摻量0.2%、粉煤灰摻量6%、水泥摻量20%）下，3種濃度Na2SO4溶液侵蝕后纖維水泥土強度損失均最小。Wang等［24］對橡膠水泥土進行鹽溶液侵蝕試驗。結果表明，鹽溶液侵蝕后的橡膠水泥土的抗壓強度和質量均優于鹽溶液侵蝕后的普通水泥土，橡膠水泥土試塊的侵蝕損傷比普通水泥土試塊的少，橡膠水泥土具有較好的耐腐蝕性；相同侵蝕齡期下，SO42-對橡膠水泥土的侵蝕作用大于Cl-。張經雙等［25］在外摻劑最優配比下進行混摻纖維水泥土的硫酸鹽侵蝕試驗。研究發現，纖維的摻入減弱了侵蝕后水泥土表面的劣化程度；同時，纖維的黏結作用可以有效抑制侵蝕作用下產生的膨脹力，提高水泥土的抗變形能力。

從上述研究可以發現，鹽溶液侵蝕試驗存在最佳溶液濃度和侵蝕時間，且硫酸鹽對水泥土的侵蝕作用更為顯著，其中的SO42-可與水泥水化產物Ca（OH）2反應生成鈣礬石和石膏等，使水泥土體積膨脹產生膨脹應力，當膨脹應力超過水泥土的膠結力時，其內部結構將會被破壞從而形成裂縫，硫酸鹽對水泥土的侵蝕作用會對水泥土工程使用壽命產生負面影響。

4 纖維水泥土的抗滲性能

水泥土抗滲性能是指基體抵抗液體介質滲透作用的能力，也是影響水泥土工程耐久性的主要因素。在水泥土中摻入適量的纖維，能夠抑制微裂縫的產生，減少滲流通道，從而提高纖維水泥土的抗滲性能。

夏正兵［26］研究發現，水泥土滲透系數受滲透壓強、滲濾液pH、孔隙比及水泥含量的影響較大。滲透壓強＜150 kPa時，滲透系數隨滲透壓強的增大而增大，滲透壓強≥150 kPa時，滲透系數隨滲透壓強的增大變化較??；滲透系數隨滲濾液pH增大而減小，說明堿性環境下水泥土的抗滲透性能更好；孔隙比越小、水泥含量越大越有助于改善水泥土的抗滲性能。崔靖俞等［27］發現并非水泥摻量越多越有助于改善水泥土的抗滲透能力；固化劑水粉比為6∶4時養護28 d的試塊的滲透系數最??；粉煤灰水泥土固化時間越長，其抗滲透能力越強。王榮富［28］通過滲透試驗開展聚丙烯纖維及粉煤灰協同增強水泥土抗滲性能的研究。研究發現，摻入纖維可增大水泥土抗壓強度的同時，也會提高水泥土的滲透系數，降低其抗滲透能力；再加入粉煤灰后，可進一步提高試塊的抗壓強度并有效增強其抗滲透性能。謝家文［29］研究了3種土樣加入外摻劑后的抗滲效果。結果表明，石膏和GS土體硬化劑改善淤泥質黏土滲透性能的效果優于S復合添加劑和沸石粉；而對于粉土和粉砂土，石膏對提高其抗滲性具有良好的效果。劉妍釗［30］對橡膠水泥土進行滲透試驗。研究發現，橡膠粉能有效減小水泥土的滲透系數，水泥土滲透系數與水泥土的含水量、水泥摻量和齡期具有線性關系，且橡膠水泥土滲透性能最優時的橡膠粉摻量為20%。陳峰等［31］通過水壓力法滲透試驗和抗氯離子滲透性試驗研究了玄武巖纖維摻量對對水泥土抗滲性能的影響。結果表明，兩種滲透性試驗結果基本一致，摻入纖維后水泥土的抗滲性能明顯提高。楊建學［32］的試驗進一步說明了玄武巖纖維摻量和養護時間對水泥土滲透系數的影響，在其研究范圍內，纖維最佳摻量為1.5%，當纖維摻量大于1%且齡期超過60 d后，滲透系數的下降幅度逐漸減緩。

通過上述研究發現，摻入纖維對水泥土的流動性有所影響，適量的纖維可以提高水泥土的密實度，降低孔隙率，改善其抗滲性能；但如果纖維摻量過大，則會使得水泥土孔隙率增大，土體內部滲流通道增加，滲透系數明顯增大，不利于水泥土的穩定。因此，針對水泥土滲透性能的纖維最佳摻量還需研究探討。

5 結語與展望

在自然和人為作用下，水泥土的耐久性受到各種環境不利因素的影響。國內外學者通過室內試驗和理論分析對纖維改善水泥土耐久性研究進行了驗證和探討。研究結果表明，在耐久性能方面，摻入纖維后，水泥土具有較小的微裂縫、裂縫寬度及孔隙率，降低了水泥土試件在干濕循環、凍融循環和抗硫酸鹽侵蝕試驗過程中的強度損失，進一步提高了水泥土的耐久性能。但目前的試驗研究多為單纖維在單一因素作用下對水泥土的改善，而實際工程中水泥土環境較復雜，需要對多因素耦合作用下纖維水泥土的耐久性進行更深層次的研究，如硫酸鹽侵蝕-干濕性能、硫酸鹽侵蝕-凍融性能。其次，選擇適當的纖維種類和摻量，研究不同侵蝕環境下混摻對纖維水泥土耐久性的改善效果具有實際的工程意義。并結合宏觀試驗結論和微觀結構分析深層次研究纖維水泥土增強耐久性的作用機理，完善纖維水泥土耐久性能的理論和試驗研究。