徐亞利，周振南

（合肥學(xué)院 城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽 合肥 230601）

水泥土因具備取材方便、施工快、周期短等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于地基加固、邊坡穩(wěn)定等工程領(lǐng)域，但抗拉強度低，韌性差等缺點使其在應(yīng)用中存在安全隱患。同時，自然環(huán)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(dǎo)致水泥土結(jié)構(gòu)耐久性能降低，因此改善水泥土的性能至關(guān)重要。纖維可以抑制水泥土基體內(nèi)裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，提高水泥土的抗?jié)B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(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)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?jié)B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(fā)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(dǎo)致水泥土受到干濕循環(huán)的影響產(chǎn)生干縮濕脹變形，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)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(huán)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(jié)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(huán)后水泥土試樣的質(zhì)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(jié)果顯示，纖維水泥土在干濕循環(huán)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(zhuǎn)變?yōu)椤爸┲刖W(wǎng)”狀細(xì)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(jié)果表明，聚丙烯纖維膨脹土的內(nèi)摩擦角和黏聚力與干濕循環(huán)次數(shù)之間并非線性關(guān)系；當(dāng)纖維摻量為0.3%時，6次干濕循環(huán)后，纖維膨脹土的內(nèi)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(huán)試驗中發(fā)現(xiàn)，一定量的纖維可以提高水泥土的抗壓強度，養(yǎng)護7 d與養(yǎng)護28 d的水泥土在干濕循環(huán)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(huán)次數(shù)分別為10、5，且在干濕循環(huán)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(huán)作用下受水泥摻量、纖維摻量的影響。室內(nèi)試驗結(jié)果表明，當(dāng)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(dāng)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(yǎng)護的試塊強度整體低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)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(huán)境和干濕循環(huán)共同作用下，摻加玄武巖纖維對水泥土抗壓強度和應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥土在干濕循環(huán)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(huán)能力和韌性。

由上述試驗研究結(jié)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(dǎo)致土體產(chǎn)生干縮濕脹變形，孔隙增加，裂縫出現(xiàn)，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(nèi)部收縮變形。隨著干濕循環(huán)的進行，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組達到新的平衡后逐漸趨于穩(wěn)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(qū)，隨著氣溫的冷熱交替變化，水泥土反復(fù)凍融，導(dǎo)致土體內(nèi)部產(chǎn)生凍脹破壞，強度衰減，對工程的長期穩(wěn)定安全產(chǎn)生不利影響。因此需要提高水泥土在凍融循環(huán)環(huán)境下的強度和抗侵蝕能力。

Kou等［9］通過抗壓強度、峰后應(yīng)力比、彈性模量和質(zhì)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(jīng)驗公式評價凍融循環(huán)次數(shù)和纖維含量對抗壓強度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(wǎng)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(huán)后聚丙烯纖維水泥土的抗壓強度和試件尺寸變化。結(jié)果表明，水泥摻量為3%、6%、9%和12%的試件的無側(cè)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(huán)中急劇增加，在第10次凍融循環(huán)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(huán)次數(shù)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(yōu)越。郭少龍等［12］通過試驗發(fā)現(xiàn)，凍融水泥土的強度受養(yǎng)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(huán)破壞的能力越強。Gao等［13］利用無側(cè)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(huán)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(huán)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(huán)次數(shù)的增加而降低。巨澍朋等［14-15］通過凍融循環(huán)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(jié)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(fā)紅等［17］通過凍融循環(huán)試驗研究發(fā)現(xiàn)，齡期7 d的棉花秸稈纖維水泥土試塊凍融循環(huán)15次達到屈服破壞，強度下降50.03%；齡期28 d的試塊經(jīng)20次凍融循環(huán)后強度下降48.82%；秸稈纖維水泥土長期處于強堿環(huán)境，纖維表面發(fā)生降解導(dǎo)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(jié)果顯示，當(dāng)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(huán)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(zhì)量損失均小于普通水泥土。

適當(dāng)摻加纖維可以有效緩解凍融循環(huán)后水泥土的劣化，減少土體因凍脹產(chǎn)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(xiàn)團簇現(xiàn)象，纖維分布不均勻?qū)е滤嗤羶?nèi)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(guān)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(yōu)越的性能被廣泛應(yīng)用于地基處理、邊坡穩(wěn)定等實際工程，這些工程周圍的地質(zhì)環(huán)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(dǎo)致水泥土內(nèi)部裂縫增加、強度下降。因此，探究硫酸鹽侵蝕環(huán)境下水泥土強度劣化規(guī)律是非常有必要的。

針對水泥土在侵蝕環(huán)境下的強度變化，劉鑫等［19］通過直接剪切試驗發(fā)現(xiàn)，與自然養(yǎng)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(nèi)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(huán)境對水泥土動應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明，水泥土動強度隨Na2SO4溶液濃度先增大后減小，當(dāng)濃度達到0.03 mol/L時極限動應(yīng)力最大，且此濃度下動應(yīng)力與腐蝕時間、圍壓和水泥摻量呈正比關(guān)系。Pham等［21］對水泥土柱施加壓縮荷載，采用海水連續(xù)浸泡的方法對水泥土柱進行硫酸鹽侵蝕，通過無側(cè)限抗壓強度和針入度試驗研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)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(xiàn)先增后降的趨勢，硫酸根濃度為0.01 mol/L時，玻璃纖維復(fù)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(chǎn)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(jié)果表明，鹽溶液侵蝕后的橡膠水泥土的抗壓強度和質(zhì)量均優(yōu)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(jīng)雙等［25］在外摻劑最優(yōu)配比下進行混摻纖維水泥土的硫酸鹽侵蝕試驗。研究發(fā)現(xiàn)，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(jié)作用可以有效抑制侵蝕作用下產(chǎn)生的膨脹力，提高水泥土的抗變形能力。

從上述研究可以發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)物Ca（OH）2反應(yīng)生成鈣礬石和石膏等，使水泥土體積膨脹產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，當(dāng)膨脹應(yīng)力超過水泥土的膠結(jié)力時，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(chǎn)生負(fù)面影響。

4 纖維水泥土的抗?jié)B性能

水泥土抗?jié)B性能是指基體抵抗液體介質(zhì)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(chǎn)生，減少滲流通道，從而提高纖維水泥土的抗?jié)B性能。

夏正兵［26］研究發(fā)現(xiàn)，水泥土滲透系數(shù)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(shù)隨滲透壓強的增大而增大，滲透壓強≥150 kPa時，滲透系數(shù)隨滲透壓強的增大變化較??；滲透系數(shù)隨滲濾液pH增大而減小，說明堿性環(huán)境下水泥土的抗?jié)B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?jié)B性能。崔靖俞等［27］發(fā)現(xiàn)并非水泥摻量越多越有助于改善水泥土的抗?jié)B透能力；固化劑水粉比為6∶4時養(yǎng)護28 d的試塊的滲透系數(shù)最?。环勖夯宜嗤凉袒瘯r間越長，其抗?jié)B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(xié)同增強水泥土抗?jié)B性能的研究。研究發(fā)現(xiàn)，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(shù)，降低其抗?jié)B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?jié)B透性能。謝家文［29］研究了3種土樣加入外摻劑后的抗?jié)B效果。結(jié)果表明，石膏和GS土體硬化劑改善淤泥質(zhì)黏土滲透性能的效果優(yōu)于S復(fù)合添加劑和沸石粉；而對于粉土和粉砂土，石膏對提高其抗?jié)B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(fā)現(xiàn)，橡膠粉能有效減小水泥土的滲透系數(shù)，水泥土滲透系數(shù)與水泥土的含水量、水泥摻量和齡期具有線性關(guān)系，且橡膠水泥土滲透性能最優(yōu)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?jié)B性能的影響。結(jié)果表明，兩種滲透性試驗結(jié)果基本一致，摻入纖維后水泥土的抗?jié)B性能明顯提高。楊建學(xué)［32］的試驗進一步說明了玄武巖纖維摻量和養(yǎng)護時間對水泥土滲透系數(shù)的影響，在其研究范圍內(nèi)，纖維最佳摻量為1.5%，當(dāng)纖維摻量大于1%且齡期超過60 d后，滲透系數(shù)的下降幅度逐漸減緩。

通過上述研究發(fā)現(xiàn)，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?jié)B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(nèi)部滲流通道增加，滲透系數(shù)明顯增大，不利于水泥土的穩(wěn)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(jié)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(huán)境不利因素的影響。國內(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)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(jié)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(huán)、凍融循環(huán)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(huán)境較復(fù)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(dāng)?shù)睦w維種類和摻量，研究不同侵蝕環(huán)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(jié)合宏觀試驗結(jié)論和微觀結(jié)構(gòu)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。