纖維水泥土耐久性能研究現(xiàn)狀

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(diǎn)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(qiáng)度低，韌性差等缺點(diǎn)使其在應(yīng)用中存在安全隱患。同時(shí)，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(qiáng)度和彎曲性能。

為探究纖維對(duì)水泥土耐久性能的改善效果，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)纖維水泥土開展研究，對(duì)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(jìn)行評(píng)價(jià)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(shí)際項(xiàng)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(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)，研究不同纖維摻量和長(zhǎng)度對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)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(guò)圖像處理和裂隙特征分析探究纖維對(duì)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(zhǎng)度有所增長(zhǎng)，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(duì)膨脹土具有干縮抗裂作用。為了提高膨脹土的抗剪強(qiáng)度，降低脹縮性，陳翔等［3］進(jìn)行了大量直剪試驗(yàn)。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(shí)，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(duì)膨脹土在干濕條件下的抗剪強(qiáng)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)，一定量的纖維可以提高水泥土的抗壓強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)7 d與養(yǎng)護(hù)28 d的水泥土在干濕循環(huán)前期的強(qiáng)度變化幅度基本相同；7 d、28 d齡期下水泥土強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)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(duì)比分析土體抗壓強(qiáng)度和間接抗拉強(qiáng)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(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)玄武巖纖維摻量為0.2%時(shí)，水泥摻量對(duì)纖維水泥土間接抗拉強(qiáng)度的提高比抗壓強(qiáng)度明顯；當(dāng)水泥摻量為12%時(shí)，水泥土強(qiáng)度達(dá)到峰值時(shí)的最佳纖維摻量為0.3%；NaCl溶液浸泡養(yǎng)護(hù)的試塊強(qiáng)度整體低于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的試塊強(qiáng)度，表明鹽溶液對(duì)纖維有腐蝕作用，影響纖維對(duì)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(duì)水泥土抗壓強(qiáng)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(qiáng)了水泥土的抗干濕循環(huán)能力和韌性。

由上述試驗(yàn)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(huì)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(kuò)展并抵抗內(nèi)部收縮變形。隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組達(dá)到新的平衡后逐漸趨于穩(wěn)定。目前，纖維對(duì)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(duì)水泥土的影響和加筋機(jī)理還需進(jìn)一步探討。

2 纖維水泥土的抗凍融性能

在我國(guó)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(qiáng)度衰減，對(duì)工程的長(zhǎng)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(qiáng)度和抗侵蝕能力。

Kou等［9］通過(guò)抗壓強(qiáng)度、峰后應(yīng)力比、彈性模量和質(zhì)量損失率來(lái)衡量水泥土加入纖維后的抗凍融性能，并利用經(jīng)驗(yàn)公式評(píng)價(jià)凍融循環(huán)次數(shù)和纖維含量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)纖維摻量為1.75%時(shí)，加筋水泥土具有更好的延性和殘余強(qiáng)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(cè)定了1、5、10次凍融循環(huán)后聚丙烯纖維水泥土的抗壓強(qiáng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)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(qiáng)土的抗壓強(qiáng)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(shí)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(dá)到屈服破壞時(shí)的凍融循環(huán)次數(shù)高于普通水泥土，凍融壽命有所延長(zhǎng)，且凍融作用下水泥土強(qiáng)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(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，凍融水泥土的強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)齡期、水灰比及纖維摻量的影響較大，加筋土的抗壓凍融強(qiáng)度損失率和劈裂抗拉凍融強(qiáng)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(zhǎng)，水灰比越小，凍融強(qiáng)度損失率越小，抵抗凍融循環(huán)破壞的能力越強(qiáng)。Gao等［13］利用無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)（UCT）、霍普金森壓桿試驗(yàn)（SHPB）和超聲脈沖速度試驗(yàn)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(shì)放緩；在靜荷載和沖擊荷載作用下，抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。巨澍朋等［14-15］通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)得出，由于玄武巖纖維具有較強(qiáng)的韌性，摻加該纖維對(duì)水泥土強(qiáng)度與抗凍融性能的影響作用顯著；纖維摻量0.5%時(shí)水泥土抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，纖維摻量1.5%時(shí)水泥土抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值。沈婷［16］采用快凍法對(duì)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(qiáng)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(shí)，效果最佳。吳發(fā)紅等［17］通過(guò)凍融循環(huán)試驗(yàn)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(dá)到屈服破壞，強(qiáng)度下降50.03%；齡期28 d的試塊經(jīng)20次凍融循環(huán)后強(qiáng)度下降48.82%；秸稈纖維水泥土長(zhǎng)期處于強(qiáng)堿環(huán)境，纖維表面發(fā)生降解導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度下降。夏香港等［18］研究玄武巖纖維和玻璃纖維混摻對(duì)粉煤灰水泥土抗凍性能的影響。試驗(yàn)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(shí)，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)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(guò)大時(shí)，土體中會(huì)出現(xiàn)團(tuán)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(duì)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(shí)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(huì)使土體受到侵蝕，導(dǎo)致水泥土內(nèi)部裂縫增加、強(qiáng)度下降。因此，探究硫酸鹽侵蝕環(huán)境下水泥土強(qiáng)度劣化規(guī)律是非常有必要的。

針對(duì)水泥土在侵蝕環(huán)境下的強(qiáng)度變化，劉鑫等［19］通過(guò)直接剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與自然養(yǎng)護(hù)試樣相比，HCl 溶液、 NaCl溶液、Na2SO4溶液、無(wú)污染水及 NaOH 溶液侵蝕后試樣的剪切強(qiáng)度均下降，且影響強(qiáng)度的主要因素為Cl-和SO42-。同時(shí)Na2SO4溶液浸泡的試樣短期內(nèi)被破壞，說(shuō)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(duì)水泥土動(dòng)應(yīng)力的影響。研究結(jié)果表明，水泥土動(dòng)強(qiáng)度隨Na2SO4溶液濃度先增大后減小，當(dāng)濃度達(dá)到0.03 mol/L時(shí)極限動(dòng)應(yīng)力最大，且此濃度下動(dòng)應(yīng)力與腐蝕時(shí)間、圍壓和水泥摻量呈正比關(guān)系。Pham等［21］對(duì)水泥土柱施加壓縮荷載，采用海水連續(xù)浸泡的方法對(duì)水泥土柱進(jìn)行硫酸鹽侵蝕，通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和針入度試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，小尺寸水泥土柱樣品的強(qiáng)度劣化更加顯著，硫酸鹽濃度較高時(shí)樣品劣化速度更快，不利于水泥土柱的長(zhǎng)久使用。

為了研究纖維對(duì)水泥土抗硫酸鹽侵蝕性能的影響，陸元鵬等［22］通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)摻入玻璃纖維和少量粉煤灰有利于增強(qiáng)水泥土的抗硫酸鹽侵蝕能力，水泥土試件強(qiáng)度隨Na2SO4溶液濃度提高呈現(xiàn)先增后降的趨勢(shì)，硫酸根濃度為0.01 mol/L時(shí)，玻璃纖維復(fù)摻粉煤灰水泥土抗硫酸鹽侵蝕效果最好。孔希紅［23］進(jìn)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(duì)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(qiáng)度損失均最小。Wang等［24］對(duì)橡膠水泥土進(jìn)行鹽溶液侵蝕試驗(yàn)。結(jié)果表明，鹽溶液侵蝕后的橡膠水泥土的抗壓強(qiáng)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(duì)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(jìn)行混摻纖維水泥土的硫酸鹽侵蝕試驗(yàn)。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(shí)，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(yàn)存在最佳溶液濃度和侵蝕時(shí)間，且硫酸鹽對(duì)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(guò)水泥土的膠結(jié)力時(shí)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)將會(huì)被破壞從而形成裂縫，硫酸鹽對(duì)水泥土的侵蝕作用會(huì)對(duì)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(qiáng)、滲濾液pH、孔隙比及水泥含量的影響較大。滲透壓強(qiáng)＜150 kPa時(shí)，滲透系數(shù)隨滲透壓強(qiáng)的增大而增大，滲透壓強(qiáng)≥150 kPa時(shí)，滲透系數(shù)隨滲透壓強(qiáng)的增大變化較?。粷B透系數(shù)隨滲濾液pH增大而減小，說(shuō)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(shí)養(yǎng)護(hù)28 d的試塊的滲透系數(shù)最?。环勖夯宜嗤凉袒瘯r(shí)間越長(zhǎng)，其抗?jié)B透能力越強(qiáng)。王榮富［28］通過(guò)滲透試驗(yàn)開展聚丙烯纖維及粉煤灰協(xié)同增強(qiáng)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(qiáng)度的同時(shí)，也會(huì)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(jìn)一步提高試塊的抗壓強(qiáng)度并有效增強(qiáng)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(duì)于粉土和粉砂土，石膏對(duì)提高其抗?jié)B性具有良好的效果。劉妍釗［30］對(duì)橡膠水泥土進(jìn)行滲透試驗(yàn)。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(shí)的橡膠粉摻量為20%。陳峰等［31］通過(guò)水壓力法滲透試驗(yàn)和抗氯離子滲透性試驗(yàn)研究了玄武巖纖維摻量對(duì)對(duì)水泥土抗?jié)B性能的影響。結(jié)果表明，兩種滲透性試驗(yàn)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(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明了玄武巖纖維摻量和養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)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(guò)60 d后，滲透系數(shù)的下降幅度逐漸減緩。

通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)，摻入纖維對(duì)水泥土的流動(dòng)性有所影響，適量的纖維可以提高水泥土的密實(shí)度，降低孔隙率，改善其抗?jié)B性能；但如果纖維摻量過(guò)大，則會(huì)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(duì)水泥土滲透性能的纖維最佳摻量還需研究探討。

5 結(jié)語(yǔ)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(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析對(duì)纖維改善水泥土耐久性研究進(jìn)行了驗(yàn)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(yàn)過(guò)程中的強(qiáng)度損失，進(jìn)一步提高了水泥土的耐久性能。但目前的試驗(yàn)研究多為單纖維在單一因素作用下對(duì)水泥土的改善，而實(shí)際工程中水泥土環(huán)境較復(fù)雜，需要對(duì)多因素耦合作用下纖維水泥土的耐久性進(jìn)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(duì)纖維水泥土耐久性的改善效果具有實(shí)際的工程意義。并結(jié)合宏觀試驗(yàn)結(jié)論和微觀結(jié)構(gòu)分析深層次研究纖維水泥土增強(qiáng)耐久性的作用機(jī)理，完善纖維水泥土耐久性能的理論和試驗(yàn)研究。