纤维水泥土耐久性能研究现状

徐亚利，周振南

（合肥学院 城市建设与交通学院，安徽 合肥 230601）

水泥土因具备取材方便、施工快、周期短等优点被广泛应用于地基加固、边坡稳定等工程领域，但抗拉强度低，韧性差等缺点使其在应用中存在安全隐患。同时，自然环境下，水泥土受干湿交替变化、温度变化以及盐溶液侵蚀等劣化因子的影响较大，导致水泥土结构耐久性能降低，因此改善水泥土的性能至关重要。纤维可以抑制水泥土基体内裂纹的产生和发展，提高水泥土的抗渗性能和抗裂能力，并改善其抗拉强度和弯曲性能。

为探究纤维对水泥土耐久性能的改善效果，近年来，国内外学者通过室内试验对纤维水泥土开展研究，对纤维水泥土抗干湿性能、抗冻融性能、抗硫酸盐侵蚀和抗渗透性能等耐久性进行评价分析，取得了大量研究成果，为纤维水泥土耐久性的研究发展提供参考。

1 纤维水泥土的抗干湿性能

在实际项目中，气候周期性变化导致水泥土受到干湿循环的影响产生干缩湿胀变形，土体内部结构松散，力学性能逐渐下降。因此，保证干湿条件下水泥土性能良好具有重要意义。张洁［1］将聚丙烯纤维掺入水泥土中，通过干湿循环试验，研究不同纤维掺量和长度对水泥土抗压强度的作用效果。结果表明，聚丙烯纤维的加入显著改善了水泥土的抗干湿性能，随着纤维掺量的增加，干湿循环后水泥土试样的质量损失下降。韩春鹏等［2］通过图像处理和裂隙特征分析探究纤维对膨胀土的加筋效果。研究结果显示，纤维水泥土在干湿循环后的裂隙面积和长度有所增长，裂隙宽度减少，且裂隙在掺入纤维后由贯穿裂隙转变为“蜘蛛网”状细小裂隙，表明纤维对膨胀土具有干缩抗裂作用。为了提高膨胀土的抗剪强度，降低胀缩性，陈翔等［3］进行了大量直剪试验。研究结果表明，聚丙烯纤维膨胀土的内摩擦角和黏聚力与干湿循环次数之间并非线性关系；当纤维掺量为0.3%时，6次干湿循环后，纤维膨胀土的内摩擦角和黏聚力下降幅度最小，分别为3.4°和47 kPa，此纤维掺量对膨胀土在干湿条件下的抗剪强度衰减的抑制效果最好。李永彬等［4-5］从棉花纤维水泥土的干湿循环试验中发现，一定量的纤维可以提高水泥土的抗压强度，养护7 d与养护28 d的水泥土在干湿循环前期的强度变化幅度基本相同；7 d、28 d龄期下水泥土强度达到峰值时的干湿循环次数分别为10、5，且在干湿循环30次后，纤维仍具有较高的加筋效果。陈猛等［6-7］对比分析土体抗压强度和间接抗拉强度在干湿循环作用下受水泥掺量、纤维掺量的影响。室内试验结果表明，当玄武岩纤维掺量为0.2%时，水泥掺量对纤维水泥土间接抗拉强度的提高比抗压强度明显；当水泥掺量为12%时，水泥土强度达到峰值时的最佳纤维掺量为0.3%；NaCl溶液浸泡养护的试块强度整体低于标准养护下的试块强度，表明盐溶液对纤维有腐蚀作用，影响纤维对土颗粒的加筋效果。徐丽娜等［8］研究了盐溶液侵蚀环境和干湿循环共同作用下，掺加玄武岩纤维对水泥土抗压强度和应力-应变关系的影响，发现当水泥土在干湿循环和硫酸盐侵蚀共同作用下，纤维的掺入一定程度上改善了水泥抗裂性能，增强了水泥土的抗干湿循环能力和韧性。

由上述试验研究结果可知，水泥土外掺剂一般为聚丙烯纤维、棉花秸秆纤维和玄武岩纤维。干湿交替变化会导致土体产生干缩湿胀变形，孔隙增加，裂缝出现，最终整体遭到破坏。纤维的掺入可延缓裂缝的扩展并抵抗内部收缩变形。随着干湿循环的进行，土体内部结构重组达到新的平衡后逐渐趋于稳定。目前，纤维对水泥土的抗干湿性能的影响研究主要以聚丙烯纤维、棉花秸秆纤维和玄武岩纤维为主，其他类型纤维对水泥土的影响和加筋机理还需进一步探讨。

2 纤维水泥土的抗冻融性能

在我国北方寒冷地区，随着气温的冷热交替变化，水泥土反复冻融，导致土体内部产生冻胀破坏，强度衰减，对工程的长期稳定安全产生不利影响。因此需要提高水泥土在冻融循环环境下的强度和抗侵蚀能力。

Kou等［9］通过抗压强度、峰后应力比、弹性模量和质量损失率来衡量水泥土加入纤维后的抗冻融性能，并利用经验公式评价冻融循环次数和纤维含量对抗压强度的影响。研究发现，当纤维掺量为1.75%时，加筋水泥土具有更好的延性和残余强度；微观研究表明，纤维和土颗粒形成三维网格，抑制了水泥土的变形，提高了其抗冻融性能。Ding等［10］测定了1、5、10次冻融循环后聚丙烯纤维水泥土的抗压强度和试件尺寸变化。结果表明，水泥掺量为3%、6%、9%和12%的试件的无侧限抗压强度（UCS）分别降低了69%、65%、56%和49%；纤维掺量为0.05%、0.1%、0.2%和0.3%的6%水泥增强土的抗压强度分别降低了45%、55%、42%和64%；试件直径在第1次和第5次冻融循环中急剧增加，在第10次冻融循环时变化不大，聚丙烯纤维显著提高了水泥土的抗冻融性能。赵安平等［11］在水泥土中添加1%的聚丙烯纤维，纤维水泥土达到屈服破坏时的冻融循环次数高于普通水泥土，冻融寿命有所延长，且冻融作用下水泥土强度损失有所降低，添加聚丙烯纤维的水泥土抗冻性能更加优越。郭少龙等［12］通过试验发现，冻融水泥土的强度受养护龄期、水灰比及纤维掺量的影响较大，加筋土的抗压冻融强度损失率和劈裂抗拉冻融强度损失率均低于未掺加纤维的水泥土；纤维掺量和水泥掺量越高，龄期越长，水灰比越小，冻融强度损失率越小，抵抗冻融循环破坏的能力越强。Gao等［13］利用无侧限抗压强度试验（UCT）、霍普金森压杆试验（SHPB）和超声脉冲速度试验得出两种水泥土试样在冻融条件下性能的变化。1次冻融循环后，玄武岩纤维水泥土和素水泥土样品的波速分别下降了3.84%和1.91%；3次冻融循环后，试样波速的下降趋势放缓；在静荷载和冲击荷载作用下，抗压强度随冻融循环次数的增加而降低。巨澍朋等［14-15］通过冻融循环试验得出，由于玄武岩纤维具有较强的韧性，掺加该纤维对水泥土强度与抗冻融性能的影响作用显著；纤维掺量0.5%时水泥土抗压强度达到峰值，纤维掺量1.5%时水泥土抗剪强度达到峰值。沈婷［16］采用快冻法对比研究了掺加稻秸秆纤维和未加筋的水泥固化重金属污染土的抗冻性能。结果表明，秸秆纤维加筋土的抗压强度明显高于未加筋土，掺入秸秆纤维可提高水泥土的抗冻性能，且纤维掺量为0.1%时，效果最佳。吴发红等［17］通过冻融循环试验研究发现，龄期7 d的棉花秸秆纤维水泥土试块冻融循环15次达到屈服破坏，强度下降50.03%；龄期28 d的试块经20次冻融循环后强度下降48.82%；秸秆纤维水泥土长期处于强碱环境，纤维表面发生降解导致水泥土强度下降。夏香港等［18］研究玄武岩纤维和玻璃纤维混掺对粉煤灰水泥土抗冻性能的影响。试验结果显示，当玻璃纤维、玄武岩纤维和粉煤灰掺量为0.5%、1%和6%时，随着冻融循环的进行，纤维水泥土和普通水泥土的表面劣化程度均加重，且纤维水泥土的劣化程度和质量损失均小于普通水泥土。

适当掺加纤维可以有效缓解冻融循环后水泥土的劣化，减少土体因冻胀产生的孔隙和裂隙，从而提升水泥土的抗冻融性能。但纤维掺量过大时，土体中会出现团簇现象，纤维分布不均匀导致水泥土内部形成冻胀薄弱面，造成土体抗冻融性能下降。因此，纤维种类和掺量的选择对纤维水泥土抗冻融损伤性能的研究至关重要。

3 纤维水泥土的抗硫酸盐侵蚀性能

纤维水泥土因其优越的性能被广泛应用于地基处理、边坡稳定等实际工程，这些工程周围的地质环境多为具有侵蚀性的地下水和海水，其中的SO42-会使土体受到侵蚀，导致水泥土内部裂缝增加、强度下降。因此，探究硫酸盐侵蚀环境下水泥土强度劣化规律是非常有必要的。

针对水泥土在侵蚀环境下的强度变化，刘鑫等［19］通过直接剪切试验发现，与自然养护试样相比，HCl 溶液、 NaCl溶液、Na2SO4溶液、无污染水及 NaOH 溶液侵蚀后试样的剪切强度均下降，且影响强度的主要因素为Cl-和SO42-。同时Na2SO4溶液浸泡的试样短期内被破坏，说明SO42-的侵蚀效果更加显著。陈四利等［20］分析了不同腐蚀环境对水泥土动应力的影响。研究结果表明，水泥土动强度随Na2SO4溶液浓度先增大后减小，当浓度达到0.03 mol/L时极限动应力最大，且此浓度下动应力与腐蚀时间、围压和水泥掺量呈正比关系。Pham等［21］对水泥土柱施加压缩荷载，采用海水连续浸泡的方法对水泥土柱进行硫酸盐侵蚀，通过无侧限抗压强度和针入度试验研究发现，小尺寸水泥土柱样品的强度劣化更加显著，硫酸盐浓度较高时样品劣化速度更快，不利于水泥土柱的长久使用。

为了研究纤维对水泥土抗硫酸盐侵蚀性能的影响，陆元鹏等［22］通过试验发现掺入玻璃纤维和少量粉煤灰有利于增强水泥土的抗硫酸盐侵蚀能力，水泥土试件强度随Na2SO4溶液浓度提高呈现先增后降的趋势，硫酸根浓度为0.01 mol/L时，玻璃纤维复掺粉煤灰水泥土抗硫酸盐侵蚀效果最好。孔希红［23］进一步研究表明，掺入玻璃纤维可以减少水泥土微裂缝的产生，对提高试样抗盐溶液侵蚀具有重要作用，最佳掺量（纤维掺量0.2%、粉煤灰掺量6%、水泥掺量20%）下，3种浓度Na2SO4溶液侵蚀后纤维水泥土强度损失均最小。Wang等［24］对橡胶水泥土进行盐溶液侵蚀试验。结果表明，盐溶液侵蚀后的橡胶水泥土的抗压强度和质量均优于盐溶液侵蚀后的普通水泥土，橡胶水泥土试块的侵蚀损伤比普通水泥土试块的少，橡胶水泥土具有较好的耐腐蚀性；相同侵蚀龄期下，SO42-对橡胶水泥土的侵蚀作用大于Cl-。张经双等［25］在外掺剂最优配比下进行混掺纤维水泥土的硫酸盐侵蚀试验。研究发现，纤维的掺入减弱了侵蚀后水泥土表面的劣化程度；同时，纤维的黏结作用可以有效抑制侵蚀作用下产生的膨胀力，提高水泥土的抗变形能力。

从上述研究可以发现，盐溶液侵蚀试验存在最佳溶液浓度和侵蚀时间，且硫酸盐对水泥土的侵蚀作用更为显著，其中的SO42-可与水泥水化产物Ca（OH）2反应生成钙矾石和石膏等，使水泥土体积膨胀产生膨胀应力，当膨胀应力超过水泥土的胶结力时，其内部结构将会被破坏从而形成裂缝，硫酸盐对水泥土的侵蚀作用会对水泥土工程使用寿命产生负面影响。

4 纤维水泥土的抗渗性能

水泥土抗渗性能是指基体抵抗液体介质渗透作用的能力，也是影响水泥土工程耐久性的主要因素。在水泥土中掺入适量的纤维，能够抑制微裂缝的产生，减少渗流通道，从而提高纤维水泥土的抗渗性能。

夏正兵［26］研究发现，水泥土渗透系数受渗透压强、渗滤液pH、孔隙比及水泥含量的影响较大。渗透压强＜150 kPa时，渗透系数随渗透压强的增大而增大，渗透压强≥150 kPa时，渗透系数随渗透压强的增大变化较小；渗透系数随渗滤液pH增大而减小，说明碱性环境下水泥土的抗渗透性能更好；孔隙比越小、水泥含量越大越有助于改善水泥土的抗渗性能。崔靖俞等［27］发现并非水泥掺量越多越有助于改善水泥土的抗渗透能力；固化剂水粉比为6∶4时养护28 d的试块的渗透系数最小；粉煤灰水泥土固化时间越长，其抗渗透能力越强。王荣富［28］通过渗透试验开展聚丙烯纤维及粉煤灰协同增强水泥土抗渗性能的研究。研究发现，掺入纤维可增大水泥土抗压强度的同时，也会提高水泥土的渗透系数，降低其抗渗透能力；再加入粉煤灰后，可进一步提高试块的抗压强度并有效增强其抗渗透性能。谢家文［29］研究了3种土样加入外掺剂后的抗渗效果。结果表明，石膏和GS土体硬化剂改善淤泥质黏土渗透性能的效果优于S复合添加剂和沸石粉；而对于粉土和粉砂土，石膏对提高其抗渗性具有良好的效果。刘妍钊［30］对橡胶水泥土进行渗透试验。研究发现，橡胶粉能有效减小水泥土的渗透系数，水泥土渗透系数与水泥土的含水量、水泥掺量和龄期具有线性关系，且橡胶水泥土渗透性能最优时的橡胶粉掺量为20%。陈峰等［31］通过水压力法渗透试验和抗氯离子渗透性试验研究了玄武岩纤维掺量对对水泥土抗渗性能的影响。结果表明，两种渗透性试验结果基本一致，掺入纤维后水泥土的抗渗性能明显提高。杨建学［32］的试验进一步说明了玄武岩纤维掺量和养护时间对水泥土渗透系数的影响，在其研究范围内，纤维最佳掺量为1.5%，当纤维掺量大于1%且龄期超过60 d后，渗透系数的下降幅度逐渐减缓。

通过上述研究发现，掺入纤维对水泥土的流动性有所影响，适量的纤维可以提高水泥土的密实度，降低孔隙率，改善其抗渗性能；但如果纤维掺量过大，则会使得水泥土孔隙率增大，土体内部渗流通道增加，渗透系数明显增大，不利于水泥土的稳定。因此，针对水泥土渗透性能的纤维最佳掺量还需研究探讨。

5 结语与展望

在自然和人为作用下，水泥土的耐久性受到各种环境不利因素的影响。国内外学者通过室内试验和理论分析对纤维改善水泥土耐久性研究进行了验证和探讨。研究结果表明，在耐久性能方面，掺入纤维后，水泥土具有较小的微裂缝、裂缝宽度及孔隙率，降低了水泥土试件在干湿循环、冻融循环和抗硫酸盐侵蚀试验过程中的强度损失，进一步提高了水泥土的耐久性能。但目前的试验研究多为单纤维在单一因素作用下对水泥土的改善，而实际工程中水泥土环境较复杂，需要对多因素耦合作用下纤维水泥土的耐久性进行更深层次的研究，如硫酸盐侵蚀-干湿性能、硫酸盐侵蚀-冻融性能。其次，选择适当的纤维种类和掺量，研究不同侵蚀环境下混掺对纤维水泥土耐久性的改善效果具有实际的工程意义。并结合宏观试验结论和微观结构分析深层次研究纤维水泥土增强耐久性的作用机理，完善纤维水泥土耐久性能的理论和试验研究。