纤维水泥土的研究现状及发展趋势

丁玥，徐亚利

(合肥学院城市建设与交通学院，安徽 合肥 230601)

0 引言

为了更好地推广与应用水泥土，考虑将技术经济效益高的外加剂掺入其中。外加剂可以对水泥土水化物的反应速度、水泥用量、耐久性能及其他方面进行改良，从水泥土内部进行催化调节改善其物理化学性质。外加剂的种类繁多，选择合适的外加剂并制定合理的添加方案对改善水泥土性能至关重要。由于纤维具有抗渗、抗折和抗冲击等优点，国内外学者通过掺入纤维材料对水泥土的抗压拉、抗渗和耐久等性能进行研究。在此基础上，工程中也常用纤维达到增加材料性能的目的。因此，在未来的基础建设中，纤维水泥土将成为一种新兴的绿色建筑材料。

本文从掺入水泥土的纤维种类、纤维水泥土的力学性能和耐久性能3个方面进行概述，分析并对比各类纤维对水泥土的力学性能和耐久性能的作用，总结评述近年来学者们对纤维水泥土的研究，指出现阶段研究存在的问题及未来研究的方向，为今后纤维水泥土的研究提供参考。

1 水泥土的研究现状

水泥土主要由土料、水泥、水以及少量外加剂组成。因其具有高强度、低渗透性、低压缩性并且就地施工操作简便和造价低等优点得以在市政道路工程、基坑支护与防渗和不良地基处理等方面广泛应用。为使水泥土更好地在工程上应用，王哲[1]针对天津市武清区软土层承载力低、变形大等情况研究预应力管桩和水泥土搅拌桩在软土地基的应用；针对软黏土地层的地铁运营问题，吴繁等[2]借助GDS动三轴仪进行循环加载三轴试验，研究水泥土冻融后的动力学特性，有助于保障地下工程安全长久地运营；针对水泥土暴露在空气后强度易受影响的问题，Kardani等[3]建立3种混合进化模型，得出PSO-ANN在预测UCS方面的排名最高，所开发的PSO-ANN可用于生成UCS的工程数据库，有助于非饱和胶结土的岩土工程设计；Yu[4]等通过PHC模型桩-水泥土界面剪切试验，得出PHC桩-水泥土界面摩擦承载力随水泥土强度的增加而增加，水泥土桩-土界面摩擦承载力优于常规桩-土界面摩擦承载力的结论。现如今基坑规模不断扩大，深度也在不断增加变大，因此对安全性要求更加严格，苏林林[5]采用单排型钢水泥土搅拌桩、双排型钢水泥土搅拌桩等混合支护方式，探讨各支护方式的内力及变形规律；刘浩等[6]借助水泥土室内劣化试验，通过建立水泥土的劣化深度、完全劣化深度和劣化过渡层深度与时间的幂函数关系式，预测劣化深度与时间的关系；Zhang等[7]研究水泥土与温冻土界面的剪切力学性质和变形机理，为冻土地基结构的数值模拟和理论计算提供关键参数。

随着高标准的工程要求和科学绿色的发展观念，水泥土正逐步应用于各个领域，因此如何改善水泥土的性能，是近年来学者研究的重点。蒋晨辉等[8]介绍纳米偏高岭土的性能优点，综述了纳米偏高岭土对水泥基材料性能的影响并分析了改善水泥基材料性能的作用机理；Jamsawang等[9]研究掺入不同长度的聚丙烯纤维、钢纤维和聚烯烃纤维后材料的抗弯性能，对整体性进行评级，得出掺入50 mm钢纤维的材料效果最佳；Quang等[10]探究出玉米纤维具有良好的土壤稳定性能；在此研究上Duong等[11]进一步研究发现玉米壳纤维包裹体有降低泌水率和流量值的效果，可以限制裂纹的出现和扩展，同时可以减少峰值后应力的损失；Tiwari等[12]、Singh等[13]研究掺入聚丙烯纤维的水泥土，前者探究PA和聚丙烯纤维的耦合效应改良土体的耐久性的效果，后者在不同路基层中将聚丙烯纤维和粉煤灰混合掺入，通过试验证实两者提高CBR值的可能性；周海龙等[14]通过总结学者们关于偏高岭土水泥土的研究，发现力学性能研究多集中于抗压强度，耐久性能研究多集中于抗渗和耐腐蚀方面。

在改良水泥土力学性能方面，除了偏高岭土外，纤维也可以达到增强材料性能的效果。国内外学者进行大量的尝试，发现向水泥土中加入纤维获得了很好的改善效果。现对掺入玻璃纤维、玄武岩纤维和聚丙烯纤维三类纤维水泥土的研究现状进行阐述，通过对比分析进一步提出未来研究方向，以期为实际工程提供帮助。

2 纤维水泥土的种类

2.1 玻璃纤维水泥土

玻璃纤维属于一种无机非金属材料，具有高强度、低延伸率、耐高温、耐久性优异、电绝缘等特性，且价格低廉，在交通、建筑、环保等产业广泛应用，尤其是将其运用在水泥基材料、建筑防水材料和土工合成材料中取得了较好的效果。在水泥土中加入一定量的玻璃纤维，可以提高水泥土的强度，减小变形。Ates[15]将砂土和玻璃纤维掺入水泥土中研究其工程性质和机械强度，试验表明可以有效减少破坏时的位移；叶之琳等[16]针对玻璃纤维水泥土的不同养护时间、不同水泥掺入量进行试验，得出养护过程中水泥发生水化水解，养护时间越长，反应越彻底，经过水化反应从溶液中析出的新晶体和水化硅酸钙凝胶可以增强水泥强度；黄敏建[17]针对基坑支护和地基处理中水泥土桩抗拉和抗裂性能较差的问题，采用巴西劈裂法研究玻璃纤维对水泥土的影响规律，试验表明纤维水泥土的破坏模式为塑性破坏；师莹琨等[18]在酸碱环境下将废弃玻璃纤维掺入水泥土中进行研究，加入纤维后水泥土的脆性及在酸性环境下力学性能的劣化效应得以改善,碱性环境下的纤维水泥土抗压强度高于素水泥土,在养护时间方面，碱性环境下的纤维水泥土比酸性环境下的纤维水泥土更快到达峰值强度。

2.2 玄武岩纤维水泥土

玄武岩纤维属于典型的硅酸盐纤维，是近年来兴起的一种无机环保绿色的高性能纤维材料。其废弃后可降解的特性对环境不存在污染危害，同时具有绝缘隔热、耐酸碱性和化学稳定性好等优点，符合绿色发展的战略。玄武岩纤维在土体中以集束状态为主，被广泛应用于混凝土加固中。针对玄武岩纤维可以改善水泥土的力学性能、加固水泥土的特点，沈晨等[19]将不同长度的玄武岩纤维混合复掺到水泥土中探究其力学特性，试验表明将9 mm和12 mm长度的纤维按照3∶1掺入水泥土时，对水泥土的抗拉峰值强度、残余强度和韧性的改善效果最佳；牛雷等[20]通过掺入短切玄武岩纤维探究得纤维水泥土的抗压强度大致为凸型曲线，最优纤维掺入比为0.1%，最优纤维长度为12 mm；马芹永等[21]将砂和玄武岩纤维掺入水泥土进行研究，得出砂的填充增加了水泥土的密实度和整体性，砂掺入量为15%时水泥土孔隙微观结构表现最佳的结论；针对季节性冻土地区，郭少龙等[22]对水泥土在冻融循环情况下的疲劳性能进行研究，通过无侧限抗压试验探究得相同冻融循环次数中，纤维水泥土的效果比素水泥土好，且抗冻融循环破坏的能力随着纤维掺量的增加而提高。由于冻融循环一定程度上阻碍水泥土的应用，工程上应采取合理的措施对其进行改善；Wang等[23]利用玄武岩纤维和水泥有效提高了高岭土的抗压强度和抗剪性能。三轴试验表明峰值偏应力随纤维含量增大而增大，最佳玄武岩纤维含量为0.4%。短纤维长度3 mm比长纤维7 mm和11 mm更能提高胶结高岭石的峰值偏应力。

2.3 聚丙烯纤维水泥土

聚丙烯纤维是以丙烯聚合得到的等规聚丙烯为原料纺制而成的合成纤维，其强度高、弹性好、耐磨耐腐蚀，具有电绝缘性。胡成等[24]通过无侧限抗压强度试验探究得粗细聚丙烯纤维混掺加筋的方法比单种纤维加筋更能增强水泥土抗压强度，在脆性破坏模式下改善水泥土的效果也更好；针对淤泥质土，梁仕华等[25]的试验表明纤维掺入为0.4%时，纤维水泥土的无侧限抗压强度是素水泥土的1.6倍，掺入纤维形成的纤维网可以有效阻止裂缝的产生；刘永翔等[26]借助劈裂抗拉强度试验探究聚丙烯纤维水泥土的力学性能，试验表明掺入适量的纤维能提高水泥土的强度、水泥土的总能量和吸收弹性应变能，还可以减少耗散能的损失；邓林飞等[27]针对在基坑支护中由于水泥土抗剪强度低会引起桩体剪切破坏的问题，对掺入聚丙烯纤维的水泥土进行三轴压缩试验，发现加入纤维后水泥土的应力-应变曲线从应变软化型转为应变硬化型并呈现出双曲线的特征，符合邓肯-张模型假设。聚丙烯纤维水泥粉质黏土的黏聚力随纤维掺量的增加呈幂函数型增长；佟钰等[28]针对聚丙烯纤维在水泥土增强增韧方面开展研究，发现聚丙烯纤维可大幅改善水泥基材料的断裂韧性和抗裂性，掺入适量聚丙烯纤维在早期劈裂抗拉强度方面效果明显，当纤维体积掺量为1%时，水泥净浆的综合力学强度最好。

没有完善的程序，检察机关就可能既要面对对“检察优势”的忧虑又要面对对监督效果不彰的质疑。前文的论述主要是对民事诉讼法律监督程序的方向性预测。整合现有制度、以最小社会成本发挥法律监督作用的程序细节尚待思考。可以预见的是，制度的整合与过程的透明，将是程序设计的重心。

3 纤维水泥土力学性能研究现状

3.1 纤维水泥土力学特性的研究

关于掺入玄武岩纤维，郑宝荣等[29]通过无侧限抗压强度试验发现素水泥土受压时表现为脆性破坏，掺入玄武岩纤维后变为塑性破坏，试验得出纤维的掺入提高了水泥土韧性和整体稳定性的结论。针对淤泥质黏土，陈峰[30-31]使用相同的实验条件进行抗压强度和抗拉强度试验，建立了玄武岩纤维水泥土试件抗压强度和抗拉强度的关系，并得出在纤维掺入量为0.5%时水泥土的抗压效果最明显，且随着掺量增加效率逐渐减弱。在抗拉强度方面，玄武岩纤维具有更高的增强效率。同时玄武岩纤维改善了水泥土的塑性特征，裂而不断，当试件达到峰值应力后仍能承受一定的荷载，存在残余强度，提高了试件的破坏韧性。之后，陈峰等[32]又进行三轴试验，得出在掺入15%水泥的条件下，剪切破坏应力和破坏应变与玄武岩纤维掺量成正相关。为探究玄武岩纤维对河床加固的效果，徐丽娜等[33]针对河床淤泥土，得出纤维掺量为0.7%时，纤维水泥土的无侧限抗压强度提高最大，掺入不同的纤维长度对无侧限抗压强度的影响不明显。

关于掺入聚丙烯纤维，周世宗[34]针对淤泥质黏土把水泥掺量、纤维含量和纤维长度作为3个变量，得出在掺入0.4%、长度3 mm的聚丙烯纤维和18%的水泥的条件下纤维水泥土的改善效果最明显。该实验表明只改变3个变量的其中1个时，聚丙烯水泥土力学性能的变化趋势与玄武岩纤维水泥土相似。

吴王意等[35]针对滨海软土强度低、渗透性小的问题，通过无侧限抗压试验及直剪试验研究得出：掺入聚丙烯纤维和水泥，在养护7 d的条件下可有效提高其抗剪强度及无侧限抗压强度，水泥土的脆性破坏形式在掺入纤维后得到改善。DCM桩具有改善软土地基深厚沉积物的工程特性，可以有效减少路堤的沉降。水泥土柱受到水平荷载引起的弯矩作用时，抗弯强度较差会导致水泥土柱失效。针对这一问题Piti等[36]为提高水泥土的抗折强度和脆性将钢纤维和聚丙烯纤维掺入水泥土中，发现弯曲性能得到增强且聚丙烯纤维的性能优于钢纤维。

由于水泥土在围海造陆、防波堤、跨海大桥等建设中应用增多，针对这种情况，目前有学者将玄武岩纤维和聚丙烯纤维进行对比研究。鹿群等[37]在海水养护的条件下进行研究，通过对比无侧限强度和抗疲劳得出相比于无侧限抗压强度，将纤维掺入水泥土后的抗疲劳能力提高的程度更大；王闵闵等[38]针对循环荷载作用下的纤维水泥土动力特性进行研究，试验表明纤维掺量越多，对动强度和动弹性模量的影响越大，且纤维掺量每增加0.1%，动强度就增加21.7%～42.9%，最大动弹性模量提高约6%～17%。以上研究，都得出相较聚丙烯纤维，玄武岩纤维在经济性、耐腐蚀性和抗压抗拉抗疲劳方面的优势更大。

3.2 纤维水泥土的耐久性能研究

水泥土作为工程常用材料在基础建设工程中要满足长期运营和工程安全的要求，所以应该最大程度减少自身磨损和自然环境的破坏。因此抗磨、抗渗、抗冻和抗侵蚀性能成为衡量材料是否能为之所用的准则，它与水泥土的使用寿命及工程安全有着必然的联系。

基于水泥土的低渗透性，玄武岩纤维性能稳定的优点，杨建学[39]对玄武岩纤维水泥土进行渗透性试验，通过设置玄武岩纤维掺量和养护龄期，分别得出渗透系数随2个变量变化的拟合曲线及方程。虽然掺入纤维后可以减少产生裂缝，但是降低了水泥土的和易性，影响成型质量。陈峰等[40]通过渗透性试验发现过量的纤维会暴露在试块表面导致水泥土抗渗性能降低，过量纤维还可能发生结团现象，从而降低水泥土的黏聚力，所以纤维掺量不宜过大；采用电通量法对水泥土进行抗氯离子渗透性试验，发现电通量随着纤维质量分数增大而降低，抗渗性能增强速度减慢。殷勇[41]采用常水头法对比玻璃纤维水泥土和素水泥土的渗透性，发现掺入纤维的水泥土渗透性更大。随着龄期的增长虽两者差距逐渐减小，但90 d龄期的抗渗性能仍不如未掺玻璃纤维的水泥土。王明明[42]通过电阻率与渗透性试验发现电阻率与渗透系数有负相关性，并总结出渗透系数与电阻率的拟合公式。

另外，针对抗侵蚀性能，孔希红[43]将玻璃纤维水泥土浸泡在Na2SO4溶液中，随着浸泡时间的增加，无侧限抗压强度先提高再降低。在0.1、0.4、1.0 mol/L的Na2SO4溶液中，前两个浓度下的玻璃纤维水泥土的无侧限抗压强度在40 d达到最高，1.0 mol/L浓度下的在20 d达到最高。针对抗冻性能，徐丽娜等[44]通过冻融循环试验和无侧限抗压强度试验得出：玻璃纤维有利于提高水泥土的抗冻性能，掺入3 mm的玻璃纤维效果最好。胡其志等[45]研究了MgO对玄武岩纤维水泥土、聚丙烯纤维水泥土和玻璃纤维水泥土的渗透性影响，试验表明MgO掺量越多抗渗性能越好，但不宜超过1%。

4 结论与展望

本文从外加剂改良土体性质的角度综述了近年来纤维水泥土的研究进展。目前水泥土在实际应用中一般限于非结构性要求的领域，一定程度上限制了其应用范围。因此，改善水泥土的工程力学性质在土体加固研究中具有重要意义。由上述研究可得出：

1)玄武岩纤维在抗压抗拉强度、抗疲劳强度方面优于聚丙烯纤维，在抗渗方面优于玻璃纤维，同时具有经济性和耐腐蚀性；

2)玻璃纤维的掺入会使水泥土的渗透性增加，不利于抗渗性能的改善，因此，主要考虑提高抗渗能力时不宜在水泥土中加入玻璃纤维；

3)通过提高纤维掺量可增强纤维与土颗粒之间的黏结力，改善水泥土的塑性特征，裂而不断，但改变纤维长度效果不大，且过多掺入纤维会导致强度降低。

通过以上研究，对纤维水泥土进一步研究时，可考虑以下几个方面：

1)目前对抗渗性能的研究多基于一般土体进行，这对新型材料在实际工程中的推广不够充分，可以增加不同土体类别的研究，同时也需要结合室外现场的试验提高材料的实用度；

2)在抗侵蚀方面，可以对以下几个方面进一步研究，如北方盐碱地区的硫酸盐侵蚀，沿海地区的海水、地下水的硫酸盐和镁盐的侵蚀破坏，地下水的盐酸、硫酸腐蚀等；

3)由于水泥土在实际应用中受到的自然环境的破坏不是单一的，需要同时考虑抗渗或抗冻的影响，在后续的研究中可以对多重作用下纤维水泥土的力学性能及耐久性能进行探究。