纤维改性水泥土的力学性能对比研究*

黄利兵，严浩然，陈泽超，顾嘉慧，李 娜，王 伟

（绍兴文理学院土木工程学院，浙江 绍兴 312000）

水泥加固土，又称作水泥土，是通过在土体中加入水泥作为固化剂，经充分搅拌后形成的加固土。水泥土具有较好的防渗性能，且取材方便和施工简便，被广泛应用于软土地区、边坡加固等工程中。但是，由于水泥土的抗拉性能差、收缩性大等缺陷，水泥土的工程应用还存在着一定局限性。类似于混凝土中配钢筋以提高混凝土的抗拉性能，人们发现纤维具有较好的抗拉性能，便逐渐把眼光转向了将纤维材料掺入水泥土中。实践证明，在水泥土中掺入纤维不仅可以起到加筋的作用，还能够模拟箍筋的作用，约束土体的侧向变形，达到等效围压的效果。因此，越来越多的研究者开始研究纤维改性水泥土的力学性能，以便更好地根据其性能进行工程应用。

1 纤维种类的影响

纤维对水泥土的改性机理大致可以分为两种：一种是将纤维水泥土看成是水泥土和纤维，这两种不同的材料在相邻界面上会产生相互作用；另一种是将纤维水泥土看成单一均质的复合材料，这种复合材料由于内部结构发生了巨大变化，会使水泥土侧向受到约束，进而改善水泥土的力学性能。由于两类机理的共同作用，纤维水泥土在力学性能上得到了明显的改善。

纤维的种类和性能指标对纤维水泥土改性作用有着很大的影响。目前，工程中常用的纤维有聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维、玻璃纤维、植物纤维、玄武岩纤维等。姚燕等[1]进行了聚丙烯纤维、网状聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维和玻璃纤维等四种纤维对水泥土力学性质影响试验研究。实验结果表明，玻璃纤维和聚乙烯醇纤维可以有效提升水泥土抗拉性能，同时玻璃纤维不会降低土体的内摩擦角；改善水泥土塑性较为明显的是聚丙烯纤维和聚乙烯醇纤维。综合考虑纤维的工程特性和经济性，玻璃纤维和聚丙烯纤维有着较好的经济性、耐腐蚀、耐久性好等优点，在改性水泥土的应用较为广泛。

2 抗拉强度改善效果

在实际工程中，水泥土可能受到来自内部或者外部的拉力，而水泥土的抗拉强度远远低于抗压强度，这些拉力就会使水泥土产生裂隙甚至被破坏。因此，对水泥土抗拉性能进行改善具有一定的工程意义。掺入纤维对水泥土进行改性，能有效提高其抗拉强度。

胡建林等[2]进行了改善水泥土抗拉性能的研究，通过研究聚丙烯纤维掺量、长度与水泥土抗拉性能的关系，得出了纤维的最优长度和聚丙烯纤维水泥土的最佳配合比。劈裂抗拉强度试验结果表明，掺入过多和过长的聚丙烯纤维会对抗拉产生不良影响。当纤维长度为12mm，掺量为1%时，聚丙烯纤维水泥土为最佳配合比，强度提高34%。黄敏建[3]进行玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度试验，发现玻璃纤维水泥土的抗拉强度与纤维的参量近似为线性关系。当纤维参量为0.5%～5%时，玻璃纤维水泥土的抗拉强度提升了20%～186%。

3 无侧限抗压强度改善效果

纤维水泥土在无侧限抗压强度试验中表现出不同的破坏状态，如图1 所示。

图1 普通水泥土与纤维水泥土破坏状态

曾军等[4]通过对掺聚丙烯纤维改性的纤维水泥土进行无侧限抗压试验，试验表明：掺纤维有效地提高了水泥土的无侧限抗压强度和水泥土的残余强度，还增强了土体的韧性，改善了土体的破坏形式，使其由脆性破坏转向塑性破坏。阮波等[5]研究了掺入水泥土的玻璃纤维含量、长度与无侧限抗压强度之间的关系，结果如图2、图3 所示。试验表明，在水泥掺量均为15%的条件下，当玻璃纤维长度为9mm，掺量为2‰时，玻璃纤维水泥土的加筋效果最佳。李丽华等[6]对掺玻璃纤维的改性水泥土进行无侧限抗压试验，得到了当玻璃纤维为最佳掺量0.6%和水泥掺量为8%的条件下，纤维水泥土的无侧限抗压强度与水泥土相比，提高了46%。

图2 无侧限抗压强度与纤维掺量的关系

图3 无侧限抗压强度与纤维长度的关系

上述的研究表明，掺入纤维可以增强水泥土的无侧限抗压强度，并且不同纤维掺量、不同纤维长度的改善效果不同，存在最佳掺量和最优长度。

4 抗剪强度改善效果

纤维水泥土的抗剪强度一般由三轴压缩试验或者直剪试验获得。吴王意等[7]在滨海水泥土中掺入聚丙烯纤维改善水泥土的力学特性，实验表明，在不同法向应力下，纤维水泥土的抗剪强度均得到了改善。通过计算分析，纤维提升了水泥土17.7%黏聚力和5.9%内摩擦角。

梁仕华[8]对聚丙烯纤维水泥土进行了三轴试验，研究了水泥土强度特性与纤维掺量的关系。试验表明，纤维可以提升水泥土的峰值应力，对黏聚力改善效果明显，对内摩擦角影响不大。当水泥掺量为15%时，纤维的最佳掺量为0.4%。

5 动力特性改善效果

当水泥土应用于路基，水坝，码头等工程时，动力因素是水泥土正常使用不可忽略的要素。汪明元等[9]利用动三轴试验仪进行了普通水泥土及纤维水泥土动力特性试验研究，结果表明，掺玄武岩纤维可以显著改善水泥土的动力特性，具体表现为提高了水泥土的最大动模量和水泥土达到破坏时的最大动应力。王闵闵等[10]在水泥土中掺入聚丙烯纤维和玄武岩纤维，对纤维水泥土进行动三轴试验。试验表明，加入纤维可以提升水泥土的动强度和动模量，动强度和最大动弹性模量随纤维掺量的增加而提升。在纤维掺量相同的情况下，玄武岩纤维对水泥土动力特性的改性效果要优于聚丙烯纤维。

综上，研究表明纤维对水泥土的动强度和动模量有显著的提升作用，使得纤维水泥土的动力特性表现出了更好的优异性。

6 结束语

通过对纤维水泥土的抗拉强度、无侧限抗压强度、抗剪强度、动力特性进行分析，得到以下结论：（1）纤维水加入泥土中，可以改善水泥土的各项力学性能，纤维的种类会直接影响改善效果。（2）聚丙烯纤维对提升抗拉、改善水泥土韧性等综合改善能力较强。（3）玻璃纤维可以有效提升水泥土抗拉性能，但玻璃纤维水泥土脆性较大。（4）玄武岩纤维在改善水泥土抗拉强度、水泥土动力特性等方面要优于聚丙烯纤维。（5）对水泥土的力学性能改善效果，并不是纤维掺量越大就越好，存在最佳的纤维掺量和最优长度。