酸碱环境下纤维水泥土力学特性研究

师莹琨，刘 锋，陈四利，张晨曦，王艳文

(1.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870；2.济宁市政府投资工程建设管理中心，济宁 272000)

0 引 言

在生产玻璃纤维时会产生大量废丝，这些工业尾料占总产量的10%～15%，由于回收再制成玻璃丝的流程复杂，工业大多选择深埋的处理方式，对环境造成了严重的污染。因此解决玻璃纤维工业尾料的再利用问题，对中国生态环境保护与可持续发展具有重要意义。国内的多名学者对工程材料中掺入玻璃纤维进行了研究,如王建超等[1]利用分形理论探讨了废弃纤维对再生混凝土碳化深度的影响，周静海等[2]研究了废弃纤维掺入体积对混凝土受力性能的影响。

而近年来随着公路交通及地下工程的快速发展，水泥土因其造价低、便于施工、材料简单、污染少等优点，在公路建设，边坡防护等方面得到了广泛应用。但普通素水泥土仍属于脆性材料且强度较低，在实际工程中可能出现脆性破坏进而引发安全事故[3]。很多科研工作者开始关注水泥土力学性能改良问题，相关试验表明，在水泥土中加入纤维可以有效提高水泥土抗压强度和抗拉强度[4]；与素水泥土相比，纤维水泥土在达到应力峰值时，其相应的应变会明显提高，且破坏后的残余强度也有一定增加。殷勇等[5]研究表明，掺入适量且长度合适的玻璃纤维，水泥土无侧限抗压强度有明显提升。因此玻璃纤维掺入水泥土中制成纤维水泥土，是玻璃纤维尾料再利用的重要途径之一。

另一方面，由于工业制造、农业生产、生活污水排放等人为影响，我国大部分地区的地下水呈现不同酸碱度且差异较大，环境污染问题日益严重[6]。因部分水泥土长期处于地下水浸泡环境中，陈四利等[7]对不同酸碱度环境下的水泥土进行力学性能试验，结果表明碱性环境有利于水泥土强度增长，酸性环境会影响水泥的固化作用进而影响水泥土的力学性能。

目前应用于水泥土中的纤维种类主要有玻璃纤维、玄武岩纤维及碳纤维等。而玻璃纤维由于制作工艺的提升，已经成为一种良好的耐酸碱腐蚀的材料，但废弃玻璃纤维耐腐蚀的性能以及将废弃玻璃纤维掺入水泥土中能否改善水泥土抵抗环境腐蚀的性能，还需进一步研究。因此本文研究了掺入废弃玻璃纤维的水泥土在不同酸碱养护环境下，不同纤维掺量和不同养护龄期对水泥土力学性能的影响，同时与玄武岩纤维水泥土及素水泥土在相同条件下的力学参数进行对比，研究不同纤维改善腐蚀环境中的水泥土的抗劣化能力。本文的研究成果可以为使用了工业废料的水泥土在不同环境下的力学性能变化的研究提供参考，并为解决玻璃纤维尾料的再利用问题提供新思路。

1 实 验

1.1 试验材料

试验采用强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，原状土取自沈阳某工地粉质黏土，其物理性能指标如表1所示，土体经过风干后，过5 mm筛并碾碎待用。由于废弃玻璃纤维普遍较短小细碎，纤维长度取平均值，玄武岩纤维长度根据已有研究选取最优长度[8]，两种纤维的物理性能指标见表2。

表1 土的物理性能指标Table 1 Physical performance parameters of soil

表2 纤维的物理性能指标Table 2 Physical performance parameters of fiber

1.2 试验过程

试件均根据《水泥土配合比设计规程》[10]，按配合比设计计算每组试件各原材料的质量，并放入搅拌机搅拌。搅拌时先将土、水泥、纤维放入锅中干拌，搅拌均匀后再加水搅拌10 min，然后将拌合物分两次填入模具插捣并在振动台上振实，试件制作完成后编号，24 h后脱模。试件拆模后放入预先配置好的不同酸碱度环境下的养护溶液，在室温下养护。

试验使用两种纤维的掺量选取最优掺量[11-12]：玻璃纤维掺量设置为水泥土质量的1%和3%，玄武岩纤维掺量为水泥土质量的0.5%和0.7%，水泥掺入比为18%，水泥浆的水灰比为1∶1，设置素水泥土为对照组。抗压强度试验的试件尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm(立方体)，抗折强度试验的试件为尺寸为40 mm×40 mm×160 mm(长方体)。将试件放置在pH=5和pH=12的溶液中，在室温下(15～18 ℃)养护7 d、28 d与45 d，每种尺寸的试样共30组，每组中有6个试样，试验结果取其平均值以减小误差。在HCl溶液及NaOH溶液环境下养护，养护期间每日定时使用pH计测量养护溶液pH值，当pH值偏差大于1时，使用滴管添加HCl溶液和NaOH溶液，以维持养护溶液酸碱值稳定。养护完成后，立方体试件使用WDW4206型微机控制电子万能试验机进行抗压强度试验，加载速率为0.5 mm/min，长方体试件使用DKZ-5000型电动抗折机进行抗折试验。

2 结果与讨论

2.1 纤维水泥土开裂破坏分析

不添加纤维的水泥土抗压试验破坏形式主要为脆性张拉破坏，如图1所示，加载开始时试件无明显裂纹开展，随着荷载增加，试件四角开始剥落较小块体，并逐渐有细小裂纹出现，当荷载加载到峰值时，试块上的裂纹快速扩展最终形成贯通的裂纹。在酸性环境下养护的素水泥土，试块剥落程度大，裂隙发展快。

图1 素水泥土张拉破坏Fig.1 Tensile failure of cement soil

掺入玄武岩纤维的水泥土试件在受压破坏时呈现塑性剪切破坏特征，如图2所示，具体表现为试件在达到峰值前没有明显的碎块或土体剥落，无明显发展的宏观裂隙，加载至极限荷载时，试件表面只有数条斜向微裂隙，没有贯通的开裂面。随着纤维掺量增加，高掺量纤维水泥土试块在加载到峰值应力后，应力下降缓慢，仍能承受一定的荷载，有残余强度存在，没有块体剥落。可见加入纤维后水泥土的脆性特性得到改善，由于试件受压时水泥土颗粒间的空间不断被压缩，颗粒与纤维之间结合更加紧密，空间结构的改变促进纤维发挥其抗拉能力，使土体与纤维之间的摩擦力和纤维在土体中交错分布而形成的空间约束力增加，即使在大变形情况下，纤维形成的空间约束仍在存在，从而保证了试件破坏后仍然具有一定残余强度。

图2 0.5%玄武岩纤维水泥土剪切破坏Fig.2 Shear failure of 0.5% basalt fiber cement soil

图3、图4为掺入1%玻璃纤维的水泥土试件进行抗折强度试验后的破坏形态，试件没有完全开裂为两部分，而是有大量纤维在裂缝间连结。试件在试验过程中承受向下的压力，土体内的纤维受到外力挤压而产生位移，在发生位移的过程中与土颗粒摩擦而产生摩擦阻力从而提高试件抗折强度。

图3 1%玻璃纤维水泥土拉伸断裂Fig.3 Tensile fracture of 1% glass fiber cement soil

图4 1%玻璃纤维水泥土拉伸破坏截面Fig.4 Tensile fracture section of 1% glass fiber cement soil

2.2 养护环境对纤维水泥土力学性能的影响

对纤维种类及掺量(质量分数)进行分组：A为1%废弃玻璃纤维；B为3%废弃玻璃纤维；C为0.5%玄武岩纤维；D为0.7%玄武岩纤维掺量；E为素水泥土对照组。

图5～7为各实验组养护7 d、28 d、45 d时，不同种类水泥土的抗压强度随养护环境的变化。由图5～7可知：碱性养护环境下，掺入0.7%玄武岩纤维的水泥土的45 d抗压强度最大；酸性环境中掺入1%废弃玻璃纤维的水泥土的45 d抗压强度最大；在纤维种类与掺量相同的情况下，碱性养护环境下的水泥土抗压强度在各个龄期内均高于酸性养护环境下的。因此酸性养护溶液对掺入纤维的水泥土的抗压强度均有负影响。

图5 养护环境对水泥土抗压强度的影响(7 d)Fig.5 Influence of curing environment on compressive strength of cement soil (7 d)

在28 d标准养护龄期时，A～E组水泥土在酸性养护环境下的抗压强度较碱性养护下的分别降低了7.0%、5.9%、18.4%、42.1%、22.5%；龄期至45 d时，A～E组水泥土在酸性养护环境下的抗压强度较碱性养护下的分别降低了8.2%、8.1%、25.7%、39.1%、12.3%。掺入纤维可以提升水泥土的抗压强度，是因为纤维可以通过与水泥土颗粒间的摩擦力与粘聚力增加水泥土的整体性而增加强度，即加筋作用。酸性环境使水泥土劣化的原因是：溶液中大量的H+抑制了水泥土的水化过程，使水泥水化强度相对减小。酸性环境中H+对水泥土持续的劣化效应会抵消部分加筋作用对抗压强度的提升，使养护后期大部分掺入纤维的水泥土不再具有强度优势，仅有掺入0.5%废弃玻璃纤维水泥土的强度依然显著高于素水泥土。

图8为酸性环境下水泥土强度损失率柱状图。酸性环境对水泥土的腐蚀是持续性的，由抗压强度及强度损失率可以看出，加入废弃玻璃纤维的水泥土能有效改善酸性环境对水泥土力学性能的劣化效应。虽然掺入玄武岩纤维的水泥土在养护期间的抗压强度始终高于不添加纤维的素水泥土，但酸性环境下的强度损失率却明显高于废弃玻璃纤维水泥土和素水泥土(见图8)，说明由于水泥土持续处于酸性环境下，掺入玄武岩纤维的水泥土强度会降低，导致纤维对水泥土力学性能的提升作用减小。

图6 养护环境对水泥土抗压强度的影响(28 d)Fig.6 Influence of curing environment on compressive strength of cement soil (28 d)

图7 养护环境对水泥土抗压强度的影响(45 d)Fig.7 Influence of curing environment on compressive strength of cement soil (45 d)

图8 酸性环境下水泥土强度损失率Fig.8 Cement soil strength loss rate in acidic environment

碱性环境下两种掺入纤维的水泥土在全部龄期的抗压强度均高于不掺加纤维的素水泥土。这是因为碱性养护溶液在整个养护龄期内始终维持着强碱性环境，充足的OH-自水泥土开始水化起，就不断与土体中析出的Ca2+、Mg2+反应，生成弱电解质与沉淀等物质，填充了试件内部孔隙[9], 使水泥土试件更加密实，整体性好。而这些新生的弱电解质与沉淀，进一步加强了纤维水泥土中，纤维与水泥土颗粒间的摩擦力与粘聚力。所以在各个养护龄期，碱性环境养护下的纤维水泥土抗压强度均高于素水泥土的强度。

mCa(OH)2+SiO2+nH2O→mCa (OH)2·SiO2·nH2O

(1)

mCa(OH)2+Al2O3+nH2O→mCa(OH)2·Al2O3·nH2O

(2)

2.3 纤维种类与养护龄期对纤维水泥土力学性能的影响

通过研究水泥土强度在不同养护环境下随龄期的发展规律，可以更好地指导水泥土加固设计和施工进度安排。图9、图10为加入不同种类纤维的水泥土，在不同养护环境下，抗压强度随养护龄期的变化。

图9 养护龄期对水泥土抗压强度的影响(pH=12)Fig.9 Influence of curing age on compressive strength of cement soil(pH=12)

图10 养护龄期对水泥土抗压强度的影响(pH=5)Fig.10 Influence of curing age on compressive strength of cement soil(pH=5)

在碱性养护环境下，五组水泥土的抗压强度均随着养护龄期的增加而增大，且各时期增长速率有所不同，7～28 d龄期，A～E组增长速率依次为0.072 MPa/d、0.052 MPa/d、0.087 MPa/d、0.14 MPa/d、0.04 MPa/d。掺入量为0.7%的玄武岩纤维水泥土(D组)28 d抗压强度最大，为6.68 MPa。在28～45 d龄期内，各组试件抗压强度日均增长速率全部减慢，掺入玄武岩纤维的C、D两组试件减缓程度最大，分别为0.003 MPa/d(0.5%掺量)、0.006 MPa/d(0.7%掺量)，而掺入废弃玻璃纤维的两组试件的日增长速率均约为0.013 MPa/d，不添加纤维的素水泥土的抗压强度日增长速率在各龄期较为稳定。

由于废弃玻璃纤维单丝直径为20 μm，其表面会有部分无定形SiO2存在[11]，碱性养护环境下大量存在的的OH-会在一定程度上激发玻璃纤维的活性，即玻璃纤维的高能-Si-O-键被打破-Si-O-键的断裂会消耗水泥土中水泥水化产生的Ca(OH)2从而生成水化硅酸钙，同时降低养护环境的碱度，进一步促进水泥水化，使废弃玻璃纤维水泥土发生二次水化。这一现象体现为掺入废弃玻璃纤维的水泥土在养护中后期仍有一定的强度增长率。而玄武岩纤维表面光滑，表面能低，是一种处于介稳定状态下的物质，这种特点使得其化学耐久性好，有优良的耐腐蚀性，尤其是在碱性环境下不会发生化学反应[12]，所以掺入玄武岩纤维的水泥土在28 d时已基本达到其最终强度。

在酸性养护环境下，素水泥土抗压强度随养护龄期的变化程度降低，45 d强度只比28 d增长15%。而掺量为0.5%的玄武岩纤维在28 d时就已达到最终强度，浸泡至45 d，强度甚至出现负增长，0.7%掺量的玄武岩纤维水泥土强度增长率也仅有9.2%，随着养护龄期的增加，玄武岩纤维水泥土力学性能增长很小。而掺入废弃玻璃纤维的水泥土因延长了养护龄期，使水泥土充分二次水化，一定程度上改善了水泥土的孔径分布，使Ca(OH)2和AFH晶体减少，水泥凝胶数量增加，从而使界面结构变得致密，可以抵抗酸性环境对水泥土的腐蚀效应。

2.4 纤维掺量对水泥土脆性指标的影响

基于抗压强度和抗折强度指标建立的脆性评价指标是研究脆性的常用方法[13]。脆性指数小，表明材料塑性性能良好，在实际工程中发生突然断裂或坍塌的概率相对减小，且破坏时会先出现裂纹或大变形现象，为工程提供预警，增加了工程安全系数。不添加纤维的素水泥土属于脆性材料，破坏时以脆性张拉破坏为主，添加适量纤维后水泥土表现出一定的塑性特征，现对45 d养护后，添加不同量废弃玻璃纤维的水泥土脆性指标随纤维掺量的变化进行分析。

定义纤维水泥土脆性指数为B，表达式如下：

(3)

式中：σc为抗压强度，MPa；σt为抗折强度，MPa。掺入废弃玻璃纤维的水泥土，其45 d抗压强度见图7，其抗折强度如表3所示。

表3 废弃玻璃纤维水泥土抗折强度Table 3 Flexural strength of waste glass fiber cement soil

图11为废弃玻璃纤维掺量对脆性指标的影响。由图11可以看出，四个试验组的脆性指数均随着废弃纤维掺量的增加而呈现先增大后减小的趋势。并且不掺加纤维的素水泥土的脆性指数，随着养护龄期的增加而减小；而加入适量纤维后，脆性指数随着龄期的增加而增大。加入适量玻璃纤维后，使得抗压强度得到明显增强，而抗折强度增加有限，造成脆性指数增加；当纤维量继续增加，虽然抗压强度较之前低纤维掺量时降低，但仍比素水泥土试块高，然而此时抗折强度升高幅度较大，造成脆性指数下降。

图11 废弃玻璃纤维掺量对脆性指标的影响Fig.11 Effect of waste glass fiber content on brittleness

3 结 论

(1)加入纤维的水泥土与普通素水泥土相比，在不同养护环境下的力学性能均有提升：碱性环境中掺入0.7%玄武岩纤维的水泥土45 d抗压强度最大；酸性环境中掺入1%废弃玻璃纤维的水泥土45 d抗压强度最大。

(2)碱性环境下纤维水泥土达到峰值强度所需的养护龄期相对于酸性条件下的少，掺入0.5%玄武岩纤维的水泥土在酸性环境下养护28 d后出现强度负增长。

(3)增加纤维掺量，会影响水泥土的破坏形式，使水泥土由脆性转为塑性，但过高的掺量会降低水泥土的抗压强度。

(4)使用废弃玻璃纤维掺入水泥土，其抵抗酸性环境腐蚀的能力均优于不掺入纤维的素水泥土和掺入玄武岩纤维的水泥土。对于废弃玻璃纤维掺入水泥土后抗酸性能优于掺入玄武岩纤维水泥土的现象，需要进一步研究其作用机理。