木质纤维与水泥共同改良软土的力学性能与微观机制分析

戴 巍，陈智超，冯青山，麦凌威，祝敏刚

(1.广东交科检测有限公司，广东 广州 510550；2.广州市吉华勘测股份有限公司，广东 广州 510550)

0 引 言

在我国沿海地区广泛分布着软土，随着道路建设的日益加剧，软土地区路基、边坡等灾害严重。软土具有天然含水量高、抗剪强度低的特点，难以直接用来作为建筑物的地基[1-3]。因此，急需对软土进行处理，以满足工程实际的需要。软土改良作为最直接有效的方法被广泛使用[4]。

水泥因其对力学性能的改良效果好而被广泛应用于软土改良中[5-7]。但是，使用水泥作为稳定剂对环境产生不利影响，水泥生产过程中产生大量CO2，加剧了全球温室效应[8-9]。此外，水泥改良后对地下水和表层植被的影响巨大[10]。因此，许多学者开始寻找一些方法以减小传统改良剂的用量。Yao等[11]通过利用纳米材料改良软土，并探讨了纳米MgO改良土在酸性条件下的力学性能；Chowdary等[12]利用纤维增强的聚合物处理软土，初步探讨了地聚物代替水泥的可能性。但是这些研究所使用的材料获取比较困难，难以在工程实际中大量使用。因此，选取一种来源广泛的材料和水泥共同使用可能更符合工程实际的要求。

木质纤维由于广泛存在于自然界中，受到众多研究者的青睐[13-15]。本文采用木质纤维与水泥共同改良软土，通过压实试验、无侧限抗压强度试验和拉伸试验，分析了不同木质纤维含量(0、0.25%、0.5%和1%)、水泥含量(4%、8%和12%)和固化时间(7、14 d和28 d)对软土力学性能的影响规律，在此基础上建立了固化时间、纤维含量、水泥含量等参数与抗压强度和抗拉强度的多元非线性回归模型。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本研究采用的软土是从我国广东省沿海地区采集的。由于土壤的均匀性是影响试验结果一致性的关键因素，首先将软土烘干后碾碎，然后用直径为2 mm的筛子筛除粗颗粒。测得软土的比重、液限和塑限分别为2.6、43.5%和30%，其粒径级配曲线见图1。根据XRD衍射试验发现软土的成分包括石英、高岭石、伊利石等。通过XRF分析发现，试验所用软土中主要含有SiO2(72.58%)、Al2O3(17.28%)、Fe2O3(4.11%)、CaO(1.30%)等。

图1 软土的粒径级配

试验中采用的水泥为C42.5普通硅酸盐水泥，其基本组成成分见表1。水泥的比重和比表面积分别为3.01和3.68 cm2/g。

表1 水泥的化学成分 %

试验中所用的木质纤维为玉米秸秆纤维。将原始秸秆洗净后碾碎、切割成长1 cm、直径为0.3 mm的纤维，并在100 条件下完全烘干得到试验所需的木质纤维。

1.2 试样方案及试样制备

为了研究木质纤维和水泥对软土力学性能的影响，试验中所使用的水泥含量为4%、8%和12%，木质纤维含量为0、0.25%、0.5%和1%。具体试验方案见表2。

表2 试验方案 %

试验前，需进行击实试验，得到木质纤维、水泥改良软土的最大干密度及含水率，然后再进行试样的制备。试验中，所有试样均按下述步骤制备：

(1)按照表2中水泥含量及木质纤维含量称取定量的水泥、木质纤维及软土，并将三者混合，用手搅拌5 min，使其混合均匀。

(2)称取定量的去离子水(质量为软土的12%)，将其倒入混合物中，用手快速搅拌，直至混合物中没有团聚体。

(3)称取定量的混合物，将其倒入无侧限抗压试样模具中，采用静载压实的方法分三层压实，每层压实过程中均需将表层混合物刮毛。试样直径为50 mm、高100 mm。

(3)将制备好的试样用塑料薄膜包裹密封，在20 ℃条件下固化7、14、28 d后，取出试样进行无侧限抗压强度及劈裂试验。

1.3 试验方法

依据JTG E40—2007《公路工程土工试验规程》分别进行击实试验、无侧限抗压强度试验、劈裂试验。无侧限抗压强度试验、劈裂试验采用全自动材料试验机，加载速率为0.15 mm/min。试验前，需对试样进行表面抛光，以保证上下两端平行、光滑。

2 结果分析

2.1 击实试验

为获取木质纤维对水泥改良软土的击实性能的影响，通过击实试验得到不同含量的木质纤维和水泥改良软土的击实曲线，见图2。从图2可知：

图2 击实曲线

(1)当水泥含量为4%时，随着木质纤维含量的增加，水泥改良软土的最佳含水率也随之逐渐增加，最大干密度随之减小。同样，水泥含量为8%和12%时，可得到相同的结论。由此可见，木质纤维的加入对水泥改良软土的击实特性有显著的影响。造成这种现象的原因主要是因为木质纤维的比重低于水泥和软土，因此加入木质纤维，造成木质纤维-水泥-软土的整体密度降低。而木质纤维可有效吸收水分，随着木质纤维的增加，其最佳含水率也随之增大。

(2)相同木质纤维含量下，随着水泥含量的增加，改良后软土的最大干密度随之增加，而最优含水率也随之增加。这主要是因为水泥比重大于软土比重，造成其最大干密度的增加。水泥的亲水性也优于软土，导致其含水率发生变化。此外，水泥的水化反应也是造成改良后软土最佳含水率增大的重要原因。

2.2 无侧限抗压强度

试验中未改良的软岩的无侧限抗压强度为0.6 MPa。图3为不同木质纤维含量、水泥含量下改良软土养护7、14、28 d后的无侧限抗压强度。从图3可知：

图3 改良软土的无侧限抗压强度

(1)当水泥含量相同时，改良土的无侧限抗压强度随木质纤维含量的增大先增大后减小，在木质纤维含量为0.25%时最大。造成这种现象的原因是因为添加木质纤维后，改良土中出现了木质纤维、水泥、软土的胶结体，由于木质纤维表面粗糙，木质纤维与水泥形成互锁结构，导致改良土颗粒间的摩擦力增大。此外，木质纤维表面更易黏附软土颗粒，形成胶结。但木质纤维含量增多后，其吸水能力大，抑制水泥水化反应，减小了水化产物的产生。

(2)当木质纤维含量相同时，改良土的无侧限抗压强度与水泥的含量呈正相关关系。这主要是因为水泥含量越大，会产生更多的水化产物，使改良土胶结更加紧密。

(3)随着养护时间的增加，改良土的无侧限抗压强度随之增大。在早期水泥产生的水化产物较少，其内部主要依赖木质纤维的互锁效应。后期随着水化产物的不断增加，使改良土颗粒胶结更加紧密。

2.3 劈裂强度

图4是不同木质纤维含量下改良软土的劈裂强度。从图4可以看出，木质纤维对水泥改良软土的劈裂强度具有显著的影响。当水泥含量一定时，改良土的劈裂强度随木质纤维含量的增大表现出先增大后减小的趋势，并在木质纤维含量为0.25%时最大。这主要是由于木质纤维与水泥、软土形成互锁效应，在劈裂过程中具有一定的紧握效果，并承担一定的抗拉强度，增加了改良土的劈裂难度。当木质纤维含量一定时，改良土的劈裂强度随水泥含量和养护时间的增加均呈现出增大的趋势。这是由于水化产物的增多，使颗粒间胶结，增强了黏聚力。

图4 改良软土的劈裂强度

由此可见，木质纤维和水泥均可增强软土的力学性能，且两者共同作用效果远大于单独使用水泥改良软土的效果。因此，在实际工程上，同种改良效果下，添加木质纤维的水泥的用量远小于单独使用水泥时的水泥用量。

2.4 木质纤维、水泥改良机制分析

为更好地分析木质纤维、水泥改良软土的微观机制，选取原状土、A5(8%水泥)、A6(8%水泥、0.25%木质纤维)进行SEM测试。图5为木质纤维、水泥改良软土的SEM图片。从图5可知：

图5 木质纤维、水泥改良软土的SEM

(1)未处理的软土内部孔隙较大，颗粒间的连接主要是堆叠、点与点连接，土颗粒较为明显，且颗粒大小比较均匀。

(2)经8%水泥处理后的软土中出现明显的纤维状水化产物，且土颗粒明显比原状软土颗粒较大，出现了明显的胶结体。此外，与原状软土相比，经8%水泥处理后的软土中微观孔隙明显减小。

(3)经8%水泥和0.25%木质素纤维处理后的软土中有明显的水化产物，且孔隙率进一步减小。同时，木质纤维均匀分布在水化产物与软土的胶结体中。

由此可以推断，木质纤维、水泥改良软土的微观机制可大分为2部分：一是，水泥水化产生水化产物，填充了软土间的孔隙，并使软土颗粒和水化产物胶结在一起，增强了软土的黏聚力，使改良土的无侧限抗压强度和劈裂强度增加。二是，木质纤维自身粗糙，黏土颗粒和水化产物黏附在木质纤维表面，产生互锁效应，使改良土的力学性能得到改善。

3 结 语

本文通过对木质纤维、水泥改良土进行压实试验、无侧限抗压强度试验和劈裂试验，得到了不同含量的木质纤维、水泥、养护时间对改良土的力学性能的影响规律。同时，利用SEM观察了改良前后软土的微观结构，揭示了木质纤维、水泥改良软土的微观机制，得到以下结论：

(1)木质纤维、水泥对软土的击实特性有显著的影响。随着木质纤维、水泥含量的增加，改良软土的最佳含水率也随之逐渐增加。但最大干密度随木质纤维含量的增加而减小，随水泥含量的增加而增加。

(2)改良土的无侧限抗压强度及劈裂强度均随木质纤维含量的增大先增大后减小，在木质纤维含量为0.25%时最大。此外，无侧限抗压强度及劈裂强度均随水泥含量及养护时间的增加而增大。

(3)木质纤维和水泥的水化产物均可有效减小土体中的微观孔隙，使软土颗粒、木质纤维和水泥胶结成大的胶结体，从而改善软土的力学性能。

(4)木质纤维、水泥改良软土的微观机制除水化产物的胶结作用外，木质纤维与水化产物、软土颗粒间的互锁效应也是其增强其力学性能的重要因素。