丁玥，徐亞利

(合肥學(xué)院城市建設(shè)與交通學(xué)院，安徽 合肥 230601)

0 引言

為了更好地推廣與應(yīng)用水泥土，考慮將技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益高的外加劑摻入其中。外加劑可以對水泥土水化物的反應(yīng)速度、水泥用量、耐久性能及其他方面進(jìn)行改良，從水泥土內(nèi)部進(jìn)行催化調(diào)節(jié)改善其物理化學(xué)性質(zhì)。外加劑的種類繁多，選擇合適的外加劑并制定合理的添加方案對改善水泥土性能至關(guān)重要。由于纖維具有抗?jié)B、抗折和抗沖擊等優(yōu)點，國內(nèi)外學(xué)者通過摻入纖維材料對水泥土的抗壓拉、抗?jié)B和耐久等性能進(jìn)行研究。在此基礎(chǔ)上，工程中也常用纖維達(dá)到增加材料性能的目的。因此，在未來的基礎(chǔ)建設(shè)中，纖維水泥土將成為一種新興的綠色建筑材料。

本文從摻入水泥土的纖維種類、纖維水泥土的力學(xué)性能和耐久性能3個方面進(jìn)行概述，分析并對比各類纖維對水泥土的力學(xué)性能和耐久性能的作用，總結(jié)評述近年來學(xué)者們對纖維水泥土的研究，指出現(xiàn)階段研究存在的問題及未來研究的方向，為今后纖維水泥土的研究提供參考。

1 水泥土的研究現(xiàn)狀

水泥土主要由土料、水泥、水以及少量外加劑組成。因其具有高強(qiáng)度、低滲透性、低壓縮性并且就地施工操作簡便和造價低等優(yōu)點得以在市政道路工程、基坑支護(hù)與防滲和不良地基處理等方面廣泛應(yīng)用。為使水泥土更好地在工程上應(yīng)用，王哲[1]針對天津市武清區(qū)軟土層承載力低、變形大等情況研究預(yù)應(yīng)力管樁和水泥土攪拌樁在軟土地基的應(yīng)用；針對軟黏土地層的地鐵運(yùn)營問題，吳繁等[2]借助GDS動三軸儀進(jìn)行循環(huán)加載三軸試驗，研究水泥土凍融后的動力學(xué)特性，有助于保障地下工程安全長久地運(yùn)營；針對水泥土暴露在空氣后強(qiáng)度易受影響的問題，Kardani等[3]建立3種混合進(jìn)化模型，得出PSO-ANN在預(yù)測UCS方面的排名最高，所開發(fā)的PSO-ANN可用于生成UCS的工程數(shù)據(jù)庫，有助于非飽和膠結(jié)土的巖土工程設(shè)計；Yu[4]等通過PHC模型樁-水泥土界面剪切試驗，得出PHC樁-水泥土界面摩擦承載力隨水泥土強(qiáng)度的增加而增加，水泥土樁-土界面摩擦承載力優(yōu)于常規(guī)樁-土界面摩擦承載力的結(jié)論?，F(xiàn)如今基坑規(guī)模不斷擴(kuò)大，深度也在不斷增加變大，因此對安全性要求更加嚴(yán)格，蘇林林[5]采用單排型鋼水泥土攪拌樁、雙排型鋼水泥土攪拌樁等混合支護(hù)方式，探討各支護(hù)方式的內(nèi)力及變形規(guī)律；劉浩等[6]借助水泥土室內(nèi)劣化試驗，通過建立水泥土的劣化深度、完全劣化深度和劣化過渡層深度與時間的冪函數(shù)關(guān)系式，預(yù)測劣化深度與時間的關(guān)系；Zhang等[7]研究水泥土與溫凍土界面的剪切力學(xué)性質(zhì)和變形機(jī)理，為凍土地基結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬和理論計算提供關(guān)鍵參數(shù)。

隨著高標(biāo)準(zhǔn)的工程要求和科學(xué)綠色的發(fā)展觀念，水泥土正逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域，因此如何改善水泥土的性能，是近年來學(xué)者研究的重點。蔣晨輝等[8]介紹納米偏高嶺土的性能優(yōu)點，綜述了納米偏高嶺土對水泥基材料性能的影響并分析了改善水泥基材料性能的作用機(jī)理；Jamsawang等[9]研究摻入不同長度的聚丙烯纖維、鋼纖維和聚烯烴纖維后材料的抗彎性能，對整體性進(jìn)行評級，得出摻入50 mm鋼纖維的材料效果最佳；Quang等[10]探究出玉米纖維具有良好的土壤穩(wěn)定性能；在此研究上Duong等[11]進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)玉米殼纖維包裹體有降低泌水率和流量值的效果，可以限制裂紋的出現(xiàn)和擴(kuò)展，同時可以減少峰值后應(yīng)力的損失；Tiwari等[12]、Singh等[13]研究摻入聚丙烯纖維的水泥土，前者探究PA和聚丙烯纖維的耦合效應(yīng)改良土體的耐久性的效果，后者在不同路基層中將聚丙烯纖維和粉煤灰混合摻入，通過試驗證實兩者提高CBR值的可能性；周海龍等[14]通過總結(jié)學(xué)者們關(guān)于偏高嶺土水泥土的研究，發(fā)現(xiàn)力學(xué)性能研究多集中于抗壓強(qiáng)度，耐久性能研究多集中于抗?jié)B和耐腐蝕方面。

在改良水泥土力學(xué)性能方面，除了偏高嶺土外，纖維也可以達(dá)到增強(qiáng)材料性能的效果。國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行大量的嘗試，發(fā)現(xiàn)向水泥土中加入纖維獲得了很好的改善效果?，F(xiàn)對摻入玻璃纖維、玄武巖纖維和聚丙烯纖維三類纖維水泥土的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，通過對比分析進(jìn)一步提出未來研究方向，以期為實際工程提供幫助。

2 纖維水泥土的種類

2.1 玻璃纖維水泥土

玻璃纖維屬于一種無機(jī)非金屬材料，具有高強(qiáng)度、低延伸率、耐高溫、耐久性優(yōu)異、電絕緣等特性，且價格低廉，在交通、建筑、環(huán)保等產(chǎn)業(yè)廣泛應(yīng)用，尤其是將其運(yùn)用在水泥基材料、建筑防水材料和土工合成材料中取得了較好的效果。在水泥土中加入一定量的玻璃纖維，可以提高水泥土的強(qiáng)度，減小變形。Ates[15]將砂土和玻璃纖維摻入水泥土中研究其工程性質(zhì)和機(jī)械強(qiáng)度，試驗表明可以有效減少破壞時的位移；葉之琳等[16]針對玻璃纖維水泥土的不同養(yǎng)護(hù)時間、不同水泥摻入量進(jìn)行試驗，得出養(yǎng)護(hù)過程中水泥發(fā)生水化水解，養(yǎng)護(hù)時間越長，反應(yīng)越徹底，經(jīng)過水化反應(yīng)從溶液中析出的新晶體和水化硅酸鈣凝膠可以增強(qiáng)水泥強(qiáng)度；黃敏建[17]針對基坑支護(hù)和地基處理中水泥土樁抗拉和抗裂性能較差的問題，采用巴西劈裂法研究玻璃纖維對水泥土的影響規(guī)律，試驗表明纖維水泥土的破壞模式為塑性破壞；師瑩琨等[18]在酸堿環(huán)境下將廢棄玻璃纖維摻入水泥土中進(jìn)行研究，加入纖維后水泥土的脆性及在酸性環(huán)境下力學(xué)性能的劣化效應(yīng)得以改善,堿性環(huán)境下的纖維水泥土抗壓強(qiáng)度高于素水泥土,在養(yǎng)護(hù)時間方面，堿性環(huán)境下的纖維水泥土比酸性環(huán)境下的纖維水泥土更快到達(dá)峰值強(qiáng)度。

2.2 玄武巖纖維水泥土

玄武巖纖維屬于典型的硅酸鹽纖維，是近年來興起的一種無機(jī)環(huán)保綠色的高性能纖維材料。其廢棄后可降解的特性對環(huán)境不存在污染危害，同時具有絕緣隔熱、耐酸堿性和化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)點，符合綠色發(fā)展的戰(zhàn)略。玄武巖纖維在土體中以集束狀態(tài)為主，被廣泛應(yīng)用于混凝土加固中。針對玄武巖纖維可以改善水泥土的力學(xué)性能、加固水泥土的特點，沈晨等[19]將不同長度的玄武巖纖維混合復(fù)摻到水泥土中探究其力學(xué)特性，試驗表明將9 mm和12 mm長度的纖維按照3∶1摻入水泥土?xí)r，對水泥土的抗拉峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度和韌性的改善效果最佳；牛雷等[20]通過摻入短切玄武巖纖維探究得纖維水泥土的抗壓強(qiáng)度大致為凸型曲線，最優(yōu)纖維摻入比為0.1%，最優(yōu)纖維長度為12 mm；馬芹永等[21]將砂和玄武巖纖維摻入水泥土進(jìn)行研究，得出砂的填充增加了水泥土的密實度和整體性，砂摻入量為15%時水泥土孔隙微觀結(jié)構(gòu)表現(xiàn)最佳的結(jié)論；針對季節(jié)性凍土地區(qū)，郭少龍等[22]對水泥土在凍融循環(huán)情況下的疲勞性能進(jìn)行研究，通過無側(cè)限抗壓試驗探究得相同凍融循環(huán)次數(shù)中，纖維水泥土的效果比素水泥土好，且抗凍融循環(huán)破壞的能力隨著纖維摻量的增加而提高。由于凍融循環(huán)一定程度上阻礙水泥土的應(yīng)用，工程上應(yīng)采取合理的措施對其進(jìn)行改善；Wang等[23]利用玄武巖纖維和水泥有效提高了高嶺土的抗壓強(qiáng)度和抗剪性能。三軸試驗表明峰值偏應(yīng)力隨纖維含量增大而增大，最佳玄武巖纖維含量為0.4%。短纖維長度3 mm比長纖維7 mm和11 mm更能提高膠結(jié)高嶺石的峰值偏應(yīng)力。

2.3 聚丙烯纖維水泥土

聚丙烯纖維是以丙烯聚合得到的等規(guī)聚丙烯為原料紡制而成的合成纖維，其強(qiáng)度高、彈性好、耐磨耐腐蝕，具有電絕緣性。胡成等[24]通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗探究得粗細(xì)聚丙烯纖維混摻加筋的方法比單種纖維加筋更能增強(qiáng)水泥土抗壓強(qiáng)度，在脆性破壞模式下改善水泥土的效果也更好；針對淤泥質(zhì)土，梁仕華等[25]的試驗表明纖維摻入為0.4%時，纖維水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是素水泥土的1.6倍，摻入纖維形成的纖維網(wǎng)可以有效阻止裂縫的產(chǎn)生；劉永翔等[26]借助劈裂抗拉強(qiáng)度試驗探究聚丙烯纖維水泥土的力學(xué)性能，試驗表明摻入適量的纖維能提高水泥土的強(qiáng)度、水泥土的總能量和吸收彈性應(yīng)變能，還可以減少耗散能的損失；鄧林飛等[27]針對在基坑支護(hù)中由于水泥土抗剪強(qiáng)度低會引起樁體剪切破壞的問題，對摻入聚丙烯纖維的水泥土進(jìn)行三軸壓縮試驗，發(fā)現(xiàn)加入纖維后水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線從應(yīng)變軟化型轉(zhuǎn)為應(yīng)變硬化型并呈現(xiàn)出雙曲線的特征，符合鄧肯-張模型假設(shè)。聚丙烯纖維水泥粉質(zhì)黏土的黏聚力隨纖維摻量的增加呈冪函數(shù)型增長；佟鈺等[28]針對聚丙烯纖維在水泥土增強(qiáng)增韌方面開展研究，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可大幅改善水泥基材料的斷裂韌性和抗裂性，摻入適量聚丙烯纖維在早期劈裂抗拉強(qiáng)度方面效果明顯，當(dāng)纖維體積摻量為1%時，水泥凈漿的綜合力學(xué)強(qiáng)度最好。

沒有完善的程序，檢察機(jī)關(guān)就可能既要面對對“檢察優(yōu)勢”的憂慮又要面對對監(jiān)督效果不彰的質(zhì)疑。前文的論述主要是對民事訴訟法律監(jiān)督程序的方向性預(yù)測。整合現(xiàn)有制度、以最小社會成本發(fā)揮法律監(jiān)督作用的程序細(xì)節(jié)尚待思考。可以預(yù)見的是，制度的整合與過程的透明，將是程序設(shè)計的重心。

3 纖維水泥土力學(xué)性能研究現(xiàn)狀

3.1 纖維水泥土力學(xué)特性的研究

關(guān)于摻入玄武巖纖維，鄭寶榮等[29]通過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗發(fā)現(xiàn)素水泥土受壓時表現(xiàn)為脆性破壞，摻入玄武巖纖維后變?yōu)樗苄云茐模囼灥贸隼w維的摻入提高了水泥土韌性和整體穩(wěn)定性的結(jié)論。針對淤泥質(zhì)黏土，陳峰[30-31]使用相同的實驗條件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度試驗，建立了玄武巖纖維水泥土試件抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的關(guān)系，并得出在纖維摻入量為0.5%時水泥土的抗壓效果最明顯，且隨著摻量增加效率逐漸減弱。在抗拉強(qiáng)度方面，玄武巖纖維具有更高的增強(qiáng)效率。同時玄武巖纖維改善了水泥土的塑性特征，裂而不斷，當(dāng)試件達(dá)到峰值應(yīng)力后仍能承受一定的荷載，存在殘余強(qiáng)度，提高了試件的破壞韌性。之后，陳峰等[32]又進(jìn)行三軸試驗，得出在摻入15%水泥的條件下，剪切破壞應(yīng)力和破壞應(yīng)變與玄武巖纖維摻量成正相關(guān)。為探究玄武巖纖維對河床加固的效果，徐麗娜等[33]針對河床淤泥土，得出纖維摻量為0.7%時，纖維水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高最大，摻入不同的纖維長度對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響不明顯。

關(guān)于摻入聚丙烯纖維，周世宗[34]針對淤泥質(zhì)黏土把水泥摻量、纖維含量和纖維長度作為3個變量，得出在摻入0.4%、長度3 mm的聚丙烯纖維和18%的水泥的條件下纖維水泥土的改善效果最明顯。該實驗表明只改變3個變量的其中1個時，聚丙烯水泥土力學(xué)性能的變化趨勢與玄武巖纖維水泥土相似。

吳王意等[35]針對濱海軟土強(qiáng)度低、滲透性小的問題，通過無側(cè)限抗壓試驗及直剪試驗研究得出：摻入聚丙烯纖維和水泥，在養(yǎng)護(hù)7 d的條件下可有效提高其抗剪強(qiáng)度及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，水泥土的脆性破壞形式在摻入纖維后得到改善。DCM樁具有改善軟土地基深厚沉積物的工程特性，可以有效減少路堤的沉降。水泥土柱受到水平荷載引起的彎矩作用時，抗彎強(qiáng)度較差會導(dǎo)致水泥土柱失效。針對這一問題Piti等[36]為提高水泥土的抗折強(qiáng)度和脆性將鋼纖維和聚丙烯纖維摻入水泥土中，發(fā)現(xiàn)彎曲性能得到增強(qiáng)且聚丙烯纖維的性能優(yōu)于鋼纖維。

由于水泥土在圍海造陸、防波堤、跨海大橋等建設(shè)中應(yīng)用增多，針對這種情況，目前有學(xué)者將玄武巖纖維和聚丙烯纖維進(jìn)行對比研究。鹿群等[37]在海水養(yǎng)護(hù)的條件下進(jìn)行研究，通過對比無側(cè)限強(qiáng)度和抗疲勞得出相比于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，將纖維摻入水泥土后的抗疲勞能力提高的程度更大；王閔閔等[38]針對循環(huán)荷載作用下的纖維水泥土動力特性進(jìn)行研究，試驗表明纖維摻量越多，對動強(qiáng)度和動彈性模量的影響越大，且纖維摻量每增加0.1%，動強(qiáng)度就增加21.7%～42.9%，最大動彈性模量提高約6%～17%。以上研究，都得出相較聚丙烯纖維，玄武巖纖維在經(jīng)濟(jì)性、耐腐蝕性和抗壓抗拉抗疲勞方面的優(yōu)勢更大。

3.2 纖維水泥土的耐久性能研究

水泥土作為工程常用材料在基礎(chǔ)建設(shè)工程中要滿足長期運(yùn)營和工程安全的要求，所以應(yīng)該最大程度減少自身磨損和自然環(huán)境的破壞。因此抗磨、抗?jié)B、抗凍和抗侵蝕性能成為衡量材料是否能為之所用的準(zhǔn)則，它與水泥土的使用壽命及工程安全有著必然的聯(lián)系。

基于水泥土的低滲透性，玄武巖纖維性能穩(wěn)定的優(yōu)點，楊建學(xué)[39]對玄武巖纖維水泥土進(jìn)行滲透性試驗，通過設(shè)置玄武巖纖維摻量和養(yǎng)護(hù)齡期，分別得出滲透系數(shù)隨2個變量變化的擬合曲線及方程。雖然摻入纖維后可以減少產(chǎn)生裂縫，但是降低了水泥土的和易性，影響成型質(zhì)量。陳峰等[40]通過滲透性試驗發(fā)現(xiàn)過量的纖維會暴露在試塊表面導(dǎo)致水泥土抗?jié)B性能降低，過量纖維還可能發(fā)生結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，從而降低水泥土的黏聚力，所以纖維摻量不宜過大；采用電通量法對水泥土進(jìn)行抗氯離子滲透性試驗，發(fā)現(xiàn)電通量隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大而降低，抗?jié)B性能增強(qiáng)速度減慢。殷勇[41]采用常水頭法對比玻璃纖維水泥土和素水泥土的滲透性，發(fā)現(xiàn)摻入纖維的水泥土滲透性更大。隨著齡期的增長雖兩者差距逐漸減小，但90 d齡期的抗?jié)B性能仍不如未摻玻璃纖維的水泥土。王明明[42]通過電阻率與滲透性試驗發(fā)現(xiàn)電阻率與滲透系數(shù)有負(fù)相關(guān)性，并總結(jié)出滲透系數(shù)與電阻率的擬合公式。

另外，針對抗侵蝕性能，孔希紅[43]將玻璃纖維水泥土浸泡在Na2SO4溶液中，隨著浸泡時間的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先提高再降低。在0.1、0.4、1.0 mol/L的Na2SO4溶液中，前兩個濃度下的玻璃纖維水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在40 d達(dá)到最高，1.0 mol/L濃度下的在20 d達(dá)到最高。針對抗凍性能，徐麗娜等[44]通過凍融循環(huán)試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗得出：玻璃纖維有利于提高水泥土的抗凍性能，摻入3 mm的玻璃纖維效果最好。胡其志等[45]研究了MgO對玄武巖纖維水泥土、聚丙烯纖維水泥土和玻璃纖維水泥土的滲透性影響，試驗表明MgO摻量越多抗?jié)B性能越好，但不宜超過1%。

4 結(jié)論與展望

本文從外加劑改良土體性質(zhì)的角度綜述了近年來纖維水泥土的研究進(jìn)展。目前水泥土在實際應(yīng)用中一般限于非結(jié)構(gòu)性要求的領(lǐng)域，一定程度上限制了其應(yīng)用范圍。因此，改善水泥土的工程力學(xué)性質(zhì)在土體加固研究中具有重要意義。由上述研究可得出：

1)玄武巖纖維在抗壓抗拉強(qiáng)度、抗疲勞強(qiáng)度方面優(yōu)于聚丙烯纖維，在抗?jié)B方面優(yōu)于玻璃纖維，同時具有經(jīng)濟(jì)性和耐腐蝕性；

2)玻璃纖維的摻入會使水泥土的滲透性增加，不利于抗?jié)B性能的改善，因此，主要考慮提高抗?jié)B能力時不宜在水泥土中加入玻璃纖維；

3)通過提高纖維摻量可增強(qiáng)纖維與土顆粒之間的黏結(jié)力，改善水泥土的塑性特征，裂而不斷，但改變纖維長度效果不大，且過多摻入纖維會導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

通過以上研究，對纖維水泥土進(jìn)一步研究時，可考慮以下幾個方面：

1)目前對抗?jié)B性能的研究多基于一般土體進(jìn)行，這對新型材料在實際工程中的推廣不夠充分，可以增加不同土體類別的研究，同時也需要結(jié)合室外現(xiàn)場的試驗提高材料的實用度；

2)在抗侵蝕方面，可以對以下幾個方面進(jìn)一步研究，如北方鹽堿地區(qū)的硫酸鹽侵蝕，沿海地區(qū)的海水、地下水的硫酸鹽和鎂鹽的侵蝕破壞，地下水的鹽酸、硫酸腐蝕等；

3)由于水泥土在實際應(yīng)用中受到的自然環(huán)境的破壞不是單一的，需要同時考慮抗?jié)B或抗凍的影響，在后續(xù)的研究中可以對多重作用下纖維水泥土的力學(xué)性能及耐久性能進(jìn)行探究。