復(fù)合水泥土強(qiáng)度特性研究綜述

楊 靜 陶永靖

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

水泥土中水泥作為固化劑，與水反應(yīng)，從而起到加固土體的作用。由于水泥土較混凝土造價(jià)低、抗?jié)B性好、耐久性強(qiáng)，而且其抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、變形模量等指標(biāo)均優(yōu)于素土，所以在建筑行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，主要用于護(hù)坡、地基處理、有防滲要求的部位等。但其強(qiáng)度較低，變形較大，為了提高其工程性質(zhì)，出現(xiàn)了復(fù)合水泥土，比如:纖維水泥土、粉煤灰水泥土、纖維粉煤灰水泥土、橡膠水泥土、納米水泥土、水泥二灰土(粉煤灰和石灰)、礦渣水泥土等。

根據(jù)目前復(fù)合水泥土強(qiáng)度的研究現(xiàn)狀，首先闡述復(fù)合水泥土強(qiáng)度影響因素，然后進(jìn)行對(duì)比分析，最后提出結(jié)論。對(duì)于研究新型復(fù)合水泥土具有一定的參考作用。

1 幾種典型的復(fù)合水泥土

復(fù)合水泥土中強(qiáng)度的主要來(lái)源是水和水泥的水化反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)，產(chǎn)生粘聚力，使結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。研究表明，隨著水泥摻量、齡期的增加，復(fù)合水泥土的強(qiáng)度增加。

1.1 纖維水泥土

在水泥土中加入纖維材料，相當(dāng)于加入鋼筋，可以改善水泥土的性能。由于玻璃纖維的抗拉強(qiáng)度大，延伸率低，試驗(yàn)中采用的纖維均采用耐堿玻璃纖維。

在一定范圍內(nèi)，水泥土的強(qiáng)度隨玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，且存在最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%(見(jiàn)圖1)。玻璃纖維長(zhǎng)度的增加可以提高水泥土的抗壓強(qiáng)度(見(jiàn)圖2)［1］。在一定范圍內(nèi)，隨著纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，可以提高水泥土的抗拉和抗折強(qiáng)度［2］。

圖1 玻璃纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

圖2 玻璃纖維長(zhǎng)度對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

1.2 粉煤灰水泥土

粉煤灰具有填充效應(yīng)、水化效應(yīng)、形態(tài)效應(yīng)［3］，且價(jià)格低廉，將粉煤灰加入到水泥土中可以填充水泥土之間的空隙，增加水泥土的密實(shí)度，在一定的條件下，粉煤灰還可以參加水化反應(yīng)，提高水泥土的強(qiáng)度。

水泥土的抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增大而增大［4］。摻入過(guò)量的粉煤灰，會(huì)降低水泥土強(qiáng)度［5］。

1.3 玻璃纖維粉煤灰水泥土

影響玻璃纖維粉煤灰水泥土強(qiáng)度的主要因素有:水泥摻量，粉煤灰摻量，玻璃纖維摻量，齡期。在各個(gè)影響因素中，水泥摻量和齡期對(duì)其的影響最大，粉煤灰摻量次之，玻璃纖維摻量最弱［3］。

在一定范圍內(nèi)水泥土抗壓強(qiáng)度隨粉煤灰摻量的增加而增大，最優(yōu)粉煤灰摻量為8%(見(jiàn)圖3)。由圖4可知，在一定范圍內(nèi)水泥土抗壓強(qiáng)度隨玻璃纖維摻量的增加而增大，最優(yōu)玻璃纖維摻量為 0.07%［3］。

圖3 粉煤灰摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

圖4 玻璃纖維摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

1.4 橡膠水泥土

水泥土的抗壓強(qiáng)度隨橡膠粉摻量的增加而降低(見(jiàn)圖5)［6］。水泥土的動(dòng)強(qiáng)度隨圍壓、置換率的增大而增大，隨著橡膠摻入比的增大而減小［7］。

圖5 橡膠粉摻量對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度的影響

1.5 納米水泥土

目前，應(yīng)用于水泥土的納米材料主要有納米SiO2-x，Al2O3，TiO2等。

影響納米水泥土強(qiáng)度的因素主要有:水泥摻量、納米材料的類型、納米材料摻量、齡期、水灰比、含水量等。其中，水泥摻入比、土的含水量、納米材料摻入比三者對(duì)納米水泥土的強(qiáng)度影響逐漸減弱。以納米鋁水泥土為例，在一定范圍內(nèi)，水泥土的強(qiáng)度隨納米鋁摻量的增加而增大，最佳摻量為7.5‰，納米SiO2-x可大幅度提高水泥土強(qiáng)度，納米TiO2則降低水泥土強(qiáng)度［8］。圍壓對(duì)水泥土強(qiáng)度的影響大于水灰比，隨圍壓的增大納米硅水泥土的抗壓強(qiáng)度增大，并提出存在最佳水灰比［9］。

綜上所述，為提高水泥土強(qiáng)度，加入的外摻劑的作用有:第一，作為加筋材料，比如纖維。第二，作為填充材料，填充水泥土之間的空隙，提高水泥土的密實(shí)度。比如粉煤灰，納米材料。第三，作為反應(yīng)材料，參與化學(xué)反應(yīng)，生成不溶于水的物質(zhì)，提高水泥土的強(qiáng)度。比如粉煤灰、納米材料。第四，作為催化劑，加速水化反應(yīng)，比如納米材料。

2 復(fù)合水泥土對(duì)比

復(fù)合水泥土中的玻璃纖維、粉煤灰、橡膠粉、納米材料等統(tǒng)稱為水泥土的外摻劑，當(dāng)在水泥土材料中加入外摻劑時(shí)，會(huì)影響水泥土強(qiáng)度。

2.1 玻璃纖維水泥土和玻璃纖維粉煤灰水泥土的對(duì)比

由表1可知，粉煤灰的加入使最優(yōu)纖維摻量發(fā)生了變化，纖維摻量對(duì)纖維粉煤灰水泥土強(qiáng)度的影響比纖維水泥土小。粉煤灰的加入使纖維水泥土的前期強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。

表1 纖維水泥土和纖維粉煤灰水泥土對(duì)比

2.2 粉煤灰水泥土和纖維粉煤灰水泥土的對(duì)比

纖維粉煤灰水泥土中存在最優(yōu)粉煤灰摻量，而粉煤灰水泥土在20%以內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加而強(qiáng)度增加。隨著齡期的增大，纖維粉煤灰水泥土對(duì)強(qiáng)度的影響較明顯(見(jiàn)表2)。

表2 粉煤灰水泥土和纖維粉煤灰水泥土對(duì)比

2.3 納米水泥土之間的對(duì)比

根據(jù)納米材料的不同，形成不同的復(fù)合水泥土，最常用的納米材料為納米鋁和納米硅。由表3可知，納米硅和納米鋁均可以提高水泥土的強(qiáng)度，但是納米硅比納米鋁提高的幅度大，隨著齡期的增大，納米水泥土的強(qiáng)度均增大。

表3 納米硅水泥土和納米鋁水泥土對(duì)比

表1～表3中數(shù)據(jù)來(lái)自不同的文獻(xiàn)，由于水泥摻量和標(biāo)號(hào)、齡期、土種類等因素不同，結(jié)果差異較大，僅供參考。

3 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合水泥土的研究是在前人研究的基礎(chǔ)上，不斷探索得到的成果，目前所研究的納米材料仍然有限。

對(duì)于目前復(fù)合水泥土的研究提出以下幾點(diǎn)建議:第一，目前的研究層面較淺，不夠全面。如對(duì)復(fù)合水泥土的滲透特性、剪切特性、耐久性等其他性質(zhì)研究不足。第二，通過(guò)宏觀試驗(yàn)和微觀試驗(yàn)觀察復(fù)合水泥土中各個(gè)成分的影響效果，得到準(zhǔn)確客觀的作用機(jī)理，并考慮可否與其他材料結(jié)合，形成新型復(fù)合水泥土。第三，將研究成果推廣到其他行業(yè)中，以滿足更多行業(yè)需求。目前，關(guān)于復(fù)合水泥土的研究仍具有重要意義。

［1］彭紅濤，莫永京，雷廷武，等.玻璃纖維對(duì)水泥土抗壓和抗拉強(qiáng)度的影響［J］.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，5(4):105-108.

［2］李云峰，李志國(guó)，鄭 剛.纖維水泥土力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.建筑科學(xué)，2004，20(6):56-60.

［3］赫文秀，申向東.玻璃纖維粉煤灰水泥土的力學(xué)特性［J］.公路交通科技，2012，29(3):12-16.

［4］龐文臺(tái).摻合粉煤灰的復(fù)合水泥土力學(xué)性能及耐久性試驗(yàn)研究［D］.內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

［5］侯永峰.循環(huán)荷載作用下水泥復(fù)合土變形性狀試驗(yàn)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(3):30-33.

［6］王鳳池，燕 曉，劉 濤，等.橡膠水泥土強(qiáng)度特性與機(jī)理研究［J］.四川大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，42(2):46-51.

［7］李慶冰.橡膠水泥土動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究［D］.沈陽(yáng):沈陽(yáng)建筑大學(xué)，2010.

［8］李 剛.納米水泥土工程形狀研究［D］.杭州:浙江大學(xué)巖土工程研究所，2003.

［9］王立峰.納米硅水泥土抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)研究和作用機(jī)理分析［J］.科技通報(bào)，2012，28(7):102-129.