纖維水泥土強度與抗滲性能試驗研究★

王千禧，姜 鵬，劉林慶，秦敬平

(棗莊學院，山東 棗莊 277160)

0 引言

水泥與第四紀黏土原位機械攪拌混合形成水泥土，具有一定的強度和較好抗滲性能，被廣泛應用于軟土地基的處理[1-2]、止水帷幕[3-4]、邊坡工程[5-6]等領域。然而，大量工程實踐與研究[7-9]發現，水泥土抗裂性能較差，收縮變形大，容易受地下水侵蝕造成滲透等問題，其應用存在一定局限性，因此，如何改善上述問題，成為水泥土研究的熱點之一。

纖維作為一種抗拉性和黏聚性能較強的材料，許多研究學者提出在水泥土中摻入纖維來提高水泥土強度及變形能力，并進行了相關試驗。宋金巖等[10-12]開展了玻璃纖維加筋土的抗拉強度和抗壓強度的力學性能試驗，對玻璃纖維長度、摻入量對加筋土強度的影響進行了分析，并提出了玻璃纖維加筋土的強度指標經驗公式；Namdar等[13]探究了尼龍纖維對水泥土強度的影響，并得出尼龍纖維最佳摻入量為0.3%；陳燕平[14]探究不同土質及不同水泥摻入比的水泥土無側限抗壓強度室內試驗，總結和驗證相關影響因素對水泥土無側限抗壓強度的影響程度；陳峰[15-17]研究了玄武巖纖維對水泥土抗壓、抗拉強度及變形性能的影響，嘗試建立了玄武巖纖維水泥土拉壓強度關系式，然而，上述研究多針對纖維加入后水泥土的力學性能開展研究，未對其抗滲性能開展深入研究。

本研究通過開展不同纖維摻入量試驗，研究玻璃纖維和玄武巖纖維對水泥土物理力學性能和抗滲性能的影響，獲得增強纖維水泥土抗滲性能和物理力學性能，纖維最優摻入量，為降低施工成本，保護生態環境，保障人民生命財產安全，具有一定的科學意義與應用價值。

1 試驗概述

1.1 試驗材料

1)土樣：所用土來自中國棗莊市某工地淤泥質土，濕密度為1.941 5 g/cm3，干密度1.938 1 g/cm3。將原裝土樣用小刀削成薄片狀托盤承裝，在烘干箱內高溫烘8 h以上直至烘干為止，并用木錘擊碎過1 mm孔徑篩子。

2)纖維：無堿玻璃纖維和玄武巖纖維，纖維形態如圖1，圖2所示，性能參數見表1。

表1 纖維性能參數

3)水泥：采用山東順興水泥股份有限公司生產P.O42.5 普通硅酸鹽水泥，性能指標如表2所示。

表2 水泥性能參數

4)測試儀器：采用長春儀器廠生產的CSS-881型無側限壓縮儀(見圖3)，應力環量程10 kN～30 kN，精度1 kN，測試試樣單軸無側限抗壓強度，采用SS-25型水泥土滲透系數測定儀全自動抗滲儀(如圖4所示)測試試樣滲透系數。

1.2 試驗方案

根據JGJ/T 233—2011水泥土配合比設計規程進行試驗[18]，通過單因素室內試驗，開展兩類纖維不同摻入量的水泥土物理力學性能和抗滲性研究，玻璃纖維和玄武巖纖維摻入量分別為水泥土重量的0%，0.5%，1%，1.5%和2%，水泥摻量為土重量的20%，如表3所示。

表3 試驗內容 %

按比例稱量水泥土按水灰比(質量比)1∶1，配置水泥土漿，并與纖維攪拌均勻，裝料前，模具內涂抹脫模劑，裝料后，使用水泥膠砂振動臺上振動密實并刮平試樣表面。試樣成型24 h后，進行拆模、編號，標準養護28 d。抗滲試樣每個配合比均制作3個試樣，無側限抗壓強度試樣每個配合比均制作6個試樣，試驗結果取各配比測試結果的算數平均值(見圖5～圖7)。

2 試驗結果分析

2.1 纖維水泥土無側限抗壓強度結果分析

1)玻璃纖維摻入量對水泥土無側限抗壓強度影響分析見圖8。

從圖8可知，玻璃纖維水泥土無側限抗壓強度隨纖維摻入量增加而增加，抗壓強度與纖維摻入量的關系成正相關；在纖維摻入量較少的情況下，玻璃纖維水泥土抗壓強度隨纖維摻入量的增加提高幅度較小，當玻璃纖維水泥土纖維摻入量由1.5%增加至2%時，無側限抗壓強度由2.62 MPa提升至2.74 MPa，較未摻入纖維的水泥土抗壓強度提高6.17%。

未摻入纖維的水泥土試樣破壞形式為剪切破壞，試樣破壞時存在明顯的破裂面。摻入纖維后，試樣的破壞主要是鼓脹破壞，試樣外形勻稱，呈腰鼓狀，剪切面纖維交織成網狀，如圖9所示，纖維與水泥土之間有良好的拉結力和機械咬合力，整體性比較好。

2)玄武巖纖維摻入量對水泥土無側限抗壓強度影響分析。

如圖10所示，玄武巖纖維水泥土抗壓強度隨纖維摻入量增加而減小，抗壓強度與纖維摻入量的關系成負相關。1.5%的玄武巖纖維摻入量較其他的玄武巖纖維摻入量水泥土的無側限抗壓強度降低最大，較摻入量為0%的水泥土抗壓強度相比平均降低32%。

玄武巖纖維降低水泥土抗壓強度，主要由于玄武巖纖維的摻入，降低了水泥土的和易性，成型質量降低。同時，隨著玄武巖纖維摻入量的增加，纖維產生團聚現象，受力后，試塊易在纖維團聚處形成貫通的裂縫，水泥土強度降低。

2.2 纖維水泥土抗滲性能結果分析

本試驗按水壓力法測定纖維水泥土的滲透系數[19]，滿足達西定律使用條件，因此，滲透系數kT按式(1)計算：

(1)

其中，kT為水溫T℃時水泥土滲透系數，精確至0.01×10-ncm/s；t為時間間隔，精確至1 s；A為試件中部橫截面積，精確至0.1 cm2；h為滲徑，即試件高度，精確至0.1 cm；V為經時間間隔t滲出的水量，精確至0.1 mL；i為水力梯度，精確至0.01；p為施加的滲透壓力，精確至0.02 MPa；γw為水的重度，取0.009 8 N/cm3。

1)玻璃纖維摻入量對水泥土抗滲性能的影響和分析。

如圖11所示，隨著玻璃纖維摻入量增加，水泥土的滲透系數降低，水泥土的抗滲性能增強。摻入玻璃纖維后水泥土的內部裂縫減少，孔隙率降低，提高了水泥土的密實度和整體性。當玻璃纖維纖維摻入量達到0.5%，滲透系數為4.13×10-6cm/s，纖維限制水滲透的能力提高急劇增加，當纖維摻入量為0.5%～1.5%，滲透系數隨纖維摻入量的增加減小幅度減小，當纖維摻入量為2%，滲透系數為2.02×10-6cm/s，試樣滲透系數減小幅度再次增加，因此，當纖維的摻入量2%時，抗滲性能最佳。

2)玄武巖纖維摻入量對水泥土抗滲性能的影響和分析。

如圖12所示，隨著玄武巖纖維摻入量增加，水泥土的滲透系數降低，即水泥土的抗滲性能增強。當玄武巖纖維摻入量達到1.5%時，滲透系數為4.86×10-6cm/s，滲透系數隨纖維摻入量的增加幅度減小，水泥土滲透系數的下降呈減緩趨勢。因此，本著經濟適用和抗滲性能最佳的原則，玄武巖纖維最佳摻入量為1.5%。

綜上所述，玻璃纖維與水泥土之間有良好的拉結力和機械咬合力，整體性比較好，可改善水泥土側限抗壓強度，增強水泥土抗滲性能；玄武巖纖維產生團聚現象，降低水泥土強度，但是可提高其抗滲性能。

3 結論

經過對玻璃纖維水泥土和玄武巖纖維水泥土無側限抗壓強度試驗和抗滲性試驗，獲得以下結論:

1)玻璃纖維水泥土無側限抗壓強度隨纖維摻入量增加而增加，抗壓強度與纖維摻入量的關系成正相關，剪切面纖維交織成網狀，摻入量為2%時抗壓強度平均提高幅度在6.17%；玻璃纖維水泥土滲透系數隨纖維摻入量的增加逐步降低，水泥土抗滲性能逐步增強，2%摻入量的玻璃纖維水泥土抗滲性能最優。

2)隨著玄武巖纖維摻入量的增加，纖維產生團聚現象，受力后，試塊易在纖維團聚處形成貫通的裂縫，水泥土強度降低。其中摻入量1.5%時，抗壓強度平均降低幅度達32%，降低幅度較大；玄武巖纖維可降低水泥土滲透系數，增強水泥土抗滲性能，當纖維摻入量大于1.5%時水泥土抗滲性會隨著纖維增加而呈現出減緩趨勢，1.5%摻入量的玄武巖纖維水泥土抗滲性最佳。