纤维水泥土特性的研究进展_丁玥.pdf

通过对纤维水泥土材料特性及其研究进展进行分析，发现纤维种类、土质及环境条件三个方面会影响其力学性能和耐久性能 结合纤维水泥土微观形态的改变，表明上述因素主要通过纤维的抗拉性和填充土颗粒间的空隙进一步改善其性能 所得结论可为这类绿色建筑材料在工程领域的广泛适用及性能提高提供借鉴关键词：水泥土；纤维水泥土；力学特性；微观机理中图分类号：文献标识码：文章编号：（）随着社会经济与科技水平的不断发展，国家基础设施建设进程不断深化，对工程建设材料也提出了更高的要求在工程建设领域中，为最大程度地合理利用资源并达到最高能效，通常会将纤维、水泥掺入土中混合制成纤维水泥土使用常见的纤维材料包括玄武岩纤维、聚丙烯纤维和玻璃纤维等，此外还可以利用玉米秸秆纤维、麦秸秆纤维和剑麻纤维等植物纤维进行土壤加固近年来，国内外学者不断研究纤维掺入土中的利用效率及拓展应用领域的方法 沈圆顺等研究了纤维水泥土的路用性能，实验结果表明纤维在素土和石灰土中可以改善变形，在水泥土中改善强度的效果更好；黄钰程等将聚丙烯纤维和水泥作为处理重金属污染土壤的有效方法，通过试验验证了聚丙烯纤维水泥土作为路基替代填料的可行性；为促进纤维水泥土在农业领域的发展，莫永京等通过研究冻融循环和干湿循环下的抗压、抗渗及变形特性，证明了玻璃纤维水泥土可以应用于集雨面；等针对玄武岩纤维混凝土在隧道中抗断裂性能，建立了隧道结构的土结构有限元模型，通过扫描电镜试验和力学试验证实玄武岩纤维可以利用到穿越断层隧道工程的设计中；等利用玄武岩纤维易于加工和回收的特点，基于材料用作分散钢筋的原理提出利用废玄武岩纤维替代纤维混凝土添加剂的可能性；为解决秸秆消耗问题，牛雷等把短切玉米秸秆纤维与玄武岩纤维作比较，发现 天内两者改善水泥土的强度效果相差不大，短期内玄武岩纤维可以被玉米秸秆所代替，但过量的纤维会使强度低于素水泥土的强度；张俊等针对砂土选择 的聚丙烯纤维进行加固，研究出水泥土还能用在简易机场的建设中；在基坑工程方面，针对深基坑软土，张艳军等采用石棉纤维和粉煤灰加固的方法解决了这类材料无法满足地基性能的问题，随着纤维掺量增加，试块黏聚力与内摩擦角都有不同程度的增加，结合抗压抗拉试验得出的纤维为最优掺入比，同时得出改变粉煤灰含量可以改善纤维掺量的结论；等在石灰粉煤灰稳定土中掺入 剑麻纤维和石灰进行试验，发现纤维夹杂物显著提高了土的延性和抗压强度，当应用低纤维含量的复合材料时，预压缩可以改善其力学性能；武朝光等 利用 软件建立了纤维水泥土搅拌桩的基坑支护模型，与水泥搅拌桩对比得出采用纤维水泥土在基坑最大水平位移、最大沉降及桩体最大水平位移方面都具有一定程度收稿日期：基金项目：年安徽省高校自然科学研究项目（重大项目）“地铁荷载下膨胀土动力特性及模型研究”，编号：；年安徽省质量工程项目“基础工程（线上线下混合式和社会实践课程）”，编号：；年合肥学院研究生创新项目“麦秸秆纤维水泥土强度及电阻率影响研究”，编号：作者简介：丁玥（），女，安徽蚌埠人，合肥学院城市建设与交通学院在读硕士研究生，研究方向：绿色建筑材料；徐亚利（），女，安徽淮北人，合肥学院城市建设与交通学院教授，土木工程系副主任，岩土工程博士，研究方向：岩土材料力学特性及本构关系DOI:10.13834/ki.czsfxyxb.2023.01.008的提高；针对沿海地区水泥土的固化问题，马惠彪等 在海水混浆的条件下分别研究了纤维长度和龄期对水泥土的影响，先借助拉拔实验得出拉拔力与纤维长度和龄期呈正相关，最优长度为，然后建立模型分析粘性接触下纤维与水泥土基体存在相互作用上述研究体现了多种应用领域下不同纤维种类、不同环境及不同土质等因素都会影响纤维水泥土的特性 为提高水泥土的工程应用性，需要对纤维水泥土的特性有更深入的了解 因此，本文从纤维水泥土的力学性能、耐久性能和微观机理三个方面分析不同因素对水泥土特性的影响，借此探索改善此类绿色建筑材料在不同应用领域的方法，提高利用效率纤维水泥土的力学性能研究现状诸多研究表明：加入一定量的纤维能提高水泥土的强度，并且不同种类纤维的改善效果不同 对于掺入玻璃纤维，阮波等 针对淤泥质土进行无侧限抗压强度试验，通过掺入，和不同长度的玻璃纤维，得出加入纤维后水泥土的延性和残余强度得到提高，且最优纤维长度为，最优纤维掺入量为；后续又对聚丙烯纤维水泥土的抗折强度进行研究，影响抗折强度的因素由大到小依次为土样含水率、纤维掺量、水泥掺量及纤维长度 李丽华 针对黏土得出纤维水泥土的龄期越长，无侧限抗压强度越高，在 达到峰值后趋于稳定 掺入 的玻璃纤维和的水泥后无侧限抗压强度从 变为 ，提高了 倍 等 采用玻璃纤维加筋的方法，借助无侧限抗压试验和拉拔试验，研究水泥土的含水量、水泥含量和养护时间对界面粘结强度的影响，得出界面粘结强度随水泥含量的增加呈指数增长，随含水量的减少呈指数下降，随养护时间的延长呈下降趋势，创建的模型有利于加筋水泥土的设计殷勇等 通过无侧限抗压试验、劈裂抗拉试验及三轴压缩试验分析玻璃纤维对水泥土力学性能的增强效果，试验表明掺入玻璃纤维后对水泥土的抗压、抗拉和抗裂性能的提高效果明显，同时能够进一步减少变形苏红军 先通过劈裂抗拉强度试验对玻璃纤维水泥土的纤维掺量、水泥掺量、龄期和含水率开展研究，发现纤维水泥土的劈裂抗拉强度与纤维掺量、水泥掺量、龄期呈正相关，与含水率为负相关关系，然后结合灰色关联理论得出影响程度由高到低为水泥掺量、含水率、龄期和纤维掺量对于掺入玄武岩纤维，由于水泥土路基抗拉性能低且易收缩开裂，多雨道路在车辆荷载和雨水的作用下会发生不同程度的变形，陈猛 针对此类问题研究淤泥质黏土在干湿循环条件下的力学强度变化规律，湿次数为次时，力学强度达到最大值 不同水泥掺量的纤维水泥土在干湿多次后抗压强度相应降低，间接抗拉强度与不做干湿循环的试块持平，若增加水泥掺量抗压强度会随水泥掺量有所增加，但仍低于干湿次的力学强度基于实际工程中会出现纤维水泥土加固的地基周围机械开挖或爆破施工的情况，马芹永等 针对纤维水泥土的动力学特性开展不同纤维掺量水泥土的冲击压缩及动态劈裂试验，水泥土吸收能随着纤维掺量增大而增大，超过最佳掺量 后吸收能呈降低趋势 等 通过泌水、流动、劈裂拉伸试验等探讨了玉米壳纤维对高含水量水泥土性能的影响 在含水量相同时，水泥和纤维含量是影响泌水率和流量值的主要因素，两者的增加会导致流动值和泌水率降低 对于力学性能，由于纤维掺量的增加及纤维与水泥土颗粒之间接触面积的增加，使得泥土抗压抗拉强度提高通过分析能量吸收也得出，随着应变的增加，纤维对能量吸收应变的改善作用逐渐明显对于钢纤维，针对梁柱接头和剪力墙等容易发生剪切破坏的情况，等 采用改进的双平面直剪试验研究定向钢纤维增强剪切性能的变化规律，试验得出钢纤维水泥土有更好的抗剪能力和剪切变形能力；当钢纤维的体积分数在 范围内时，钢纤维的排列使剪切强度、模量和韧性分别提高，和，同时论证出定向排列比随机排列的抗剪性能有所提高 等 研究不同长度的钢纤维、聚丙烯纤维和聚烯烃纤维共七种纤维对纤维加固水泥砂（，）的力学性能的影响，通过比较个参数即提高峰值强度比、脆性指数、改善变形比、提高韧性比、韧性指数和强度指标得出，钢和聚烯烃纤维具有高剪切抗力，钢纤维对峰值强度的提高效果最好 等 将水泥、粉煤灰和钢纤维掺入土中研究路基施工的加州承载比（，），试验表明水泥和粉煤灰有利于改善塑性较低和细粒含量较高的土壤性质，范围内的水泥可以显著改善其塑性，钢纤维可以提高 值，因此粉煤灰钢纤维水泥土可以作为路面路基土的替代材料部分学者的试验方案如表所示，水泥掺量多集中于，可能考虑到过多的纤维易缠绕成纤维团，对力学性能没有改善作用，故纤维掺量大部分取值在以下表纤维水泥土力学性能试验方案作者样本尺寸水泥掺入量土壤类型纤维种类纤维掺量纤维长度养护期龄阮波 长宽高：淤泥质土、复合硅酸盐水泥玻璃纤维，阮波 长宽高：，湖南某工地、级复合硅酸盐水泥聚丙烯纤维，李丽华 直径 高度 ，黏土、玻璃纤维，殷勇 抗压抗拉：长宽高 三轴试验：直径 、高 的圆柱体，盐城地区软黏土、海螺 复 合 硅 酸 盐水泥无碱短切玻璃纤维，陈猛 直径 高度，淤泥质土、级普通硅酸盐水泥玄武岩纤维，马芹永 直径 高度 普通硅酸盐水泥玄武岩纤维，长宽高：水砂比:级普通硅酸盐水泥钢纤维，等效直径、长径比 纤维水泥土的耐久性能研究当纤维水泥土应用于工程时，要考虑材料抵抗自身和环境的长期破坏 为保证工程质量安全与寿命，研究纤维水泥土的耐久性至关重要部分学者对耐久性能的试验方案如表所示表纤维水泥土耐久性能试验方案作者样本尺寸水泥掺入量土壤类型纤维种类纤维掺量纤维长度固化条件耐久性指标许巍 直径 高度；直径 高度 高液限黏土、低液限黏土无碱玻璃纤维，飞散、磨耗张洁 直径 高度，狮头牌 普通硅酸盐水泥聚丙烯纤维，盐 溶 液，浓度 质量损失率、无侧限抗压强度 直径 高 ，水泥土玉米纤维，相对湿度短期耐久性徐丽娜 徐丽娜 徐丽娜 徐丽娜 徐丽娜 长宽高：长春市基坑土短切玄武岩纤维冻融循环周期分别，次 长春市边坡土玄武岩纤维，低液 限 黏 土 和 含细粒砂土短切玄武岩纤维 抗压强度、强度损失率长春市基坑土玄武岩纤维 种浓度 溶液浸泡和干湿循环作用（次）吉林 省 净 月 区 某基坑土短切玻璃纤维，冻融循环周期，次强度损失率许巍 针对水泥土在简易机场中路面基层易遭受水侵蚀的情况，采取玻璃纤维加筋处理，取三亚土和西安土对不同纤维掺量及纤维长度的纤维水泥土进行飞散性和磨耗试验，得出玻璃纤维可以使水泥土的抗飞散性和水稳定性提高，纤维掺量、长度 时效果最好；同时耐磨耗性能也有所提高，当纤维掺量、长度 时效果最好 张洁 研究了聚丙烯纤维掺量对水泥土干湿循环耐久性能的影响，当纤维掺量在 的范围内时，掺量越多水泥土抵抗干湿循环作用的能力越强 等 将玉米纤维掺入水泥土探究短期耐久性，得出在干湿循环条件下，纤维有助于限制裂纹的出现与扩展针对季节性冻土区，徐丽娜等 掺入 的玄武岩纤维，经过 次冻融循环作用后，纤维可以有效增强水泥土的强度；通过比较轴向应变，发现纤维可以改善抗破坏性能，提高水泥土的韧性，最优纤维长度为；纤维水泥土的无侧限抗压强度虽然随冻融循环次数增加而降低，但仍大于素水泥土，破坏模式也由脆性变为延性破坏，这些结果说明纤维的加入对抗冻能力起到了积极的作用 为进一步落实纤维水泥土的应用，徐丽娜等 选取长春市两种土壤继续探究土的性质对纤维水泥土力学性质的影响，发现黏性土的抗冻融效果优于砂土，但两者都比未添加纤维的水泥土抗冻性能高；掺入纤维的水泥土在强度损失方面也表现出较好的效果；之后将纤维水泥土浸泡在 溶液中研究干湿循环耦合作用下的力学特性，发现玄武岩纤维具有抵抗水泥土被破坏、增强抵抗盐溶液和干湿循环共同作用的能力；然后针对提高寒冷地区水泥土的抗冻性能问题进行了研究，发现在水泥土内部形成网状结构的玻璃纤维可以有效减少裂纹的产生与扩展，增加水泥土的联结，达到改善水泥土抗冻性的目的，但纤维长度对其无明显影响 由此可知，纤维水泥土具有抵抗环境侵蚀的能力，尤其在抗冻方面，经过一系列实验研究得出纤维加筋的方法改善抗冻性能的原理纤维水泥土的微观机理研究陈峰 通过扫描电子显微镜试验分析了抗渗性得以提高的原因，玄武岩纤维填充土颗粒之间的空隙后，结构变得更致密，纤维表面的晶体与孔隙的晶体相互联结增强了土颗粒与纤维的黏结力高常辉 观察到 的龄期下不同纤维掺量的水泥土都生成了水泥水化产物，验证了玄武岩纤维的拉筋阻裂作用刘永翔 借助扫描电子显微镜探究得到掺入 聚丙烯纤维时填补了空隙，水泥土强度得到提高；纤维掺入量达到 后可发现，逐渐增加的纤维不仅不会提高水泥土强度，反而因为纤维间的摩擦阻力小于纤维与土体之间的摩擦阻力导致水泥土强度降低以上学者均观察到水泥土中土颗粒间存在较多的空隙和孔洞，通过研究微观结构得出纤维水泥土中的纤维可以填充土团颗粒之间的空隙，另外纤维与水泥的水化产物胶结，凝胶物质对纤维形成锚固作用，从而提高了水泥土的强度对于棉花秸秆纤维水泥土，吴发红 探讨了冻融循环作用下抗压强度劣化问题，通过冻融循环试验、值测试并观察微观形貌，得出提高纤维水泥土强度以及破坏时产生应变的原因，即降解之前土体和水泥晶体产生的锚固作用阻止了筋土界面颗粒发生相对位移和错动杨娇 研究了棉花秸秆纤维水泥土的分布情况，通过分析干湿循环和冻融循环下强度的衰减机理，证明其具有应用于临时支护体系的可行性 两位学者都提出棉花秸秆纤维在水泥土中具有应用的可能性朱亚兰 借助扫描电子显微镜和 （）数字图像技术，发现粉煤灰能够提高纤维水泥土强度的主要原因在于其能促进水泥在土中的水化速度和填充孔隙，在此基础上加入纳米粘土后进一步填充孔隙，并进行水泥水化反应，继而提高水泥土的力学性能 陆元鹏 针对硫酸钠溶液和冻融循环对玻璃纤维粉煤灰水泥土的影响机理分别进行了分析，发现随着硫酸钠溶液浓度的增加，粉煤灰发生化学反应逐渐使纤维水泥土形成整体因此强度提高，但在 的浓度下，水化氯硅酸钙产物的出现会影响水泥土的强度；对于化学性质稳定的玻璃纤维，随着溶液浓度的增加，水泥土的抗变形能力有所提高，但在 的高浓度下，土体出现空洞纤维导致强度降低 两位学者通过在水泥土中掺入适量的粉煤灰，发现粉煤灰的促进作用可以进一步改善水泥土的力学性能冯波 选取 龄期的素水泥土、木粉水泥土和木丝水泥土从微观角度进行对比分析，掺入木粉后水泥土的结构变得松散，水泥水化产物、土颗粒和木粉结合效果相较素水泥土变弱，而木粉的吸水性特质直接影响干容重，故掺入木粉并没有对水泥土的强度起到提高的效果 掺入木丝的水泥土在结构方面的连接比素水泥土更加致密，两者相互作用不仅提高了水泥土的强度还可以减少裂缝的产生，但木丝掺量不宜过多 将微观机理与抗压强度对照发现水泥土早期强度提高的一个原因是木丝内部存在导管，水和 通过导管运输流通促进了水泥水解水化反应，从而对水泥固化有促凝的效果姚鑫 借助扫描电子显微镜结合能谱仪、射线衍射和热重试验，分析不同龄期下黄麻纤维水泥土和聚乙烯醇（，）纤维水泥土的界面形态 由于黄麻纤维与 纤维两者本质结构不同，在初期粘结方面黄麻优于 在 龄期时两者都对裂后延性与韧性有一定的提高，但纤维掺量不宜超过，否则会降低粘结效果 龄期时两者与水泥土结合紧密形成整体，由于粘结强度和摩擦力的提高，进一步提升水泥土的强度吴亚明 针对二次纤维增强水泥土探究不同纤维掺量和不同龄期的水泥土的固化机理，发现掺入纤维时部分纤维相互缠绕，无法有效与水泥土粘结，导致强度降低 通过电镜图发现，随龄期变化，增多的水泥胶结产物与纤维相互粘结使得强度持续增强 将二次纤维水泥土施加荷载后，纤维逐渐出现被拔断或拔出的现象，强度呈下降趋势利用微生物诱导碳酸盐沉积进行探究，得出巴氏芽孢杆菌诱导生成的碳酸钙沉淀逐渐填充水泥土中孔隙，同时也改善了颗粒间的粘结性，这一方法使水泥土抗压强度进一步提高结论与建议（）纤维在水泥土的抗压、抗拉及抗剪方面都有一定的改善作用，且纤维对能量吸收应变的改善作用也很明显，但掺量和长度不宜过高，否则会使纤维水泥土的性能降低甚至低于一般水泥土，即纤维水泥土存在最优纤维掺入比（）通过分析发现纤维提高水泥土强度的主要原因为：一是填充了土颗粒之间的空隙，并且与水泥水化物进行粘结形成一个整体；二是因为纤维具有抗拉性，能使水泥土在受到外力荷载后断而不裂（）从土体的化学性质出发，可以掺入微生物或者其他能与纤维水泥土反应的物质，通过生成物填充孔隙或者提高粘结度与摩擦力，进一步改善纤维水泥土的特性（）对于纤维的掺入方向，定向排列相较于随机排列在抗剪能力上有更明显的效果，在后续的研究中可以将这种方法推广到其他种类的纤维及特性研究中参考文献：沈圆顺，刘玖壮，郭丽丽纤维土作为路用材料的试验研究建筑材料学报，（）：，（）：莫永京，彭红涛，雷廷武，等玻璃纤维水泥土集雨面物理性能的试验研究农业工程学报，（）：，（）：，：，：牛雷，徐丽娜，田伟，等 玉米秸秆纤维与玄武岩纤维加固水泥土力学性质对比分析 科学技术与工程，（）：张俊，翁兴中，刘军忠，等复合固化砂土力学及水稳性能试验研究材料导报，（）：张艳军，于沉香，凌飞，等 石棉纤维粉煤灰水泥加固软土试验研究 工程地质学报，（）：，（）：武朝光，阮波 纤维水泥搅拌桩数值模拟分析 铁道科学与工程学报，（）：马惠彪，黄柳青，李强 海岛地区海水混浆短纤维加筋水泥土的试验特性研究 浙江海洋大学学报（自然科学版），（）：阮波，邓林飞，马超，等 纤维水泥土无侧限抗压强度试验研究 铁道科学与工程学报，（）：阮波，邓林飞，马超，等 纤维水泥土抗折强度的正交试验研究 铁道科学与工程学报，（）：李丽华，万畅，梅利芳，等玻璃纤维水泥土无侧限抗压强度特性研究武汉大学学报（工学），（）：，（），（）：殷勇，于小军 玻璃纤维水泥土力学性能试验研究 工程勘察，（）：苏红军 玻璃纤维水泥土劈裂抗拉强度影响因素试验研究 路基工程，（）：陈猛干湿循环条件下玄武岩纤维水泥土力学强度试验研究粉煤灰综合利用，（）：马芹永，高常辉 冲击荷载下玄武岩纤维水泥土吸能及分形特征 岩土力学，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：许巍，刘军忠，张俊 玻璃纤维加筋水泥土耐久性试验研究 铁道科学与工程学报，（）：张洁聚丙烯纤维水泥土抗压强度及干湿循环耐久性能试验研究中外公路，（）：徐丽娜，牛雷，郑俊杰 季冻区玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度试验 土木工程与管理学报，（）：徐丽娜，牛雷，张颖，等冻融循环作用下玄武岩纤维水泥土力学性质研究工业建筑，（）：徐丽娜，牛雷，张婷，等冻融循环作用下土的性质对纤维水泥土力学性质的影响科学技术与工程，（）：徐丽娜，邓皓允，牛雷，等盐干湿循环作用下低温养护纤维水泥土的力学性能试验研究土木与环境工程学报（中英文），（）：徐丽娜，牛雷，张婷玻璃纤维水泥土抗冻性能试验研究建筑结构，（）：陈峰，童生豪，任健华，等玄武岩纤维水泥土的抗渗性能研究深圳大学学报（理工版），（）：高常辉玄武岩纤维水泥土 试验与微观结构分析淮南：安徽理工大学，刘永翔，张经双，段雪雷聚丙烯纤维水泥土强度增长机理分析中国科技论文，（）：吴发红，孙浩，刘超，等冻融循环条件下棉花秸秆纤维水泥土抗压强度劣化研究新型建筑材料，（）：杨娇棉花秸秆纤维水泥土作为支护体系的可行性研究苏州：苏州科技大学，朱亚兰复合纤维水泥土的无侧限抗压强度特性与微观机理研究绍兴：绍兴文理学院，陆元鹏玻璃纤维复掺粉煤灰水泥复合土耐久性研究呼和浩特：内蒙古农业大学，冯波沙柳纤维水泥土力学性能及耐久性能的研究呼和浩特：内蒙古农业大学，姚鑫黄麻 纤维水泥土力学及抗裂性能研究太原：太原理工大学，吴亚明 两种改性水泥土的制备与力学性能研究 徐州：中国矿业大学，（，）：，：；责任编辑：武玉琳