纤维水泥土力学性能与微观机理研究论文
摘要:水泥土是水泥、土和水等物体混合，经压实和养护后形成的一种硬化材料，但是水泥土存在抗拉性能差等缺点，需对其进行改性。纤维作为一种增强性能的材料，将其加入水泥土中，能有效改善水泥土的缺点，受到了广大学者们的关注。本文分别从宏观和微观的角度对纤维水泥土的宏观力学性能和微观机理进行总结，并指出当前存在的问题，为广大学者研究纤维水泥土提供参考。
关键词:纤维水泥土;力学性能;微观机理
水泥土是水泥、土和水等物体混合，经压实和养护后形成的一种硬化材料，具有坚硬性、水稳性、低压缩性、低渗透性等优点，同时又具有费用低、施工方便等优越性，在地基处理、基坑围护、斜坡加固、渠道防渗衬砌、预制建筑材料等工程领域中得到广泛应用［1］。但是，水泥土仍被划分为脆性材料的行列，因为它的抗拉强度和抗折强度都很低，这些弊端阻碍了水泥土的推广，不少学者采用一些强度补强措施来改善水泥土的缺点。其中，纤维具有高的抗拉性、耐久性强等特点，被应用于改善水泥土的工程环境中。通过掺入纤维，水泥土各个方向都受力，是一种均匀复合的可以看成各向同性的材料，不少学者对其进行了力学试验分析，其中包括无侧限抗压试验、抗拉试验以及剪切试验，都认为掺入纤维能有效提高水泥土的强度和改善水泥土的破坏韧性。本文从纤维水泥土力学特性和微观机理两个方面进行概述，对近年来学者们关于纤维水泥土的研究进行概括总结，并指出当前纤维水泥土存在的问题，为今后广大学者对纤维水泥土提供参考。
1纤维水泥土工程力学特性
1．1纤维水泥土的抗压强度
无侧限抗压强度试验是目前较为直接测试土体抗压强度的测试方法。唐朝生等［2］通过将聚丙烯纤维掺入至软土中，发现在水泥土中掺入少量的纤维能有效提高水泥土的抗压强度，且抗压强度随着纤维的掺入量增加而成正比;张鹏远等［3］通过掺砂量和聚丙烯酰胺纤维对土体进行加固，结果表明掺砂量和聚丙烯酰胺纤维能明显的影响纤维水泥土的强度，在掺砂量为12%和聚丙烯酰胺纤维掺量为6%时，其无侧限抗压强度最大;Tang等［4］通过对纤维水泥土进行试验，发现纤维水泥土的'残余、峰值强度都随着纤维掺量的增加而增加。
1．2纤维水泥土的抗拉强度
由于存在抗拉性能差等缺点，采用纤维加筋技术弥补这些缺点成为近些年来学者的研究重点。Sobhan和Mash-nad［5］研究了试样抗拉强度，分析了纤维掺入量、纤维长度和水泥掺入量对试样的抗拉强度的影响，表明在试样中掺入纤维后，其抗拉强度和挠曲强度得到了较大程度的提高，且通过试验发现纤维长度对试样强度的影响较大;陈峰［6］对不同配比的玄武岩纤维水泥土进行劈拉试验，研究结果表明，玄武岩纤维的掺入能提高水泥土试件的抗拉强度，但并非纤维的掺入量越多越高，而是存在一个纤维最优掺入比的问题;Alrashidi等［7］通过对纤维水泥土开展一系列试验，发现纤维加筋能有效限制水泥土的裂隙发展，因而能阻止水泥土的拉伸。
1．3纤维水泥土的抗剪强度
Tang等［4］通过直剪试验研究纤维水泥土的抗剪强度时，发现在水泥土中掺入纤维能够更好的发挥纤维加筋作用;张艳军等［8］通过将不同纤维掺量的石棉纤维掺入到粉煤水泥复合土中，同时对其进行直剪试验，试验结果表明当石棉纤维掺量为3%～6%时，石棉纤维水泥复合土的粘聚力与内摩擦角均有不同程度的增加，纤维掺量存在最优掺量;殷勇［9］通过将玻璃纤维掺入水泥土环境中，通过三轴试验发现在水泥土中掺入玻璃纤维可显著提高水泥土的抗剪强度参数。
2纤维水泥土的加筋机制
在水泥土环境中掺入纤维，能显著提高水泥土的抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度等力学性能。目前，不少学者认为在素土中掺入纤维存在交织机理和弯曲机理，因而能显著提高土体的强度和改善土体的破坏韧性。而相对于在纤维加筋素土，纤维加筋水泥土的加筋机制的研究较少。唐朝生［10］采用微观测试手段从纤维水泥土中的筋/土界面相互作用角度出发，研究其加筋效果，认为筋/土界面作用力以黏结力为主，主要是纤维与水泥水化产物发生作用。唐朝生研发了单根纤维拉拔试验装置，开展了一系列拉拔试验，对不同水泥掺量及养护龄期下的单根纤维加筋土试样进行研究，结果表明，在水泥土中加入纤维能明显的提高筋/土界面剪切强度，随水泥掺量和养护龄期的增加而增加，且水泥土中的界面剪切强度相对于素土来说得到了极大地提高［11－12］。
3结语
在水泥土环境中掺入纤维，能有效提高水泥土的力学特性和改善水泥土的破坏形式。同时也有学者针对这方面的机制进行了探索，认为水泥和土体形成的水化晶体能增加水泥土的密实度，使土样的孔隙比减少，显著增加纤维和水泥土之间的摩擦力和粘聚力，因而水泥土的力学性能得到明显提高。但是，就目前的研究现状而言，还存在以下问题。1)目前关于纤维加筋水泥土中的加筋材料主要是人工合成纤维，例如聚丙乙烯、玻璃纤维、钢纤维等，但是关于植物纤维水泥土的研究较少。植物纤维具有成本低廉，生态环保等优势，在临时加筋工程中可以发挥较好的作用，值得工程推广。2)纤维加筋水泥土是一种复杂的混合材料，关于纤维加筋水泥土的研究机制的报道较少。主要集中在学者通过微观测试手段以及对单根纤维的拉拔试验进行了探索，得到一些结论，还需继续探索该方面的内容。3)对于纤维加筋水泥土的研究，主要研究各种因素对其强度的影响，如纤维掺量、长度、水泥掺量等，对干湿循环、冻融循环等外部环境对水泥土强度的影响研究较少，关于这方面的研究仍需要探索。
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