牛 雷， 徐丽娜， 田 伟， 邓皓允， 王 军

(吉林建筑大学土木工程学院， 长春 130118)

近年来，中外学者将不同的纤维掺入到土中，形成了纤维加筋土和纤维加筋水泥土，后者亦称纤维水泥土，纤维材料可分为合成纤维和植物纤维[1-2]。常见的合成纤维包括玄武岩纤维、聚丙纤维、玻璃纤维等。大量试验表明[3-8]，随着纤维的加入，能够一定程度改善土体内部结构，对于不同的土体，普遍存在与该配比相应的最优纤维掺入比和最佳纤维长度，过量之后加固效果普遍有所降低。

随着世界经济快速发展，各国资源消耗日益增强，世界各国高度重视资源综合利用，将资源的集约、循环、高效利用作为保护生态环境的重要切入点。植物纤维作为优良的加筋材料，具有生态环保，成本低廉等优势，在边坡防护，软基加固中已有一定的应用。许多学者[9-13]开展了植物纤维加筋土相关试验研究，无论是掺入麦秆纤维，还是剑麻纤维和棕榈纤维等，筋材的介入均能有效提高土体的抗剪、抗压、抗拉强度和承载力，增加土体的破坏韧性和渗透性，改善土体的力学性能，降低膨胀土的胀缩性和裂隙发育程度。目前，普遍认为加筋效果取决于筋-土界面的力学作用，即界面黏聚力和摩擦力。同时，也有学者将植物纤维加入水泥土中[14-16]，研究表明，植物纤维与合成纤维一样，能够提高水泥土的强度，改善水泥土的抗冻、抗裂、抗渗性能。

吉林省处于世界“三大黄金玉米带”地域之一，玉米占吉林省种植面积60%以上，每年秸秆可收集量达到4 000万吨左右，但这一生物能源综合利用率仅为35%，由于认识不到位以及缺乏有效的消纳途径，秸秆焚烧现象屡禁不止，努力为秸秆寻找新的出路成为当务之急[17]。目前，玉米秸秆作为加筋材料的研究还比较少见，其加固效果如何？能否提高水泥土的强度？为此开展相关试验研究，并增加同配比的玄武岩纤维水泥土对比试验。

1 试验方案及测试方法

按照《水泥土配合比设计规程》(JGJ/T 233—2011)进行试验设计。试验用黄土取自吉林省长春市净月区某施工场地附近，原状土经风干碾碎过筛，密封保存，供后续试验使用，其塑限ωP=25%，液限ωL=41%，塑性指数IP=16%，粒径分布曲线如图1所示。主要化合物浓度如图2所示。

图1 粒径分布曲线Fig.1 Particle size distribution curve

图2 主要化合物浓度Fig.2 Concentrations of major compounds

采用亚泰鼎鹿牌P.O 42.5级水泥，水泥质量掺入比为0.1%，水灰比为0.5，试模的尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm。玉米秸秆取自长春市本地，如图3所示，自然风干，取玉米结棒处上数四节，类似甘蔗去皮的方法手工去瓤获取外皮，挑选宽度在3 mm左右的纤维，并按表1尺寸加工成段，部分加工后的玉米秸秆纤维如图4所示。采用海宁安捷复合材料有限公司生产的短切玄武岩纤维。玉米纤维和玄武岩纤维的长度和质量掺入比如表1所示。将每种纤维的长度与质量掺入比进行组合，组数为20组，每组有6个试样，共120个试样。

图3 玉米秸秆取材现场Fig.3 Corn straw sampling site

图4 裁剪的玉米秸秆Fig.4 Cropped corn stalks

表1 纤维长度与纤维质量掺入比Table 1 Fiber length and fiber content

为了保证试样的均匀性，采用人工拌和，首先将晾晒筛分过后的黄土与水泥、纤维搅拌2 min，然后加入水，继续搅拌4 min，总共拌和时间为6 min；在拌和过程中采取规范动作，规定搅拌次数和搅拌时间。试验为一次装样，选用天津庆达试验仪器制造有限公司生产的70型振动台，振动频率为2 860次/min，振捣时间为3 min，为了防止试样在振捣过程中表面塌陷，采取冒尖添料的方法保证试样最终质量。振捣后的试样静置于地面，第2天洒水养护并用塑料布包裹好，第3天拆模，放入28 ℃恒温箱中进行养护，恒温箱中的养护天数为25 d，如图5所示。

图5 恒温水养护Fig.5 Curing in the water at constant temperature

2 试验结果与讨论

2.1 纤维掺入比

水泥掺入比不变，玉米纤秸秆纤维和玄武岩纤维的长度均分别为0、3、6、12 mm，针对每一种纤维长度，随着纤维掺入比的增加，28 d无侧限抗压强度曲线如图6所示。其中横坐标为纤维掺入比，分别为0、0.1%、0.3%和0.5%。无纤维的对比试块平均强度分别为3.84 MPa和3.18 MPa，造成不一致的原因主要有：一是试验量大，两种纤维的试样分两批制作，制样时室内温度有所不同；二是第二批试验采用了新设备进行加载。从图6可以看出，玉米纤维的掺入使得水泥土的强度出现先增大后减小的趋势，纤维掺入比0.1%时，强度均有所提高，此时最佳纤维掺入长度为12 mm。随着玉米纤维的掺量的增加，水泥土的强度均出现不同程度的降低，0.5%掺量时，强度均低于无玉米纤维的对比试块强度。部分破坏后的玉米纤维水泥土试样如图7所示。

图6 抗压强度与纤维掺入比的关系Fig.6 Relationship between compressive strength and fiber content

图7 不同玉米纤维掺量水泥土的破坏形态Fig.7 Failure modes of cement-soil with different corn stalk fiber content in unconfined compressive test

掺入玄武岩纤维的水泥土试验结果整体呈现先增大后减小再增大的折线形发展趋势，且掺入纤维的水泥土强度均高于无纤维的对比试块强度，当纤维掺入比为0.1%时各曲线均出现峰值。

2.2 纤维长度

如图8所示，任意一条曲线其纤维掺入比不变，分别为0、0.1%、0.3%和0.5%。，其中0代表不掺纤维，为对比参考线，其强度不随横坐标不同而发生变化，其他曲线随着纤维长度的增加，数据点呈现不同形式的变化，对玉米纤维水泥土而言，0.1%的低纤维掺入比条件下的数据点均在参考线之上，说明低纤维掺入比对强度增长起到了积极作用；高纤维掺入比的0.3%和0.5%的数据基本都在对比参考线之下，说明掺入比的提高会降低水泥土的强度。对于玄武岩纤维水泥土而言，掺入纤维的水泥土强度均高于基准线。

图8 抗压强度与纤维长度的关系Fig.8 Relationship between compressive strength and fiber length

部分破坏试样如图9所示，纤维长度分别为3、6、12 mm，纤维掺入比均为0.1%，破坏试样均呈锥形。在加载过程中，需将透明胶带标签剪断，否则会影响试验结果，如图9(a)所示。

图9 破坏后的试样Fig.9 Photos of some specimens after destruction

2.3 应力应变关系

玉米纤维水泥土和玄武岩纤维水泥土的抗压强度与竖向应变关系曲线如图10所示，掺入比为0.1%的两种纤维水泥土强度均高于各自不掺纤维的水泥土强度。玉米纤维在提高土体无侧限抗压强度的同时，还有效改善水泥土的脆性，使水泥土具有一定的韧性。

图10 纤维水泥土应力-应变曲线Fig.10 Stress-strain relationship with different fiber contents

2.4 机理分析

从加筋土的作用机理可知，在素土中，纤维的掺入能够提高土体的强度，延缓土体变形的发展[2]，纤维的加筋效果本质上取决于界面间的摩擦力和黏结力大小，即界面剪切强度[1]。当土体受力变形时，纤维的抗拔出能力越强，越能有效地阻止裂缝的产生与发展，从而增强土体的延性、稳定性和强度；此外，纤维交错呈现的空间网状结构对强度的提高也起到一定的作用。

同样是掺入纤维，纤维土与纤维水泥土的参考基准不同，前者以土为基准，土体强度相对较弱，纤维能够起到很好的加筋效果，大量研究成果均使强度有所提高[9-13]；后者以水泥土为基准，水泥对强度的贡献要大于纤维的贡献，适量的纤维能在一定程度上提高水泥土强度，但过量会使得强度有所降低。

这是由于水泥的介入，使得构成界面剪切强度的摩擦力和黏结力发生了主次变化，纤维加筋土中摩擦力占主导，纤维加筋水泥土中黏结力占主导，而黏结力的大小与水泥掺入比、纤维的材质、纤维形状、纤维长度、土质成分、含水量等因素有关。

2.4.1 纤维长度

玉米秸秆外皮具备一定的韧性和抗拉强度[18-20]，且能进行有效的防腐处理[21]，通过观察破坏后的试件，并没有发现玉米纤维被拉断的现象出现，如图9所示。为了描述简单，也为了突出问题，假设纤维线性、均匀、对称分布在破坏面两侧，玉米纤维在理想情况下应具有临界长度，当玉米纤维过短时，在水泥土中不能起到抗拉作用，对水泥土的强度没有明显改善；当玉米纤维过长时，纤维会被拉断。

2.4.2 纤维间距

如图11所示，假定纤维刚好达到临界长度，且符合假设的理想分布条件，此时纤维掺入比的增加，会使得纤维间距过大，单根纤维负责加固的区域面积变大，则起不到应有的效果；如果纤维间距过密，由于相邻纤维应力的叠加，引起类似于锚杆中的“群锚效应”，造成材料浪费，反而会弱化水泥土强度。

图11 纤维锚固作用示意图Fig.11 Schematic diagram of fiber anchorage

2.4.3 软弱结构面效应

玉米纤维过长、过量或者搅拌不均匀等，会使土体之间形成分隔的界面，制作好的水泥土样内部会顺着秸秆的方向产生裂缝，形成软弱结构面[13]。同样，在玄武岩纤维水泥土中依然存在这种现象，在试块制备过程中和对破坏后的试块进行观察，发现玄武岩纤维集束现象比较明显，如图12所示，该处可能成为潜在的软弱结构面。

玄武岩纤维成束，致使纤维与胶结材料的有效接触面积减小，如图13所示，外层纤维束的一侧被水泥土包裹，而内部纤维处于自由状态，并未发挥应有的作用，可能会成为试件的薄弱点，类似于岩石的节理面。所以，成束纤维的存在，外侧能够发挥一定的作用，而内侧纤维被“束之高阁”，不仅降低了有效纤维掺入量，还使其自身成为薄弱点，该点最终强度呈现何种变化，取决于内、外纤维耦合作用的综合效果。

图13 水泥土中纤维集束状态示意图Fig.13 Schematic diagram of fiber cluster in soil-cement

本文分析是建立在假设的理想条件下，实际上纤维在水泥土中随机曲线分布；再者，纤维的掺量毕竟有限，水泥土承担了大部分荷载，纤维最初的作用也正是由于水泥土发生了一定微裂纹时才能逐步释放出来，微裂纹预示着水泥的逐步退出，纤维的逐步承担，它们之间如何演化衔接，也是值得深入探讨的问题。上述诸多因素并不孤立存在，它们之间相互制约、相互平衡，最终纤维水泥土的强度就是其博弈的结果。

3 结论

(1)玉米纤维的加固效果与玄武岩纤维相似，其强度试验曲线均呈现先增大后减小的特点，试验条件下，二者峰值强度差别不大。

(2)3 mm玉米纤维的最优条件为20 mm的长度和0.3%的掺量，试验初步验证了玉米纤维短期替代玄武岩纤维的可行性。

(3)纤维长度和纤维间距对水泥土加固效果影响较大，在试块制备和加载破碎后的试块中，发现玄武岩纤维集束现象较为普遍，这些问题值得进一步深入研究。