王千禧，姜 鹏，刘林庆，秦敬平

(枣庄学院，山东 枣庄 277160)

0 引言

水泥与第四纪黏土原位机械搅拌混合形成水泥土，具有一定的强度和较好抗渗性能，被广泛应用于软土地基的处理[1-2]、止水帷幕[3-4]、边坡工程[5-6]等领域。然而，大量工程实践与研究[7-9]发现，水泥土抗裂性能较差，收缩变形大，容易受地下水侵蚀造成渗透等问题，其应用存在一定局限性，因此，如何改善上述问题，成为水泥土研究的热点之一。

纤维作为一种抗拉性和黏聚性能较强的材料，许多研究学者提出在水泥土中掺入纤维来提高水泥土强度及变形能力，并进行了相关试验。宋金岩等[10-12]开展了玻璃纤维加筋土的抗拉强度和抗压强度的力学性能试验，对玻璃纤维长度、掺入量对加筋土强度的影响进行了分析，并提出了玻璃纤维加筋土的强度指标经验公式；Namdar等[13]探究了尼龙纤维对水泥土强度的影响，并得出尼龙纤维最佳掺入量为0.3%；陈燕平[14]探究不同土质及不同水泥掺入比的水泥土无侧限抗压强度室内试验，总结和验证相关影响因素对水泥土无侧限抗压强度的影响程度；陈峰[15-17]研究了玄武岩纤维对水泥土抗压、抗拉强度及变形性能的影响，尝试建立了玄武岩纤维水泥土拉压强度关系式，然而，上述研究多针对纤维加入后水泥土的力学性能开展研究，未对其抗渗性能开展深入研究。

本研究通过开展不同纤维掺入量试验，研究玻璃纤维和玄武岩纤维对水泥土物理力学性能和抗渗性能的影响，获得增强纤维水泥土抗渗性能和物理力学性能，纤维最优掺入量，为降低施工成本，保护生态环境，保障人民生命财产安全，具有一定的科学意义与应用价值。

1 试验概述

1.1 试验材料

1)土样：所用土来自中国枣庄市某工地淤泥质土，湿密度为1.941 5 g/cm3，干密度1.938 1 g/cm3。将原装土样用小刀削成薄片状托盘承装，在烘干箱内高温烘8 h以上直至烘干为止，并用木锤击碎过1 mm孔径筛子。

2)纤维：无碱玻璃纤维和玄武岩纤维，纤维形态如图1，图2所示，性能参数见表1。

表1 纤维性能参数

3)水泥：采用山东顺兴水泥股份有限公司生产P.O42.5 普通硅酸盐水泥，性能指标如表2所示。

表2 水泥性能参数

4)测试仪器：采用长春仪器厂生产的CSS-881型无侧限压缩仪(见图3)，应力环量程10 kN～30 kN，精度1 kN，测试试样单轴无侧限抗压强度，采用SS-25型水泥土渗透系数测定仪全自动抗渗仪(如图4所示)测试试样渗透系数。

1.2 试验方案

根据JGJ/T 233—2011水泥土配合比设计规程进行试验[18]，通过单因素室内试验，开展两类纤维不同掺入量的水泥土物理力学性能和抗渗性研究，玻璃纤维和玄武岩纤维掺入量分别为水泥土重量的0%，0.5%，1%，1.5%和2%，水泥掺量为土重量的20%，如表3所示。

表3 试验内容 %

按比例称量水泥土按水灰比(质量比)1∶1，配置水泥土浆，并与纤维搅拌均匀，装料前，模具内涂抹脱模剂，装料后，使用水泥胶砂振动台上振动密实并刮平试样表面。试样成型24 h后，进行拆模、编号，标准养护28 d。抗渗试样每个配合比均制作3个试样，无侧限抗压强度试样每个配合比均制作6个试样，试验结果取各配比测试结果的算数平均值(见图5～图7)。

2 试验结果分析

2.1 纤维水泥土无侧限抗压强度结果分析

1)玻璃纤维掺入量对水泥土无侧限抗压强度影响分析见图8。

从图8可知，玻璃纤维水泥土无侧限抗压强度随纤维掺入量增加而增加，抗压强度与纤维掺入量的关系成正相关；在纤维掺入量较少的情况下，玻璃纤维水泥土抗压强度随纤维掺入量的增加提高幅度较小，当玻璃纤维水泥土纤维掺入量由1.5%增加至2%时，无侧限抗压强度由2.62 MPa提升至2.74 MPa，较未掺入纤维的水泥土抗压强度提高6.17%。

未掺入纤维的水泥土试样破坏形式为剪切破坏，试样破坏时存在明显的破裂面。掺入纤维后，试样的破坏主要是鼓胀破坏，试样外形匀称，呈腰鼓状，剪切面纤维交织成网状，如图9所示，纤维与水泥土之间有良好的拉结力和机械咬合力，整体性比较好。

2)玄武岩纤维掺入量对水泥土无侧限抗压强度影响分析。

如图10所示，玄武岩纤维水泥土抗压强度随纤维掺入量增加而减小，抗压强度与纤维掺入量的关系成负相关。1.5%的玄武岩纤维掺入量较其他的玄武岩纤维掺入量水泥土的无侧限抗压强度降低最大，较掺入量为0%的水泥土抗压强度相比平均降低32%。

玄武岩纤维降低水泥土抗压强度，主要由于玄武岩纤维的掺入，降低了水泥土的和易性，成型质量降低。同时，随着玄武岩纤维掺入量的增加，纤维产生团聚现象，受力后，试块易在纤维团聚处形成贯通的裂缝，水泥土强度降低。

2.2 纤维水泥土抗渗性能结果分析

本试验按水压力法测定纤维水泥土的渗透系数[19]，满足达西定律使用条件，因此，渗透系数kT按式(1)计算：

(1)

其中，kT为水温T℃时水泥土渗透系数，精确至0.01×10-ncm/s；t为时间间隔，精确至1 s；A为试件中部横截面积，精确至0.1 cm2；h为渗径，即试件高度，精确至0.1 cm；V为经时间间隔t渗出的水量，精确至0.1 mL；i为水力梯度，精确至0.01；p为施加的渗透压力，精确至0.02 MPa；γw为水的重度，取0.009 8 N/cm3。

1)玻璃纤维掺入量对水泥土抗渗性能的影响和分析。

如图11所示，随着玻璃纤维掺入量增加，水泥土的渗透系数降低，水泥土的抗渗性能增强。掺入玻璃纤维后水泥土的内部裂缝减少，孔隙率降低，提高了水泥土的密实度和整体性。当玻璃纤维纤维掺入量达到0.5%，渗透系数为4.13×10-6cm/s，纤维限制水渗透的能力提高急剧增加，当纤维掺入量为0.5%～1.5%，渗透系数随纤维掺入量的增加减小幅度减小，当纤维掺入量为2%，渗透系数为2.02×10-6cm/s，试样渗透系数减小幅度再次增加，因此，当纤维的掺入量2%时，抗渗性能最佳。

2)玄武岩纤维掺入量对水泥土抗渗性能的影响和分析。

如图12所示，随着玄武岩纤维掺入量增加，水泥土的渗透系数降低，即水泥土的抗渗性能增强。当玄武岩纤维掺入量达到1.5%时，渗透系数为4.86×10-6cm/s，渗透系数随纤维掺入量的增加幅度减小，水泥土渗透系数的下降呈减缓趋势。因此，本着经济适用和抗渗性能最佳的原则，玄武岩纤维最佳掺入量为1.5%。

综上所述，玻璃纤维与水泥土之间有良好的拉结力和机械咬合力，整体性比较好，可改善水泥土侧限抗压强度，增强水泥土抗渗性能；玄武岩纤维产生团聚现象，降低水泥土强度，但是可提高其抗渗性能。

3 结论

经过对玻璃纤维水泥土和玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度试验和抗渗性试验，获得以下结论:

1)玻璃纤维水泥土无侧限抗压强度随纤维掺入量增加而增加，抗压强度与纤维掺入量的关系成正相关，剪切面纤维交织成网状，掺入量为2%时抗压强度平均提高幅度在6.17%；玻璃纤维水泥土渗透系数随纤维掺入量的增加逐步降低，水泥土抗渗性能逐步增强，2%掺入量的玻璃纤维水泥土抗渗性能最优。

2)随着玄武岩纤维掺入量的增加，纤维产生团聚现象，受力后，试块易在纤维团聚处形成贯通的裂缝，水泥土强度降低。其中掺入量1.5%时，抗压强度平均降低幅度达32%，降低幅度较大；玄武岩纤维可降低水泥土渗透系数，增强水泥土抗渗性能，当纤维掺入量大于1.5%时水泥土抗渗性会随着纤维增加而呈现出减缓趋势，1.5%掺入量的玄武岩纤维水泥土抗渗性最佳。