復合水泥土強度特性研究綜述

楊 靜 陶永靖

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

水泥土中水泥作為固化劑，與水反應，從而起到加固土體的作用。由于水泥土較混凝土造價低、抗?jié)B性好、耐久性強，而且其抗壓強度、抗剪強度、變形模量等指標均優(yōu)于素土，所以在建筑行業(yè)得到廣泛應用，主要用于護坡、地基處理、有防滲要求的部位等。但其強度較低，變形較大，為了提高其工程性質(zhì)，出現(xiàn)了復合水泥土，比如:纖維水泥土、粉煤灰水泥土、纖維粉煤灰水泥土、橡膠水泥土、納米水泥土、水泥二灰土(粉煤灰和石灰)、礦渣水泥土等。

根據(jù)目前復合水泥土強度的研究現(xiàn)狀，首先闡述復合水泥土強度影響因素，然后進行對比分析，最后提出結(jié)論。對于研究新型復合水泥土具有一定的參考作用。

1 幾種典型的復合水泥土

復合水泥土中強度的主要來源是水和水泥的水化反應，生成膠凝物質(zhì)，產(chǎn)生粘聚力，使結(jié)構(gòu)更加密實。研究表明，隨著水泥摻量、齡期的增加，復合水泥土的強度增加。

1.1 纖維水泥土

在水泥土中加入纖維材料，相當于加入鋼筋，可以改善水泥土的性能。由于玻璃纖維的抗拉強度大，延伸率低，試驗中采用的纖維均采用耐堿玻璃纖維。

在一定范圍內(nèi)，水泥土的強度隨玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)的增加而增加，且存在最優(yōu)質(zhì)量分數(shù)為0.2%(見圖1)。玻璃纖維長度的增加可以提高水泥土的抗壓強度(見圖2)［1］。在一定范圍內(nèi)，隨著纖維質(zhì)量分數(shù)的增加，可以提高水泥土的抗拉和抗折強度［2］。

圖1 玻璃纖維質(zhì)量分數(shù)對水泥土抗壓強度的影響

圖2 玻璃纖維長度對水泥土抗壓強度的影響

1.2 粉煤灰水泥土

粉煤灰具有填充效應、水化效應、形態(tài)效應［3］，且價格低廉，將粉煤灰加入到水泥土中可以填充水泥土之間的空隙，增加水泥土的密實度，在一定的條件下，粉煤灰還可以參加水化反應，提高水泥土的強度。

水泥土的抗壓強度隨粉煤灰摻量的增大而增大［4］。摻入過量的粉煤灰，會降低水泥土強度［5］。

1.3 玻璃纖維粉煤灰水泥土

影響玻璃纖維粉煤灰水泥土強度的主要因素有:水泥摻量，粉煤灰摻量，玻璃纖維摻量，齡期。在各個影響因素中，水泥摻量和齡期對其的影響最大，粉煤灰摻量次之，玻璃纖維摻量最弱［3］。

在一定范圍內(nèi)水泥土抗壓強度隨粉煤灰摻量的增加而增大，最優(yōu)粉煤灰摻量為8%(見圖3)。由圖4可知，在一定范圍內(nèi)水泥土抗壓強度隨玻璃纖維摻量的增加而增大，最優(yōu)玻璃纖維摻量為 0.07%［3］。

圖3 粉煤灰摻量對水泥土抗壓強度的影響

圖4 玻璃纖維摻量對水泥土抗壓強度的影響

1.4 橡膠水泥土

水泥土的抗壓強度隨橡膠粉摻量的增加而降低(見圖5)［6］。水泥土的動強度隨圍壓、置換率的增大而增大，隨著橡膠摻入比的增大而減?。?］。

圖5 橡膠粉摻量對水泥土抗壓強度的影響

1.5 納米水泥土

目前，應用于水泥土的納米材料主要有納米SiO2-x，Al2O3，TiO2等。

影響納米水泥土強度的因素主要有:水泥摻量、納米材料的類型、納米材料摻量、齡期、水灰比、含水量等。其中，水泥摻入比、土的含水量、納米材料摻入比三者對納米水泥土的強度影響逐漸減弱。以納米鋁水泥土為例，在一定范圍內(nèi)，水泥土的強度隨納米鋁摻量的增加而增大，最佳摻量為7.5‰，納米SiO2-x可大幅度提高水泥土強度，納米TiO2則降低水泥土強度［8］。圍壓對水泥土強度的影響大于水灰比，隨圍壓的增大納米硅水泥土的抗壓強度增大，并提出存在最佳水灰比［9］。

綜上所述，為提高水泥土強度，加入的外摻劑的作用有:第一，作為加筋材料，比如纖維。第二，作為填充材料，填充水泥土之間的空隙，提高水泥土的密實度。比如粉煤灰，納米材料。第三，作為反應材料，參與化學反應，生成不溶于水的物質(zhì)，提高水泥土的強度。比如粉煤灰、納米材料。第四，作為催化劑，加速水化反應，比如納米材料。

2 復合水泥土對比

復合水泥土中的玻璃纖維、粉煤灰、橡膠粉、納米材料等統(tǒng)稱為水泥土的外摻劑，當在水泥土材料中加入外摻劑時，會影響水泥土強度。

2.1 玻璃纖維水泥土和玻璃纖維粉煤灰水泥土的對比

由表1可知，粉煤灰的加入使最優(yōu)纖維摻量發(fā)生了變化，纖維摻量對纖維粉煤灰水泥土強度的影響比纖維水泥土小。粉煤灰的加入使纖維水泥土的前期強度增長較快。

表1 纖維水泥土和纖維粉煤灰水泥土對比

2.2 粉煤灰水泥土和纖維粉煤灰水泥土的對比

纖維粉煤灰水泥土中存在最優(yōu)粉煤灰摻量，而粉煤灰水泥土在20%以內(nèi)，隨著粉煤灰摻量的增加而強度增加。隨著齡期的增大，纖維粉煤灰水泥土對強度的影響較明顯(見表2)。

表2 粉煤灰水泥土和纖維粉煤灰水泥土對比

2.3 納米水泥土之間的對比

根據(jù)納米材料的不同，形成不同的復合水泥土，最常用的納米材料為納米鋁和納米硅。由表3可知，納米硅和納米鋁均可以提高水泥土的強度，但是納米硅比納米鋁提高的幅度大，隨著齡期的增大，納米水泥土的強度均增大。

表3 納米硅水泥土和納米鋁水泥土對比

表1～表3中數(shù)據(jù)來自不同的文獻，由于水泥摻量和標號、齡期、土種類等因素不同，結(jié)果差異較大，僅供參考。

3 結(jié)語

復合水泥土的研究是在前人研究的基礎上，不斷探索得到的成果，目前所研究的納米材料仍然有限。

對于目前復合水泥土的研究提出以下幾點建議:第一，目前的研究層面較淺，不夠全面。如對復合水泥土的滲透特性、剪切特性、耐久性等其他性質(zhì)研究不足。第二，通過宏觀試驗和微觀試驗觀察復合水泥土中各個成分的影響效果，得到準確客觀的作用機理，并考慮可否與其他材料結(jié)合，形成新型復合水泥土。第三，將研究成果推廣到其他行業(yè)中，以滿足更多行業(yè)需求。目前，關于復合水泥土的研究仍具有重要意義。

［1］彭紅濤，莫永京，雷廷武，等.玻璃纖維對水泥土抗壓和抗拉強度的影響［J］.中國農(nóng)業(yè)大學學報，2000，5(4):105-108.

［2］李云峰，李志國，鄭 剛.纖維水泥土力學性能試驗研究［J］.建筑科學，2004，20(6):56-60.

［3］赫文秀，申向東.玻璃纖維粉煤灰水泥土的力學特性［J］.公路交通科技，2012，29(3):12-16.

［4］龐文臺.摻合粉煤灰的復合水泥土力學性能及耐久性試驗研究［D］.內(nèi)蒙古:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2013.

［5］侯永峰.循環(huán)荷載作用下水泥復合土變形性狀試驗研究［J］.巖土工程學報，2001，23(3):30-33.

［6］王鳳池，燕 曉，劉 濤，等.橡膠水泥土強度特性與機理研究［J］.四川大學學報，2010，42(2):46-51.

［7］李慶冰.橡膠水泥土動力特性的試驗研究［D］.沈陽:沈陽建筑大學，2010.

［8］李 剛.納米水泥土工程形狀研究［D］.杭州:浙江大學巖土工程研究所，2003.

［9］王立峰.納米硅水泥土抗壓強度的試驗研究和作用機理分析［J］.科技通報，2012，28(7):102-129.