摘 要：为实现淤泥质软土的高效加固处理，以黄麻纤维和普通硅酸盐水泥为加固材料，制备黄麻纤维增强固化软土，通过无侧限抗压强度(σ)和体积收缩率(η)试验，探究了水泥掺量、黄麻纤维掺量及黄麻纤维长度对固化软土抗压与收缩性能的影响。结果表明：随着水泥掺量增加，固化软土的σ先快速增大后趋于平缓，η先减小后略微增大；随着黄麻纤维掺量增加，固化软土的σ先增大后降低，η逐渐降低；随着黄麻纤维长度增加，固化软土的σ先增大后降低，η先减小后增大；当水泥质量分数为18%、黄麻纤维质量分数为0.3%、黄麻纤维长度为12mm时，固化软土具备良好的抗压性能和收缩性能，σ为2.39MPa，η为8.72%，均优于玄武岩纤维的加固效果。
关键词：黄麻纤维，淤泥质软土，固化软土，无侧限抗压强度，体积收缩率
随着我国水利水电工程与交通基础设施的快速发展，软土地基处理已成为工程建设中亟待解决的关键技术难题之一。软土作为典型的地基土，具有天然含水量高、孔隙比大等不良工程特性，易发生不均匀沉降、侧向位移等[1-3]。目前,纤维增强技术与水泥固化处理虽广泛用于改善软土地基性能，但仍存在纤维成本高、不可再生，对长期体积收缩抑制效果有限等不足。陈枝东等[4]探究了水泥掺量对广东大湾区淤泥质软土的加固处理效果，结果表明，在28d养护龄期下，掺入水泥质量分数为10%时固化效果最佳，可有效提高地基承载力，但该研究未考虑纤维材料的协同增强作用。赵洪星等[5]采用电渗联合化学溶液对淤泥质软土进行加固处理，结果表明，化学溶液可增强淤泥质软土颗粒间的黏结效果，并增强阴极土体抗剪切强度，但该工艺复杂、成本较高。徐丽娜等[6]利用玄武岩纤维和水泥对河床淤泥质软土进行加固处理，结果表明，养护28d后加固土无侧限抗压强度(σ)达2.1MPa，但体积收缩率(η)普遍高于10%，难以满足工程对长期稳定性的要求。
天然黄麻纤维具有可再生、环保和成本低等特点，在软土地基加固方面应用潜力巨大[7-8]。为此，作者引入天然黄麻纤维作为增强相，通过优化纤维材料与水泥之间的配比，实现对淤泥质软土的加固。
1 实验
1.1 主要原料及试剂
淤泥质软土：取自湖南省常德市安乡县安造垸一线大坝堤基；黄麻纤维：济南顺杰工程材料有限公司产；普通硅酸盐水泥：强度等级42.5，沈阳赛尼欧化工有限公司产；羧甲基纤维素钠：廊坊森轩纤维素有限公司产；氢氧化钠：济南强鑫化工有限公司产。
1.2 主要设备及仪器
HJW-60型水泥搅拌机：山东屹盛重工科技有限公司制；YAW-3000型压力试验机：济南华新试验设备有限公司制；FA2004B型电子天平：上海精若科学仪器有限公司制。
1.3 实验方法
1.3.1 固化软土配比设计
以安造垸一线大坝堤基淤泥质软土为试验土样，掺入普通硅酸盐水泥与黄麻纤维制备黄麻纤维增强固化软土。为优化固化软土的抗压性能和收缩性能，考察水泥掺量、黄麻纤维掺量及纤维长度对其性能的影响。其中，掺入的水泥质量分数(占干土)分别设定为6%、12%、18%、24%、30%;掺入的黄麻纤维质量分数(占干土)分别设定为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%;黄麻纤维长度分别设定为6mm、12mm、18mm、24mm、30mm。基准配比设计如表1所示。制备水泥浆时，控制水与水泥的质量比(水灰比)为0.5。
表1 固化软土基准配比设计
1.3.2 固化软土试样的制备
(1)取适量一定长度的黄麻纤维，浸泡在质量分数为4%的氢氧化钠溶液中，去除纤维表面的杂质。
(2)向水泥搅拌机中添加适量经过预处理的黄麻纤维、普通硅酸盐水泥和淤泥质软土，充分搅拌混合。
(3)按水灰比0.5计算所需水量，分三次添加到拌合料中，同时加入少量质量分数为0.4%的羧甲基纤维素钠溶液，得到固化软土混合料。
(4)向模具中分三次倒入固化软土混合料，每次倒入混合料后均进行插捣，使混合料振实。装模完成后，将试样置于振动台上振动2min至混合料密实、表面泛浆，抹去试样表面多余浆料。
(5)用塑料薄膜覆盖模具，将固化软土试样在室温环境中静置养护24h，然后脱模，转移到标准养护室中养护28d。
1.4 分析与测试
σ：将养护龄期28d的固化软土试样(试样为直径50mm、高度100mm的圆柱体)置于压力试验机下压板上，以0.1kN/s的加载速度加载载荷，直至试样被完全压破后停止。记录试样的破坏载荷，按式(1)计算试样的σ[9]。
式中：F为试样被完全压破时的最大载荷，A为试样的初始横截面积。
η：为分析固化软土试样的收缩性能，采用蜡封法测试养护28d的试样(环刀法成型的圆柱状试样)的体积(V)。测试前，用游标卡尺测量试样的初始直径与高度，计算初始体积(V0)；然后将试样浸入熔化的石蜡中，取出冷却后称取蜡封试样的质量(m1)，再将其浸没于水中，测定排水体积(V1)。按式(2)计算V,再按式(3)计算η[10]。、
式中：m0为试样初始质量，ρ为石蜡的密度。
2 结果与分析
2.1 水泥掺量对固化软土性能的影响
在黄麻纤维质量分数为0.3%、黄麻纤维长度为12mm的条件下，考察水泥掺量对固化软土抗压及收缩性能的影响，结果如图1所示。
图1 不同水泥掺量下固化软土的σ和η
从图1可以看出：随着水泥质量分数从6%增至30%，固化软土的σ先快速增大后趋于平缓；当水泥质量分数为6%时，σ较小，仅为0.52MPa；当水泥质量分数达到18%时，σ快速增至2.39MPa;但当水泥质量分数超过18%后,σ增速明显变缓，其中水泥质量分数为24%和30%的固化软土试样的σ分别为2.67、2.82MPa。这是因为掺入水泥后，淤泥土体内会发生离子交换、水化硬化等一系列反应，生成水化硅酸钙等胶凝产物，进而胶结土壤颗粒，提高固化软土的强度，同时水泥水化体系中的钙离子可与淤泥土颗粒表面的钾离子、钠离子发生置换反应，破坏土体表面的双电层，促使土颗粒更容易形成团聚结构，从而进一步增强土体强度，但当水泥掺量过大时，多余的水泥无法充分参与胶结反应，对强度的提升作用逐渐减弱[11]。
此外，从图1还可以看出：随着水泥质量分数从6%增至30%，固化软土的η先减小后略微增大；当水泥质量分数为6%时，η较大，为12.13%；当水泥质量分数为18%时，η最小，为8.72%；但当水泥质量分数超过18%时，η开始略微增大，当水泥质量分数为30%时，η回升至10.23%。这是因为当水泥掺量较少时，水化硅酸钙等水化产物会逐渐填充淤泥土孔隙，减小毛细管张力，同时黄麻纤维的桥接作用和三维网状结构也会抑制基体变形，从而降低η；但当水泥掺量过多时，固化软土体系的水化反应趋于饱和，过量水泥不仅导致局部水化热积累，引发微裂缝，还会使黄麻纤维、基体界面黏结力因胶凝物脆化而降低，最终导致抑制收缩能力减弱[12]。
因此，综合考虑抗压性能和收缩性能，水泥质量分数设定为18%较为适宜。
2.2 黄麻纤维掺量对固化软土性能的影响
在水泥质量分数为18%、黄麻纤维长度为12mm的条件下，考察黄麻纤维掺量对固化软土抗压及收缩性能的影响，结果如图2所示。
图2 不同黄麻纤维掺量下固化软土的σ和η
从图2可以看出：随着黄麻纤维质量分数从0增至0.5%，固化软土的σ先增大后降低；未掺入黄麻纤维时，σ较低，为2.10MPa；当黄麻纤维质量分数为0.1%时,σ为2.17MPa;当黄麻纤维质量分数为0.3%时,σ达到最大值,为2.39MPa;但当黄麻纤维质量分数超过0.3%后，σ开始逐渐下降，当黄麻纤维质量分数为0.5%时，σ降至2.12MPa。这是因为当黄麻纤维掺量较低时，黄麻纤维在固化软土基体中均匀分散并形成三维网状结构，通过桥接裂缝和应力传递有效延缓微裂纹扩展，从而提高抗压性能，同时黄麻纤维与水泥水化产物间的机械咬合作用提高了基体界面黏结力，抑制了塑性收缩和硬化过程中缺陷的产生；然而，当黄麻纤维掺量过高时，纤维易团聚并形成局部应力集中点，削弱基体连续性，同时纤维-基体界面过渡区黏结性能下降，部分纤维因无法被胶凝产物充分包裹而丧失承载能力，反而成为结构薄弱点，从而降低固化软土的力学性能[13]。
此外，从图2还可以看出：随着黄麻纤维质量分数从0增至0.5%，固化软土的η逐渐降低；未掺入黄麻纤维时，η较大，为14.28%；当黄麻纤维质量分数为0.1%、0.3%、0.5%时,η分别降至13.05%、8.72%、4.28%。这是因为掺入适量黄麻纤维后，形成的空间网状结构可通过机械咬合作用限制固化软土基体收缩变形，同时黄麻纤维表面可吸附自由水并减少毛细孔水分蒸发通道，从而降低固化软土基体的干燥收缩，但当黄麻纤维掺量过高时，会导致纤维团聚并形成内部孔隙缺陷[14]。
因此，综合考虑抗压性能与收缩性能，黄麻纤维质量分数设定为0.3%较为适宜，固化软土可在抑制收缩与提升强度之间达到平衡。
2.3 黄麻纤维长度对固化软土性能的影响
在水泥质量分数为18%、黄麻纤维质量分数为0.3%的条件下，考察黄麻纤维长度对固化软土抗压及收缩性能的影响，结果如图3所示。
图3 不同黄麻纤维长度下固化软土的σ和η
从图3可以看出：随着黄麻纤维长度从6mm增至30mm，固化软土的σ先增大后降低；当黄麻纤维长度为6mm时,σ为2.13MPa;当黄麻纤维长度为12mm时,σ达到最大值,为2.39MPa;但当黄麻纤维长度继续增大时，σ开始逐渐降低，当黄麻纤维长度为30mm时,σ降至1.77MPa,降幅明显。这是因为当黄麻纤维较短时，纤维与基体的接触面积有限，难以形成有效的三维网状结构，导致桥接裂缝能力不足；而当黄麻纤维过长时，纤维易因搅拌不均而团聚，在固化软土内部形成局部应力集中点，削弱基体连续性，进而降低固化软土的力学性能[15]。
此外，从图3还可以看出：随着黄麻纤维长度从6mm增至30mm，固化软土的η先减小后增大；当黄麻纤维长度为6mm时，η较大，为12.25%;当黄麻纤维长度为12mm时,η最小,为8.72%；但当黄麻纤维长度超过18mm后，η逐渐增大，当黄麻纤维长度为30mm时，η增大至13.45%。这是因为当黄麻纤维过短时，其形成的三维网状结构稀疏且连续性不足，无法有效限制基体收缩变形，导致毛细孔水分蒸发通道未被充分阻断，收缩率较高；而当黄麻纤维过长时，纤维易因搅拌不匀形成局部缠结，产生团聚缺陷并增加基体内部的孔隙率，加剧固化软土水分迁移和收缩应力集中。
因此，为同时保证固化软土具有良好的抗压性能和收缩抑制效果，黄麻纤维长度设定为12mm较适宜。
2.4 最优配比固化软土的工程性能评价
在水泥质量分数为18%、黄麻纤维质量分数为0.3%及黄麻纤维长度为12mm的条件下，制备黄麻纤维增强固化软土，并将其应用于安造垸一线大坝堤基淤泥质软土的加固工程。未添加与添加黄麻纤维的固化软土(分别标记为1"、2"试样)的抗压和收缩性能见表2。
表2 未添加与添加黄麻纤维的固化软土的
抗压和收缩性能
从表2可以看出：未添加黄麻纤维时，固化软土的σ为2.10MPa,η为14.38%;添加黄麻纤维后，固化软土的σ明显提高，为2.39MPa，η降至8.72%，σ和η均优于文献[6]中玄武岩纤维的加固效果。这是因为黄麻纤维在基体中可形成三维网状结构，通过桥接作用阻断裂缝扩展，增强固化软土的力学性能，同时黄麻纤维可以吸附水分，减缓基体孔隙的水蒸发，降低干燥收缩应力。黄麻纤维在淤泥质软土加固工程中具有一定的优势，应用潜力较大，可为类似堤基软土加固工程提供技术参考。
3 结论
a.随着水泥掺量的增加，固化软土的σ先快速增大后趋于平缓，η先减小后略微增大，水泥质量分数设定为18%较为适宜。
b.随着黄麻纤维掺量的增加，固化软土的σ先增大后降低，η逐渐降低，黄麻纤维质量分数设定为0.3%较为适宜。
c.随着黄麻纤维长度的增加，固化软土的σ先增大后降低，η先减小后增大，黄麻纤维长度设定为12mm较为适宜。
d.与掺入玄武岩纤维的固化软土相比，掺入黄麻纤维的固化软土的σ更高，η更小，具备更好的抗压性能和收缩抑制效果。
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文章摘自：徐成，胡发浪，蔡华和，任彪，罗帅强．黄麻纤维对水泥固化软土抗压与收缩性能的影响[J]．合成纤维工业，2026,49(3):54.
