由于水泥土具有高强度、低渗透性等特点，在地基加固、边坡支护、防渗工程等建筑工程中得到了广泛的应用[1-3]。影响水泥土力学性质的因素有很多，其中冻融循环作用是影响水泥土结构和力学特性的一个非常重要的因素。研究[4-7]表明：随着冻融循环次数的增加水泥土的强度会有所降低。因此，学者们尝试在水泥土中添加一些纤维，来提高水泥土的抗冻性及抗开裂的性能。Ding等通过研究发现随着纤维含量和冻融循环次数增加，纤维水泥土的体积膨胀率增加，纤维的加入可以有效提高水泥土的无侧限抗压强度[8]。文献[9]发现纤维的加入对于提高加固土的抗压强度和应力-应变特性具有更明显的效果，而且随着冻融循环次数的增加，纤维的增强效果越明显。Li等通过试验发现在黏土中加入水泥和纤维，可以提高未冻结土和冻结土的抗压强度和弹性模量[10]。
本研究通过一系列室内冻融循环试验和无侧限抗压强度试验研究冻融循环次数和纤维长度对纤维水泥土的影响，分析冻融循环作用下纤维水泥土的破坏机理，以期为纤维水泥土在季节性冻土区的应用提供一定的借鉴和参考。
1 试验材料和方法
1.1 试验材料
采用的土样取自吉林省长春市净月区某边坡，土样呈黄色，基本的物理性质如表1所示，土样的粒径分布曲线如图1所示。
表1 试验土样基本物理性质
Table 1 Physical properties of the soil specimens %
液限塑限风干含水率41254.7
图1 土样的粒径分布曲线
Fig.1 Particle size distribution curve
采用的水泥是由长春亚泰集团生产的普通硅酸盐水泥，水泥的基本性质如表2所示。
表2 水泥的基本性质
Table 2 Bayic properties of the cement
强度等级比表面积/(m2·kg-1)初凝时间/h终凝时间/h水泥胶砂抗折强度/MPa水泥胶砂抗压强度/MPa3d28d3d28dP·O42.534522.5582449
试验采用的纤维是由海宁安捷复合材料有限公司生产的玄武岩纤维，具体性质见表3。
表3 玄武岩纤维物理力学性质
Table 3 Physical and mechanical properties of basalt fiber
直径/μm长度/mm抗拉强度/MPa弹性模量/GPa密度/(g·cm-3)导热系数/(W·m·K-1)使用温度/℃7～153,6,12,20,353000～480091～1102.63～2.650.030～0.038-269～650
1.2 试件制备
按照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》中的要求进行配合比设计、试件制备及试验。试验中所选用的水泥掺量为10%，水灰比为0.5，纤维体积掺量为0.5%。试件采用尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试模。采用常温水中养护的方式，分别养护7，14，28 d。
1.3 冻融循环试验
经过28 d的养护后，将冻融循环的试样放置在-15 ℃的环境中24 h后，在常温水中融化24 h，此为1次冻融循环。试件分别经过0、3、6、9和11次冻融循环后进行无侧限抗压强度试验。
1.4 无侧限抗压强度试验
无侧限抗压强度试验采用的是微电脑控制的试验机，采用位移荷载控制，加载速度为0.1 mm/s。
2 试验结果
2.1 养护时间对纤维水泥土力学性质影响
图2a是纤维水泥土无侧限抗压强度与养护时间的关系，随着养护时间的增加，纤维水泥土的无侧限抗压强度不断增大，纤维水泥土无侧限抗压强度与养护时间呈对数函数关系。图2b是纤维水泥土无侧限抗压强度与纤维长度之间的关系。掺入纤维长度为3，6，12，20，35 mm的纤维水泥土的强度分别为2.76,3.60,3.43,2.97，3.17 MPa，比未掺入纤维的水泥土(强度为2.42 MPa)分别提高了14.27%,48.69%,42.03%,22.96%和31.15%。由此说明，纤维的加入提高了水泥土的无侧限抗压强度。特别是掺入6 mm的纤维时提高效果最明显，不同养护龄期时强度增加均在50%左右。
a—强度与养护时间的关系；b—强度与纤维长度之间的关系。
纤维长度0 mm；
纤维长度3 mm；
纤维长度6 mm； 纤维长度12 mm；
纤维长度20 mm； 纤维长度35 mm；
—7 d;
—14 d;
—28 d。
图2 无侧限抗压试验
Fig.2 Unconfined compression test
2.2 破坏特征
从图3可以看出：没有掺入纤维的水泥土在经过3次冻融循环后，表面开始出现裂纹；经过6次冻融循环后，裂纹进一步扩展，开始出现掉块现象；当经过11次冻融循环后，水泥土内部裂纹进一步发展，破碎成小块，失去了承载能力。
a—3次；b—6次；c—9次；d—11次。
图3 未添加纤维的水泥土经过不同次数的冻融循环后的照片
Fig.3 Photographs of cement soil without fiber after being subjected to different numbers of freeze-thaw cycles
图4是掺入不同长度的玄武岩纤维的水泥土在经过6次和11次冻融循环后的照片。可以看出：经过6次冻融循环，在掺入纤维的水泥土的表面才开始出现一些细小的裂纹，没有贯通的裂纹和掉块现象。经过11次循环后，掺入长度为3 mm纤维的水泥土表面裂纹明显，而且开始有掉块现象发生。而掺入其他长度纤维的水泥土只有一些细小的裂纹产生，裂纹没有贯通，试样基本完整。
水泥土的抗冻性受到水泥土内部空隙数量、空隙大小及空隙中水的含量的影响。在冻结过程中，空隙中的水凝结成冰，会产生冻胀力。当冻胀力大于水泥土的抗拉强度时，就会产生新的裂隙。融化过程中，水会进入新的裂隙中。水泥土经历反复的冻结和融化后，内部的裂隙不断的增多，最终水泥土破坏，失去承载能力。在水泥土中添加分散的纤维，一方面可以提高水泥土的抗拉强度，同时，纤维占据空隙中的部分空间，阻隔水进入空隙的通道，进而提高水泥土抵抗冻融循环的能力。
a—6次冻融循环；b—11次冻融循环。
注：图中0，3，6，12，20，35表示掺入纤维的长度分别为0 mm(未添加纤维)，3 mm、6 mm、12 mm、20 mm、35 mm。
图4 掺入不同长度玄武纤维的水泥土在6次和11次冻融循环后的照片
Fig.4 Photographs of cement soil with different lengths of basalt fiber after being subjected to 6 and 11 freeze-thaw cycles
2.3 无侧限抗压强度
2.3.1 强度损失
不同冻融循环次数下玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度如表4所示。从表4可得，经过5次冻融循环后，未添加纤维的水泥土的强度从2.42 MPa降到1.23 MPa (降低了49.17%)，经过6次冻融循环后，裂隙持续扩展，水泥土试块破坏。经过11次冻融循环后，添加长度为3,6,12,20,35 mm纤维的水泥土强度分别由2.76 MPa降到1.59 MPa (降低了42.39%),3.60 MPa降到1.48 MPa (降低了58.89%),3.43 MPa降到1.41 MPa(降低了58.89%),2.97 MPa降到1.53 MPa (降低了48.48%),3.17 MPa降到1.55 MPa (降低了51.10%)。
2.3.2 无侧限抗压强度与冻融循环次数之间的关系
从图5所示的无侧限抗压强度与冻融循环次数之间的关系可见：无侧限抗压强度与冻融循环次数是呈线性关系递减。其中，未添加纤维的水泥土降低的最大，添加纤维的水泥土能够承受更多次的冻融循环作用。因此，纤维的添加可以有效地提高水泥土的抗冻性能。
表4 不同冻融循环次数下玄武岩纤维水泥土无侧限抗压强度
Table 4 Unconfined compressive strength of
fiber-reinforced cemented soil under different numbers of freeze-thaw cycles
纤维长度/mm不同循环次数下无侧限抗压强度/MPa03456911强度损失/%02.421.741.501.23———49.1732.762.39——1.971.801.5942.3963.602.97——2.291.771.4858.89123.432.44——1.961.611.4158.89202.972.24——2.141.731.5348.48353.172.66——2.221.951.5551.10
纤维长度为0；
纤维长度为3 mm；
纤维长度为6 mm；
纤维长度为12 mm；
纤维长度为20 mm；
纤维长度为35 mm；----拟合曲线。
图5 无侧限抗压强度与冻融循环次数之间的关系
Fig.5 Relationship between unconfined compressive strength and numbers of freeze-thaw cycling
2.3.3 无侧限抗压强度与纤维长度之间的关系
图6是不同冻融循环条件下纤维水泥土无侧限抗压强度与纤维长度之间的关系。随着冻融循环次数的增加，纤维长度对于无侧限抗压强度的影响越来越小，当冻融循环次数较低时(如0、3、6次循环)，纤维水泥土的无侧限抗压强度受纤维长度的影响比较明显，当冻融循环次数增加到9次和11次时，纤维长度对于无侧限抗压强度几乎没有影响。
—0次;
—3次;
—6次;
—9次;—11次。
图6 不同冻融循环次数下纤维水泥土无侧限抗压强度与纤维长度之间的关系
Fig.6 Relationship between unconfined compressive strength and fiber length
2.4 应力-应变关系
图7是不同冻融循环次数下玄武岩纤维水泥土应力与应变之间的关系。可见，纤维水泥土的峰值强度随着冻融循环次数的增加而降低。主要原因是经过反复的冻结和融化，水泥土内部的裂隙不断地产生、扩展，进而发生结构破坏。从图上可以看出，随着冻融循环次数的增加，应力-应变曲线中直线段的斜率越来越小，特别是添加纤维的水泥土更加明显(如图7b～7f所示)。随着冻融循环次数的增加，纤维水泥土的破坏模式由脆性破坏变为延性破坏。由此说明，纤维在抵抗冻融循环作用时起到了非常重要的作用。
a—未添加纤维的水泥土；b—纤维长度为3 mm；c—纤维长度为6 mm；d—纤维长度为12 mm；e—纤维长度为20 mm；f—纤维长度为35 mm。
图7 不同冻融循环次数下玄武岩纤维水泥土应力-应变关系
Fig.7 Relationship between stress and strain of fiber-reinforced cemented soil under different numbers of freeze-thaw cycles
3 结束语
通过一系列冻融循环试验和无侧限抗压强度试验，研究了养护时间、冻融循环次数、纤维长度与纤维水泥土无侧限抗压强度之间的关系，得到以下结论：
1)随着养护时间的增加，水泥土的无侧限抗压强度增加，添加纤维后，水泥土的强度明显提高。本文试验条件下的最优纤维长度为6 mm。
2)经过4次冻融循环后，未添加纤维的水泥土表面出现明显的裂纹，经过6次冻融循环，水泥土完全失去了承载能力。而添加纤维的水泥土在经过6次冻融循环后，表面才出现裂纹。
3)纤维水泥土的无侧限抗压强度与冻融循环次数之间呈线性递减关系，未添加纤维的水泥土的降低幅度最大，纤维的加入可以有效地降低强度损失率，说明纤维的加入可以较好地提高水泥土的抗冻性。随着冻融循环次数的增加，纤维长度对无侧限抗压强度的影响越来越小。
4)随着冻融循环次数的增加，纤维水泥土的峰值强度降低，应力-应变曲线中直线段的斜率越来越小，纤维水泥土的破坏模式由脆性破坏变为延性破坏。
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