纤维水泥改良是指在素土中加入适量纤维与水泥以形成整体空间网络结构，提高改良土的力学性能并增强延性[1]。单掺纤维水泥改良土力学性能受纤维长度的影响，6，9，12和15 mm玻璃纤维加筋水泥改良淤泥质土试样无侧限抗压强度试验结果表明，纤维长度9 mm时试件的无侧限抗压强度最大，而残余强度在纤维长度15 mm时最大[2]。WANG等[3]对单掺聚丙烯和膨润土改良黄土进行无侧限抗压试验，取纤维长度6，12和18 mm，当纤维长度为12 mm时，试样具有最大强度。并依据试验数据集，构建了二次函数拟合模型，预测所得最佳纤维长度为14.24 mm。纤维水泥改良土的力学性能受纤维长度的影响。单掺纤维改良材料增强土体性能效果单一，而不同种类、不同长度纤维之间存在混掺效应，混掺纤维不仅可以利用不同纤维的特性进行互补，还能更全面地改善水泥土的性能[4-5]。ZHANG等[6]对不同长度聚丙烯纤维混掺改良低液限胶结土开展研究，得到最优混掺组合为0.3%的12 mm细聚丙烯纤维和0.3%的38 mm粗聚丙烯纤维混掺，其表面裂纹率与最大裂纹宽度较单掺试样分别降低5%和10%。沈晨等[7]采用长度6，9和12 mm玄武岩纤维按比例1∶3、1∶1和3∶1两两混掺加筋流塑态粉质黏土，结果表明，长度9 mm与12 mm玄武岩纤维按3∶1混掺时抗拉强度最大。胡成等[8]研究表明，长度12 mm与38 mm聚丙烯纤维等量混掺对加筋水泥改良西安土无侧限抗压强度效果最显著，较单掺纤维试样提高了30%。秦美琪[9]采用6，12和19 mm聚丙烯纤维分别与碳酸钙晶须混掺加筋水泥改良粉质黏土，12 mm聚丙烯混掺组无侧限抗压强度最大，较普通水泥土提高了51.78%，较6 mm混掺组与19 mm混掺组分别提高了11.28%、5.99%。秦龙[10]采用6，9，12和19 mm共4种聚丙烯纤维混掺加筋水泥改良砂浆，7 d龄期试验结果表明，4种长度纤维等量混掺时的无侧限抗压强度最大。KAMILOĞLU等[11]采用3 mm与12 mm聚丙烯纤维按不同比例混掺加筋高液限粉土，2种不同长度纤维1∶1比例混掺时的无侧限抗压强度最大，3∶7比例混掺时的三点抗弯曲性能最佳。混掺纤维水泥改良土的力学性能受纤维长度及混掺比例影响。我国西北地区风积沙分布广泛，和若铁路沿线风积沙粒径均匀，级配不良[12]。单掺8‰玄武岩纤维水泥改良风积沙无侧限抗压强度较未掺纤维试样增加54%，延性增强43%～167%[13]。玄武岩纤维水泥改良风积沙冻融循环后劈裂抗拉强度与纤维掺量呈先增后减的抛物线关系，最优掺量为8‰，强度提高约1倍[14]。单掺聚丙烯纤维、聚酯纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维加筋水泥改良风积沙试验表明，聚丙烯纤维加筋水泥改良风积沙的抗拉强度最大，较其他种类纤维提高14%～22%[15]。单掺纤维水泥改良风积沙研究有报道，而混掺纤维水泥改良风积沙研究鲜有报道。鉴于此，开展混掺纤维水泥改良风积沙试样无侧限抗压强度试验及扫描电镜试验，研究不同长度纤维混掺对水泥改良风积沙无侧限抗压强度及孔隙结构的影响，建立无侧限抗压强度与微观孔隙结构定量指标间的关系。
1 试验
1.1 试验材料
试验采用塔克拉玛干沙漠和若铁路段风积沙，见图1，测试所得密度为1.58 g/cm3，最大干密度1.61 g/cm3，含水率0.9%，内摩擦角27.4°，黏聚力为0。水泥为P.O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥生产厂家为华新水泥股份有限公司。聚丙烯纤维由单丝纤维组成，表面光滑、亮白，相对分散。纤维长度有3，6，12 mm这3种。长度3 mm的聚丙烯纤维简称短纤维，用PS表示；长度6 mm的聚丙烯纤维简称中纤维，用PM表示；长度12 mm的聚丙烯纤维简称长纤维，用PL表示，见图2。
1.2 试验方案
水泥掺量为水泥质量与风干风积沙质量百分比，纤维掺量为烘干纤维质量与风干风积沙质量百分比。单掺聚丙烯纤维水泥改良风积沙无侧限抗压强度的最优掺量为8‰[16]，考虑纤维混掺时，长短纤维相互穿插，纤维分布分散，可形成立体网络结构[17]，较单掺试样最优掺量上升，因此，设置8‰、10‰混掺纤维总掺量。纤维长度3，6，12 mm，短纤维、中纤维及长纤维单掺共6组作为对照组，对比研究混掺效果。混掺纤维采用等量替代法，每个掺量下2种不同长度纤维按照1∶1、3∶1和1∶3等3个不同混掺比例[9]，共18组。水泥掺量为5%，为减小偶然误差，每组试验编号有6个试样，共144个试样。具体试验方案见表1。扫描电镜试验取混掺纤维试样强度最大试验组的破坏试样。
试验 编号 | 纤维掺量/‰ | 混掺 类型 | 混掺 比例 | 试验 编号 | 纤维掺量/‰ | 混掺 类型 | 混掺 比例 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| PS | PM | PL | PS | PM | PL | ||||||
| PS8 | 8 | 0 | 0 | PS单掺 | ― | PS6PL2 | 6 | 0 | 2 | PM与PL 混掺 | 3∶1 |
| PS10 | 10 | 0 | 0 | PS4PL4 | 4 | 0 | 4 | 1∶1 | |||
| PM8 | 0 | 8 | 0 | PM单掺 | PS2PL6 | 2 | 0 | 6 | 1∶3 | ||
| PM10 | 0 | 10 | 0 | PS7.5PL2.5 | 7.5 | 0 | 2.5 | 3∶1 | |||
| PL8 | 0 | 0 | 8 | PL单掺 | PS5PL5 | 5 | 0 | 5 | 1∶1 | ||
| PL10 | 0 | 0 | 10 | PS2.5PL2.5 | 2.5 | 0 | 7.5 | 1∶3 | |||
| PS6PM2 | 6 | 2 | 0 | PS与PM 混掺 | 3∶1 | PM6PL2 | 0 | 6 | 2 | PM与PL 混掺 | 3∶1 |
| PS4PM4 | 4 | 4 | 0 | 1∶1 | PM4PL4 | 0 | 4 | 4 | 1∶1 | ||
| PS2PM6 | 2 | 6 | 0 | 1∶3 | PM2PL6 | 0 | 2 | 6 | 1∶3 | ||
| PS7.5PM2.5 | 7.5 | 2.5 | 0 | 3∶1 | PM7.5PL2.5 | 0 | 7.5 | 2.5 | 3∶1 | ||
| PS5PM5 | 5 | 5 | 0 | 1∶1 | PM5PL5 | 0 | 5 | 5 | 1∶1 | ||
| PS2.5PM7.5 | 2.5 | 7.5 | 0 | 1∶3 | PM2.5PL7.5 | 0 | 2.5 | 7.5 | 1∶3 | ||
1.3 试样制备及养护
试样制备时，含水率取最优含水率13.2%，最大干密度为1.61 g/cm3，压实系数取值0.95[16]。将称量好的水泥、风积沙，用喷壶喷水，边喷边搅拌，形成均匀分布的混合料。为了减小混掺纤维潮湿成团，聚丙烯纤维放置在烘箱中，温度设置65 ℃，烘干8 h。将纤维加入混合料中，边掺边搅拌，按照规范[18]，采用锤击法制备成直径5 cm、高5 cm圆柱体试样，脱模后，对试样进行编号，称量记录试样养护前的质量，放入水泥养护箱进行标准养护。养生期最后一天试样水中浸泡24 h后，取出试样用柔软抹布吸去试样表面的余水，称量试样质量，养生期间试样质量损失不得超过1 g。
取无侧限抗压试验破坏后的试样，每个破坏后的试样取4个样品，加工成边长1 cm的立方体试件，烘干后进行喷金处理，用作SEM试验。
1.4 试验
养护龄期7 d，采用电子万能试验机按照规范[18]方法进行无侧限抗压强度试验，加载速率1 mm/min。
SEM试验采用JSM-IT500试验机，扫描图片经PyCharm编码二值化后使用IPP软件对微观孔隙结构定量分析，选区后调整灰度阈值对分析孔隙进行筛选分析。试验流程见图3。
2 试验结果及分析
为了研究纤维混掺对水泥改良风积沙的影响，分别研究纤维掺量、纤维长度、混掺比例对水泥改良风积沙应力应变曲线、无侧限抗压强度、延性系数的影响。同一试验编号的6个试样相同应变下的应力取平均值，绘制应力应变曲线，无侧限抗压强度相对标准偏差不大于10%时，无侧限抗压强度取平均值，不满足要求时，重新进行试验。
2.1 纤维掺量对混掺纤维水泥改良风积沙应力应变曲线影响
纤维掺量对混掺纤维试样应力应变曲线影响见图4。单掺试样纤维掺量由8‰增加到10‰时，纤维发生团聚现象[19]，曲线峰值应力降低。残余应力无明显差别。混掺试样峰值应力较单掺试样明显提高，10‰掺量下混掺试样峰后应力衰减速率下降，残余强度提高，不同于单掺试样，峰值应力较8‰掺量下混掺试样增大。但8‰掺量下的峰后应力衰减速率与残余强度较单掺试样无明显差别。
2.2 纤维长度对混掺纤维水泥改良风积沙应力应变曲线影响
纤维长度对混掺纤维试样应力应变曲线影响见图5。3，6和12 mm单掺聚丙烯纤维水泥改良风积沙应力应变曲线，随着纤维长度逐渐增大，试样峰值应力小幅下降，但峰后应力衰减速率下降且残余强度提升。3 mm与12 mm以及6 mm与12 mm混掺试样峰值应力较单掺试样明显增高，峰前应力增长速率与峰后应力衰减速率减小，残余强度提升，而3 mm与6 mm混掺试样较单掺试样差异较小。混掺试样中，随混掺纤维的长度增加，峰值应力先增大后减小。3 mm与12 mm纤维混掺试样峰值应力最大，延性最强，残余强度最大。随着混掺纤维总长度继续增加，6 mm与12 mm纤维混掺试样峰值强度略微减小，考虑10‰掺量下，该组纤维长度过长，无法均匀分布，出现团聚现象。
2.3 混掺比例对混掺纤维水泥改良风积沙应力应变曲线影响
混掺比例对应力应变曲线影响见图6。不同比例混掺试样峰值应力较单掺试样明显提高。短纤维与长纤维1∶1混掺组与1∶3混掺组的残余应力较3∶1混掺组明显增大，而峰后衰减速率明显下降，可见长纤维对维持破坏试样强度，提高试样延性效果较好。
2.4 纤维掺量对混掺纤维水泥改良风积沙无侧限抗压强度影响
纤维掺量对混掺纤维试样无侧限抗压强度影响见图7，其中混掺纤维组混掺比例均为1∶3。12 mm纤维单掺时，试样的纤维掺量由8‰增加到10‰，无侧限抗压强度下降4.5%。而混掺纤维试样无侧限抗压强度随着纤维掺量增大而增大，增大12.5%～24.8%。
2.5 纤维长度对混掺纤维水泥改良风积沙无侧限抗压强度影响
纤维长度对混掺纤维试样无侧限抗压强度影响见图8。对于单掺试样，随着纤维长度逐渐增大，无侧限抗压强度值呈下降趋势，该纤维掺量下，6 mm与12 mm纤维长度过长，发生团聚，强度下降。混掺试样无侧限抗压强度较单掺试样明显增大。对于3 mm纤维与6 mm纤维混掺组，长短纤维穿插形成的立体网络结构不够完整，但对于6 mm纤维与12 mm纤维混掺组，纤维混合后，纤维总长度过长，团聚形成薄弱面，因此3 mm纤维与12 mm纤维混掺组的无侧限抗压强度最大。
2.6 混掺比例对混掺纤维水泥改良风积沙无侧限抗压强度影响
混掺比例对混掺纤维试样无侧限抗压强度见图9。不同比例混掺试样的无侧限抗压强度较单掺试样明显增大。3 mm与12 mm的混掺纤维试样的无侧限抗压强度随纤维混掺比例的减小而增大，分别为0.64，0.68，0.74 MPa，3 mm短纤维与12 mm长纤维1∶3比例混合时，试样无侧限抗压强度最大。
2.7 混掺纤维水泥改良风积沙延性系数的影响因素
延性系数越大，试样破坏时对应的应变越大，能量吸收能力越大，对脆性破坏的抑制作用越强[20]。定义延性系数Df为不同试样峰值应变εi与长度3 mm纤维单掺试样峰值应变ε3之比：
延性系数计算结果见表2。
试验 编号 | 混掺比例 | 延性系数 | 试验 编号 | 混掺比例 | 延性系数 |
|---|---|---|---|---|---|
| PS10 | 单掺 | 1.00 | PS7.5PM2.5 | 3∶1 | 1.19 |
| PM10 | 1.27 | PS5PM5 | 1∶1 | 1.35 | |
| PL10 | 1.41 | PS2.5PM7.5 | 1∶3 | 1.68 | |
| PS7.5PL2.5 | 3∶1 | 1.40 | PM7.5PL2.5 | 3∶1 | 1.73 |
| PS5PL5 | 1∶1 | 1.72 | PM5PL5 | 1∶1 | 1.75 |
| PS2.5PL7.5 | 1∶3 | 1.73 | PM2.5PL7.5 | 1∶3 | 1.77 |
单掺纤维试样的延性系数随纤维长度的增大而增大，对于混掺纤维试验组，试样的延性系数随着较长纤维比例的增大而增大，长度6 mm与12 mm纤维1∶3比例混掺试验组的延性系数最大，较3 mm纤维单掺试样增长77%。
3 SEM试验结果及分析
通过对扫描电镜图像定性分析不同长度纤维混掺对水泥改良风积沙的加筋机理，并通过IPP软件对混掺纤维水泥改良风积沙试样的孔隙率、孔隙平均丰度、孔隙定向性定量分析，建立无侧限抗压强度与孔隙率及孔隙平均丰度之间关系。
3.1 不同长度纤维加筋机理
长聚丙烯纤维在土体中的锚固长度更长，因此拔出时的行程也更长，12 mm与6 mm聚丙烯纤维与3 mm聚丙烯纤维相比更难拔出。图10(a)、图10(b)、图10(c)分别为3，6和12 mm聚丙烯纤维胶结破坏图，由于持续的摩擦会对周围的土体产生扰动，同时导致纤维和风积沙上的水泥水化物脱落，因此12 mm聚丙烯纤维拔出孔周围的风积沙和水泥胶结状态较为破碎。
3 mm聚丙烯纤维以及玄武岩纤维主要依靠和水泥的黏聚作用对土体进行加筋，摩擦作用的效果不明显；且掺入长纤维的水泥改良风积沙在破坏过程中可以吸收更多能量，可以解释随长纤维的掺入，试样延性系数得到提高，同时也可以提高试样的无侧限抗压强度。
3.2 孔隙率与无侧限抗压强度关系
孔隙率用来表征SEM图像中孔隙面积与图像总面积的比率。孔隙率越小，越难以形成渗透裂隙，且凝胶纤维胶结更加多样化，整体结构好，无侧限抗压强度高[21]。利用IPP软件计算孔隙面积S0及分析区域总面积S，求解不同纤维掺量下水泥改良风积沙样品孔隙率，计算公式如下:
式中：S0为孔隙面积，μm2；S为分析区域总面积，μm2。
试样孔隙率计算结果见图11。单掺长纤维试样较单掺短纤维的孔隙率高，这是由于纤维团聚，分散不均，导致单掺长纤维试样压实不充分。而混掺纤维试样孔隙率随着长纤维比例的增大而减小。
无侧限抗压强度与孔隙率的关系见图12。决定系数0.967，无侧限抗压强度与孔隙率呈明显负相关。增大长纤维占比，可以减小混掺纤维试样孔隙率，提高其无侧限抗压强度。
3.3 孔隙丰度与无侧限抗压强度关系
孔隙丰度可由IPP分析软件长短轴之比[22]来确定，用来表示孔隙的几何形状特征，反应孔隙形态与圆形的接近程度，孔隙平均丰度越大，孔隙越规则，水分越容易通过侵蚀，强度越低[23]。计算公式为：
式中：C为丰度，取值在[0,1]之间；B为短轴长度，μm；L为长轴长度，μm。
孔隙丰度以0.2为间隔，平均分为5组，观察长短纤维单混掺试样丰度分布区间，见图13。
长纤维、短纤维单掺试样的孔隙丰度值主要分布在0.2～0.8区间内，0.4～0.6丰度区间分布概率大。而长纤维、短纤维混掺试样主要分布在0.2～0.8区间内，与单掺纤维试样比较，混掺纤维试样在0.2～0.4丰度区间分布概率增大，而0.4～0.6丰度区间分布概率减小。混掺纤维试样孔隙率较单掺纤维试样小，说明纤维混掺后，孔隙逐渐趋近扁平，向长条状靠近。
为更直观观察孔隙丰度情况，定义平均丰度
式中：n为分析区域孔隙总数；ai为第i个孔的丰度。
观察纤维混掺试样孔隙平均丰度，可见不同长度聚丙烯纤维混掺试样的平均丰度明显低于其他对照组，3 mm与12 mm纤维按1∶3比例混合组试样平均丰度值最低，同时，该组也是无侧限抗压强度最大组以及平均孔隙率最小组。
混掺试样平均丰度较单掺试样较低，且随着长纤维占比增加而逐渐降低，利用SPSS软件对无侧限抗压强度与孔隙平均丰度进行线性回归分析，见图15。孔隙丰度和无侧限抗压强度呈负相关关系，决定系数达0.995，混掺试样随长纤维比重的增加，孔隙的平均丰度降低，试样无侧限抗压强度增大。
3.4 孔隙定向性的影响
孔隙定向性用于描述孔隙排列的定向程度，引入定向概率熵Hm对土壤微观结构进行分析，以描述孔隙定向排列程度，孔隙定向概率熵越大，土体排列有序性越差，难以连贯形成更大裂隙，土体的结构性就越强。其表达式为：
式中：n为间隔组数，取30°间隔为一组n为6；Pi为第i个范围内孔隙的方向概率。Hm位于[0,1]之间。长短纤维单掺、混掺试样孔隙定向概率熵见图16。
孔隙定向概率熵均在0.9以上，试样孔隙分布方向性差。混掺试样较单掺试样孔隙定向概率熵有较小提升，但混掺纤维对照组之间对比不明显，说明随着纤维混掺会使得孔隙排列更加无序。
4 结论
1) 混掺纤维水泥改良风积沙无侧限抗压强度较单掺纤维提高了12%～46%，3 mm与12 mm纤维按比例1∶3混掺时无侧限抗压强度最大。
2) 长纤维与短纤维混掺试样孔隙率和孔隙丰度随长纤维混掺比例的增大而减小，孔隙向扁平趋势发展，试样结构性更强。
3) 不同长度纤维混掺水泥改良风积沙试样无侧限抗压强度与孔隙率及孔隙平均丰度均呈线性负相关。
4) 试验数据均来源于室内试验，与现场试验结果可能存在偏差，后续将进行现场试验研究。
阮波,赵洋,张向京等.不同长度纤维混掺水泥改良风积沙强度及微观结构研究[J].铁道科学与工程学报,2024,21(12):5242-5251.
RUAN Bo,ZHAO Yang,ZHANG Xiangjing,et al.The effects of different fiber lengths on the unconfined compressive strength and microstructure of cemented aeolian sand reinforced with hybrid fiber[J].Journal of Railway Science and Engineering,2024,21(12):5242-5251.