木质素纤维提高水泥搅拌桩强度的分析

王严

[摘要]水泥搅拌桩是一种将水泥作为主要固化剂，利用搅拌机将水泥与软土充分搅拌，使软土硬结从而提高地基强度的一种有效的软基处理形式；但是在加固以淤泥及淤泥质黏土为主的软土地基时，其加固效果很不理想，而木质素纤维有价格便宜来源广、优异的抗裂增强特性，能够有效的提高水泥搅拌桩的物理性能；本文通过在水泥土配合比设计中增加木质素纤维，寻找木质素纤维提高土体物理力学性能和抗硫酸盐侵蚀性能的最优掺量，为工程施工提供参考。

[关键字]水泥搅拌桩、木质素纤维、掺量、强度、抗硫酸盐能力

一、前言

1.1 概况

我国东南沿海地区，广泛分布着滨海相软土，主要以淤泥及淤泥质黏土为主的软土地基，软土的厚度一般为10m～60m不等。这些软土具有含水量高、孔隙比大、渗透性小、压缩性大和抗剪强度低的不良工程性质，普遍不能达到建设道路、港区、码头、跨海大桥等构筑物的承载力要求，故在该区域进行构筑物施工时，需对该类地基进行处理，而水泥搅拌桩便是最常用的地基处理方式。

1.2 水泥搅拌桩

水泥搅拌桩是把水泥作为固化剂，用专用的深层搅拌机械进行搅拌，将天然土、水泥、水以及其它组分按适当比例混合、搅拌，使天然土在一定范围内固化成为具有较好的整体性、水稳定性和抗压强度的加固土体，与天然地基形成复合地基，共同承担荷载，最终达到提高地基承载力、改善地基变形特性的一种软基处理方法。

该方法的优势在于：①将水泥浆与天然土就地混合，充分搅拌，充分利用原有的地基土；②深层搅拌机械的低振动和无污染特性，对周围构筑物的影响较小；③改良后土体的重度变化很小，有软弱下卧层土时的沉降不明显；④可在短时间内有效提高地基的承载力和整体稳定性，有效控制地基变形和沉降，并降低地基改良的价格，节约资源。

该方法存在的不足：①对含水量大的淤泥及淤泥质黏土的加固效果不佳，需采用砂井排水法或者真空排水法，做排水处理；②施工过程中土压力、孔隙水压力等相互作用，造成水泥浆沿钻杆上冒出地面，形成溢浆，导致水泥沿搅拌桩纵向分布不均匀，桩体上部水泥含量较高，下部水泥含量较低，存在薄弱面；③施工过程中，存在搅拌不均匀时，桩身有效处理深度大大减小，制约了水泥搅拌桩的应用范围。

为此通过增加木质素纤维，寻找木质素纤维提高土体物理性能的最优掺量，为工程的施工提供参考。

二、试验材料

2.1 木质素纤维

木质素纤维是以木材为原料进行化学或机械加工而成的植物纤维，分为絮状木质纤维（XZ）和粒状木质纤维（LZ）。木质素纤维外观呈棉絮状，常见颜色为白色或灰白色，是经过筛选、分裂、高温处理、漂白、化学处理、中和、筛分而成的不同长度和粗细的纤维。由于高温处理高达250℃以上，故木质素纤维是在化学上非常稳定的物质，不为一般的溶剂、酸、碱腐蚀，具有无毒、无味、无污染、无放射性的优良特性。其微观结构是带状弯曲的，表面崎岖不平，呈多孔状，并有良好的韧性和吸水能力强的特点，具备良好的增稠抗裂性能。其价格便宜、获取容易、来源广，广泛应用于砂浆、石膏制品和沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）等领域，对增加强度、防止开裂、增加保水性、提高稳定性和施工合易性等方面有着良好的效果。

本次试验所用纤维为海南路盛土工材料有限公司生产的絮状木质纤维，其检测结果如表1所示，外观特征如图1所示。

表1 木质素纤维检测结果

含水率，%	吸油率，倍	纤维灰分 含量：%	pH值	纤维平均 长度：mm	质量损失（210℃，1h），%
3.3	5.1	22.2	7.5	0.8	0.2，且无燃烧

图1 木质素纤维的外观特征

2.2 水泥

本次试验所用水泥为红狮牌普通硅酸盐水泥（P.O42.5R），生产厂家为漳平红狮水泥有限公司，其检测结果如表2所示。

表2 普通硅酸盐水泥检测结果

水泥胶砂用水量，g/（胶砂流动度，mm）	比表面积，m²/kg	初凝时间，min	终凝时间，min	安定性	3d抗压强度，MPa	28d抗压强度，MPa	3d抗折强度，MPa	28d抗折强度，MPa
225/（226）	394	208	250	1.0	25.5	51.2	4.8	7.4

2.3 天然土

本次试验所用土样共3种，均根据GB/T 50123-2019《土工试验方法与标准》将土样风干、碾压、过筛，并进行室内土工试验，测得土样的基本物理性质。

土样1取自福建省厦门市大嶝岛的高液限粉土，取样位置为除去表面浮土后下挖0.5米处，该土样呈灰色，潮湿，无杂质，其检测结果如下表3。

表3 土样1检测结果

筛孔尺寸，mm	10	5	2	1	0.5	0.25	0.1	0.075
小于某粒径之土质量百分比，%	100.0	100.0	99.2	98.8	97.7	97.1	96.6	96.2
液限Wl，%	塑限Wp，%	塑性 指数Ip	天然含水率，%		天然密度，g/cm3		有机质含量，g/kg
53.4	29.7	23.7	52.1		1.63		18.4

土样2取自福建省厦门市环东海域

的淤泥质土，取样位置为除去表面浮土后下挖0.5米处，该土样呈黑色，潮湿，无杂质，其检测结果如下表4。

表4 土样2检测结果

筛孔尺寸，mm	10	5	2	1	0.5	0.25	0.1	0.075
小于某粒径之土质量百分比，%	100.0	100.0	100.0	100.0	99.3	98.8	98.1	97.2
液限Wl，%	塑限Wp，%	塑性 指数Ip	天然含水率，%		天然密度，g/cm3		有机质含量，g/kg
59.0	41.6	17.4	85.4		1.49		42.9

土样3取自福建省福州市福州港的细粒土质砂，取样位置为除去表面浮土后下挖0.5米处，该土样呈灰色，潮湿，无杂质，其检测结果如下表5。

表5 土样3检测结果

筛孔尺寸，mm	10	5	2	1	0.5	0.25	0.1	0.075
小于某粒径之土质量百分比，%	100.0	97.5	88.9	83.3	67.1	49.9	31.1	30.4
液限Wl，%	塑限Wp，%	塑性 指数Ip	天然含水率，%		天然密度，g/cm3		有机质含量，g/kg
24.4	15.7	8.7	37.4		1.76		6.7

三、试验方案

3.1 水泥土配合比设计

水泥土配合比依据JGJ/T 233-2011《水泥土配合比设计规程》设计，实际抽取上述三种天然土样，按地基处理最常用的7天无侧限抗压强度为0.6MPa进行设计。水泥土配合比设计组成为：水灰比为0.55，水泥掺入量为15.0%，水：水泥：天然土的重量比为0.083：0.150：1.000，木质素纤维为外掺。

3.2 试样制作方案

3.2.1无侧限抗压强度

本次无侧限抗压强度试样采用70.7×70.7×70.7mm的立方体试模成型，每组制备3个平行试样。试样在温度为20±5℃、相对湿度50%以上的室内成型；在温度为20±2℃、相对湿度50%以上的静置室静置48h后拆模；再进行编号，称取试件质量m1，并放入20±1℃的水中进行养护，试件间隔10mm，水面高出试件表面20mm；待到龄期时，取出试件，擦干试件表面的水渍，称取试件质量m2，试件在养护前后的损失质量不得超过养护前的1%，而后立即在精度为1%的万能试验机上进行无侧限抗压试验。

3.2.2抗硫酸盐侵蚀性能

本次抗硫酸盐侵蚀性能试验依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的抗硫酸盐侵蚀试验，采用100×100×100mm的立方体试模成型，每组制备3个平行试样，并标准养护至28d龄期，再进行抗硫酸盐侵蚀试验。

3.3 试验仪器设备

试验过程中，所用仪器设备的信息如表6所示。

表6 仪器设备的信息

设备名称	型号	生产厂家
微机控制电液伺服万能试验机	SHT-4105	美特斯工业系统（中国）有限公司
水泥土搅拌机	NLD-20型	沧州方圆建筑公路试验仪器厂
混凝土硫酸盐干湿循环试验箱	LSY-18B	北京康路达实验仪器有限公司
电子天平	JA5002	上海浦春计量仪器有限公司
电子天平	JS15-01	上海浦春计量仪器有限公司
电子数显游标卡尺	300mm	桂林广陆数字测控有限公司

四、试验内容

4.1 无侧限抗压强度试验

水泥土无侧限抗压强度由试样破坏时所承受的最大竖向压力和试样的受力面积决定。通过对不受侧向限制的试样施加竖向压力，直至试样破坏或试样周围有明显破裂面，此时的竖向压力即为最大压力。水泥土作为常规建筑材料，需具备一定的力学强度，通常将无侧限抗压强度作为水泥土力学性能的指标，不仅可以直接显示水泥土力学强度，还可以间接反映水泥土内部水化反应程度与固化效果。

首先，当木质素纤维掺量一定时，分析比较标准养护和工地现场养护的不同和养护龄期为7d、28d和90d的不同对水泥土无侧限抗压强度的影响。

其次，在标准养护和工地现场养护两种情况下，分析比较掺入不同量木质素纤维对于水泥土无侧限抗压强度的影响。

4.2 抗硫酸盐侵蚀试验

硫酸盐，是由硫酸根离子与其他金属离子组成的化合物，都是电解质，大多数溶于水；大量的硫酸根离子、氯离子和钠离子等侵蚀性离子，会对土体造成盐胀等结构破坏，给工程建设带来不利的影响。

试样在养护至28d龄期的前2天，将试样从标准养护室中取出，擦干试样表面水分，然后放入烘箱中，在80±5℃下烘48h。烘干结束后将试样冷却到室温。冷却后，将试样放入试件盒中，相邻试样间距20mm，并与试样盒侧壁保持间距20mm以上。再将配制好的5%Na2SO4溶液放入试样盒，没过最上层试样表面20mm，开始浸泡15±0.5h，溶液的温度控制在25～30℃。浸泡结束后，立即排液，再将试样风干0.5h，风干结束后开始升温到80℃，进入烘干过程，从升温开始到开始冷却的时间为6h。烘干过程结束后，立即进行冷却，从开始冷却到试样表面温度冷却到25～30℃的时间为2h。每个干湿循环的总时间为24±2h。然后再次放入硫酸钠溶液进行下一个干湿循环，共进行15次循环后，立即进行无侧限抗压强度试验。通过抗压强度试验结果，分析木质素纤维水泥土抗硫酸盐侵蚀的能力。

五、试验数据分析

5.1 木质素纤维对水泥土无侧限抗压强度的影响

对进行标准养护及工地现场养护后达到养护龄期为7d、28d和90d的木质素纤维水泥土试样进行无侧限抗压强度试验，根据试验结果分析养护龄期、养护条件对木质素纤维水泥土强度的影响，确定其最佳掺量。试验结果如下表7、表8、图2、图3、图4。

表7 标准养护试件的无侧限抗压强度

项目名称	掺量0%	掺量1%	掺量2%	掺量3%	掺量4%	掺量5%
土样1  标准养护 7d抗压强度，MPa	0.79	0.85	0.93	0.99	0.93	0.88
土样1  标准养护 28d抗压强度，MPa	1.28	1.39	1.45	1.53	1.46	1.41
土样1  标准养护 90d抗压强度，MPa	1.77	1.93	2.11	2.28	2.03	1.86
土样2  标准养护 7d抗压强度，MPa	0.74	0.81	0.86	0.97	0.85	0.81
土样2  标准养护 28d抗压强度，MPa	1.12	1.23	1.34	1.43	1.33	1.25
土样2  标准养护 90d抗压强度，MPa	1.60	1.71	1.86	1.99	1.81	1.76
土样3  标准养护 7d抗压强度，MPa	0.98	1.11	1.26	1.40	1.29	1.16
土样3  标准养护 28d抗压强度，MPa	1.46	1.60	1.88	2.11	1.84	1.75
土样3  标准养护 90d抗压强度，MPa	2.20	2.37	2.76	2.94	2.56	2.49

表8 工地现场养护试件的无侧限抗压强度

项目名称	掺量0%	掺量1%	掺量2%	掺量3%	掺量4%	掺量5%
土样1 工地现场养护7d抗压强度，MPa	0.63	0.68	0.72	0.83	0.74	0.71
土样1 工地现场养护28d抗压强度，MPa	1.01	1.11	1.15	1.26	1.14	1.06
土样1 工地现场养护90d抗压强度，MPa	1.32	1.45	1.59	1.81	1.65	1.53
土样2 工地现场养护7d抗压强度，MPa	0.61	0.66	0.68	0.76	0.71	0.67
土样2 工地现场养护28d抗压强度，MPa	0.96	1.02	1.06	1.12	1.09	1.04
土样2 工地现场养护90d抗压强度，MPa	1.23	1.27	1.46	1.59	1.45	1.41
土样3 工地现场养护7d抗压强度，MPa	0.79	0.89	0.95	1.07	1.00	0.96
土样3 工地现场养护28d抗压强度，MPa	1.14	1.31	1.43	1.62	1.51	1.42
土样3 工地现场养护90d抗压强度，MPa	1.67	1.78	2.14	2.42	2.08	1.92

图2 土样1无侧限抗压强度与木质素纤维掺量关系图

图3 土样2无侧限抗压强度与木质素纤维掺量关系图

图4 土样3无侧限抗压强度与木质素纤维掺量关系图

由以上三种不同天然土所得结果表明：

1、当木质素纤维掺量一定时，标准养护和工地现场养护两种条件下的水泥土无侧限抗压强度均随养护龄期的延长而提高；虽然木质素纤维是来源于自然界中的植物纤维，但经过改性处理后，已经改变了木质素纤维的结构，使其可以在土体中长期存在，并不会随时间而降解。

2、当木质素纤维掺量一定时，标准养护条件下的无侧限抗压强度比工地现场养护条件高约25%左右，因标准养护试样为放置于20±1℃的水中养护，相比较放置于工地现场的试样，其水泥水化作用更加充分，故强度相较于工地现场试样更高。

3、标准养护和工地现场养护两种条件下的水泥土无侧限抗压强度均比掺量0%的水泥土强度有一定的增长，并在掺量为3%时达到最大，即使掺量增加，强度反而开始降低。当木质素纤维掺量较小时，纤维能够均匀地分散在土体中，此时纤维与土颗粒的接触面积小，两者之间的作用力较小，随着掺量逐渐增大，纤维与土颗粒的接触面积也逐渐增大，纤维与土颗粒之间的界面作用力起到摩擦作用，两者共同分担了外部荷载的应力。但当掺量越来越大时，由于纤维的吸水特性更多的体现出来，使得纤维聚集成团，无法均匀分散在底泥中，在局部形成黏聚团，形成软弱部位，导致强度降低。

5.2 木质素纤维对水泥土抗硫酸盐侵蚀性能的影响

将标准养护28d的木质素纤维水泥土试样，进行15次硫酸盐干湿循环后，再进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表9、图5所示。

表9 15次干湿循环后的无侧限抗压强度

项目名称		掺量0%	掺量1%	掺量2%	掺量3%	掺量4%	掺量5%
土样1	标准养护条件下28d 无侧限抗压强度，MPa	1.28	1.39	1.45	1.53	1.46	1.41
	15次干湿循环后的 无侧限抗压强度，MPa	0.27	0.43	0.57	0.89	0.73	0.67
土样2	标准养护条件下28d 无侧限抗压强度，MPa	1.12	1.23	1.34	1.43	1.33	1.25
	15次干湿循环后的 无侧限抗压强度，MPa	0.26	0.40	0.55	0.84	0.67	0.58
土样3	标准养护条件下28d 无侧限抗压强度，MPa	1.46	1.60	1.88	2.11	1.84	1.75
	15次干湿循环后的 无侧限抗压强度，MPa	0.32	0.51	0.75	1.13	0.90	0.82

图5 15次干湿循环后的无侧限抗压强度与木质素纤维掺量关系图

28d标准养护后的水泥土试样中存在水化产物氢氧化钙，与硫酸钠发生化学反应，产生硫酸钙。由于硫酸钙具有微膨胀效应，当水泥土试样经过15个干湿循环后，试样中的硫酸钙含量较多，能够破坏水泥土的整体性，从而降低水泥土的抗压强度。本身木质素纤维能够提高一定的无侧限抗压强度，而通过试验发现掺入木质素纤维的水泥土在硫酸盐环境中，能够更有效提高水泥土强度，改善水泥土的内部结构，形成相互牵连的整体，从检测数据可得，掺量0%的水泥土强度下降了约80%，而掺量在1%～3%的木质素纤维水泥土，强度下降幅度逐渐变小，掺量为3%时，强度则只下降了40%，经试验，与水泥土的无侧限抗压强度存在正相关关系。

六、结论

结合水泥土无侧限抗压强度试验和水泥土抗硫酸盐侵蚀性能试验的结果分析得出以下结论：

1、在不同土质、不同龄期下、不同养护条件下，掺入木质素纤维后的水泥土无侧限抗压强度比未掺入木质素纤维的水泥土无侧限抗压强度高；

2、在不同土质、相同龄期下、相同干湿循环条件下，掺入木质素纤维的水泥土比未掺入木质素纤维的水泥土的耐硫酸根离子侵蚀的能力更好；

3、当木质素纤维掺量为3%时，水泥土的无侧限抗压强度和抗硫酸盐侵蚀性能均处于最佳状态，能够有效提升水泥搅拌桩的物理性能。

七、结语

水泥搅拌桩掺入木质素纤维进行改良，能够实现在较小成本投入的情况下，不仅满足工程上配合比的设计要求，也提升了软基的地基承载力，有效为工程的施工提供了助力。

八、参考文献：

［1］JGJ/T233-2011《水泥土配合比设计规程》.北京：中国建筑工业出版社，2011

［2］GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》.北京：中国计划出版社，2019

［3］GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》.北京：中国建筑工业出版社，2009