歷史夯土建筑改性土抹面加固材料的試驗研究

史慶軒, 郭天宇, 賀志堅

(1.西安建筑科技大學 西部綠色建筑國家重點實驗室, 陜西 西安 710055; 2.西安建筑科技大學 土木工程學院, 陜西 西安 710055; 3.西安建筑科技大學 結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點實驗室, 陜西 西安 710055; 4.陜西省建筑設(shè)計研究院有限責任公司, 陜西 西安 710018)

水、土、木是世界上最容易獲得的建筑材料,在人類由樹居、洞居(穴居)向現(xiàn)代居住環(huán)境進化的過程中占有重要地位.在中國西北地區(qū)存有大量的夯土古建筑,這些建筑經(jīng)歷多年的鹽蝕、雨水沖刷、紫外線老化、凍融影響而破壞嚴重；另外，中國屬于地震高發(fā)區(qū),每次地震都會造成這些建筑的損壞和倒塌,從而嚴重影響到人們的生命和財產(chǎn)安全.目前,由夯土材料建成的建筑層數(shù)較低,一般為1～2層,加固方法較多.

針對歷史夯土建筑,國內(nèi)外學者進行了大量試驗與研究.在加固方法上,國內(nèi)采用竹條網(wǎng)加固、鋼絲網(wǎng)水泥砂漿加固、墻體內(nèi)置豎向銷鍵、增設(shè)內(nèi)支撐、增設(shè)構(gòu)造柱等方法,但這些方法有著加固件外露等明顯的現(xiàn)代痕跡,不適用于歷史保護建筑的加固[1-5].在改性土研究上,多是在最優(yōu)含水率下,通過摻入適量的水泥、石灰、土壤固化劑等摻和料來實現(xiàn)其強度的提高,而抹面狀態(tài)的改性土含水率在液限附近[6-8],因此研究結(jié)論與實際情況并不相符.國外學者對于新建夯土材料的改良研究較多[9-11],他們通過在素土中摻入水泥、稻草、砂石等改性摻和料,來提高改性土的抗壓強度、抗剪強度,同時降低土體干縮,但對于夯土墻加固的研究相對較少.

本文研究的纖維復合改性土抹面加固夯土墻的主要原理為：通過在素土中添加高分子纖維來提高土體抗拉性能,同時內(nèi)置鐵絲網(wǎng)來提高墻體整體性,與墻體的拉結(jié)則采用墻體開孔(開孔點呈梅花形布置,間距為墻體厚度,水泥漿灌孔),內(nèi)穿6mm螺桿與鐵絲網(wǎng)進行綁扎連接.采用纖維復合改性土內(nèi)置鋼絲網(wǎng)的方法,給墻體表面穿上鎧甲,從而抵御鹽蝕、紫外線老化、雨水沖刷、凍融等影響,且墻面依然為土色.鑒于此類建筑高度不高、重量有限,爭取達到罕遇地震墻體不開裂,減少現(xiàn)代痕跡的目標.

1 原材料和試驗設(shè)計

1.1 原材料

(1)素土(S)：中國西北地區(qū)素土,使用之前用孔徑1.7mm篩子篩除素土中的樹根、石塊等雜物,素土的各項物理性能見表1;(2)水泥(C)：P·O 42.5硅酸鹽水泥;(3)纖維(PVA)：聚乙烯醇(PVA)纖維,抗拉強度1200～1500MPa,彈性模量30～35GPa,伸長率5%～7%,熔點215℃,耐酸、耐堿、耐紫外線,纖維尺寸有3種,見表2;(4)土壤固化劑(CA)：TGH-2粉體固化劑和Sinovis液體固化劑;(5)聚合物(CPVA)：冷溶聚乙烯醇,又稱建筑膠水;(6)石灰(LM)：熟石灰,使用之前要提前發(fā)制;(7)拌和水(W)：自來水.

表1 中國西北地區(qū)素土物理性能Table 1 Physical properties of soil in northwest China

表2 PVA纖維尺寸Table 2 Sizes of PVA fiber

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1改性摻和料作用機理分析

作為加固用抹面材料,纖維復合改性土需具有以下性能：(1)抗壓、抗拉強度較高;(2)抗雨水侵蝕、抗凍融、抗紫外線老化、耐鹽蝕;(3)與墻體表面的黏結(jié)牢固;(4)抹面不開裂.

水泥作用機理：土體中摻入水泥后,水泥會水化生成比表面積比水泥顆粒大1000多倍的Ca(OH)2等膠凝粒子,團聚大量土體顆粒而形成大的團粒,提高土體強度和彈性模量等指標;同時Ca2+、OH-可滲透進入土體內(nèi)部,與土體中的礦物成分發(fā)生物理化學反應,進一步生成膠凝物質(zhì),并且在一定程度上封閉各團粒之間的孔隙,進而形成封閉性較好的改性土體結(jié)構(gòu),阻止水分和無機鹽進入改性土體內(nèi)部,提高土體的耐水性、耐鹽蝕、抗凍融等性能.

聚合物(冷溶聚乙烯醇)作用機理：冷溶聚乙烯醇又稱建筑膠水,其一可提高纖維與改性土的界面黏結(jié)強度,協(xié)助纖維更好地發(fā)揮抗拔效果,對于提高纖維復合改性土的抗拉強度非常有利;其二可增加纖維復合改性土的內(nèi)聚強度和附著力,在抹面加固時與界面黏結(jié)更加牢固,不易出現(xiàn)剝落現(xiàn)象;其三可改善纖維復合改性土的凝固速率,改善其早期強度,成模性好.

土壤固化劑作用機理：其一能在土壤中形成網(wǎng)狀結(jié)晶體,穿插在土壤顆粒空隙間形成強度骨架,并同水泥形成團粒填充在骨架之中,提高改性土的力學性能;其二可與水泥形成凝膠化合物,進一步填充土壤間隙,并將土壤顆粒與其他改性摻和料(水泥、聚合物、纖維)黏結(jié)在一起,在很大程度上提高改性土的彈性和密封性,致使水、無機鹽和空氣等都無法進入.所以固化后改性土的水穩(wěn)定性、抗凍融性、耐鹽蝕及耐老化性等都非常好.

PVA纖維作用機理：摻入纖維一方面可以提高固化后改性土的整體性,在一定程度上限制收縮裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展;另一方面摻入適量合適長徑比的纖維可以直接提高改性土的抗折強度、抗壓強度、彈性模量和極限延伸率.

1.2.2試塊設(shè)計與制作

按照表3所示配合比,制作A～M組抗壓強度和劈拉強度試塊,每組6個(抗壓、劈拉試塊各3個),共78個;試塊尺寸均為100mm×100mm×100mm.

根據(jù)28d抗壓強度和劈拉強度測試結(jié)果,從A～M組中選取強度較高的5組試塊進行60、90d抗壓強度和彈性模量測試、28d抗折強度測試和耐久性測試.抗折強度試塊尺寸為100mm×100mm×400mm,每組3個,共15個;耐久性試塊尺寸為100mm×100mm×100mm,每組3個,共69個，分別進行耐水、抗凍融、耐鹽蝕、耐紫外線老化性能測試.

試塊制作：篩除土中的樹根、小石塊和結(jié)塊的大塊土,按配合比依次加入土、水泥、聚合物、粉體固化劑(對于摻液體固化劑的8組試塊,直接將液體固化劑倒入水中稀釋),充分干拌均勻;將水加入干拌好的改性土中,攪拌均勻,使改性土充分吸水;將改性土在盆底攤平,在其表面撒入纖維,用抹灰鏟充分翻拌至纖維均勻分布在改性土中,然后倒入試模,24h后脫模;脫模后7d內(nèi)每天翻轉(zhuǎn)并均勻灑水養(yǎng)護,灑水完畢后蓋上一層薄膜以防止試塊失水過快;7d后放在自然環(huán)境中晾干至測試齡期.

表3 試塊分組及配合比Table 3 Test grouping and mix proportion of specimens

2 力學性能試驗和結(jié)果分析

2.1 力學性能試驗

力學性能試驗參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學性能試驗方法標準》,采用WE-30型位移控制式萬能材料試驗機對試塊加載.抗壓強度試驗的加載速率為1.5mm/min;劈拉強度試驗的加載速率為1.0mm/min;抗折強度試驗的加載速率為1.0mm/min.各組試塊28d抗壓強度、劈拉強度和彈性模量試驗結(jié)果如表4所示;抗壓強度試塊28d應力-應變曲線如圖1所示;其中所列數(shù)據(jù)均為每組3個試塊的平均值.

由表4可以看出：E、M、B、C組試塊的28d抗壓強度相對較高,B、G、M組試塊的28d劈拉強度相對較高,由此可見,摻入纖維、固化劑、聚合物等材料的試塊強度提高非常明顯.相對于纖維PVA-2、PVA-3,PVA-1對試塊抗壓、劈拉強度的提高幅度更大.理論上當提高纖維的長徑比時,更能發(fā)揮纖維的效用,但是當纖維的長徑比偏大時,纖維在改性土

表4 各組試塊28d抗壓強度、劈拉強度和彈性模量Table 4 Compressive strength, splitting tensile strength and elastic modulus of specimens at 28d

圖1 28d抗壓強度試塊的應力-應變(σ -ε)曲線Fig.1 28d stress-strain curves of compressive specimens

中的分散性、伸展性變差,結(jié)團現(xiàn)象明顯.因此選用合理長徑比的纖維非常重要,且其體積分數(shù)為1.0%時試塊的抗壓強度相對較高,體積分數(shù)為2.0%時試塊的劈拉強度較高,但體積分數(shù)為2.0%時纖維極難摻入,結(jié)團嚴重.粉體固化劑較液體固化劑對試塊抗壓強度的提高效果更為明顯,液體固化劑較粉體固化劑對試塊劈拉強度的提高效果更為明顯,粉體固化劑質(zhì)量分數(shù)為2.000%時效果較好,摻入過量的粉體固化劑會導致試塊偏柔,強度不足,彈性模量不高.摻入熟石灰對試塊強度的影響不大;聚合物質(zhì)量分數(shù)為3.000%時對試塊強度的提高效果較好,聚合物過少或過多都達不到提高纖維與改性土界面黏結(jié)強度的效果.

由圖1可見,除A組試塊外,其余各組試塊的應力-應變曲線均為先直線上升,屬于彈性工作階段;隨后試塊產(chǎn)生塑性變形,剛度降低,應力-應變持續(xù)增長,應變增長速度略快于應力增長速度;之后應力達到第1峰值點,應力-應變曲線水平發(fā)展或微量下降發(fā)展;最后應力-應變曲線再次上升,應力不再出現(xiàn)明顯峰值點.觀察發(fā)現(xiàn),受壓試塊存在核心受壓區(qū),且試塊四周破損層始終未剝落.

從表4中挑選出A、B、C、I、M這5組試塊進行28d抗折強度試驗,結(jié)果見表5.由表5可見,C組試塊的抗折強度要高于B組試塊,即纖維長徑比大的試塊抗折強度較高.原因是大長徑比的纖維雖然分散性不如小長徑比的纖維,但大長徑比的纖維可以在破壞面提供更大的抗拔力,故在纖維摻量合理的情況下,合理提高纖維的長徑比對試塊抗折承載力是有利的.另外,對比B、I組試塊的數(shù)據(jù)可以看出,摻入熟石灰可以提高試塊抗折強度,但效果不明顯;對比B、M組試塊的數(shù)據(jù)可以看出,摻入液體固化劑對試塊抗折強度的提高效果更好.

A、B、C、I、M這5組試塊在齡期為28、60、90d時的抗壓強度也列于表5.可以看出：與28d抗壓強度相比,A組試塊60、90d抗壓強度基本沒有發(fā)生變化;B、C、I組試塊90d抗壓強度提高2倍左右,M組試塊90d抗壓強度提高1倍左右.對比B、C、I和M組試塊的數(shù)據(jù)可以看出,液體固化劑相比粉體固化劑對試塊后期強度發(fā)展的效果更好.

表5 5組試塊28d抗折強度和不同齡期抗壓強度Table 5 28d flexural strength and compressive strength at different ages of 5groups of specimens

2.2 彈性模量

彈性模量是一項很重要的力學指標,纖維復合改性土的彈性模量是根據(jù)試塊應力由0.5MPa到1/3軸向極限力之間的差值除以其間的應變進行計算的.A、B、C、I、M這5組試塊在齡期為28、60、90d時的彈性模量如表6所示.

表6 5組試塊在不同齡期下的彈性模量Table 6 Elastic modulus of specimens at different ages MPa

由表6可以看出：與28d彈性模量相比,A組試塊60、90d彈性模量基本未發(fā)生變化;B、C、I組60d彈性模量提高近1倍,90d彈性模量提高近2倍,說明摻入液體固化劑可以較為明顯地提高試塊彈性模量的后期發(fā)展效果;M組試塊的28d彈性模量相對較高,60d彈性模量相對其28d彈性模量提高20%左右,90d彈性模量相對其28d彈性模量提高58%左右,粉體固化劑對試塊彈性模量的后期發(fā)展效果一般.

2.3 微觀形貌結(jié)構(gòu)分析

本試驗采用S-3400N型(倍率：5～300000)電子顯微鏡對C組抗折強度試塊的破壞面進行掃描,如圖2所示.

圖2 C組抗折強度試塊破壞面的微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of group C specimen for flexural strength

由圖2可以看出：PVA纖維在試塊中分布均勻,分散性和伸展性較好,無明顯團聚現(xiàn)象;在試塊抗折破壞時,纖維的破壞機制為拔出,而非纖維斷裂,這也是C組試塊抗折強度略高于B組試塊的原因;從纖維復合改性土的破壞界面上沒有看出明顯的孔隙及縫隙,質(zhì)地緊密,表明水分和無機鹽很難進入改性土體內(nèi)部,這對纖維復合改性土的耐水性、耐鹽蝕和抗凍融性能都非常有利.

3 耐久性試驗及結(jié)果分析

3.1 浸水試驗

耐水性能對于夯土古建筑加固是一個非常重要的控制指標.雨水沿著土體顆粒間的孔隙進入其內(nèi)部,吸水膨脹后會破壞土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu),進而導致土體破壞[12].在冬季,中國西北地區(qū)最低氣溫可達-13℃ 左右,水流進入土體內(nèi)部后易導致土體發(fā)生凍脹破壞,而該地區(qū)的年平均降雨量在400mm左右,因此土體耐水性是一項不可忽略的指標.

本試驗將100mm×100mm×100mm試塊養(yǎng)護至21d后浸泡在水中7d,研究在靜水壓力作用下試塊的耐水性能.5組浸水試塊的28d抗壓強度見表7.由表7可見：浸水7d后,A組試塊的抗壓強度退化率為100.00%,說明A組素土試塊沒有絲毫的耐水能力;B、C、I組試塊的抗壓強度退化率低于15%,M組試塊的抗壓強度退化率為24.20%,即B、C、I組試塊的耐水性較好,M組試塊的耐水性相對較差.觀察試塊外形發(fā)現(xiàn),浸水7d后,除A組試塊外,B、C、I、M組試塊均無鼓起、開裂、分層、粉化現(xiàn)象.

表7 浸水試塊28d抗壓強度Table 7 Compressive strength of specimens immersed in water at 28d

3.2 凍融試驗

據(jù)歷史天氣查詢,中國西北地區(qū)冬季最低氣溫可達-13℃左右,夏季最高氣溫在35℃左右.凍融破壞將引起抹面土體的脹裂、剝落、粉化等現(xiàn)象,因而凍融作用對該地區(qū)古建筑破壞較為嚴重,甚至在偶然情況下可能成為一個主導破壞因素[13],因此有必要對纖維復合改性土的抗凍融性能進行試驗.

凍融試驗擬采用GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中的快凍法,凍融循環(huán)次數(shù)n分別為0、50、100次.在進行凍融試驗之前,將試塊放入水中浸泡4d,浸泡完畢后取出試塊,擦干表面水分后正式開始進行凍融試驗.每次凍融循環(huán)完成后,觀察并記錄試塊表面變化現(xiàn)象.觀察發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過50次凍融循環(huán)后,B、C、I、M組試塊表面基本無剝落粉化現(xiàn)象,整體完整;經(jīng)過100次凍融循環(huán)后,B、C、M組試塊表面基本無剝落粉化現(xiàn)象,整體完整,而I組試塊有細微的粉化現(xiàn)象,整體基本完整.對完成50次和100次凍融循環(huán)的5組試塊進行12h烘干,測試其60d抗壓強度,所得結(jié)果見表8.

表8 凍融試塊60d抗壓強度和抗壓強度退化率Table 8 Compressive strength and strength degradation rate of freeze-thaw specimens at 60d

由表8可見：經(jīng)過50、100次凍融循環(huán)后,除A組素土試塊之外,其余幾組試塊的抗壓強度退化率都不高,其中尤以C組試塊的表現(xiàn)最好.主要原因是C組試塊(包括B組試塊)摻入的液體固化劑為離子型高聚物類固化劑,其含鈣物質(zhì)中的陽離子與陰離子接觸后,發(fā)生聚合和稠化反應,高分子物質(zhì)之間形成相互交聯(lián)的網(wǎng)格狀聚合物鏈,包裹聯(lián)結(jié)土壤顆粒,并填充顆?？障?直到整個土壤體系凝固成凝膠并固化,并且形成的凝膠化合物將填充土壤和其他改性摻和料(水泥、聚合物、纖維)的間隙,從而形成一個密閉性極強的顆粒板塊.由于水和空氣都無法進入,因此這種固化土的抗凍融性、水穩(wěn)定性和耐老化性等都非常好[14].

3.3 鹽蝕試驗

可溶鹽對土體的損害尤為常見,其隨著水分從地下遷移上升到墻體內(nèi)部,結(jié)晶膨脹破壞墻體結(jié)構(gòu).土體中的Na2SO4和Na2SiO3是最常見的腐蝕鹽之一,其中硫酸鹽對土體的侵蝕更為嚴重,硫酸根離子會穿過土體孔隙,與改性摻和料中的水泥水化物和土體中的含鈣氧化物反應生成鈣礬石[15],導致土體結(jié)構(gòu)不斷膨脹、疏松、掉渣、開裂,因此有必要對纖維復合改性土的耐鹽蝕性能進行試驗.

鹽蝕試驗模擬古建筑墻體所處環(huán)境.在2個容器中鋪上厚度為5～7cm的細沙,分別往其中注入質(zhì)量分數(shù)為3%的Na2SO4和Na2SiO3溶液,然后在細沙上墊一層濾紙,把已養(yǎng)護28d的待測試塊(100mm×100mm×100mm)放于其上.注入液面高度低于濾紙表面0.3cm左右,并且要保證溶液能夠穿過濾紙上升到試塊底部;試驗期間維持容器中液面高度基本不變.于14d后將試塊從容器中取出,放置在潮濕的地方60d后,觀察試塊腐蝕情況,并測試各組試塊90d抗壓強度和抗壓強度退化率(損失為正、增加為負),結(jié)果見表9.

表9 鹽蝕試塊的90d抗壓強度和抗壓強度退化率Table 9 Compressive strength and strength degradation rate of salt corrosion specimens at 90d

觀察發(fā)現(xiàn)：經(jīng)3.000%Na2SiO3溶液侵蝕60d后,A組試塊表面白色晶體有少量增加;B、C、I組試塊表面基本無變化;M組試塊表面產(chǎn)生的大量白色晶體基本不再增加;各組試塊均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象.經(jīng)3.000%Na2SO4溶液侵蝕60d后,A組試塊表面仍然有少量白色晶體,裂縫和剝落情況加重;B、C、I組試塊表面基本無變化,無裂縫產(chǎn)生;M組試塊表面黑色物質(zhì)凝結(jié)且不再增加,無裂縫產(chǎn)生.

B、C、I、M組試塊未出現(xiàn)開裂、剝落、粉化等現(xiàn)象的原因在于水泥和聚合物是改性土耐鹽蝕能力提高的主要因素.水泥顆粒相對于土顆粒而言極小,非常容易進入土體空隙中,其水化生成的Ca(OH)2等膠凝粒子比表面積要比水泥顆粒大1000多倍,因此可團聚大量土體顆粒而形成大的團粒,對土體力學性能的提高有很大貢獻;聚合物中的Ca2+、OH-可滲透進入土體內(nèi)部,在與土體中的礦物成分發(fā)生物理化學反應后,會進一步生成膠凝物質(zhì),并且在一定程度上封閉各團粒之間的孔隙,進而形成封閉性較好的改性土體結(jié)構(gòu),可以在很大程度上阻止水分和無機鹽進入改性土體內(nèi)部.

M組試塊表面出現(xiàn)的黑色物質(zhì),推測是Na2SO4和粉體固化劑反應生成的某種物質(zhì),在試塊破壞以后觀察試塊內(nèi)部無黑色物質(zhì)產(chǎn)生.作為古建筑抹面加固,不允許表面有黑色產(chǎn)生,故不采用M組配合比.

3.4 紫外線老化試驗

中國西北地區(qū)年平均紫外線強度為10W/m2,在紫外線長年照射下,可能會造成纖維復合改性土抹面起皮、顏色變化、纖維粉化,影響加固面的外觀和抗拉強度.這對古建筑的保護是極為不利的,故對加固土體而言,耐紫外線老化性能也是必測項目.

采用C組配合比配制墻體抹面,用紫外線強度為2200W/m2的強紫外線燈照射該抹面28d(強紫外線燈照射28d的紫外線通量約為西北地區(qū)太陽光照射16a的紫外線通量).觀察發(fā)現(xiàn),用強紫外線燈照射該抹面28d后,抹面未發(fā)生起皮、起灰、粉化、剝落等現(xiàn)象,即C組配合比滿足墻體抹面的耐紫外線老化要求.

3.5 墻體抹面加固情況

采用C組配合比配制纖維復合改性土作為墻體抹面,內(nèi)穿螺桿加鋼絲網(wǎng)對墻體進行加固,養(yǎng)護完成后對該墻體試件進行對角加載,分析加固后該墻體的抗剪承載力和破壞過程(具體加載情況本文未敘述),墻體加固情況如圖3所示.

圖3 C組配合比墻體抹面加固情況Fig.3 Reinforcement of group C fiber composite mud plaster

由圖3可以看出,纖維復合改性土抹面在養(yǎng)護過程中未出現(xiàn)收縮裂縫及剝落現(xiàn)象,加固面與夯土墻體黏結(jié)緊密,且外觀上依然表現(xiàn)為土色,符合歷史建筑加固修復中“修舊如舊”的基本原則.

4 結(jié)論

(1)兼顧夯土古建筑保護的基本原則,綜合抗折強度、抗壓強度、劈拉強度、彈性模量及各項耐久性評價指標,C組試塊的配合比最佳(長度12mm、直徑20μm的PVA纖維體積分數(shù)1.0%,Sinovis液態(tài)固化劑質(zhì)量分數(shù)0.125%,聚合物質(zhì)量分數(shù)3.000%,水泥質(zhì)量分數(shù)10.000%,素土質(zhì)量分數(shù)86.875%,含水率35.900%).

(2)液體固化劑可以與固化材料形成凝膠化合物,填充土壤間隙,將土壤顆粒和其他摻和料(水泥、聚合物、纖維)黏結(jié)起來,極大增加固化土的抗壓強度和彈性,從而形成一個具有一定彈性且水無法滲透的整體板塊.水和空氣都無法進入,所以固化后改性土的水穩(wěn)定性、抗凍融性、耐鹽蝕及耐老化等性能都非常好.

(3)摻入適量合適長徑比的PVA纖維可以直接提高改性土的抗折強度、抗壓強度、彈性模量.摻入2.000%的熟石灰對纖維復合改性土的各項強度基本沒有提高作用,對其耐久性的提高效果也不是很明顯,故纖維復合改性土中摻入熟石灰的意義不大.

(4)纖維復合改性土是在修復歷史夯土建筑的背景下進行研究的,造價相對較高,故不適用于農(nóng)村夯土建筑加固.由于國內(nèi)外對此類材料研究較少,因此還需在滿足“修舊如舊”的前提下作更深入、更廣泛、適用性更強的研究.