古塔砌筑灰漿力學性能及其影響因素分析

孟 浩，韋 俊，周謙祥，盧俊龍，王振山

(1.江蘇合谷建筑設計有限公司， 江蘇 蘇州 215000；2.蘇州科技大學 土木工程學院， 江蘇 蘇州 215000；3.西安理工大學 土木建筑工程學院， 陜西 西安 710048)

磚石古塔是優(yōu)秀的歷史文化遺產建筑，也是典型的砌體高聳結構，因長期保存至今，建筑材料的性能退化、塔體遭受自然或人為的破壞影響，現(xiàn)存古塔結構均具有一定程度的損傷。因而對現(xiàn)存磚石古塔進行保護與修繕，具有重要的意義，古建筑的加固應遵守“修舊如舊”的原則，作為古塔修復的主要粘結材料，砌筑用糯米灰漿的力學性能是重要的基礎技術指標。

針對古舊砌體粘結材料的相關研究中，楊富巍等[1]通過對西安明城墻灰漿樣品進行TGA-DSC、FT-IR、SEM等分析，發(fā)現(xiàn)其中有糯米成分，得出糯米漿的加入會使碳酸鈣的顆粒變小，結構致密；李祖光等[2]利用電鏡、X射線衍射技術，分析硫酸鋁、明礬石膏對糯米灰漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)3種添加劑對糯米灰漿力學性能、耐久性、收縮性有顯著的影響；魏國峰等[3-4]探討了不同種類石灰、米漿種類對糯米灰漿的影響機理，采用電子顯微鏡進行觀察微觀形貌，發(fā)現(xiàn)采用氧化鈣制備的糯米灰漿微觀結構致密、糯黃米灰漿的綜合性能最佳；諶文武等[5]從溫度角度出發(fā)，得到糯米濃度為6%、溫度在75℃～80℃，糯米灰漿加固古遺址土效果較好；紀曉佳等[6]通過對不同米漿濃度的三合土進行抗壓強度試驗，發(fā)現(xiàn)當在三合土中米漿濃度為5%時，其綜合力學性能達到最佳；彭紅濤等[7]為探討糯米漿對三合土力學性能的影響，對幾組灰漿試塊進行軸壓試驗與抗?jié)B試驗，發(fā)現(xiàn)糯米漿能提高其抗壓強度和抗?jié)B能力，且對三合土顏色影響較??；鄭曉平等[8]研究自制硅酸鹽對傳統(tǒng)糯米灰漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)自制硅酸鹽對糯米灰漿的表面硬度、抗壓強度、耐凍融性和耐水性均有一定程度的改善。胡悅等[9]研究了骨料種類對糯米灰漿性能的影響，發(fā)現(xiàn)磚顆粒骨料的加入，會提高糯米灰漿的收縮性和抗凍性。閆興田等[10]研究了軟硬互層狀試樣在卸荷蠕變條件下的變形特征。陳武等[11]分析了分析NaOH濃度、粉煤灰含量對地聚合物無側限抗壓強度的影響以及Ca成分的作用。

研究表明，糯米漿的濃度、溫度和無機添加劑的種類對糯米灰漿的力學性能影響顯著，是進行磚石古塔結構力學性能分析的基礎。為此，本文通過對古塔常見的砌筑灰漿進行軸壓試驗，結合試驗現(xiàn)象和其階段性損傷演化機理，分析砌筑灰漿力學性能的影響因素，為研究磚石古塔力學性能提供參考。

1 試驗概述

1.1 試驗材料及配合比設計

試驗中所需材料包括：工業(yè)氫氧化鈣粉末、熟石灰、自來水、黃土、明礬、二氧化鈦等，參照磚石古塔的砌筑灰漿構成，設計配置3種試驗灰漿：第一種為普通糯米灰漿。當糯米漿濃度為5%時，糯米灰漿試塊性能最佳。而當糯米漿濃度提高到10%時，試塊的力學性能略微下降。經過試驗，發(fā)現(xiàn)當水灰比為0.8時，糯米漿粘結強度、表面硬度最高。故將水灰比確定為0.7、0.8，糯米漿確定為5%和7%兩種，按表1制備4組糯米灰漿試塊 (A1—A4)。第二種為糯米灰土漿(B1—B6)，灰土比選用力學性能較好3∶7灰土和2∶8灰土。試驗所用糯米灰土漿試塊采用黃土、糯米粉、自來水、熟石灰制作，糯米漿濃度為7%。第三種為改性糯米灰漿(C1—C13)，在第一種普通糯米灰漿的基礎上，添加不同配比的納米改性材料。根據(jù)前兩種糯米灰漿試塊的結果，將改性糯米灰漿的水灰比和米漿濃度分別確定為0.8和5%。

表1 糯米灰漿配合比設計

1.2 試件制備

熬制糯米漿時，按糯米漿濃度為5%所需要的糯米量和水量，分別稱取一定量的糯米粉和自來水，放入電飯鍋內充分攪拌均勻，用鋼尺記錄初始液面高度，加熱煮沸后再熬制2 h，期間每2 min測量糯米漿在電飯鍋內的刻度，及時補充水分，使米漿的濃度維持不變，熬制過程不斷攪拌防止米漿焦糊，濃度為7%的糯米漿制作方法同上。糯米灰土漿制備時，按設計配合比稱取黃土、熟石灰和熬制好的糯米漿倒入攪拌桶中，機械攪拌至稠度基本不變。納米改性灰漿試塊制備時，待糯米漿冷卻后，加入相應配比的添加劑，攪拌均與至稠度不變。試塊制備時，先在試模內表面涂抹少量的脫模劑，然后將拌好的不同配合比的糯米漿、糯米灰土漿和含有添加劑的糯米漿轉入模具內，插搗密實后沿著摸具頂面刮平。試件放置14 d脫模，然后轉移至養(yǎng)護室內恒溫、恒濕養(yǎng)護。

1.3 試驗加載方式

采用微機控制電液伺服萬能試驗機進行加載，加載時下承壓為球形支座，以便于試件對中，確保試件受壓精確；將養(yǎng)護到規(guī)定齡期的試件取出，檢查試件表面的平整度，挑選出相對兩面平整的面作為與試驗機的接觸面；將試件輕放在承壓板上，調整球形支座，保持上下承壓面平行，以確保試件上下面與承壓面充分接觸。放置試件完成后，均以0.25 mm/min的速度連續(xù)均勻地加荷，及時觀察試件的變形和破壞情況，當荷載下降至極限荷載的85%時結束加載。加載采集系統(tǒng)，見圖1。

圖1 加載及采集系統(tǒng)

2 試驗過程及現(xiàn)象

試驗結果表明，不同配合比的試塊開裂和破壞過程基本相同，通過對比試驗現(xiàn)象和應力-應變曲線，可以發(fā)現(xiàn)受壓全過程可分為三個階段，分別為初裂階段、裂縫擴展階段和破壞階段，具體如圖2—圖4所示，主要特征如下：

圖2 糯米灰漿試塊破壞過程

圖3 糯米灰土漿試塊破壞過程

圖4 改性糯米灰漿試塊破壞過程

初裂階段：各試塊隨著荷載的增大，其表面產生微小裂縫，但未貫穿。其中糯米灰漿試塊上部邊角處被壓裂，出現(xiàn)掉渣脫落。糯米灰土漿試塊表皮出現(xiàn)掉渣脫落，且有輕微外鼓。改性糯米灰漿試塊僅出現(xiàn)輕微豎向裂縫。此時在荷載-位移曲線中表現(xiàn)為直線上升階段，若維持荷載不變，產生的裂縫不會自主延伸。

裂縫擴展階段：當荷載繼續(xù)增大，各試塊原有裂縫沿豎向延長，橫向寬度增加，有的沿全截面已貫通，試塊表皮及邊角處有明顯的脫落現(xiàn)象。其中糯米灰漿試塊在其邊角處出現(xiàn)貫穿裂縫，且其邊角有脫落跡象。糯米漿灰土漿試塊鼓漲明顯，表皮掉落，邊角處出現(xiàn)貫通裂縫。改性糯米灰漿試塊僅出現(xiàn)貫穿裂縫，表皮有輕微碎渣脫落。此時在荷載-位移曲線中表現(xiàn)為上升，并達到荷載極限值。

破壞階段：當荷載達到極限荷載后，繼續(xù)施加荷載，各試塊被貫通裂縫分割成柱體單元而脫落，荷載下降加快，加載結束。受壓破壞后試塊呈“梭形”狀。

3 試驗結果分析

3.1 糯米灰漿試塊結果分析

圖5、圖6為試驗得到不同濃度、水灰比下糯米漿試件全過程應力-應變曲線。由圖5可知，當糯米漿濃度為5%，水灰比為0.7、0.8時，兩者的應力-應變曲線上升段和下降段較為相似，表明水灰比對力學性能影響不明顯，但水灰比為0.8相對于水灰比0.7的試塊下降較快，表現(xiàn)出較大的脆性；糯米漿濃度增加至7%，水灰比為0.7時，曲線斜率變化較大，而水灰比為0.8的糯米灰漿試塊曲線走勢穩(wěn)定，斜率變化不大，但兩者的峰值荷載相近。分析圖6可知，當水灰比為0.7、0.8時，改變糯米漿濃度，其水灰比為0.7的糯米灰漿試塊曲線斜率變化較大，而水灰比為0.8的糯米灰漿試塊曲線走勢基本一致，但最終峰值荷載存在明顯的差異，表明糯米漿濃度對試塊的力學性能有顯著影響。

圖5 不同水灰比糯米灰漿試塊應力-應變曲線

圖6 不同糯米漿濃度糯米灰漿試塊應力-應變曲線

為反映糯米灰漿試塊的抗壓強度與變形能力，求得兩種變量下糯米灰漿試塊抗壓強度及彈性模量，見圖7、圖8。分析所得數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)當水灰比從0.8降低至0.7時，糯米漿濃度為5%，糯米灰漿試塊抗壓強度和彈性模量降低了5%、8%；糯米漿濃度提高到7%時，糯米灰漿試塊抗壓強度與彈性模量降低了5%、15%。當糯米漿濃度由5%增加至7%，水灰比為0.8時，糯米灰漿試塊抗壓強度和彈性模量降低了21%和10%；水灰比為0.7時，糯米灰漿試塊抗壓強度與彈性模量降低了20%與16%。

圖7 糯米灰漿試塊抗壓強度

圖8 糯米灰漿試塊彈性模量

綜上所述，糯米漿濃度和水灰比是影響糯米灰漿力學性能的主要因素。在糯米漿濃度一定時，水灰比增大，灰漿試塊的承載能力、抗壓強度、抗變形能力也相應增強，但增強效果不顯著；而當水灰比一定時，糯米漿濃度提高，灰漿試塊的承載能力、抗壓強度及抗變形能力降低，降低程度較為明顯。糯米漿使試塊抗壓強度、變形能力顯著提高的機理是糯米漿與石灰漿在空氣中凝結硬化產生的碳酸鈣顆粒間有協(xié)同作用，使試塊更加密實，而氫氧化鈣是典型的無機膠結物質，在復合使用條件下，糯米漿對碳酸鈣的結晶過程具有一定的調控作用，一定濃度的糯米漿，會使碳酸鈣的顆粒逐漸變小至納米級范圍，形狀愈加不規(guī)則，結構卻更緊密[12-13]。

3.2 糯米灰土漿試塊結果分析

在部分磚石古塔中，砌筑灰漿采用糯米灰土漿，由糯米灰漿、石灰、黃土的材料拌合而成，為此根據(jù)表1配合比制備的灰土試塊進行軸心受壓試驗，分析灰土比、水灰比等因素對糯米灰土漿試塊力學性能的影響，并得出最優(yōu)配合比。為此，控制灰土比、糯米濃度不變，改變水灰比，得到3∶7灰土、2∶8灰土應力-應變曲線與抗壓強度均值。應力-應變曲線見圖9，抗壓強度平均值見圖10。

圖9 糯米灰土漿試塊應力-應變曲線

圖10 糯米灰土漿試塊抗壓強度平均值

分析兩種不同灰土比的抗壓強度與應力-應變曲線發(fā)現(xiàn)當水灰比為0.7時，3∶7灰土、2∶8灰土的抗壓強度均達到最大值；水灰比在0.5～0.7的范圍內，可提高糯米灰土漿試塊的抗壓強度，但超過該范圍試塊的抗壓強度降低，該結果產生的原因為水灰比越高灰土漿的流動性越好、黏聚性越差，同時水分過多不利于石灰碳化反應的進行，影響灰漿強度的形成。 為較準確地得出糯米灰土漿試塊的最優(yōu)配合比，對水灰比為0.7灰土比分別為3∶7、2∶8灰土試塊的應力-應變曲線作對比，見圖11。

圖11 3∶7、2∶8糯米灰土漿試塊的應力-應變曲線

由圖11可知加載初期2∶8灰土抗壓強度大于3∶7灰土，但隨著加載的進行，3∶7灰土抗壓強度明顯大于2∶8灰土。因此，當米漿濃度、灰土比一定，改變水灰比時，水灰比為0.7的糯米灰土漿試塊承壓能力最好；當米漿濃度、水灰比相同，灰土比不同時，灰土比為3∶7的糯米灰土漿試塊力學性能最好。綜上所述，灰土比為3∶7，米漿濃度為5%，水灰比為0.7時糯米灰土漿試塊的抗壓強度、承載力等力學性能最佳。

3.3 含添加劑灰漿試塊試驗結果分析

探究了糯米漿濃度、水灰比對灰漿試塊力學性能的影響，綜合分析知糯米漿濃度為5%，水灰比為0.8時所用配合比最優(yōu)。在此基礎上對含明礬、二氧化鈦灰漿試塊進行材料力學性能試驗，對比各配合比下應力-應變關系、抗壓強度，分析明礬、二氧化鈦對糯米灰漿試塊承載力、強度等力學性能的影響。添加劑為明礬、二氧化鈦及含兩種添加劑的灰漿試塊應力-應變曲線見圖12，抗壓強度、彈性模量的提高率或降低率見圖13、圖14。

圖12 改性糯米灰漿試塊應力-應變對比

圖13 改性糯米灰漿試塊抗壓強度均值

圖14 改性糯米灰漿試塊彈性模量均值

分析圖13、圖14，可以看出明礬和二氧化鈦對糯米灰漿的抗壓強度、收縮率有顯著的改善，與試驗現(xiàn)象相對應。同時，研究表明明礬對糯米灰漿的強度提高具有明顯作用，特別是早期強度，同時也會使其早期收縮變緩，裂縫減少。改善糯米灰漿收縮性能的機理主要是形成了鈣礬石，其固相體積膨脹對糯米的干燥收縮起了一定補償作用。此外添加明礬后的糯米灰漿，其結構更為致密，這是其抗壓強度、前期收縮率降低的微觀解釋[14-15]。對含不同添加劑的灰漿試塊組內對比，知明礬、二氧化鈦含量為1.0%，明礬、二氧化鈦含量各0.25%對灰漿試塊承載力、抗壓能力的增強效果最顯著，而添加劑種類、含量的變化使灰漿試塊抗變形能力存在明顯差異，明礬含量越大試塊抗變形能力越強，二氧化鈦含量增加試塊抗變形能力降低，兩者混合使用含量對試塊的抗變形能力影響不大。綜合分析知明礬含量1.0%對灰漿試塊抗壓強度影響最大，使抗壓強度提高了1.26倍；而明礬含量2.0%的灰漿試塊使彈性模量提高最多，是空白試樣彈性模量的3.6倍。

4 結 論

通過配置多種配比的糯米灰漿并制作試塊，進行抗壓強度試驗，對測試結果進行總結分析，得到了糯米灰漿強度變化及影響因素的相關規(guī)律，具體如下：

(1) 糯米漿濃度、水灰比和灰土比為磚石古塔砌筑灰漿的主要影響因素。

(2) 采用糯米濃度5%，水灰比為0.8的配合比所制備糯米灰漿的抗壓及變形能力較好。

(3) 在磚石古塔文物保護與修復中，建議選擇糯米漿濃度為7%，水灰比為0.7的3∶7灰土對磚石古塔進行修復與保護。

(4) 明礬和二氧化鈦對糯米漿極限抗壓強度、早期強度和收縮率有顯著改善。