历史夯土建筑改性土抹面加固材料的试验研究

(1.西安建筑科技大学西部绿色建筑国家重点实验室, 陕西西安 710055; 2.西安建筑科技大学土木工程学院, 陕西西安 710055; 3.西安建筑科技大学结构工程与抗震教育部重点实验室, 陕西西安 710055; 4.陕西省建筑设计研究院有限责任公司, 陕西西安 710018)

摘要：以中国西北地区某实际工程为背景,素土为原料,P·O 42.5水泥、PVA纤维、聚合物(冷溶PVA)、土壤固化剂等为改性掺和料,按照不同掺入比分组制作试块,并对各组试块进行抗压强度、抗折强度、劈拉强度等力学性能测试及耐水性、耐盐蚀、抗冻融、抗紫外线老化等耐久性测试.结果表明：按照质量分数分别为86.875%素土、0.125%液体土壤固化剂、3.000%聚合物、10.000%水泥，以及体积分数为1.0%的PVA纤维(长度12mm、直径20μm)进行配比的纤维复合改性土,其力学性能和耐久性最佳.

水、土、木是世界上最容易获得的建筑材料,在人类由树居、洞居(穴居)向现代居住环境进化的过程中占有重要地位.在中国西北地区存有大量的夯土古建筑,这些建筑经历多年的盐蚀、雨水冲刷、紫外线老化、冻融影响而破坏严重；另外，中国属于地震高发区,每次地震都会造成这些建筑的损坏和倒塌,从而严重影响到人们的生命和财产安全.目前,由夯土材料建成的建筑层数较低,一般为1～2层,加固方法较多.

针对历史夯土建筑,国内外学者进行了大量试验与研究.在加固方法上,国内采用竹条网加固、钢丝网水泥砂浆加固、墙体内置竖向销键、增设内支撑、增设构造柱等方法,但这些方法有着加固件外露等明显的现代痕迹,不适用于历史保护建筑的加固[1-5].在改性土研究上,多是在最优含水率下,通过掺入适量的水泥、石灰、土壤固化剂等掺和料来实现其强度的提高,而抹面状态的改性土含水率在液限附近[6-8],因此研究结论与实际情况并不相符.国外学者对于新建夯土材料的改良研究较多[9-11],他们通过在素土中掺入水泥、稻草、砂石等改性掺和料,来提高改性土的抗压强度、抗剪强度,同时降低土体干缩,但对于夯土墙加固的研究相对较少.

本文研究的纤维复合改性土抹面加固夯土墙的主要原理为：通过在素土中添加高分子纤维来提高土体抗拉性能,同时内置铁丝网来提高墙体整体性,与墙体的拉结则采用墙体开孔(开孔点呈梅花形布置,间距为墙体厚度,水泥浆灌孔),内穿6mm螺杆与铁丝网进行绑扎连接.采用纤维复合改性土内置钢丝网的方法,给墙体表面穿上铠甲,从而抵御盐蚀、紫外线老化、雨水冲刷、冻融等影响,且墙面依然为土色.鉴于此类建筑高度不高、重量有限,争取达到罕遇地震墙体不开裂,减少现代痕迹的目标.

1 原材料和试验设计

1.1 原材料

(1)素土(S)：中国西北地区素土,使用之前用孔径1.7mm筛子筛除素土中的树根、石块等杂物,素土的各项物理性能见表1;(2)水泥(C)：P·O 42.5硅酸盐水泥;(3)纤维(PVA)：聚乙烯醇(PVA)纤维,抗拉强度1200～1500MPa,弹性模量30～35GPa,伸长率5%～7%,熔点215℃,耐酸、耐碱、耐紫外线,纤维尺寸有3种,见表2;(4)土壤固化剂(CA)：TGH-2粉体固化剂和Sinovis液体固化剂;(5)聚合物(CPVA)：冷溶聚乙烯醇,又称建筑胶水;(6)石灰(LM)：熟石灰,使用之前要提前发制;(7)拌和水(W)：自来水.

表1 中国西北地区素土物理性能
Table 1 Physical properties of soil in northwest China

1.2 试验设计

1.2.1 改性掺和料作用机理分析

作为加固用抹面材料,纤维复合改性土需具有以下性能：(1)抗压、抗拉强度较高;(2)抗雨水侵蚀、抗冻融、抗紫外线老化、耐盐蚀;(3)与墙体表面的黏结牢固;(4)抹面不开裂.

水泥作用机理：土体中掺入水泥后,水泥会水化生成比表面积比水泥颗粒大1000多倍的Ca(OH)2等胶凝粒子,团聚大量土体颗粒而形成大的团粒,提高土体强度和弹性模量等指标;同时Ca2+、OH-可渗透进入土体内部,与土体中的矿物成分发生物理化学反应,进一步生成胶凝物质,并且在一定程度上封闭各团粒之间的孔隙,进而形成封闭性较好的改性土体结构,阻止水分和无机盐进入改性土体内部,提高土体的耐水性、耐盐蚀、抗冻融等性能.

聚合物(冷溶聚乙烯醇)作用机理：冷溶聚乙烯醇又称建筑胶水,其一可提高纤维与改性土的界面黏结强度,协助纤维更好地发挥抗拔效果,对于提高纤维复合改性土的抗拉强度非常有利;其二可增加纤维复合改性土的内聚强度和附着力,在抹面加固时与界面黏结更加牢固,不易出现剥落现象;其三可改善纤维复合改性土的凝固速率,改善其早期强度,成模性好.

土壤固化剂作用机理：其一能在土壤中形成网状结晶体,穿插在土壤颗粒空隙间形成强度骨架,并同水泥形成团粒填充在骨架之中,提高改性土的力学性能;其二可与水泥形成凝胶化合物,进一步填充土壤间隙,并将土壤颗粒与其他改性掺和料(水泥、聚合物、纤维)黏结在一起,在很大程度上提高改性土的弹性和密封性,致使水、无机盐和空气等都无法进入.所以固化后改性土的水稳定性、抗冻融性、耐盐蚀及耐老化性等都非常好.

PVA纤维作用机理：掺入纤维一方面可以提高固化后改性土的整体性,在一定程度上限制收缩裂缝的产生及发展;另一方面掺入适量合适长径比的纤维可以直接提高改性土的抗折强度、抗压强度、弹性模量和极限延伸率.

1.2.2 试块设计与制作

按照表3所示配合比,制作A～M组抗压强度和劈拉强度试块,每组6个(抗压、劈拉试块各3个),共78个;试块尺寸均为100mm×100mm×100mm.

根据28d抗压强度和劈拉强度测试结果,从A～M组中选取强度较高的5组试块进行60、90d抗压强度和弹性模量测试、28d抗折强度测试和耐久性测试.抗折强度试块尺寸为100mm×100mm×400mm,每组3个,共15个;耐久性试块尺寸为100mm×100mm×100mm,每组3个,共69个，分别进行耐水、抗冻融、耐盐蚀、耐紫外线老化性能测试.

试块制作：筛除土中的树根、小石块和结块的大块土,按配合比依次加入土、水泥、聚合物、粉体固化剂(对于掺液体固化剂的8组试块,直接将液体固化剂倒入水中稀释),充分干拌均匀;将水加入干拌好的改性土中,搅拌均匀,使改性土充分吸水;将改性土在盆底摊平,在其表面撒入纤维,用抹灰铲充分翻拌至纤维均匀分布在改性土中,然后倒入试模,24h后脱模;脱模后7d内每天翻转并均匀洒水养护,洒水完毕后盖上一层薄膜以防止试块失水过快;7d后放在自然环境中晾干至测试龄期.

表3 试块分组及配合比
Table 3 Test grouping and mix proportion of specimens

2 力学性能试验和结果分析

2.1 力学性能试验

力学性能试验参照GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》,采用WE-30型位移控制式万能材料试验机对试块加载.抗压强度试验的加载速率为1.5mm/min;劈拉强度试验的加载速率为1.0mm/min;抗折强度试验的加载速率为1.0mm/min.各组试块28d抗压强度、劈拉强度和弹性模量试验结果如表4所示;抗压强度试块28d应力-应变曲线如图1所示;其中所列数据均为每组3个试块的平均值.

由表4可以看出：E、M、B、C组试块的28d抗压强度相对较高,B、G、M组试块的28d劈拉强度相对较高,由此可见,掺入纤维、固化剂、聚合物等材料的试块强度提高非常明显.相对于纤维PVA-2、PVA-3,PVA-1对试块抗压、劈拉强度的提高幅度更大.理论上当提高纤维的长径比时,更能发挥纤维的效用,但是当纤维的长径比偏大时,纤维在改性土

表4 各组试块28d抗压强度、劈拉强度和弹性模量
Table 4 Compressive strength, splitting tensile strength and elastic modulus of specimens at 28d

图1 28d抗压强度试块的应力-应变(σ -ε)曲线
Fig.1 28d stress-strain curves of compressive specimens

中的分散性、伸展性变差,结团现象明显.因此选用合理长径比的纤维非常重要,且其体积分数为1.0%时试块的抗压强度相对较高,体积分数为2.0%时试块的劈拉强度较高,但体积分数为2.0%时纤维极难掺入,结团严重.粉体固化剂较液体固化剂对试块抗压强度的提高效果更为明显,液体固化剂较粉体固化剂对试块劈拉强度的提高效果更为明显,粉体固化剂质量分数为2.000%时效果较好,掺入过量的粉体固化剂会导致试块偏柔,强度不足,弹性模量不高.掺入熟石灰对试块强度的影响不大;聚合物质量分数为3.000%时对试块强度的提高效果较好,聚合物过少或过多都达不到提高纤维与改性土界面黏结强度的效果.

由图1可见,除A组试块外,其余各组试块的应力-应变曲线均为先直线上升,属于弹性工作阶段;随后试块产生塑性变形,刚度降低,应力-应变持续增长,应变增长速度略快于应力增长速度;之后应力达到第1峰值点,应力-应变曲线水平发展或微量下降发展;最后应力-应变曲线再次上升,应力不再出现明显峰值点.观察发现,受压试块存在核心受压区,且试块四周破损层始终未剥落.

从表4中挑选出A、B、C、I、M这5组试块进行28d抗折强度试验,结果见表5.由表5可见,C组试块的抗折强度要高于B组试块,即纤维长径比大的试块抗折强度较高.原因是大长径比的纤维虽然分散性不如小长径比的纤维,但大长径比的纤维可以在破坏面提供更大的抗拔力,故在纤维掺量合理的情况下,合理提高纤维的长径比对试块抗折承载力是有利的.另外,对比B、I组试块的数据可以看出,掺入熟石灰可以提高试块抗折强度,但效果不明显;对比B、M组试块的数据可以看出,掺入液体固化剂对试块抗折强度的提高效果更好.

A、B、C、I、M这5组试块在龄期为28、60、90d时的抗压强度也列于表5.可以看出：与28d抗压强度相比,A组试块60、90d抗压强度基本没有发生变化;B、C、I组试块90d抗压强度提高2倍左右,M组试块90d抗压强度提高1倍左右.对比B、C、I和M组试块的数据可以看出,液体固化剂相比粉体固化剂对试块后期强度发展的效果更好.

表5 5组试块28d抗折强度和不同龄期抗压强度
Table 5 28d flexural strength and compressive strength at different ages of 5groups of specimens

2.2 弹性模量

弹性模量是一项很重要的力学指标,纤维复合改性土的弹性模量是根据试块应力由0.5MPa到1/3轴向极限力之间的差值除以其间的应变进行计算的.A、B、C、I、M这5组试块在龄期为28、60、90d时的弹性模量如表6所示.

表6 5组试块在不同龄期下的弹性模量
Table 6 Elastic modulus of specimens at different ages MPa

由表6可以看出：与28d弹性模量相比,A组试块60、90d弹性模量基本未发生变化;B、C、I组60d弹性模量提高近1倍,90d弹性模量提高近2倍,说明掺入液体固化剂可以较为明显地提高试块弹性模量的后期发展效果;M组试块的28d弹性模量相对较高,60d弹性模量相对其28d弹性模量提高20%左右,90d弹性模量相对其28d弹性模量提高58%左右,粉体固化剂对试块弹性模量的后期发展效果一般.

2.3 微观形貌结构分析

本试验采用S-3400N型(倍率：5～300000)电子显微镜对C组抗折强度试块的破坏面进行扫描,如图2所示.

图2 C组抗折强度试块破坏面的微观结构
Fig.2 Microstructure of group C specimen for flexural strength

由图2可以看出：PVA纤维在试块中分布均匀,分散性和伸展性较好,无明显团聚现象;在试块抗折破坏时,纤维的破坏机制为拔出,而非纤维断裂,这也是C组试块抗折强度略高于B组试块的原因;从纤维复合改性土的破坏界面上没有看出明显的孔隙及缝隙,质地紧密,表明水分和无机盐很难进入改性土体内部,这对纤维复合改性土的耐水性、耐盐蚀和抗冻融性能都非常有利.

3 耐久性试验及结果分析

3.1 浸水试验

耐水性能对于夯土古建筑加固是一个非常重要的控制指标.雨水沿着土体颗粒间的孔隙进入其内部,吸水膨胀后会破坏土体的内部结构,进而导致土体破坏[12].在冬季,中国西北地区最低气温可达-13℃ 左右,水流进入土体内部后易导致土体发生冻胀破坏,而该地区的年平均降雨量在400mm左右,因此土体耐水性是一项不可忽略的指标.

本试验将100mm×100mm×100mm试块养护至21d后浸泡在水中7d,研究在静水压力作用下试块的耐水性能.5组浸水试块的28d抗压强度见表7.由表7可见：浸水7d后,A组试块的抗压强度退化率为100.00%,说明A组素土试块没有丝毫的耐水能力;B、C、I组试块的抗压强度退化率低于15%,M组试块的抗压强度退化率为24.20%,即B、C、I组试块的耐水性较好,M组试块的耐水性相对较差.观察试块外形发现,浸水7d后,除A组试块外,B、C、I、M组试块均无鼓起、开裂、分层、粉化现象.

表7 浸水试块28d抗压强度
Table 7 Compressive strength of specimens immersed in water at 28d

3.2 冻融试验

据历史天气查询,中国西北地区冬季最低气温可达-13℃左右,夏季最高气温在35℃左右.冻融破坏将引起抹面土体的胀裂、剥落、粉化等现象,因而冻融作用对该地区古建筑破坏较为严重,甚至在偶然情况下可能成为一个主导破坏因素[13],因此有必要对纤维复合改性土的抗冻融性能进行试验.

冻融试验拟采用GB/T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中的快冻法,冻融循环次数n分别为0、50、100次.在进行冻融试验之前,将试块放入水中浸泡4d,浸泡完毕后取出试块,擦干表面水分后正式开始进行冻融试验.每次冻融循环完成后,观察并记录试块表面变化现象.观察发现：经过50次冻融循环后,B、C、I、M组试块表面基本无剥落粉化现象,整体完整;经过100次冻融循环后,B、C、M组试块表面基本无剥落粉化现象,整体完整,而I组试块有细微的粉化现象,整体基本完整.对完成50次和100次冻融循环的5组试块进行12h烘干,测试其60d抗压强度,所得结果见表8.

表8 冻融试块60d抗压强度和抗压强度退化率
Table 8 Compressive strength and strength degradation rate of freeze-thaw specimens at 60d

由表8可见：经过50、100次冻融循环后,除A组素土试块之外,其余几组试块的抗压强度退化率都不高,其中尤以C组试块的表现最好.主要原因是C组试块(包括B组试块)掺入的液体固化剂为离子型高聚物类固化剂,其含钙物质中的阳离子与阴离子接触后,发生聚合和稠化反应,高分子物质之间形成相互交联的网格状聚合物链,包裹联结土壤颗粒,并填充颗粒空隙,直到整个土壤体系凝固成凝胶并固化,并且形成的凝胶化合物将填充土壤和其他改性掺和料(水泥、聚合物、纤维)的间隙,从而形成一个密闭性极强的颗粒板块.由于水和空气都无法进入,因此这种固化土的抗冻融性、水稳定性和耐老化性等都非常好[14].

3.3 盐蚀试验

可溶盐对土体的损害尤为常见,其随着水分从地下迁移上升到墙体内部,结晶膨胀破坏墙体结构.土体中的Na2SO4和Na2SiO3是最常见的腐蚀盐之一,其中硫酸盐对土体的侵蚀更为严重,硫酸根离子会穿过土体孔隙,与改性掺和料中的水泥水化物和土体中的含钙氧化物反应生成钙矾石[15],导致土体结构不断膨胀、疏松、掉渣、开裂,因此有必要对纤维复合改性土的耐盐蚀性能进行试验.

盐蚀试验模拟古建筑墙体所处环境.在2个容器中铺上厚度为5～7cm的细沙,分别往其中注入质量分数为3%的Na2SO4和Na2SiO3溶液,然后在细沙上垫一层滤纸,把已养护28d的待测试块(100mm×100mm×100mm)放于其上.注入液面高度低于滤纸表面0.3cm左右,并且要保证溶液能够穿过滤纸上升到试块底部;试验期间维持容器中液面高度基本不变.于14d后将试块从容器中取出,放置在潮湿的地方60d后,观察试块腐蚀情况,并测试各组试块90d抗压强度和抗压强度退化率(损失为正、增加为负),结果见表9.

表9 盐蚀试块的90d抗压强度和抗压强度退化率
Table 9 Compressive strength and strength degradation rate of salt corrosion specimens at 90d

观察发现：经3.000%Na2SiO3溶液侵蚀60d后,A组试块表面白色晶体有少量增加;B、C、I组试块表面基本无变化;M组试块表面产生的大量白色晶体基本不再增加;各组试块均未出现开裂现象.经3.000%Na2SO4溶液侵蚀60d后,A组试块表面仍然有少量白色晶体,裂缝和剥落情况加重;B、C、I组试块表面基本无变化,无裂缝产生;M组试块表面黑色物质凝结且不再增加,无裂缝产生.

B、C、I、M组试块未出现开裂、剥落、粉化等现象的原因在于水泥和聚合物是改性土耐盐蚀能力提高的主要因素.水泥颗粒相对于土颗粒而言极小,非常容易进入土体空隙中,其水化生成的Ca(OH)2等胶凝粒子比表面积要比水泥颗粒大1000多倍,因此可团聚大量土体颗粒而形成大的团粒,对土体力学性能的提高有很大贡献;聚合物中的Ca2+、OH-可渗透进入土体内部,在与土体中的矿物成分发生物理化学反应后,会进一步生成胶凝物质,并且在一定程度上封闭各团粒之间的孔隙,进而形成封闭性较好的改性土体结构,可以在很大程度上阻止水分和无机盐进入改性土体内部.

M组试块表面出现的黑色物质,推测是Na2SO4和粉体固化剂反应生成的某种物质,在试块破坏以后观察试块内部无黑色物质产生.作为古建筑抹面加固,不允许表面有黑色产生,故不采用M组配合比.

3.4 紫外线老化试验

中国西北地区年平均紫外线强度为10W/m2,在紫外线长年照射下,可能会造成纤维复合改性土抹面起皮、颜色变化、纤维粉化,影响加固面的外观和抗拉强度.这对古建筑的保护是极为不利的,故对加固土体而言,耐紫外线老化性能也是必测项目.

采用C组配合比配制墙体抹面,用紫外线强度为2200W/m2的强紫外线灯照射该抹面28d(强紫外线灯照射28d的紫外线通量约为西北地区太阳光照射16a的紫外线通量).观察发现,用强紫外线灯照射该抹面28d后,抹面未发生起皮、起灰、粉化、剥落等现象,即C组配合比满足墙体抹面的耐紫外线老化要求.

3.5 墙体抹面加固情况

采用C组配合比配制纤维复合改性土作为墙体抹面,内穿螺杆加钢丝网对墙体进行加固,养护完成后对该墙体试件进行对角加载,分析加固后该墙体的抗剪承载力和破坏过程(具体加载情况本文未叙述),墙体加固情况如图3所示.

图3 C组配合比墙体抹面加固情况
Fig.3 Reinforcement of group C fiber composite mud plaster

由图3可以看出,纤维复合改性土抹面在养护过程中未出现收缩裂缝及剥落现象,加固面与夯土墙体黏结紧密,且外观上依然表现为土色,符合历史建筑加固修复中“修旧如旧”的基本原则.

4 结论

(1)兼顾夯土古建筑保护的基本原则,综合抗折强度、抗压强度、劈拉强度、弹性模量及各项耐久性评价指标,C组试块的配合比最佳(长度12mm、直径20μm的PVA纤维体积分数1.0%,Sinovis液态固化剂质量分数0.125%,聚合物质量分数3.000%,水泥质量分数10.000%,素土质量分数86.875%,含水率35.900%).

(2)液体固化剂可以与固化材料形成凝胶化合物,填充土壤间隙,将土壤颗粒和其他掺和料(水泥、聚合物、纤维)黏结起来,极大增加固化土的抗压强度和弹性,从而形成一个具有一定弹性且水无法渗透的整体板块.水和空气都无法进入,所以固化后改性土的水稳定性、抗冻融性、耐盐蚀及耐老化等性能都非常好.

(3)掺入适量合适长径比的PVA纤维可以直接提高改性土的抗折强度、抗压强度、弹性模量.掺入2.000%的熟石灰对纤维复合改性土的各项强度基本没有提高作用,对其耐久性的提高效果也不是很明显,故纤维复合改性土中掺入熟石灰的意义不大.

(4)纤维复合改性土是在修复历史夯土建筑的背景下进行研究的,造价相对较高,故不适用于农村夯土建筑加固.由于国内外对此类材料研究较少,因此还需在满足“修旧如旧”的前提下作更深入、更广泛、适用性更强的研究.

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