歷史夯土建筑改性土抹面加固材料的試驗(yàn)研究

史慶軒, 郭天宇, 賀志堅(jiān)

(1.西安建筑科技大學(xué) 西部綠色建筑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710055; 2.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 陜西 西安 710055; 3.西安建筑科技大學(xué) 結(jié)構(gòu)工程與抗震教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710055; 4.陜西省建筑設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)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(lèi)由樹(shù)居、洞居(穴居)向現(xiàn)代居住環(huán)境進(jìn)化的過(guò)程中占有重要地位.在中國(guó)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(yán)重；另外，中國(guó)屬于地震高發(fā)區(qū),每次地震都會(huì)造成這些建筑的損壞和倒塌,從而嚴(yán)重影響到人們的生命和財(cái)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(duì)歷史夯土建筑,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量試驗(yàn)與研究.在加固方法上,國(guó)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(xiāo)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(hù)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(guò)摻入適量的水泥、石灰、土壤固化劑等摻和料來(lái)實(shí)現(xiàn)其強(qiáng)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(shí)際情況并不相符.國(guó)外學(xué)者對(duì)于新建夯土材料的改良研究較多[9-11],他們通過(guò)在素土中摻入水泥、稻草、砂石等改性摻和料,來(lái)提高改性土的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度,同時(shí)降低土體干縮,但對(duì)于夯土墻加固的研究相對(duì)較少.

本文研究的纖維復(fù)合改性土抹面加固夯土墻的主要原理為：通過(guò)在素土中添加高分子纖維來(lái)提高土體抗拉性能,同時(shí)內(nèi)置鐵絲網(wǎng)來(lái)提高墻體整體性,與墻體的拉結(jié)則采用墻體開(kāi)孔(開(kāi)孔點(diǎn)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(jìn)行綁扎連接.采用纖維復(fù)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(lèi)建筑高度不高、重量有限,爭(zhēng)取達(dá)到罕遇地震墻體不開(kāi)裂,減少現(xiàn)代痕跡的目標(biāo).

1 原材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 原材料

(1)素土(S)：中國(guó)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(shù)根、石塊等雜物,素土的各項(xiàng)物理性能見(jiàn)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(qiáng)度1200～1500MPa,彈性模量30～35GPa,伸長(zhǎng)率5%～7%,熔點(diǎn)215℃,耐酸、耐堿、耐紫外線,纖維尺寸有3種,見(jiàn)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(chēng)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(lái)水.

表1 中國(guó)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(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1改性摻和料作用機(jī)理分析

作為加固用抹面材料,纖維復(fù)合改性土需具有以下性能：(1)抗壓、抗拉強(qiáng)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(kāi)裂.

水泥作用機(jī)理：土體中摻入水泥后,水泥會(huì)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(tuán)聚大量土體顆粒而形成大的團(tuán)粒,提高土體強(qiáng)度和彈性模量等指標(biāo);同時(shí)Ca2+、OH-可滲透進(jìn)入土體內(nèi)部,與土體中的礦物成分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng),進(jìn)一步生成膠凝物質(zhì),并且在一定程度上封閉各團(tuán)粒之間的孔隙,進(jìn)而形成封閉性較好的改性土體結(jié)構(gòu),阻止水分和無(wú)機(jī)鹽進(jìn)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(jī)理：冷溶聚乙烯醇又稱(chēng)建筑膠水,其一可提高纖維與改性土的界面黏結(jié)強(qiáng)度,協(xié)助纖維更好地發(fā)揮抗拔效果,對(duì)于提高纖維復(fù)合改性土的抗拉強(qiáng)度非常有利;其二可增加纖維復(fù)合改性土的內(nèi)聚強(qiáng)度和附著力,在抹面加固時(shí)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(fù)合改性土的凝固速率,改善其早期強(qiáng)度,成模性好.

土壤固化劑作用機(jī)理：其一能在土壤中形成網(wǎng)狀結(jié)晶體,穿插在土壤顆?？障堕g形成強(qiáng)度骨架,并同水泥形成團(tuán)粒填充在骨架之中,提高改性土的力學(xué)性能;其二可與水泥形成凝膠化合物,進(jìn)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(wú)機(jī)鹽和空氣等都無(wú)法進(jìn)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(jī)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(zhǎng)徑比的纖維可以直接提高改性土的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量和極限延伸率.

1.2.2試塊設(shè)計(jì)與制作

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

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

試塊制作：篩除土中的樹(shù)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(duì)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?yàn)⑺B(yǎng)護(hù),灑水完畢后蓋上一層薄膜以防止試塊失水過(guò)快;7d后放在自然環(huán)境中晾干至測(cè)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(xué)性能試驗(yàn)和結(jié)果分析

2.1 力學(xué)性能試驗(yàn)

力學(xué)性能試驗(yàn)參照GB/T 50081—2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》,采用WE-30型位移控制式萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)試塊加載.抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的加載速率為1.5mm/min;劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)的加載速率為1.0mm/min;抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的加載速率為1.0mm/min.各組試塊28d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和彈性模量試驗(yàn)結(jié)果如表4所示;抗壓強(qiáng)度試塊28d應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示;其中所列數(shù)據(jù)均為每組3個(gè)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(qiáng)度相對(duì)較高,B、G、M組試塊的28d劈拉強(qiáng)度相對(duì)較高,由此可見(jiàn),摻入纖維、固化劑、聚合物等材料的試塊強(qiáng)度提高非常明顯.相對(duì)于纖維PVA-2、PVA-3,PVA-1對(duì)試塊抗壓、劈拉強(qiáng)度的提高幅度更大.理論上當(dāng)提高纖維的長(zhǎng)徑比時(shí),更能發(fā)揮纖維的效用,但是當(dāng)纖維的長(zhǎng)徑比偏大時(shí),纖維在改性土

表4 各組試塊28d抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)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(qiáng)度試塊的應(yīng)力-應(yīng)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(tuán)現(xiàn)象明顯.因此選用合理長(zhǎng)徑比的纖維非常重要,且其體積分?jǐn)?shù)為1.0%時(shí)試塊的抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高,體積分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)試塊的劈拉強(qiáng)度較高,但體積分?jǐn)?shù)為2.0%時(shí)纖維極難摻入,結(jié)團(tuán)嚴(yán)重.粉體固化劑較液體固化劑對(duì)試塊抗壓強(qiáng)度的提高效果更為明顯,液體固化劑較粉體固化劑對(duì)試塊劈拉強(qiáng)度的提高效果更為明顯,粉體固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.000%時(shí)效果較好,摻入過(guò)量的粉體固化劑會(huì)導(dǎo)致試塊偏柔,強(qiáng)度不足,彈性模量不高.摻入熟石灰對(duì)試塊強(qiáng)度的影響不大;聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.000%時(shí)對(duì)試塊強(qiáng)度的提高效果較好,聚合物過(guò)少或過(guò)多都達(dá)不到提高纖維與改性土界面黏結(jié)強(qiáng)度的效果.

由圖1可見(jiàn),除A組試塊外,其余各組試塊的應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力-應(yīng)變持續(xù)增長(zhǎng),應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度略快于應(yīng)力增長(zhǎng)速度;之后應(yīng)力達(dá)到第1峰值點(diǎn),應(yīng)力-應(yīng)變曲線水平發(fā)展或微量下降發(fā)展;最后應(yīng)力-應(yīng)變曲線再次上升,應(yīng)力不再出現(xiàn)明顯峰值點(diǎn).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(jìn)行28d抗折強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)表5.由表5可見(jiàn),C組試塊的抗折強(qiáng)度要高于B組試塊,即纖維長(zhǎng)徑比大的試塊抗折強(qiáng)度較高.原因是大長(zhǎng)徑比的纖維雖然分散性不如小長(zhǎng)徑比的纖維,但大長(zhǎng)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(zhǎng)徑比對(duì)試塊抗折承載力是有利的.另外,對(duì)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(qiáng)度,但效果不明顯;對(duì)比B、M組試塊的數(shù)據(jù)可以看出,摻入液體固化劑對(duì)試塊抗折強(qiáng)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(shí)的抗壓強(qiáng)度也列于表5.可以看出：與28d抗壓強(qiáng)度相比,A組試塊60、90d抗壓強(qiáng)度基本沒(méi)有發(fā)生變化;B、C、I組試塊90d抗壓強(qiáng)度提高2倍左右,M組試塊90d抗壓強(qiáng)度提高1倍左右.對(duì)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(duì)試塊后期強(qiáng)度發(fā)展的效果更好.

表5 5組試塊28d抗折強(qiáng)度和不同齡期抗壓強(qiáng)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(xiàng)很重要的力學(xué)指標(biāo),纖維復(fù)合改性土的彈性模量是根據(jù)試塊應(yīng)力由0.5MPa到1/3軸向極限力之間的差值除以其間的應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算的.A、B、C、I、M這5組試塊在齡期為28、60、90d時(shí)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(shuō)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(duì)較高,60d彈性模量相對(duì)其28d彈性模量提高20%左右,90d彈性模量相對(duì)其28d彈性模量提高58%左右,粉體固化劑對(duì)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(yàn)采用S-3400N型(倍率：5～300000)電子顯微鏡對(duì)C組抗折強(qiáng)度試塊的破壞面進(jìn)行掃描,如圖2所示.

圖2 C組抗折強(qiáng)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(wú)明顯團(tuán)聚現(xiàn)象;在試塊抗折破壞時(shí),纖維的破壞機(jī)制為拔出,而非纖維斷裂,這也是C組試塊抗折強(qiáng)度略高于B組試塊的原因;從纖維復(fù)合改性土的破壞界面上沒(méi)有看出明顯的孔隙及縫隙,質(zhì)地緊密,表明水分和無(wú)機(jī)鹽很難進(jìn)入改性土體內(nèi)部,這對(duì)纖維復(fù)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(yàn)及結(jié)果分析

3.1 浸水試驗(yàn)

耐水性能對(duì)于夯土古建筑加固是一個(gè)非常重要的控制指標(biāo).雨水沿著土體顆粒間的孔隙進(jìn)入其內(nèi)部,吸水膨脹后會(huì)破壞土體的內(nèi)部結(jié)構(gòu),進(jìn)而導(dǎo)致土體破壞[12].在冬季,中國(guó)西北地區(qū)最低氣溫可達(dá)-13℃ 左右,水流進(jìn)入土體內(nèi)部后易導(dǎo)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(xiàng)不可忽略的指標(biāo).

本試驗(yàn)將100mm×100mm×100mm試塊養(yǎng)護(hù)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(qiáng)度見(jiàn)表7.由表7可見(jiàn)：浸水7d后,A組試塊的抗壓強(qiáng)度退化率為100.00%,說(shuō)明A組素土試塊沒(méi)有絲毫的耐水能力;B、C、I組試塊的抗壓強(qiáng)度退化率低于15%,M組試塊的抗壓強(qiáng)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(duì)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(wú)鼓起、開(kāi)裂、分層、粉化現(xiàn)象.

表7 浸水試塊28d抗壓強(qiáng)度Table 7 Compressive strength of specimens immersed in water at 28d

3.2 凍融試驗(yàn)

據(jù)歷史天氣查詢(xún),中國(guó)西北地區(qū)冬季最低氣溫可達(dá)-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(duì)該地區(qū)古建筑破壞較為嚴(yán)重,甚至在偶然情況下可能成為一個(gè)主導(dǎo)破壞因素[13],因此有必要對(duì)纖維復(fù)合改性土的抗凍融性能進(jìn)行試驗(yàn).

凍融試驗(yàn)擬采用GB/T 50082—2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中的快凍法,凍融循環(huán)次數(shù)n分別為0、50、100次.在進(jìn)行凍融試驗(yàn)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(kāi)始進(jìn)行凍融試驗(yàn).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(guò)50次凍融循環(huán)后,B、C、I、M組試塊表面基本無(wú)剝落粉化現(xiàn)象,整體完整;經(jīng)過(guò)100次凍融循環(huán)后,B、C、M組試塊表面基本無(wú)剝落粉化現(xiàn)象,整體完整,而I組試塊有細(xì)微的粉化現(xiàn)象,整體基本完整.對(duì)完成50次和100次凍融循環(huán)的5組試塊進(jìn)行12h烘干,測(cè)試其60d抗壓強(qiáng)度,所得結(jié)果見(jiàn)表8.

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

由表8可見(jiàn)：經(jīng)過(guò)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(qiáng)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(lèi)固化劑,其含鈣物質(zhì)中的陽(yáng)離子與陰離子接觸后,發(fā)生聚合和稠化反應(yīng),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(gè)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(gè)密閉性極強(qiáng)的顆粒板塊.由于水和空氣都無(wú)法進(jìn)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(yàn)

可溶鹽對(duì)土體的損害尤為常見(jiàn),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(jiàn)的腐蝕鹽之一,其中硫酸鹽對(duì)土體的侵蝕更為嚴(yán)重,硫酸根離子會(huì)穿過(guò)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(yīng)生成鈣礬石[15],導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)不斷膨脹、疏松、掉渣、開(kāi)裂,因此有必要對(duì)纖維復(fù)合改性土的耐鹽蝕性能進(jìn)行試驗(yàn).

鹽蝕試驗(yàn)?zāi)M古建筑墻體所處環(huán)境.在2個(gè)容器中鋪上厚度為5～7cm的細(xì)沙,分別往其中注入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的Na2SO4和Na2SiO3溶液,然后在細(xì)沙上墊一層濾紙,把已養(yǎng)護(hù)28d的待測(cè)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(guò)濾紙上升到試塊底部;試驗(yàn)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(cè)試各組試塊90d抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度退化率(損失為正、增加為負(fù)),結(jié)果見(jiàn)表9.

表9 鹽蝕試塊的90d抗壓強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)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(wú)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(kāi)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(wú)變化,無(wú)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(wú)裂縫產(chǎn)生.

B、C、I、M組試塊未出現(xiàn)開(kāi)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(duì)于土顆粒而言極小,非常容易進(jìn)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(tuán)聚大量土體顆粒而形成大的團(tuán)粒,對(duì)土體力學(xué)性能的提高有很大貢獻(xiàn);聚合物中的Ca2+、OH-可滲透進(jìn)入土體內(nèi)部,在與土體中的礦物成分發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)后,會(huì)進(jìn)一步生成膠凝物質(zhì),并且在一定程度上封閉各團(tuán)粒之間的孔隙,進(jìn)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(wú)機(jī)鹽進(jìn)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(cè)是Na2SO4和粉體固化劑反應(yīng)生成的某種物質(zhì),在試塊破壞以后觀察試塊內(nèi)部無(wú)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(yàn)

中國(guó)西北地區(qū)年平均紫外線強(qiáng)度為10W/m2,在紫外線長(zhǎng)年照射下,可能會(huì)造成纖維復(fù)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(qiáng)度.這對(duì)古建筑的保護(hù)是極為不利的,故對(duì)加固土體而言,耐紫外線老化性能也是必測(cè)項(xiàng)目.

采用C組配合比配制墻體抹面,用紫外線強(qiáng)度為2200W/m2的強(qiáng)紫外線燈照射該抹面28d(強(qiáng)紫外線燈照射28d的紫外線通量約為西北地區(qū)太陽(yáng)光照射16a的紫外線通量).觀察發(fā)現(xiàn),用強(qiáng)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(mǎn)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(fù)合改性土作為墻體抹面,內(nèi)穿螺桿加鋼絲網(wǎng)對(duì)墻體進(jìn)行加固,養(yǎng)護(hù)完成后對(duì)該墻體試件進(jìn)行對(duì)角加載,分析加固后該墻體的抗剪承載力和破壞過(guò)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(fù)合改性土抹面在養(yǎng)護(hù)過(guò)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(fù)中“修舊如舊”的基本原則.

4 結(jié)論

(1)兼顧夯土古建筑保護(hù)的基本原則,綜合抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、彈性模量及各項(xiàng)耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo),C組試塊的配合比最佳(長(zhǎng)度12mm、直徑20μm的PVA纖維體積分?jǐn)?shù)1.0%,Sinovis液態(tài)固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.125%,聚合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.000%,水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.000%,素土質(zhì)量分?jǐn)?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(lái),極大增加固化土的抗壓強(qiáng)度和彈性,從而形成一個(gè)具有一定彈性且水無(wú)法滲透的整體板塊.水和空氣都無(wú)法進(jìn)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(zhǎng)徑比的PVA纖維可以直接提高改性土的抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量.摻入2.000%的熟石灰對(duì)纖維復(fù)合改性土的各項(xiàng)強(qiáng)度基本沒(méi)有提高作用,對(duì)其耐久性的提高效果也不是很明顯,故纖維復(fù)合改性土中摻入熟石灰的意義不大.

(4)纖維復(fù)合改性土是在修復(fù)歷史夯土建筑的背景下進(jìn)行研究的,造價(jià)相對(duì)較高,故不適用于農(nóng)村夯土建筑加固.由于國(guó)內(nèi)外對(duì)此類(lèi)材料研究較少,因此還需在滿(mǎn)足“修舊如舊”的前提下作更深入、更廣泛、適用性更強(qiáng)的研究.