固化夯土材料強度特性與耐久性能試驗

陳 哲，王 帥，徐 穎*，譚宇恒

(1. 天津大學建筑工程學院，天津 300072； 2. 中國水利電力對外有限公司，北京 100120)

夯土作為一種廉價而易制取的建筑材料，自商代沿用至今，在人類建筑發展史上發揮了重要的作用。現如今，以混凝土為主要構筑材料的建筑物在建筑結構中已趨于普遍，但在水泥的生產與建筑物拆除過程中，往往會對環境造成影響，與近些年來的節能減排的政策相悖。與此同時，作為一種古老的構筑技術，夯土技術以其取材易、無污染、可持續性好、保溫隔熱性能以及抗震性能優越等諸多優點，在當今建筑構筑方面又煥發了新的活力[1-3]。但對于土結構而言，其耐久性、安全性以及抗震性能也存在許多的缺陷，有必要對改性夯土材料進行進一步試驗研究[4-6]。

中外學者就夯土材料的基本力學性能及其結構性能已展開了一系列研究。在改性夯土的加固方法方面，Corbin等[7]研究了改性夯土材料中纖維摻量對其力學性質的影響，發現存在最優纖維添量使得其無側向抗壓強度(unconfined compressive strength, UCS)最大；Ciancio等[8]研究了石灰摻量對夯土強度的影響，得出了使得無側限抗壓強度最大的最佳石灰摻量；彭道強[9]對水泥和石灰兩種常用的改性試劑的改性效果進行了研究，發現添加水泥與石灰均使夯土抗壓強度有不同程度的提高；以新型固化劑為夯土改良試劑，證實了其對夯土抗壓強度的改善具有良好效果[10-11]。

在改性的夯土強度和耐久性研究方面，Consoli等[12]通過研究單軸抗壓實驗結果，總結出了強度與水泥含量、孔隙度和養護齡期等變量之間的關系；Rocha等[13]研究了粉煤灰、石灰含量以及孔隙度與石灰含量的比值等因子對夯土材料長期強度的影響，提出了強度增長的冪指數關系預測公式模型；王東星等[14]對摻入粉煤灰、水泥和石灰的固化淤泥進行試驗，發現養護時間越長，適當的水泥摻量會增強其無側限抗壓強度；梁蘭娣[15]研究發現隨著干濕循環次數不同，對土樓夯土試樣的質量、含水率及無側限抗壓強度的影響也不盡相同；孟慶明等[16]對夯土試塊進行了干濕循環下的物理特性試驗研究，發現干濕循環次數對夯土的質量、含水率以及強度有很大的影響；Narloch等[17]對礦物組成成分不同的水泥固化夯土進行壓縮試驗，發現不同礦物組成成分對夯土材料抗壓強度有不同影響程度；崔凱等[18]基于對夯土建筑遺址的賦存環境特征以及夯土物理力學性質的分析，發現干濕循環以及鹽漬的共同作用是導致夯土結構劣化的重要原因。

綜上所述，現有研究主要集中于不同固化劑類型和配比對于天然土夯土強度和耐久性能影響的定性研究，在其固化配合比以及加固方法等方面國內外學者也做了大量相關研究，其強度增長規律亦有涉及。但在固化夯土配合比方面，當前研究大多針對某一地區的生土材料進行加固，對于不同黏土礦物對固化夯土的強度以及耐久性影響規律的研究尚未深入涉及，夯土的固化反應機理和多種固化劑配合使用的加固效果也鮮有探究。

鑒于上述研究現狀，現提出利用市面上常見的典型黏土礦物(膨潤土、高嶺土)與天然土為主要成分制作固化夯土試樣，開展無側限抗壓試驗和吸水試驗，研究在不同配比固化劑加固條件和不同養護期條件下夯土試樣的強度和物理力學參數變化規律以及耐久性能特征。此外在試驗基礎上還初步建立膨潤土、高嶺土夯土試樣強度發展模型并討論模型參數的物理意義與影響因素，這一研究對夯土材料的改性應用和夯土建筑的穩定性以及預測其性能變化行為，判斷其相關影響因素，有重要的理論研究意義和工程應用價值。

1 試樣制備及試驗方案

1.1 原材料選用

選用多種市面上常見的建筑材料為原料作為試驗材料，提出了三大類試樣配比方案，即天然土試樣、高嶺土試樣、膨潤土試樣。其中用到的原料有天然土、建筑河砂、水泥、高嶺土、膨潤土以及石灰等。

1.2 試驗設備

選用自制經過改造的夯土器進行夯土試樣的制作，可良好控制試樣夯實度，如圖 1(a)所示。該夯土器包含：成樣模具筒、夯錘以及刻度尺等主要部件。并通過利用英國ELE公司生產的三軸測試系統來測試不同種類夯土試樣的無側向抗壓強度，如圖 1(b)所示。

圖 1 夯土器及三軸試驗測試系統Fig.1 Compactor and loading frame for UCS testing

1.3 試樣制備

制備的夯土試樣根據砂(60%、65%)、固化劑含量(0、5%)以及種類的不同共設置11種配合比，試驗配合比方案如表 1所示，其中S代表天然砂，L代表石灰，C代表水泥，B代表膨潤土，K代表高嶺土，NS代表天然土。首先，需要根據設計方案確定不同配合比試樣各組分原材料質量，并進行稱重，繼而按各自配合比混合且攪拌均勻，再將配好的濕土裝入模具，并使用夯實器對其進行夯實。通過夯土器將試樣加工成直徑30mm、長度78mm的圓柱形試樣。膨潤土試樣、高嶺土試樣和天然土試樣的夯實度分別為95%、93%和95%。對于各種類型的試樣來講，夯實過程中需要盡量每層均勻夯實，以期達到試樣每層的密實程度均一化，減小層理對試樣力學性質的影響。

表 1 試驗配合比方案Table1 Test design details of different blending ratios

每種配合比制備16個試樣，分成4組分別進行3、7、28、56d的養護，且每組包含4個試樣，共計制備171個夯土試樣。對于養護至規定齡期的試樣將其取出，迅速對其質量、高度、直徑等參數進行測量。直徑取4次測量的平均值，高度取2次測量的平均值，而后可以通過以上參數計算出試樣密度。

1.4 試驗方案

對11種不同配比方案、4種不同養護齡期的試樣分別開展無側限抗壓強度試驗和吸水試驗。

無側限抗壓強度試驗：將經過測量的養護試樣小心取出，迅速平整穩定地放置于三軸試驗系統的底座的正中心上，以防止試樣水分與環境發生交換而發生再平衡，以及試驗過程中由于泊松效應造成試樣底面超過底座輪廓造成的應力不均勻以及出現剪應力等不利狀況的發生。放置前，需要對儀器底座頂端以及頂端荷載試樣帽底端涂抹潤滑劑(凡士林)以減少應力集中。試驗過程中，加載率控制在0.5%/min，當應變達到10%時，停止加載。試驗結束后，將試樣小心取出，回收并妥善保存試樣。并對試驗后的試樣取樣測其含水率。

吸水試驗：將6個不同類型且已知質量的夯土試樣置于已備好的去離子水或1mol/L氯化鈉溶液中浸泡2h，液面高度為試樣高度的1/10。隨后將試樣干燥并稱重以確定其吸水質量以及質量損失。干燥后試樣再次置于與之前相同的溶液中24h后，利用相同的方法進行干燥稱重。經過2h吸水試驗后的試樣如圖 2所示。

1#為天然土試樣；2#為高嶺土試樣；3#為膨潤土試樣； A為石灰試樣；B為水泥試樣圖 2 氯化鈉溶液以及去離子水放置2h后的試樣Fig.2 Specimens exposed for 2 h to NaCl solution and deionized water

2 試驗結果及分析

2.1 粒度分布實驗及其他物理力學指標

選用的天然土試樣的顆粒級配曲線如圖 3所示，計算可得所用天然土的不均勻系數Cu=42>5，曲率系數Cc=0.17，故該試樣土的土粒不均勻，級配不連續。稠度試驗以及相對密度試驗的試驗結果如表 2所示。

圖 3 天然土顆粒級配曲線Fig.3 Grain-size distribution curve of natural soil

表 2 天然土的基本物理參數Table2 Basic physical properties of natural soil

按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)[19]對于土的分類標準進行分類，試驗所用天然土屬于粉質黏性土。

2.2 無側限抗壓強度及其他物理力學指標結果及分析

2.2.1 膨潤土

經過無側限抗壓試驗，每種配合比的膨潤土試樣在不同養護齡期下的無側限抗壓強度、體積密度以及含水率的值，如圖 4所示。

圖 4 膨潤土試樣強度、密度、含水率與養護齡期關系Fig.4 The relationship of UCS，density and water content for bentonite specimen with curing time

總體來看，本試驗試樣的配比按照固化劑類別來講可分為添加水泥類和未添加水泥類試樣。未添加水泥試樣中的固化劑為石灰，而水泥類試樣中也有一組添加石灰。夯土材料作為混凝土的環保型替代材料，以天然河沙為補充材料，利用膠凝材料與黏土礦物之間的化學反應生成強度較高的膠結材料充當混凝土中水泥的作用，將砂石緊密結合在一起以增強其黏聚力。

從圖 4中可以看出，不同配合比的試樣的無側限抗壓強度隨著養護齡期的增加而呈增長的趨勢，增長幅度逐漸減小，最后逐漸應趨于穩定。此現象與實際情況相符合，即試樣強度隨著水化反應的逐漸完成，其強度逐漸提高，但強度不會無限制增加，存在一個最大強度。對比圖4(b)、圖4(c)配比試樣強度試驗結果：養護56d的含石灰的試樣抗壓強度約為含有水泥的試樣的29%，表明固化劑中添加水泥的試樣在強度方面明顯優于添加石灰的試樣，并且隨著養護齡期的增長，固化劑為水泥的試樣強度增幅較固化劑為石灰的試樣要大。

圖 5 高嶺土試樣強度、密度、含水率與養護齡期關系Fig.5 The relationship of UCS，density and water content for kaolinite specimens with curing time

水泥試樣固化機制主要是發生水化反應以及火山灰反應，而石灰試樣固化機制主要是水化反應、火山灰反應和碳酸化反應[20]。水泥的主要成分為3CaO·SiO2、2CaO·SiO2等，其發生水化反應消耗的水量和產生的Ca(OH)2的質量約為4︰1。火山灰反應中Ca(OH)2與水的摩爾質量比值的區間為1︰1.25～1︰3.25[21]。由計算可知，水泥完全反應需要的含水率為4%～6%，石灰完全反應需要的含水率為9%～17%，本試驗膨潤土試樣含水率為10%～13%。蒙脫石具有較強的親水性，土體中的水分部分吸附在黏粒表面，部分參與水化反應。對于添加水泥的固化試樣來說，隨著石灰含量的增加，水泥無法完全發生水化反應，試樣強度有所下降；而未添加水泥類試樣則呈現相反的規律，即隨著石灰含量的增加，石灰水化反應程度增強，使夯土試樣強度升高。由此說明，對于膨潤土試樣來說，石灰含量對不同類型固化劑的夯土材料的強度有著不同的影響。隨著養護齡期的增長，其強度亦隨著膨潤土與固化劑反應產物的增加而增強。

2.2.2 高嶺土

如圖 5所示為每種配合比的高嶺土試樣在不同養護齡期下的無側限抗壓強度、體積密度以及含水率的值。與膨潤土試樣類似地，添加水泥類高嶺土試樣的強度要高于未添加水泥類試樣。所有配合比的試樣無側限抗壓強度值隨著養護齡期的增加呈現先增加后減小的趨勢。其原因可能是由于高嶺土試樣在養護過程中除了發生水化反應之外，強度增長后期碳化反應開始進行或起主導作用，使得高嶺土試樣的強度在后期存在衰減。堿性環境的變化也會對固化反應的產物產量造成影響，高嶺土與固化劑反應過程中pH的變化改變了膠結物產量，從而影響強度變化。對于添加水泥類試樣來說，無論在何種養護階段，石灰含量的提高(0～5%)會使試樣的強度有所提高。對于未添加水泥類試樣來說，石灰含量的增加(5%～10%)反而會使試樣強度降低。以上特征皆與相應的膨潤土試樣強度增長規律相反，其原因可能是由于高嶺土與膨潤土在經過水泥與石灰等固化劑固化時，其水化反應生成的膠結物結構或含量有所不同。

對比圖5(a)、圖5(b)可知，將石灰加入水泥試樣中會使其強度增加約10%；對比圖5(b)、圖5(c)兩組配合比的試樣測試結果可以看出，隨著養護齡期的增加，水泥的摻入會明顯增強試樣強度。整體而言，高嶺土試樣強度強于膨潤土試樣，原因可能是高嶺土試樣的親水性遠小于蒙脫石，可有更充足的水分參與水泥和石灰的水化反應，能對試樣起到更好的膠結作用。

2.2.3 天然土

每種配合比的天然土試樣在不同養護齡期下的無側限抗壓強度、體積密度以及含水率的值，如圖 6所示。

圖 6 天然土試樣強度、密度、含水率與養護齡期關系Fig.6 The relationship of UCS，density and water content for natural soil specimens with curing time

由圖 6可知，對于圖6(a)、圖6(c)中的配合比試樣來說，試樣的無側限抗壓強度隨著養護齡期的增加基本上呈增加趨勢，而圖6(b)中的試樣強度隨著養護齡期先增加后減小。含水泥試樣和含石灰試樣強度隨著養護時間的增加而增加，特別是在水化作用后期。

對比圖6(a)、圖6(b)，添加石灰并不能使試樣強度提高，反而有所降低。添加水泥類試樣的強度要高于未添加水泥類的試樣。相同配比試樣夯實度越高，試樣抗壓強度越大。根據試驗結果，相同夯實度條件下，天然土試樣的強度低于高嶺石試樣強度，但高于膨潤土試樣強度，且試樣強度對配合比的敏感程度顯著大于夯實度。總體而言，三類試樣的含水率在養護過程中變化不大，膨潤土試樣的含水率相對穩定在17%左右，高嶺土試樣的含水率約相對穩定在11%，天然土試樣則保持在4%左右。由于土樣在固化過程中發生水化反應，會消耗部分孔隙水，但標準養護28d后，固化土樣的水化反應速率會減慢，控制其含水率下降程度有限[22]。所有石灰類試樣的體積密度要略高于水泥類試樣，且二者隨養護齡期的增加而變化不大。同類試樣體積密度較低時，試樣初始存在擠壓作用，顆粒間較難發生滑移，內摩擦角增大，而體積密度較高時，試樣更易產生裂隙，削弱了顆粒間的法向接觸力，內摩擦角減小，更易發生破壞，強度更低。

2.3 吸水試驗結果及分析

衡量夯土類材料耐久性的主要方法就是研究其在干濕循環下的質量損失[15]。夯土材料所處的潮濕環境可能含有無機鹽離子，其中最為常見且對耐久性影響最大的就是氯化鈉溶液。吸水試驗將含有固化劑的膨潤土、高嶺土、天然土三類試樣分別放置于去離子水以及濃度1mol/L氯化鈉溶液中，且每類試樣的固化劑類型分為水泥類和石灰類，以探究夯實試樣在這兩種環境下的耐久程度。

2.3.1 去離子水試驗結果及分析

如表 3所示，試樣置于去離子水中浸泡2h與24h后的干濕質量均有所變化。所有試樣在浸泡2h后尚能保持完整的結構，而24h后僅有2、3、4號試樣能夠保證完整性，由于黏粒的存在，試樣內部在干、濕循環過程中會產生干縮和濕脹變形，當變形產生的應力超過土體結構時就會在顆粒連接的薄弱環節處產生應力集中，產生裂縫繼而造成固化試樣結構破壞。已經潰散的試樣，判定該試樣的干、濕耐久性達不到要求。根據試驗結果可以看出，相較于其他兩種試樣，膨潤土試樣的耐久度最差。添加水泥的高嶺土的干濕質量損失最小，表現出最強的耐久度和抗風化能力。對比完整的試樣2h與24h的質量損失變化量也可以得到水泥的固化效果強于石灰。

表 3 不同配合比試樣浸于去離子水中后相對干濕質量損失率Table3 Relative dry and wet mass loss rates of specimens with different blending ratios after being exposed to deionized water

由黏土礦物的礦物組成分析可知，蒙脫石的比表面積(800m2/g)要遠遠大于高嶺石(10m2/g)，加之膨潤土和高嶺土的主要成分分別為蒙脫石和高嶺石。蒙脫石的晶胞活動性極大，水分子可以進入晶胞之間，具有極強的吸水性；高嶺土晶胞之間存在氫鍵，具有較強的聯結力，水分子不易進入[22]。因此，在浸泡條件下，膨潤土試樣對水分子的吸附能力更強且膨脹量更大，由于礦物表面被水分子包裹且厚度達到一定的程度，更容易造成了膨潤土試樣的垮塌，其耐久性也就越差。而高嶺土試樣由于吸水相對較少，使其結構更容易保持完整。在天然土試樣中，由于其天然土中的黏土含量要少于其余兩種試樣，其添加石灰試樣潰散可能是由于其黏土礦物含量過少，不足以與固化劑反應生成足夠多的鈣和硅的化合物以大幅度增強其黏聚力，因此其耐久度也很一般。另一個導致潰散的原因是由于水的侵入可能會使某些水溶性膠結物遇水溶解，導致其固化黏聚力減弱，且水的潤滑作用也可能降低土粒之間的內摩阻力。

2.3.2 氯化鈉溶液試驗結果及分析

試樣經過濃度1mol/L NaCl浸泡2h和24h的質量變化量如表 4所示。浸泡2h后，所有試樣均能夠保持完整，而24h后，僅有2、3、4、6號能夠保持完整。與去離子水中的試驗結果類似的，膨潤土試樣置于氯化鈉溶液中的耐久度更差：與溶液接觸24h后，試樣整體出現分解垮塌，試樣失去了顆粒之間的黏合結構，黏聚力消失。高嶺土試樣以及天然土試樣(水泥為固化劑)在經過氯化鈉溶液浸泡2h后表現出良好的耐久性，雖有一定的質量損失但試樣結構完整。膨潤土黏粒干縮和濕脹變形大于高嶺土，干濕循環過程中更易剝落，耐久性更差[23]。然而，在浸泡24h后，除了含有水泥的試樣，所有試樣均出現不同程度的分解弱化現象。其弱化程度也與試樣的配比與組分含量有關。其中含有天然土與石灰的試樣完全解體，而含有天然土與水泥的試樣，其在浸泡前后未有明顯的質量損失，表明它們的結構穩定，整體性較好，抗風化能力更強。并且高嶺土試樣具有一定的抗風化能力：添加水泥的試樣在24h浸泡后沒有明顯的弱化與質量損失，且沒有出現天然土試樣與膨潤土試樣一樣的解體現象。

表 4 不同配合比試樣浸于NaCl溶液中的相對 干濕質量損失率Table4 Relative dry and wet mass loss rates of specimens with different blending ratios after being exposed to NaCl solution

置于氯化鈉溶液以及去離子水中的試樣，根據其前后的質量改變量可以看出暴露于兩種環境的試樣的質量變化或反應與試樣的配比、固化劑類型、固化劑成分暴露時間有關。綜合而言，高嶺土的耐久度要強于其余兩組。

3 無側限抗壓強度增長模型分析與確立

為了得到膨潤土試樣隨齡期變化的長期無側限抗壓強度增長模型，分別對不同配比條件下試樣的無側限抗壓強度變化規律進行了非線性曲線擬合。圖 7所示為不同配合比條件下膨潤土試樣強度的變化規律。

從圖7中可以看出，不同配合比試樣的無側限抗壓強度隨著養護齡期的增加而呈增長的趨勢，增長幅度逐漸減小，最后逐漸趨于穩定。強度隨齡期的變化基本遵循函數y=a-bcx增長，且擬合結果的擬合優度R2都在96%以上，表明回歸顯著，具有很高的精度，如圖 8所示。

圖 7 不同配比膨潤土試樣強度-養護齡期關系Fig.7 The relations between UCS and curing time under different blending ratios of bentonite specimens

圖 8 膨潤土試樣強度增長擬合曲線Fig.8 Strength growth fitting curve of bentonite specimens

圖 9 不同配比高嶺土試樣強度-養護齡期關系Fig.9 The relations between UCS and curing time under different blending ratios of kaolinite specimens

養護時間t與無側限抗壓強度qu關系表示為

qu=a-bct

(1)

式(1)中：a、b、c為模型參數，0

表 5 膨潤土模型函數擬合結果Table5 Fitting results of bentonite model function

在此假設隨著養護齡期的增加，其無側限抗壓強度不會衰減，存在理論上的漸近線，即y=qult，qult為強度的極限值。當t→+∞時，qult=a；當t→0時，試樣剛剛夯實完成未經養護的初始強度為q0，q0=qult-b。通過整理可得，膨潤土試樣無側限抗壓強度的擬合函數模型為

(2)

由擬合結果可知，對于某一配比的膨潤土試樣來說，c值為常數，因此可以判定c的取值與試樣配比有關。同理，模型參數a、b也均與試樣的配比密切相關。更進一步，由此可以引申出以下猜想：模型參數a、b、c除了與上述因素有關以外，還可能與試樣的初始孔隙比、養護條件有關[12]。

圖9 所示為不同配合比條件下高嶺土試樣強度的變化規律。從圖9中可以看出，在56個養護齡期內不同配合比試樣的無側限抗壓強度的增長規律分為兩個階段：增長階段和衰減階段。可以類比的黏性土的應變軟化本構模型[24]，并找到一種與高嶺土強度先隨養護齡期快速增大，達到最大值后下降速率逐漸減小相類似的類似演化規律的特征函數模型為

(3)

式(3)中：qu為無側限抗壓強度；A、B、C、D均為模型參數，且A、B、C均大于0，而參數D<0，且1>A>B。

對高嶺土試樣無側限抗壓強度試驗結果散點進行擬合，擬合優度R2如表 6所示。前兩組配合比下的高嶺土試樣的擬合優度非常好，后兩組配合比下的試樣其擬合結果要稍差一些，其原因可能是試樣強度過低，無側限抗壓強度試驗的所用三軸儀的系統誤差值相較于前者較大，因此擬合優度有所變化，如圖 10所示。

表 6 高嶺土模型函數擬合結果Table6 Fitting results of kaolinite model function

圖 10 高嶺土試樣強度增長擬合曲線Fig.10 Strength growth fitting curve of kaolinite specimens

當t→+∞時，qult=C，其中qult表示高嶺土強度經過衰減的最終值，根據現有研究成果來就看，在此先假設其強度衰減不會無限減小至0，而會最終停留在大于其初始強度q0的某個值；當t→0時，函數極限得到的是其未經養護的試樣強度值為q0=e-D(eB-eA)A/(A-B)+C。推導可得qult>q0，與假設相符。根據擬合結果可知，模型參數A、B、C、D與土樣的配合比有關，還可能與試樣的初始孔隙比、養護條件有關。

4 結論

(1)不同配比的膨潤土試樣強度隨養護齡期的增加而增強，且增長速率逐漸減小，而試樣的體積密度與含水率則變化不大；不同配比的高嶺土試樣強度隨養護齡期的增加呈先增加而后小幅衰減的規律，而試樣體積密度與含水率則變化不大；水泥與石灰等量添加時，天然土試樣強度隨養護齡期變化先增加后減小，而其余配比的強度均隨養護齡期增加而增強，而試樣體積密度與含水率也變化不大。

(2)對于膨潤土、高嶺土、天然土3類黏土試樣來說，水泥的固化效果要明顯強于石灰，但其中石灰含量的變化對試樣強度的影響效果各不相同。對于含水泥的膨潤土試樣，石灰含量的增加使強度降低，而對于不含水泥膨潤土試樣中，石灰含量增加使強度增加；對于含水泥的高嶺土試樣，石灰含量的增加使強度增加，而對于不含水泥高嶺土試樣中，石灰含量增加使強度降低；對于含水泥天然土試樣，石灰含量的變化對養護28d后的試樣強度有明顯影響。

(3)在蒸餾水和氯化鈉溶液實驗中，高嶺土試樣的耐久度最佳，其次為天然土試樣，最差為膨潤土試樣，且以水泥為固化劑的試樣的耐久性能要強于以石灰為固化劑的試樣。

(4)通過擬合得到膨潤土試樣的強度增長模型，強度隨養護齡期的增加而增長，增長幅度逐漸減小且最后趨于穩定；擬合得到的高嶺土試樣的強度增長模型可分為增長階段和衰減階段，模型參數取值與試樣配合比有關。