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(chǎn)建筑，也是典型的砌體高聳結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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小；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(cè)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(jié)構(gòu)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(jié)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(gòu)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(jīng)過試驗，發(fā)現(xiàn)當水灰比為0.8時，糯米漿粘結(jié)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(jié)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)入模具內(nèi)，插搗密實后沿著摸具頂面刮平。試件放置14 d脫模，然后轉(zhuǎn)移至養(yǎng)護室內(nèi)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(diào)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(jié)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(jié)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(chǎn)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(chǎn)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?qū)挾仍黾樱械难厝孛嬉沿炌ǎ噳K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(jié)束。受壓破壞后試塊呈“梭形”狀。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 糯米灰漿試塊結(jié)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(jié)硬化產(chǎn)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(jié)物質(zhì)，在復合使用條件下，糯米漿對碳酸鈣的結(jié)晶過程具有一定的調(diào)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(jié)構(gòu)卻更緊密[12-13]。

3.2 糯米灰土漿試塊結(jié)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(nèi)，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(jié)果產(chǎn)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(jié)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(jié)構(gòu)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(nèi)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(jié) 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(jié)果進行總結(jié)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。