幾類傳統改性生土的耐久性及微觀結構試驗研究

朱才輝，邱 嵩，石 衛，3，李俊連

（1.西安理工大學巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.陜西省城市地質與地下空間工程技術研究中心，陜西 西安 710068；3.陜西省水工環地質調查中心，陜西 西安 710068；4.機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043）

引言

自從“綠色建筑”概念的提出，不同國家和地區針對“生土建筑”材料在工程中適用性的研究突飛猛進。其中，基于生土及改性材料在生土建筑中的應用一直以來成為學者們廣泛關注的科學問題。早期的生土建筑，由于材料使用不當、建造或保護技術不當，導致生土建筑出現風化剝蝕、滲水軟化、開裂、坍塌直至被遺棄，這對于傳統古村落生土建筑的保護和修復帶來了困難和挑戰。隨著材料科學及新型建筑理念的發展，現代生土建筑中多采用在素土中添加改性材料來改善其工程特性，以往的研究中多采用室內試驗、模型試驗來探索各類改性土的綜合性能，如強度、剛度、收縮性、熱學特性、孔隙性、吸放濕性能，抗風化剝蝕特性、耐酸性、滲透性等各類性能。其中，常見的生土建筑改性材料達上千種，歸納起來主要包括：有機材料、無機材料、高分子材料、微生物技術及混合材料等。常見的如：硅藻土［1］，木屑［2］、甘蔗渣［3］、0.25～10%的稻草［4］、麥稈［5］、稻殼［6］、竹子［7］、廢棄茶葉［8］、綿羊毛［9］、動物糞便［10］、大麻［11］等。上述通過在生土中添加一定含量的植物、動物纖維可以大大降低改性生土的熱傳導系數，提高生土建筑的熱學性能，此外還可以增強土體的柔韌性、延性和摩擦性能，但對其強度和剛度有所降低。還有基于糯米漿及其衍生制品［12-13］也廣泛應用于土遺址、黃土窯洞墻面的修復，會減少由于水敏性導致的墻面病害。此外，還有在生土中添加鋼纖維［14］、石灰［15］、水泥［16］、廢膠末［17］、粉煤灰［18］、陶瓷碎片［19］、建筑垃圾［20］等，這類改性材料基于“變廢為寶”理念，能夠大大改善生土的強度和變形性能。隨著新材料、新工藝的發展，有學者嘗試在生土中添加聚丙烯［21］、聚烯烴［22］、抗疏力固化劑［23］、高分子材料［24-25］、微生物技術［26］、三合土［27］等，來改善生土的物理-力學-熱學特性，并將其應用于生土建筑及土遺址的修復中。針對古建筑夯土基座、城墻土遺址、生土民居、古代壁畫等調研發現［28-30］，經過改性的生土均具有較好的耐久性，而后期修復期間，由于忽略了采用改性材料或修復工藝不當導致的本體破壞屢見不鮮。上述部分研究成果，不僅從宏觀上考察了改性生土的各種工程性能，結果表明，通過在素土中添加有機材料、無機材料、化學材料或采取生物加固技術，可以極大的改善素土的各類性能；此外，還從微觀結構角度來深入分析了改性生土相比于素土的改良效果［31］，表明生土經改性后，明顯具有更規則、緊密的孔隙特征，然而對于改性土在自然環境下的剝蝕前后的微觀結構特征的變化規律研究尚缺乏。但對于生土建筑而言，除了滿足必須的強度、剛度性能、熱學性能外，還需要滿足其長期耐久性能［32］，如：抗滲性、抗剝蝕性、毛細水上升性等特征等，關于改性生土在長期自然環境條件下的耐久性能及微觀結構變化特征尚需進一步研究。

本文以西安地區生土建筑為研究對象，重點探索在Q3黃土（素土）中添加傳統改性材料，對素土的耐久性能進行改良，通過室內試驗和模型試驗來獲取其最優改性材料含量、評價其耐久性，并針對其在自然環境下剝蝕前后的微觀結構特征進行掃描電鏡試驗研究，以期為生土建筑改性材料的工程應用提供科學參考。

1 材料及試驗方法

1.1 改性材料

由于黃土的大孔隙、水敏性、低強度等缺陷，現代生土建筑中采用在生土中摻入一定比例的改性材料來構造圍護結構，這樣可以大大提高工程穩定性。本文采取傳統的天然材料：糯米（粉或漿）、桐油、稻草、細沙和熟石灰、水泥等，按照一定比例添加至天然黃土中，本次黃土基料選取西安市白鹿原黃土，取樣為地表以下3 m 處Q3黃土，天然黃土的物理指標見表1。其中，不同糯米漿的熬制方式：采用100 g糯米粉添加1 L水，煮1 h 40 min；稻草選用長度為3 cm的商品，其余材料均采用標準商品。

表1 素土（Q3黃土）物理指標Table 1 Basic physical parameters of the PS（Q3 loess）

1.2 試驗方法

（1）最佳改性材料含量試驗

為了獲得不同改性材料對素土進行改良所需的最佳含量，需要開展不同含量的改性土的直接剪切試驗和變水頭飽和滲透試驗。根據不同改性材料含量下改性土的峰值抗剪強度和滲透系數，來確定最佳含量。其中，直剪試驗采用ZJ 型電動等應變直剪儀（見圖1（a）），直剪試驗的豎向荷載等級分別取σc=100、200、300 kPa、400 kPa。飽和滲透試驗采用TST-55 型滲透儀（見圖1（b））。所有改性土樣在制備完成后，在恒溫（20±2°C）恒濕（56～60%±2%RH）養護箱內靜置24 h，然后開展相關試驗。為了便于評價改性材料在素土中的含量對素土的改良效果，假定添加至素土中的混合改性材料質量為M1，素土質量為M2，則改性土中改性材料的含量Φ可表達為：

（2）自然剝蝕試驗

文中所要開展的改性土的剝蝕試驗主要指的是在以西安市近年來的自然環境下，進行為期400 d 的觀測試驗，統計分析改性土體在受到風吹日曬、雨浸冰劈等干濕-凍融循環等綜合因素下，發生結構性喪失、開裂、剝蝕等現象。自然環境下的改性土耐久性試驗過程如下：按照《土工試驗方法標準》（GB50123-2019）中擊實試驗的要求進行制模型試樣，在室內恒溫恒濕條件下靜置養護7 d，然后將試樣盛放于塑料盤中，放置于試驗樓頂的開闊場地，進行自然環境剝蝕試驗觀測，試驗過程中，定期（3～5 次/月）稱量塑料盤中的剝蝕的土樣，計算3 組平行試樣的剝蝕量md、時間T及平均剝蝕速率ν，并對試樣的破壞特征進行攝影，描述其在自然環境下的漲縮開裂特征。其中改性土的剝蝕速率ν表示如下：

式中，ν為剝蝕速率（%/d）；md為剝蝕土質量（g）；M為試樣總質量（g），T為剝蝕穩定所需時間（d），本次試驗時間為400 d。

（3）毛細水上升模型試驗

毛細水上升模型試驗采用自行研發的測試系統進行試驗，測試系統包括：有機玻璃試樣筒、土壤水分傳感器（TDR）測試系統、供水系統組成（見圖1（c））。其中，單個有機玻璃筒的尺寸為內徑100 mm、壁厚5 mm、高500 mm，單個有機玻璃桶之間采用法蘭盤加橡膠墊片并用螺絲上緊密閉連接；每個試樣筒側壁沿豎向每隔100 mm預留TDR探針的插入孔，用于TDR測試系統的安裝。試樣筒底部設置一個網孔狀有機玻璃圓盤，為底部浸水提供入滲通道。試樣筒外壁上貼有用于測量試樣增濕的鋼尺，便于觀測毛細水上升高度。試驗時，將透水石層和濾紙鋪設于試樣底部，并將套筒放置于干凈的水槽中，迅速測試試樣中的體積含水率，監測頻次為：24 h以內，每1～2 h監測一次，24 h以后，每隔1 d監測一次，當連續測試的一周內，前后2 d天的含水率測試結果誤差不超過0.2%，則可認為毛細水上升趨于穩定，終止試驗。試驗結束后，繪制毛細水上升穩定后，不同類改性土的含水率增量與土柱高度之間的關系，判斷最大毛細水上升高度及增濕程度。

其中，TDR 傳感器與主機連接，可精確測量體積含水率和土體溫度。可測量體積含水率的范圍為0～100%，溫度范圍為-40～80℃；測量精度：±0.5℃，水分：±3%。試樣的初始條件：模型中夯土平均含水率設定為18%±1%左右，將干密度設置為1.50 g/cm3。

為了綜合分析改性生土的毛細水上升效應，假定土柱中各測點的含水率在毛細水上升一段時間t后，毛細水上升最大高度為Hmax，抬升到最大高度所需時間為T，則平均抬升速率β可表示為：

則可通過抬升最大高度和抬升速率來評判該類改性土的阻水效應。一般情況下，抬升高度越大阻水效果越差，抬升速率越大，表明其一定時間內的吸水能力越強，反映出其阻水效果也較差。

（4）無側限抗壓強度齡期試驗

改性生土的無側限抗壓強度綜合表征了改性土的剛度和抗壓強度特性。文中采用應力-應變控制式三軸儀（見圖1（d）），開展不同改性土在不同齡期（1、7、14、28 d）下的無側限抗壓強度試驗，探討其強度qu和割線模量E50隨齡期的變化規律。試樣采取標準三軸試樣分層擊實進行制樣，干密度ρd=1.5 g/cm3，含水率w=18.0%。室內養護條件：溫度25～30℃，相對濕度40～60%RH。通過三軸試驗獲得改性土的各類改性土在不同齡期下的應力-應變關系，來得其無側限抗壓強度qu和割線模量E50隨齡期的變化規律。

文中采用E50來表征改性生土的割線模量：

式中：qu表示改性生土的峰值抗壓強度（kPa）；ε表示當應力為0.5qu時代表的應變量（%）。

（5）微觀結構SEM試驗

土體的顆粒、孔隙結構微觀結構演化規律與土體在受到自然環境剝蝕特性有關。文中基于JSM-6700F掃描電鏡試驗儀（見圖1（e）），獲取最佳含量情況下改性土及素土在剝蝕前后的SEM圖像，采用PCAS程序來分析土顆粒及孔隙分布特征［29］，主要分析土體在受到自然環境侵蝕前后的孔隙面積比例（PP）及孔隙分維度數（FD），進一步從細觀角度來了解土體的微觀結構演化特征。

圖1 試驗測試設備Fig.1 Experiment instruments

1.3 試驗方案

本次改性材料包括：糯米粉、糯米漿、桐油、稻草、石灰、水泥、砂料、糯米灰漿、糯米灰膏等，開展最佳改性材料含量試驗。其中，三七灰土、三合土、水泥土為工程常采用的改性土，其最佳含量已在實際工程中得以應用［15-16，27］，本文不再開展其最佳含量試驗。根據上述改性材料及以往研究中針對改性土的含量方案，特制定文中的試驗方案，見表2。

表2 改性土試驗方案Table 2 Test schemes of the modified soils

2 試驗結果分析

2.1 抗剪強度及滲透性試驗

根據前述的試驗方案，得到素土及不同改性材料含量Φ下的改性生土在軸向壓力σc=200 kPa下的峰值抗剪強度τf和滲透系數的變化曲線，見圖2所示，將各類改性土及素土的峰值抗剪強度與飽和滲透系數按照大小順序排列對比見圖3。

圖2 不同改性土試驗結果Fig.2 Test results of different types of modified soils

圖3 不同改性土抗剪強度及滲透系數排序Fig.3 Ranking of shear strength and permeability coefficient of different modified soils

由圖2 可知，在添加合適比例的改性材料后，相對比素黃土的抗剪強度τf有明顯的增加，但添加量超過某一含量后，其抗剪強度維持不變或略有下降；添加一定含量改性材料的改性土的飽和滲透系數Ks明顯低于素土，且隨著改性材料添加量的增大，改性土的滲透系數基本呈逐漸下降趨勢。表明添加的糯米、石灰、水泥等粘結性材料越多，土顆粒之間的孔隙被細顆粒的粘結基質填充的越密實，因而滲透性越差，但稻草添加量越多，反而會增大其滲透系數，主要原因是稻草“粒徑”相對較大且存在較強的吸水性，主要體現在其“拉筋”效果上。

圖3中將各類改性土的最佳改性材料含量方案下的峰值抗剪強度和飽和滲透系數按照改良效果由好到差進行了排列，對比可見：其中，改性土的強度排序：三合土（TB）＞糯米粉和稻草改性土（SPS）＞糯米灰漿+桐油（SLO）＞糯米粉改性土（SP）＞糯米灰漿改性土（SJL）＞三七灰土（LS）＞糯米灰膏改性土（SPL）＞稻草改性土（ST）＞糯米漿改性土（SJ）＞糯米漿+稻草改性土（SJS）＞素土（PS），前4 種改性土的強度提高較為顯著；改性土的抗滲性能由好到差排序為：三合土（TB）＞糯米粉和稻草改性土（SPS）＞糯米粉改性土（SP）＞糯米灰漿改性土（SJL）＞三七灰土（LS）＞水泥土（CS）＞糯米灰膏改性土（SPL），這6 類改性土的抗滲性改良較為明顯。所有改性土相對于素土而言，改性土的抗剪強度約為素土的1.3～3.5倍，飽和滲透系數約為素土的1/3～1/1650，總體上表明生土改良效果較為明顯。

2.2 最佳改性材料含量的確定

從工程角度來講，改性土的最佳改性材料含量（Φop）應從抵抗變形能力、強度、抗滲性、經濟性、環保性、施工難易性等多種角度來綜合考量。本文核心考察的是改性土耐久性指標，主要考慮的是其強度和抗滲性，因而確定最佳改性材料含量主要依賴于室內直剪試驗及飽和滲透試驗結果，確定原則如下：假定某改性材料含量范圍內的改性土抗剪強度達到某一最峰值或常量，同時其滲透系數也達到谷值或常量時，在該范圍內的改性材料在素土中含量，即可視為最佳改性材料含量。基于上述原則，確定的各類改性土最佳改性材料含量Φop見圖2及如表2。可見，不同改性材料添加至素土中，均存在一個最優改性材料含量，改性材料過少或過量添加至素土中，均難以改善素土的強度及抗滲性能，其中各類改性材料的最佳添加比分別為：糯米粉（Φop=7%）、糯米漿（Φop=5%）、稻草（Φop=0.6%）、糯米灰膏（Φop=11%）、糯米灰漿（Φop=7%）、糯米灰漿+桐油（Φop=5%+5%）、水泥（Φop=7%）、石灰（Φop=30%-體積比）。

2.3 剝蝕性試驗

因篇幅受限，僅選取幾種具有代表性改性土及素土在T=1～400 d 內的自然環境下耐久性試驗圖片進行展示，見表3。圖4 為不同改性土在最佳改性材料含量下的剝蝕速率從小到大排序圖。

圖4 不同改性土的剝蝕速率Fig.4 Denudation ratio of modified soils

表3 改性土試樣在自然環境下剝蝕試驗Table 3 Denudation tests of modified soils under natural environment conditions

由表3可見：從其200 d的剝蝕特征對比可見，添加一定量改性材料的改性土，在短期內對改善素黃土的抗剝蝕特性有較好的作用，但在較長時間段內（400 d后），素土及單一的糯米漿（粉）改性土其抗剝蝕性較差（ν=1.1～1.5%/d），而采用多種組合材料來改良素土則效果較好（ν=0.05～0.5%/d）。從圖4的統計結果可見：在素土中分別添加5%的糯米灰漿和桐油改性土（SLO）及添加5%糯米漿和0.6%稻草改性土（SJS）后，其抗剝蝕性相對較好，其原因是：土體中添加油脂和糯米漿后，容易在素土中形成非親水團粒和填塞了大孔隙結構，導致其吸水能力和導水性能急劇下降，因而受到風化作用的影響則較弱。其余改性土的抗剝蝕效果由好變差依次為：三七灰土（LS）＞稻草改性土（ST）＞糯米漿改性土（SJ）＞水泥土（CS）＞糯米粉和稻草改性土（SPS）＞三合土（TB）＞糯米粉改性土（SP）；添加一定比例改性材料后，改性土的抗剝蝕性相比素土均有不同程度的提高，提高幅度為1.3～30.0倍。

2.4 毛細水上升模型試驗

基于上述毛細水上升模型試驗，獲得最佳改性材料含量下不同改性土在毛細水上升達到穩定后的體積含水率沿模型高度方向上的分布規律見圖5。圖5中橫坐標X=0處直線將土柱中的體積含水率增量Δθw=θwt-θw0分為負增量和正增量的分界線（θwt指的是：經歷時間為t后土中為含水率達到穩定時的含水率；θw0指的是：土柱中含水率的初始值），認為土柱中含水率不變點（Δθw=0）即為毛細水上升最高點。不同改性生土的毛細水上升參數見表4。試驗結果表明：

表4 改性土毛細水上升參數對比Table 4 Comparison of parameters of capillary lifting of modified soils

圖5 毛細水上升穩定后含水率沿高度分布規律Fig.5 Distribution of water content along height after the stable condition of capillary elevation

（1）不同改性土的毛細水上升基本在2 個月內趨于穩定，穩定后的毛細水上升高度從27 cm～105 cm 不等，但均小于素土的毛細水上升高度113 cm，其最大抬升高度約為素土的24～93%，表明素土中添加改性材料后，均能改善其阻水效應。

（2）從毛細水上升速率對比來看，阻水效果最好的改性土為糯米漿+桐油改性土（SLO），其次為糯米漿+稻草改性土（SJS）。其中糯米基、石灰基、植物纖維改性材料組合的改性土阻水效果相對單一改性材料或水硬性材料改性土（CS、LS、TB）的阻水性更為優越。

2.5 無側限抗壓強度齡期試驗

通過三軸試驗獲得各類改性土在不同齡期下的無側限抗壓強度qu和割線模量E50隨齡期的變化規律，見圖6。通過無側限抗壓強度的齡期試驗結果可見，糯米基類改性土及素土的qu在7～14 d的齡期上達到最大值，隨齡期的延長無側限抗壓強度反而有減小趨勢，而水硬性材料的改性土，如水泥土（CS）、三七灰（LS）、三合土（TB）的無側限抗壓強度隨齡期的延長有逐漸增大的趨勢，表明：有機質改性土隨著齡期的延長，其有機質易于受到生物霉菌等入侵、水分沖蝕而逐漸喪失強度特性，而水硬性材料容易發生水化反應、碳化反應，更進一步提高了與土顆粒的粘結作用，表現為強度的增長現象。從其割線模量E50隨齡期的變化趨勢可見，當齡期達到7 d 左右時，其剛度基本達到最高值，隨后隨著齡期的增長而略有下降或維持不變的趨勢，進一步表明有機質改性土和無機質改性土在齡期上的顯著差異。

圖6 改性土qu和E50隨齡期的變化規律Fig.6 Variation of qu and E50 with the age of modified soils

2.6 剝蝕前后改性土微觀結構變化規律

通過對改性土在初始狀態和自然環境條件下剝蝕400 d后的SEM試驗，采用PCAS程序來分析孔隙分布特征，因篇幅限制，文中選取幾類典型改性土：糯米漿+桐油改性土（SLO）、糯米漿+稻草改性土（SJS）、三合土（TB）和素土（PS）的剝蝕前后1：500 的SEM 圖片及孔隙土顆粒分布彩圖，如圖7 所示。不同改性材料及素土的孔隙面積分布比例（PP）與分形維數（FD）在剝蝕前后的對比見圖8。從圖7、圖8 可見，剝蝕前后的不同粒徑顆粒及孔隙分布規律存在較大差異，剝蝕前孔隙尺寸顯然小于剝蝕后孔隙尺寸，剝蝕前顆粒定向排列較好，而剝蝕后顆粒排列較為雜亂。通過將各類改性土的孔隙面積比例PP和分形維數FD，按照從大到小進行排序對比發現：素土（PS）在剝蝕前后，其孔隙面積分布比例（PP-B）與分形維數（FD-B）均大于其他改性土，其中，糯米漿+桐油改性土（SLO）和三合土（TB）的孔隙面積分布比（PP-B）和分形維數（FD-B）相比其他改性土明顯較小，表明糯米基和石灰類粘結材料在含量合適的情況下，能夠大大提高素土的致密性，降低大孔隙的含量，并能促進孔隙的定向有序排列，降低其分形維數，提高土體的綜合物理力學性能；改性土在剝蝕后的PP-A 和FD-A 略有減小，PP-A 減小幅度約為0.3～5.5%，FD-A 減小幅度約為0.6～3.7%，而素土在發生剝蝕后，其PP-A 減小幅度為11.2%，FD-A 減小幅度為4.3%，上述微觀結構試驗結果也進一步證實了改性土在抵抗自然環境下的剝蝕性能具有較好的優越性。

圖7 改性土及素土剝蝕前后的SEM 圖像Fig.7 SEM images of modified soils and PS before and after denudation

圖8 改性土在剝蝕前后的微觀結構參數對比曲線Fig.8 Comparison of microscopic pore structure parameter of modified soils and PS before and after denudation

3 結論

（1）不同改性材料添加至素土中，均存在一個最優改性材料含量，改性材料過少或過量添加至素土中，均難以改善素土的強度及抗滲性能，其中各類改性材料的最佳添加比分別為：糯米粉（7%）、糯米漿（5%）、稻草（0.6%）、糯米灰膏（11%）、糯米灰漿（7%）、糯米灰漿+桐油（5%+5%）、水泥（7%）、石灰（30%-體積比）。添加單一的傳統改性材料對改善素土的工程性能有限，同時添加多種改性材料（糯米基、水硬性材料、稻草纖維）能起到相互彌補作用，可同時加強改性土的粘聚性、充填孔隙和增強加筋效果。

（2）不同傳統材料改性土的抗剪強度提高約為素土的1.3～3.5 倍，抗滲性提高為素土的3～1650 倍、抗剝蝕性約為素土的1.3～30.0 倍；改性土毛細水上升最大高度約為素土的24～93%，糯米基類改性土無側限抗壓強度隨齡期的延長而減小，水泥基和石灰基改性土無側限抗壓強度隨齡期的延長呈增大趨勢。

（3）改性土在剝蝕后，孔隙面積分布比例（PP）減小幅度約為0.3～5.5%，分形維數（FD）減小幅度約為0.6～3.7%，而素土在發生剝蝕后，其PP和FD減小幅度分別為11.2%和4.3%。