椰殼纖維加筋土遺址生態注漿材料的性能

蘆 葦，駱 望，李東波1，，劉秦龍，劉加平

（1.西安建筑科技大學 西部綠色建筑國家重點實驗室，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學 理學院，陜西 西安 710055；3.西安建筑科技大學 建筑學院，陜西 西安 710055）

中國西北絲綢之路沿線土遺址文物數量眾多且分布廣泛，現存土遺址普遍存在大量的裂隙［1］，目前主要采用灌漿法進行封護.傳統水泥基砂漿等注漿料雖然硬化后的強度較高［2-3］，但與遺址土體的相容性較差，且易對文物本體造成不可逆的污染，不適用于土遺址的加固保護.

糯米漿（GRP）、燒料礓石（CGN）等天然膠結材料在土質文物中應用廣泛［4-5］.以CGN 為主劑的漿液流動性良好，收縮變形小，且具有較高的力學強度和良好的相容性［6-8］.GRP 的黏性較強，凝固干燥后可以有效提高以CGN 等作為膠凝材料漿體的早期強度，并限制其收縮變形［1，7］.但上述材料制備的漿體固化后仍具有明顯的脆性破壞特征，耗能能力有限.

有關學者嘗試在土坯中加入纖維來改善其抗拉和耗能能力.Abolfazl 等［9］利用棕櫚纖維改善了建筑用土坯材料的力學性能和抗沖刷性能，且土坯的抗干縮開裂性能也有了大幅提升.Parisia 等［10］驗證了秸稈纖維對土坯材料的強化效果，并創新提出了復合土坯材料的彈性模量估算方法.Burbano-Garcia等［11］發現摻和聚丙烯纖維后，土坯的彎曲破壞模式從脆性轉變為延性，但由于纖維團簇作用的影響，其密度、抗壓強度與抗折強度均隨著纖維摻量的增大而單調降低.綜上，土坯中摻入適量纖維對其力學強度、延性和抗裂性能等均有顯著的影響，上述研究為土遺址注漿材料的改性提供了新的思路.

本文采用天然椰殼纖維作為加筋材料，以黃土、GRP、CGN 等為基材，研究椰殼纖維長度和摻量（質量分數，文中涉及的摻量、水膠比等除特別說明外均為質量分數或質量比）對注漿料流動性、收縮性、抗壓強度和抗折強度的影響，并通過掃描電鏡（SEM）對其微觀結構與纖維增強機理進行分析，給出了適宜的纖維加筋配比建議.

1 試驗

1.1 試驗方案

考慮椰殼纖維長度（L）和椰殼纖維摻量2 種影響因素，設計3 個長度水平和4 個摻量水平，進行正交試驗，同時預留無纖維對照組進行對比.確定試件水膠比為0.55，糯米漿中糯米的質量分數為6%［12］，試件的配合比如表1 所示.各組試樣編號用CF-X-Y 表示，其中CF 代表椰殼纖維，X 代表椰殼纖維的長度，Y 代表椰殼纖維的摻量.

表1 試件的配合比Table 1 Mix proportions of specimens

1.2 試驗材料

（1）試驗土樣 試驗選用陜西西安地區的Q3黃土，取土深度為3.0～4.0 m.為保證黃土的顆粒均勻，將采樣黃土在自然條件下風干，然后用碾土器碾碎并過1 mm 篩，即得到試驗所用黃土（圖1（a））.經室內材性試驗，測得3 組土樣物理參數的均值，如表2所示.

圖1 試驗材料與處理方法Fig.1 Experimental material and treatment methods

表2 試驗用土的基本物理指標Table 2 Basic physical property of test soil

（2）CGN 天然料礓石經76 μm（200 目）的研磨機研磨成粉后在馬弗爐中1 000 ℃下煅燒3 h 即得到CGN（圖1（b）、（c））.由文獻［13］可知，CGN主要包括氣硬性組分（CaO）和水硬性組分（β-CaSiO3和Ca2Al2Si2O8）.CGN 的化學組成如表3所示.

表3 CGN 的化學組成Table 3 Chemical composition（by mass） of CGN

（3）GRP 取相應質量的糯米粉和水，混合后記錄GRP 在鍋內的初始刻度，加熱煮沸1 h（圖1（d））.為避免蒸發作用的影響，煮沸期間不斷加水攪拌至初始刻度，保證漿液的濃度不變.

（4）椰殼纖維 椰殼經浸泡、脫脂、機械打松和真空干燥得到椰殼纖維，人工選取直徑為100～500 μm的纖維，用剪刀分別裁剪至試驗所需的3 種長度，同時用游標卡尺反復測量，盡可能保證誤差在±0.5 mm 以內（圖1（e））.椰殼纖維的基本物理力學參數如表4 所示.

表4 椰殼纖維的基本物理力學參數Table 4 Basic physical and mechanical parameters of coir fiber

1.3 測試方法

1.3.1 流動性和收縮率

流動性按照GB/T 50448—2008《水泥基灌漿材料應用技術規范》進行測試，待漿體在玻璃板平面內自由流動30 s 后，取2 個互相垂直方向最大直徑的均值作為該漿體的流動度.

收縮率試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，采用精度0.001 mm的比長儀測試試件0～28 d的收縮率.

1.3.2 抗壓強度與抗折強度

注漿材料的力學性能試驗參照GB/T 17671—2021《水泥膠砂強度檢驗方法（ISO 法）》進行，采用萬能試驗機對試件進行無側限抗壓強度（UCS）試驗和三點彎曲試驗，試件尺寸分別為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 和40 mm×40 mm×160 mm，自然養護至28 d 后進行測試.

UCS 試驗采用3 mm/min 勻速單調加載方案直至試件破壞；三點彎曲試驗采用中心加荷法，以1 mm/min 勻速單調加載直至試件破壞.2 類試驗每組均設置3 個平行試件，采用文獻［14］的計算方法獲得試件的抗壓強度和抗折強度值.

2 結果與討論

2.1 加筋注漿材料的流動性

圖2 為椰殼纖維長度和摻量對漿體流動性的影響規律.由圖2 可見：

圖2 椰殼纖維長度和摻量對漿體流動性的影響規律Fig.2 Effects of length and content of coir fiber on slurry fluidity

（1）隨著椰殼纖維長度和摻量的增加，漿體的流動性近似線性降低，擬合結果如圖2（b）所示.當L＜12 mm時，纖維對漿體流動性的影響較小，流動度為95～110 mm；當L=18 mm，摻量為0.6%～0.8%時，纖維對漿體流動性的影響較大，漿體的流動度降至80～90 mm.

（2）試件CF-6-0.2 的邊緣局部圖顯示，當椰殼纖維長度較短且摻量較少時，漿體表面及邊緣處較為光滑；試件CF-18-0.6 的邊緣局部圖顯示，較長且較多的椰殼纖維加入后在漿體周圍形成了明顯的阻隔邊界，主要由于較長且較多的椰殼纖維加入后在漿體里分布密度較大，易蜷曲、彎折甚至堆疊團聚，限制和阻礙了漿體的自由流動.

2.2 加筋注漿材料的收縮率

圖3 為椰殼纖維長度和摻量對試件收縮率的影響規律.由圖3 可見：

圖3 椰殼纖維長度和摻量對試件收縮率的影響規律Fig.3 Effects of length and content of coir fiber on shrinkage rate of specimens

（1）試件的收縮率隨著椰殼纖維摻量的增加逐漸減小，纖維長度對收縮率的影響較為有限.加筋后各組試件的收縮率均小于未加筋的對照組，且均小于2.3%，滿足土遺址裂隙注漿的需求［1，15］和JG/T 333—2011《混凝土裂縫修補灌漿材料技術條件》中關于聚合物基料類灌漿材料體積收縮率不超過3%的規定.

（2）試件0～28 d 收縮過程大致可劃分為3 個階段：1）失水期 處于0～7 d 范圍內，此階段試件的含水率急劇下降，收縮率近似線性增大，收縮幅度約為總收縮量的70%.2）放緩期 處于7～18 d 范圍內，此階段試件的失水速度放緩，收縮量變化率逐漸減小.3）穩定期 養護18 d 后，曲線趨于水平，各組試件的收縮率穩定在1.4%～2.2%之間.同時，隨著椰殼纖維摻量的增加，漿體開裂程度將更加嚴重.這主要是由于較多且較長的椰殼纖維加入后，在試件內部形成的三維網狀骨架，能夠有效抵抗漿體的收縮變形，但漿體收縮時試件主要受拉應力作用，在收縮率較小的情況下更易開裂.

2.3 加筋注漿材料的抗壓強度

圖4 為不同椰殼纖維長度和摻量下試件的UCS變化規律與破壞特征.由圖4 可見：

圖4 不同椰殼纖維長度和摻量下試件的UCS 變化規律與破壞特征Fig.4 Variation of UCS and failure characteristics of coir fiber reinforced specimen with different lengths and contents

（1）摻加椰殼纖維后試件的抗壓強度普遍高于未加筋組，纖維長度為6 mm 時試件的抗壓強度提升最為顯著，其中試件CF-6-0.6 的平均抗壓強度提升率達49.09%；纖維長度為18 mm 時試件的抗壓強度提升率均較為有限，僅為0.91%～8.18%.

（2）3 種纖維長度下的最優摻量均集中在0.6%左右.當椰殼纖維摻量進一步增大時，可能導致試件的抗壓強度低于無纖維對照組.試件的破壞圖取自峰值荷載后，可見對照組試件呈“X”型破壞，邊緣漿體大量脫落，裂縫開展嚴重，屬于典型的脆性破壞.當纖維摻量在0.6%以下時，隨著纖維摻量的增大，試件能較好地保持整體性，裂縫分布均勻且寬度較小，逐漸呈現出一定的延性特征.這是因為受外力作用時，椰殼纖維的拉結作用限制了顆粒間的相對位移.但需要注意的是，摻入過長且過多的纖維易發生重疊、堆聚，降低了漿體的密度，增大了孔隙率，導致試件的抗壓強度大幅減小［16］.

2.4 加筋注漿材料的抗折強度

圖5 為不同椰殼纖維長度和摻量下試件的抗折強度變化規律與破壞特征.由圖5 可見：

圖5 不同椰殼纖維長度和摻量下試件的抗折強度變化規律與破壞特征Fig.5 Variation of flexural strength and failure characteristics of coir fiber reinforced specimen with different fiber lengths and contents

（1）除試件CF-18-0.8 外，其余摻纖維試件的抗折強度均大于對照組試件.與抗壓結果類似，纖維長度為6 mm 時試件的抗折強度提升更為顯著，其中試件CF-6-0.6 抗折強度的提升達32.08%.值得注意的是，試件CF-18-0.8 的抗折強度相比對照組試件降低了1.88%，同樣說明摻入較多且較長的纖維反而可能降低漿體的抗折強度.

（2）當椰殼纖維長度6 mm 時，隨著纖維摻量的改變，試件的抗折強度變化最為顯著，最優纖維摻量約為0.6%；當椰殼纖維長度大于12 mm 時，最優纖維摻量約為0.5%，但此長度下擬合曲線較為平緩，即椰殼纖維摻量對試件抗折強度的影響較為有限.

圖6 為不同纖維長度與摻量下試件三點彎曲試驗荷載-位移曲線與荷載峰值時破壞情況.由圖6 可見：對照組試件在峰值荷載后陡降至10 N 以下，呈典型的脆性破壞特征；摻加椰殼纖維后，試件可承受的峰值荷載和破壞后的殘余荷載水平均隨著纖維摻量的增加而增大，且荷載峰值對應的最大撓度較對照組試件提升了15%～50%，曲線與坐標軸圍合面積大幅增加，說明摻加椰殼纖維后試件具有更高的延性和斷裂能［9］.這種承載能力的增加可歸因于椰殼纖維的橋接能力，由于土體的滑動受限，張開的裂縫還會重新分配拉應力，利用纖維良好的抗拉和延伸性來提高漿體的延性.

圖6 不同纖維長度與摻量下試件三點彎曲試驗荷載-位移曲線與荷載峰值時破壞情況Fig.6 Load-displacement curve and post-peak failure characteristics of specimens in three point bending test with different fiber lengths and contents

3 微觀結構與纖維增強機理

3.1 SEM 分析

圖7 所示為試件CF-6-0.6 的SEM 圖像.由圖7可見：

圖7 試件CF-6-0.6 的SEM 圖像Fig.7 SEM images of specimen CF-6-0.6

（1）GRP 固化后的支鏈淀粉呈片狀結構，將CGN 水化產物硅鋁酸鈣（C-A-S-H）、水化硅酸鈣（C-S-H））等樹枝狀結構產物規則排列，包裹于土顆粒表面或填充于土顆粒之間，大幅降低了孔隙率，提高了結石體的密實度和力學性能［7］.

（2）盡管椰殼纖維均勻地分布于漿體基質中，但纖維與基質間仍存在間隙.這主要是由于天然椰殼纖維具有較好的吸濕性，即在澆筑試件時，纖維將吸水產生微膨脹，干燥后又恢復到原始體積，但體積變化率十分微小，不會明顯弱化漿體的宏觀性能［9］.此外，在摻入適宜長度和摻量的椰殼纖維加筋土體結構中，GRP 和CGN 規則排列的樹枝狀結構產物粘附于纖維表面，有效增加了土體和椰殼纖維的接觸面積，增大黏聚力和摩擦力［17］.同時，膠結物密實的土體顆粒受力后不斷對椰殼纖維表面進行擠壓嵌合，增大了與椰殼纖維的機械咬合力，進而有效增強了漿體的整體性和宏觀力學性能.

3.2 增強機理

本文研究的纖維加筋土遺址注漿材料強化機理可從3 個層次揭示：（1）燒料疆石水化反應產物對土顆粒的膠結、包裹和填充［7］；（2）糯米漿對燒料姜石反應產物的規則化排列并粘接形成樹枝狀顆粒框架［7］；（3）隨機分布的椰殼纖維形成網狀框架并拉結土顆粒形成三維整體結構.椰殼纖維加筋土遺址注漿材料的增強機理如圖8 所示.

圖8 椰殼纖維加筋土遺址注漿材料的增強機理Fig.8 Reinforcement mechanism of coir fiber reinforced eco-grouting materials in earthen sites

除纖維自身良好的橋接能力外，隨機分布的椰殼纖維在基質內編織形成了立體網狀結構骨架.當漿體受外力作用時，纖維在開裂截面附近取向相近，受拉方向基本一致，基質內部不同位置和方向的纖維受拉后對基質產生擠壓作用，故被纖維圍繞的基質處于多向受力狀態，有效限制了基質的變形與相對滑移，提高了漿體的宏觀力學性能.此外，由于椰殼纖維和基質間的摩擦擠壓，纖維表面更加凹凸不平，粗糙度增大，進一步提升了纖維表面與基質之間的接觸面積和嵌合程度.

因此，增加椰殼纖維的摻量和長度，纖維總表面積及其與基質間的接觸面積隨之增大，從而提升材料的整體性和宏觀力學性能.但當椰殼纖維摻量和長度均較大時，纖維易發生彎折、團聚，降低漿體密實度，形成局部空隙等薄弱點，對漿體強度產生了負面影響［11］.

4 結論

（1）隨著椰殼纖維長度和摻量的增加，加筋注漿材料的流動性逐漸降低.當椰殼纖維長度在12 mm以下時，纖維對漿體流動性的影響較小；當纖維長度達到18 mm、摻量達到0.6%以上時，纖維易在漿體周圍邊緣處發生團聚，形成明顯的阻隔邊界，大幅降低漿體的流動性.

（2）漿體的收縮率隨著椰殼纖維摻量的增加逐漸減小，但與椰殼纖維長度無明顯的相關性.摻加椰殼纖維后試件的收縮率為1.4%～2.2%，滿足工程與規范要求.較多且較長的椰殼纖維摻入后在漿體內部形成的三維網狀結構能有效抵抗漿體的收縮變形，但漿體失水固化時易開裂.

（3）椰殼纖維的長度和摻量對漿體抗壓強度、抗折強度及延性的提升存在最優值.當纖維長度一定時，其最優摻量為0.5%～0.6%；當纖維摻量一定時，建議纖維長度取6 mm，其中試件CF-6-0.6 的抗壓強度、抗折強度相比對照組試件分別提升49.09%和32.08%.但當纖維摻量與長度均較大時，可能由于纖維的堆疊、團聚，導致漿體的密度、強度等反而小于對照組.