青海東部地區(qū)改性夯土耐久性能研究

李航航，李輝，蔣寧山，趙國智

（1青海大學(xué) 土木工程學(xué)院，青海西寧 810016；2青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海西寧 810016；3青海省建筑建材科學(xué)研究院有限公司，青海西寧 810008；4青海省高原綠色建筑與生態(tài)社區(qū)重點實驗室，青海西寧 810008）

0 引言

青海省東部位于黃土高原與青藏高原的過渡地帶，是青海省的主要人口聚集區(qū)，這一區(qū)域內(nèi)的湟水河流域、大通河流域和黃河流域內(nèi)存在大量黃土，自古以來生活在這里的各族人民相互學(xué)習(xí)借鑒融揉創(chuàng)造出了獨具青海特色的民居典型——庒廓[1]，即由高大的夯土墻、厚實的大門、平緩的屋頂、松木組成的四合院形式的房屋。庒廓建筑具有就地取材、施工方便、成本低廉、冬暖夏涼、生態(tài)環(huán)保等優(yōu)勢。但由于傳統(tǒng)的夯土構(gòu)件受力性能差、耐久性弱，在經(jīng)歷風(fēng)雨、鹽堿、凍融等惡劣自然作用后，夯土墻體表面的土體結(jié)構(gòu)極易破壞剝離，從而影響整個庒廓建筑的使用安全性。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研究人員對土體材料不斷改良，提高了其耐久性，使夯土煥發(fā)出新的生機[2]。青海省于2018年發(fā)布了關(guān)于改性夯土墻房屋工程建設(shè)的地方標(biāo)準(zhǔn)——《青海省改性夯土墻房屋技術(shù)導(dǎo)則》（DB63/T 1687—2018），對改性夯土房屋的構(gòu)造設(shè)計、施工和質(zhì)量檢驗作了相關(guān)規(guī)定。崔凱、曾偉龍、葉俊捷等[3-5]研究了摻有硫酸鈉和氯化鈉的夯土在干濕循環(huán)作用下鹽分經(jīng)過反復(fù)溶解吸收結(jié)晶膨脹的過程，發(fā)現(xiàn)干濕鹽漬耦合作用下通過改變夯土的微觀結(jié)構(gòu)對夯土結(jié)構(gòu)的劣化產(chǎn)生影響，降低夯土抗壓強度。西安建筑科技大學(xué)尚建麗、王寶卿[6-7]使用水泥、礦渣、石灰、石膏等改良不同地域的土料，測試研究發(fā)現(xiàn)改性夯土材料的耐水性和抗凍性均得到了很大的提高，且二者之間存在較為密切的聯(lián)系，提出了評價夯土材料耐水程度和抗凍程度的量化指標(biāo)，并分析了其作用機理。陳平[8]以榆林衛(wèi)城南城墻為研究對象，發(fā)現(xiàn)在土料中摻和5%水泥、5%熟石灰、10%料姜石不僅可增強土體的無側(cè)限抗壓強度，而且也具有良好的耐久性。安徽理工大學(xué)劉超[9]使用棉花秸稈纖維加筋水泥土，在干濕以及凍融循環(huán)條件下，改性土的耐久性能得到了提升。除了這些方法外，吳任平、韓亮等[10-11]利用人工鈣化技術(shù)和夯土微生物覆膜在夯土墻表面形成碳酸鈣層，達到了提高夯土墻體抗侵蝕能力的良好效果。

在夯土中添加改性材料能顯著提高夯土的耐久性能，但是通過這些方法改性后的夯土較原有夯土的性質(zhì)、顏色、外觀有了很大改變，失去了傳統(tǒng)夯土房屋原有的特色。本文以環(huán)保無污染低耗能青稞秸稈纖維、石子改性夯土為基礎(chǔ)，使用聚乙烯醇、固化劑及防水劑等改良改性夯土，并對改良后的夯土抗壓性能及耐久性能進行試驗探討，可為夯土房屋的改性研究和建設(shè)提供參考。

1 試件制備

1.1 試驗材料

試驗土樣取自西寧市北郊，黃土質(zhì)粉質(zhì)黏土，初始含水率為15.2%，最優(yōu)含水率為15.8%，最大干密度為1.72g/cm3，是良好的夯土墻用土。將生土去除雜質(zhì)后在烘箱中烘干，過篩孔直徑為5mm的土工標(biāo)準(zhǔn)篩。青稞秸稈來自本地農(nóng)田，將青稞秸稈剝掉表皮留下光滑的莖稈，裁剪為長度30～50mm的片段，然后反復(fù)碾壓至扁平狀備用，添加到生土材料中可起到拉結(jié)土體的作用。試驗所用石子為一般建筑青石石子，粒徑分別5～10mm、10～15mm、15～20mm[12]，石子具有良好的抗壓能力，表面粗糙、多棱角，作為骨料可以使土體更加緊密結(jié)合，形成骨架，同土體協(xié)同受力，使生土材料獲得較好的抗壓性能。聚乙烯醇為160目粉末狀，常被用作膠水添加到建筑外墻涂料中，以增加涂料的粘度，該試驗把聚乙烯醇添加到夯土中提高土料之間的粘結(jié)力。固化劑為卓能達土壤固化劑，需配合質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9%的生石灰使用，常被用作公路路基的固化。防水劑為納米滲透型有機硅防水劑，常被用作混凝土墻面防水，用于夯土的具體效果尚無人研究。試驗用水為普通自來水。

1.2 試驗試件的制備

參考 《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—1999）[13]中的擊實試驗及已有研究成果[14]，利用千斤頂、C45混凝土、100mm立方混凝土模具自制制樣儀器，使用同等的壓力分三層制作尺寸為100mm立方體試件，這種尺寸的試件可以較為真實地反應(yīng)生土材料實際工作中的受力狀態(tài)。共制作5組試件，每組9個，共45個，具體為一組不添加任何材料的素夯土試件，編號A，另外四組均為以0.25%青稞秸稈加20%石子為基礎(chǔ)制作的試件，分別為僅使用青稞秸稈加石子的B組，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.8%聚乙烯醇改良的C組，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1.2%固化劑原液的D組，使用防水劑的E組,如圖1所示。

圖1 改性夯土試件

待試件養(yǎng)護干燥后，將防水劑均勻噴灑于試件表面，第一遍噴灑干燥后再使用刷子涂抹一遍防水劑。制作好的試件在室內(nèi)自然養(yǎng)護28d干燥后進行試驗，養(yǎng)護后試件強度、含水率趨于平緩，變化小。對每組編號1—3的試件進行浸水試驗，編號4—6的試件進行耐鹽性試驗，編號7—9的試件進行凍融循環(huán)試驗。

2 試驗過程及結(jié)果分析

2.1 浸水試驗

浸水試驗將處理好的試件浸泡在高度約1cm的水中（圖2），觀察試件的浸水變化情況，每隔10min將試件取出一次，擦干表面水分稱量。試驗持續(xù)60min，對于超過60min沒有發(fā)生潰散的試件判定為耐水性好，計算其吸水速率，并將未潰散的試件重新在室內(nèi)環(huán)境中放置養(yǎng)護28d，干燥后使用YAW4306微機控制電液伺服壓力試驗機進行加載，測其強度變化規(guī)律。60min以內(nèi)發(fā)生潰散的試件判定為耐水性差。改性夯土試件浸水試驗結(jié)果見表1，吸水速率R（%/min）計算公式如下[6]：

表1 改性夯土試件浸水試驗數(shù)據(jù)

式中：M60——浸水60min后試件的質(zhì)量（g）；M——浸水試驗前質(zhì)量（g）；T——浸水時間（60min）。

由表1和試驗現(xiàn)象可以看出，不做任何防水處理的素夯土試件和青稞秸稈纖維石子改性夯土試件耐水性較差，在10min到20min的時間內(nèi)試件上部并未完全浸濕，但此時試件的浸水部分就已經(jīng)發(fā)生土體潰散，吸水后夯土試件的結(jié)構(gòu)和強度受到了破壞，不足以支撐試件的重量而被壓壞，素夯土試件的這一現(xiàn)象最為明顯快速，在5min到7min時就已逐漸開始破壞。造成這一現(xiàn)象的本質(zhì)原因是黃土具有濕陷性，以黃土為主要材料的夯土試件在浸水后，試件中的自由水和弱結(jié)合水增多，土顆粒之間粘結(jié)力遭到破壞，在力與水的共同作用下土顆粒骨架失去穩(wěn)定重新排列，宏觀上表現(xiàn)為發(fā)生濕陷變形，浸泡在水面里的試件發(fā)生體積濕陷變形，水面上的土體發(fā)生剪切濕陷變形。經(jīng)過防水處理的試件耐水性能均得到了提升，其中由防水劑處理過的E組試件耐水性能最好，對水分做到了完全隔絕，證明納米滲透型有機硅防水劑對夯土墻也有明顯的防水效果，防水效果如圖2所示。固化劑的防水效果次之，雖然D組試件的吸水率比較大，但浸水一個半小時吸水飽和后，試件無任何明顯的土體潰散，保持著一定的強度，試驗水體依然清澈，D組試件在制件過程中添加了石灰，石灰起到了吸水作用。C組試件耐水性表現(xiàn)有好有差，耐水性好的C-3在試驗結(jié)束時基本保持完整，耐水性差的C-1、C-2試件邊角在浸水30min到40min時發(fā)生潰散，潰散土體上方試件無裂縫產(chǎn)生，但耐水性明顯強于A、B組試件。

圖2 改性夯土浸水試驗

浸水試驗后，待試件再次養(yǎng)護干燥，測得部分耐水性較好試件的無側(cè)限抗壓強度平均值，如表2所示。

表2 浸水前后強度變化

經(jīng)過浸水試驗，C組試件的抗壓強度衰減率為46.42%，衰減幅度較大，衰減的主要原因是試件浸水面邊角脫落及部分聚乙烯醇溶解進水中，聚乙烯醇能夠提高干燥試件的強度，但聚乙烯醇溶于水后造成試件土體粘聚力和內(nèi)摩擦角減小，浸水后試件強度大幅度衰減。D組試件強度衰減率為4.68%，強度變化很小，試件浸水前后只經(jīng)歷了吸水、放濕的過程，試件沒有受到破壞。E組試件浸水后強度增加，主要是由制件過程造成的強度變化。

2.2 耐鹽性試驗

同中國其他地區(qū)黃土相比，青海東部地區(qū)黃土易溶鹽含量相對較高，特別是階地地區(qū)的黃土，易溶鹽含量可達0.43%[15]。這一地區(qū)夏季降雨比較集中，且降雨后水分快速蒸發(fā)。降雨溶解地下土中可溶鹽，然后隨水分上升滲透到墻體中，墻體水分蒸發(fā)后，可溶鹽失水結(jié)晶膨脹，如NaSO4吸水結(jié)晶會使體積膨脹3.1倍?？扇茺}在夯土中反復(fù)溶解—結(jié)晶膨脹—溶解，會造成內(nèi)部孔隙變大，破壞夯土內(nèi)部致密的結(jié)構(gòu)，造成夯土墻體不斷膨脹、開裂、酥堿、掉渣，而且這一過程屬于惡性循環(huán)，大量的可溶鹽在夯土墻體底部聚集，加劇了鹽蝕破壞過程。所以分析改性夯土試件的耐鹽能力十分必要。

耐鹽性試驗?zāi)M夯土墻體實際工作中所處環(huán)境，毛巾平鋪于鐵托盤中，將養(yǎng)護好的試件放置于毛巾上，試件底部與毛巾之間鋪墊同試件相同大小的濾紙，然后使用注射器將配置好的濃度為3%的NaSO4、Na2SiO3混合溶液注入毛巾，使毛巾濕潤，保證可溶鹽溶液能上滲到試驗試件中，在試驗結(jié)束前持續(xù)向毛巾注射可溶鹽溶液，保持毛巾濕潤，試驗維持14d，然后把試件放在室內(nèi)環(huán)境中養(yǎng)護28d，觀察試件的腐蝕情況。

被鹽溶液侵蝕的試件在室內(nèi)自然養(yǎng)護后的破壞狀況如圖3所示。圖3 a）中第一排試件從左到右分別為B組、D組、D組，第二排左到右分別為A組、E組、C組，圖3 b）為B組試件。A、B、D組試件耐鹽性能相對較差，各組均有很多的白色絮狀物質(zhì)從試件頂部長出，造成夯土材料剝落，同時試件表面有臌脹裂縫產(chǎn)生，并且析出了大量的白色晶體。試件很酥軟，剝落的材料一捏就碎。C組試件表面無白色絮狀物質(zhì)長出，也無大量白色晶體析出，但試件表面產(chǎn)生了臌脹破裂，裂縫處有白色晶體析出，相對其他幾組試件仍較為堅硬，具有一定的強度，耐鹽性能最好。E組噴涂防水劑的試件表面發(fā)生了粉碎，粉粹后的表面未有鹽分析出，原因是試件經(jīng)過14d長時間與水鹽溶液接觸，鹽溶液從秸稈與夯土的間隙滲入土體，結(jié)晶后膨脹力造成試件由內(nèi)向外破壞。防水劑對普通水浸泡的試件有較好的防水效果，但不能抵御鹽溶液浸蝕，且試件表面涂防水層對試件強度沒有提升，不足以抵御這種破壞。在充分使用防水劑的情況下，可通過防止水分入滲完全阻止易溶鹽的遷移。

圖3 耐鹽性試驗

2.3 凍融循環(huán)試驗

青海省東部地區(qū)冬季干燥寒冷、降雪少，晝夜溫差極大，夜間最低溫度可達-15℃左右，白天最高溫度又升至5℃，夯土墻體內(nèi)的水分在整個冬季要反復(fù)經(jīng)歷“凍脹—融化—凍脹”的過程。凍融破壞會造成夯土墻體脹裂剝落破壞，特別是在經(jīng)常堆積冬季降雪的墻根處，大量的降雪融水極易入滲墻體造成凍脹，使得墻根掏蝕，對夯土建筑的使用造成較為嚴(yán)重的影響，因此研究改性夯土的抗凍融性能十分必要。

選擇養(yǎng)護28d的改性夯土試件、TMS9018環(huán)境資源凍融循環(huán)系統(tǒng)進行封閉系統(tǒng)凍融循環(huán)試驗。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，以24h為一個凍融循環(huán)周期，冷凍12h，融化12h。根據(jù)青海省東部冬季氣象資料顯示，本次試驗冷凍溫度選擇-15℃，融化溫度選擇15℃，凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為28次。在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，觀察試件外觀并測定其無側(cè)限抗壓強度，并對比不同改性夯土試件。

凍融循環(huán)前后抗壓強度如表3所示。從圖表中可以看出，在經(jīng)歷28次凍融循環(huán)后，改性夯土試件的無側(cè)限抗壓強度均有一定幅度的衰減。其中，D組試件抗壓強度減小了33.88%，抗凍融性能較差。B、C、E組試件的減小幅度在15%左右，具有很好的抗凍融性能，C組試件凍融循環(huán)后無側(cè)限抗壓強度仍然可達3MPa，在所有改性夯土試件中強度最高，E組試件的抗凍融循環(huán)性能并無特別明顯的改變，是因為此試驗為封閉系統(tǒng)的凍融循環(huán)試驗，破壞試件結(jié)構(gòu)的是試件內(nèi)部土體中的結(jié)合水和孔隙中的自由水，防水劑可對外部水分起到很好的隔絕作用，但無法消除內(nèi)部水分。A組試件凍融循環(huán)前后強度變化只有5.36%，但試件本身強度就很小。

表3 凍融前后強度變化

3 結(jié)論

（1）以0.25%青稞秸稈纖維及20%石子為基礎(chǔ)，使用0.8質(zhì)量分?jǐn)?shù)的聚乙烯醇對改性夯土試件的強度和耐久性能改善效果最佳，浸水及凍融后強度分別達到1.92MPa、3.01MPa，且不影響夯土的外觀。

（2）防水劑應(yīng)用在夯土上也有很好的效果，可以完全隔絕水分，使夯土滴水不沾。但防水劑涂抹在試件表面不會改變試件強度，防水劑應(yīng)該配合聚乙烯醇使用，才能使夯土達到既堅固又耐久的效果。

（3）素夯土和青稞秸稈纖維及石子改性試件的耐久性能很差，不加處理就作為庒廓建筑的夯筑材料極易受到損壞，影響庒廓建筑的使用壽命。