幾類傳統(tǒng)改性生土的耐久性及微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究

朱才輝，邱 嵩，石 衛(wèi)，3，李俊連

（1.西安理工大學(xué)巖土工程研究所，陜西 西安 710048；2.陜西省城市地質(zhì)與地下空間工程技術(shù)研究中心，陜西 西安 710068；3.陜西省水工環(huán)地質(zhì)調(diào)查中心，陜西 西安 710068；4.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)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(guó)家和地區(qū)針對(duì)“生土建筑”材料在工程中適用性的研究突飛猛進(jìn)。其中，基于生土及改性材料在生土建筑中的應(yīng)用一直以來(lái)成為學(xué)者們廣泛關(guān)注的科學(xué)問(wèn)題。早期的生土建筑，由于材料使用不當(dāng)、建造或保護(hù)技術(shù)不當(dāng)，導(dǎo)致生土建筑出現(xiàn)風(fēng)化剝蝕、滲水軟化、開裂、坍塌直至被遺棄，這對(duì)于傳統(tǒng)古村落生土建筑的保護(hù)和修復(fù)帶來(lái)了困難和挑戰(zhàn)。隨著材料科學(xué)及新型建筑理念的發(fā)展，現(xiàn)代生土建筑中多采用在素土中添加改性材料來(lái)改善其工程特性，以往的研究中多采用室內(nèi)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)來(lái)探索各類改性土的綜合性能，如強(qiáng)度、剛度、收縮性、熱學(xué)特性、孔隙性、吸放濕性能，抗風(fēng)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(dá)上千種，歸納起來(lái)主要包括：有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料、高分子材料、微生物技術(shù)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(dòng)物糞便［10］、大麻［11］等。上述通過(guò)在生土中添加一定含量的植物、動(dòng)物纖維可以大大降低改性生土的熱傳導(dǎo)系數(shù)，提高生土建筑的熱學(xué)性能，此外還可以增強(qiáng)土體的柔韌性、延性和摩擦性能，但對(duì)其強(qiáng)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(yīng)用于土遺址、黃土窯洞墻面的修復(fù)，會(huì)減少由于水敏性導(dǎo)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(qiáng)度和變形性能。隨著新材料、新工藝的發(fā)展，有學(xué)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(shù)［26］、三合土［27］等，來(lái)改善生土的物理-力學(xué)-熱學(xué)特性，并將其應(yīng)用于生土建筑及土遺址的修復(fù)中。針對(duì)古建筑夯土基座、城墻土遺址、生土民居、古代壁畫等調(diào)研發(fā)現(xiàn)［28-30］，經(jīng)過(guò)改性的生土均具有較好的耐久性，而后期修復(fù)期間，由于忽略了采用改性材料或修復(fù)工藝不當(dāng)導(dǎo)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(jié)果表明，通過(guò)在素土中添加有機(jī)材料、無(wú)機(jī)材料、化學(xué)材料或采取生物加固技術(shù)，可以極大的改善素土的各類性能；此外，還從微觀結(jié)構(gòu)角度來(lái)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(jīng)改性后，明顯具有更規(guī)則、緊密的孔隙特征，然而對(duì)于改性土在自然環(huán)境下的剝蝕前后的微觀結(jié)構(gòu)特征的變化規(guī)律研究尚缺乏。但對(duì)于生土建筑而言，除了滿足必須的強(qiáng)度、剛度性能、熱學(xué)性能外，還需要滿足其長(zhǎng)期耐久性能［32］，如：抗?jié)B性、抗剝蝕性、毛細(xì)水上升性等特征等，關(guān)于改性生土在長(zhǎng)期自然環(huán)境條件下的耐久性能及微觀結(jié)構(gòu)變化特征尚需進(jìn)一步研究。

本文以西安地區(qū)生土建筑為研究對(duì)象，重點(diǎn)探索在Q3黃土（素土）中添加傳統(tǒng)改性材料，對(duì)素土的耐久性能進(jìn)行改良，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)和模型試驗(yàn)來(lái)獲取其最優(yōu)改性材料含量、評(píng)價(jià)其耐久性，并針對(duì)其在自然環(huán)境下剝蝕前后的微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)研究，以期為生土建筑改性材料的工程應(yīng)用提供科學(xué)參考。

1 材料及試驗(yàn)方法

1.1 改性材料

由于黃土的大孔隙、水敏性、低強(qiáng)度等缺陷，現(xiàn)代生土建筑中采用在生土中摻入一定比例的改性材料來(lái)構(gòu)造圍護(hù)結(jié)構(gòu)，這樣可以大大提高工程穩(wěn)定性。本文采取傳統(tǒng)的天然材料：糯米（粉或漿）、桐油、稻草、細(xì)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(biāo)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(zhǎng)度為3 cm的商品，其余材料均采用標(biāo)準(zhǔn)商品。

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

1.2 試驗(yàn)方法

（1）最佳改性材料含量試驗(yàn)

為了獲得不同改性材料對(duì)素土進(jìn)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(yàn)和變水頭飽和滲透試驗(yàn)。根據(jù)不同改性材料含量下改性土的峰值抗剪強(qiáng)度和滲透系數(shù)，來(lái)確定最佳含量。其中，直剪試驗(yàn)采用ZJ 型電動(dòng)等應(yīng)變直剪儀（見圖1（a）），直剪試驗(yàn)的豎向荷載等級(jí)分別取σc=100、200、300 kPa、400 kPa。飽和滲透試驗(yàn)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(yǎng)護(hù)箱內(nèi)靜置24 h，然后開展相關(guān)試驗(yàn)。為了便于評(píng)價(jià)改性材料在素土中的含量對(duì)素土的改良效果，假定添加至素土中的混合改性材料質(zhì)量為M1，素土質(zhì)量為M2，則改性土中改性材料的含量Φ可表達(dá)為：

（2）自然剝蝕試驗(yàn)

文中所要開展的改性土的剝蝕試驗(yàn)主要指的是在以西安市近年來(lái)的自然環(huán)境下，進(jìn)行為期400 d 的觀測(cè)試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)分析改性土體在受到風(fēng)吹日曬、雨浸冰劈等干濕-凍融循環(huán)等綜合因素下，發(fā)生結(jié)構(gòu)性喪失、開裂、剝蝕等現(xiàn)象。自然環(huán)境下的改性土耐久性試驗(yàn)過(guò)程如下：按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB50123-2019）中擊實(shí)試驗(yàn)的要求進(jìn)行制模型試樣，在室內(nèi)恒溫恒濕條件下靜置養(yǎng)護(hù)7 d，然后將試樣盛放于塑料盤中，放置于試驗(yàn)樓頂?shù)拈_闊場(chǎng)地，進(jìn)行自然環(huán)境剝蝕試驗(yàn)觀測(cè)，試驗(yàn)過(guò)程中，定期（3～5 次/月）稱量塑料盤中的剝蝕的土樣，計(jì)算3 組平行試樣的剝蝕量md、時(shí)間T及平均剝蝕速率ν，并對(duì)試樣的破壞特征進(jìn)行攝影，描述其在自然環(huán)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(zhì)量（g）；M為試樣總質(zhì)量（g），T為剝蝕穩(wěn)定所需時(shí)間（d），本次試驗(yàn)時(shí)間為400 d。

（3）毛細(xì)水上升模型試驗(yàn)

毛細(xì)水上升模型試驗(yàn)采用自行研發(fā)的測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)包括：有機(jī)玻璃試樣筒、土壤水分傳感器（TDR）測(cè)試系統(tǒng)、供水系統(tǒng)組成（見圖1（c））。其中，單個(gè)有機(jī)玻璃筒的尺寸為內(nèi)徑100 mm、壁厚5 mm、高500 mm，單個(gè)有機(jī)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(gè)試樣筒側(cè)壁沿豎向每隔100 mm預(yù)留TDR探針的插入孔，用于TDR測(cè)試系統(tǒng)的安裝。試樣筒底部設(shè)置一個(gè)網(wǎng)孔狀有機(jī)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(cè)量試樣增濕的鋼尺，便于觀測(cè)毛細(xì)水上升高度。試驗(yàn)時(shí)，將透水石層和濾紙鋪設(shè)于試樣底部，并將套筒放置于干凈的水槽中，迅速測(cè)試試樣中的體積含水率，監(jiān)測(cè)頻次為：24 h以內(nèi)，每1～2 h監(jiān)測(cè)一次，24 h以后，每隔1 d監(jiān)測(cè)一次，當(dāng)連續(xù)測(cè)試的一周內(nèi)，前后2 d天的含水率測(cè)試結(jié)果誤差不超過(guò)0.2%，則可認(rèn)為毛細(xì)水上升趨于穩(wěn)定，終止試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，繪制毛細(xì)水上升穩(wěn)定后，不同類改性土的含水率增量與土柱高度之間的關(guān)系，判斷最大毛細(xì)水上升高度及增濕程度。

其中，TDR 傳感器與主機(jī)連接，可精確測(cè)量體積含水率和土體溫度?？蓽y(cè)量體積含水率的范圍為0～100%，溫度范圍為-40～80℃；測(cè)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(shè)定為18%±1%左右，將干密度設(shè)置為1.50 g/cm3。

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

則可通過(guò)抬升最大高度和抬升速率來(lái)評(píng)判該類改性土的阻水效應(yīng)。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(shí)間內(nèi)的吸水能力越強(qiáng)，反映出其阻水效果也較差。

（4）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度齡期試驗(yàn)

改性生土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度綜合表征了改性土的剛度和抗壓強(qiáng)度特性。文中采用應(yīng)力-應(yīng)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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，探討其強(qiáng)度qu和割線模量E50隨齡期的變化規(guī)律。試樣采取標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣分層擊實(shí)進(jìn)行制樣，干密度ρd=1.5 g/cm3，含水率w=18.0%。室內(nèi)養(yǎng)護(hù)條件：溫度25～30℃，相對(duì)濕度40～60%RH。通過(guò)三軸試驗(yàn)獲得改性土的各類改性土在不同齡期下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，來(lái)得其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu和割線模量E50隨齡期的變化規(guī)律。

文中采用E50來(lái)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(qiáng)度（kPa）；ε表示當(dāng)應(yīng)力為0.5qu時(shí)代表的應(yīng)變量（%）。

（5）微觀結(jié)構(gòu)SEM試驗(yàn)

土體的顆粒、孔隙結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律與土體在受到自然環(huán)境剝蝕特性有關(guān)。文中基于JSM-6700F掃描電鏡試驗(yàn)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(lái)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(huán)境侵蝕前后的孔隙面積比例（PP）及孔隙分維度數(shù)（FD），進(jìn)一步從細(xì)觀角度來(lái)了解土體的微觀結(jié)構(gòu)演化特征。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備Fig.1 Experiment instruments

1.3 試驗(yàn)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(yàn)。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(shí)際工程中得以應(yīng)用［15-16，27］，本文不再開展其最佳含量試驗(yàn)。根據(jù)上述改性材料及以往研究中針對(duì)改性土的含量方案，特制定文中的試驗(yàn)方案，見表2。

表2 改性土試驗(yàn)方案Table 2 Test schemes of the modified soils

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 抗剪強(qiáng)度及滲透性試驗(yàn)

根據(jù)前述的試驗(yàn)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(qiáng)度τf和滲透系數(shù)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(qiáng)度與飽和滲透系數(shù)按照大小順序排列對(duì)比見圖3。

圖2 不同改性土試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test results of different types of modified soils

圖3 不同改性土抗剪強(qiáng)度及滲透系數(shù)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(duì)比素黃土的抗剪強(qiáng)度τf有明顯的增加，但添加量超過(guò)某一含量后，其抗剪強(qiáng)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(shù)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(shù)基本呈逐漸下降趨勢(shì)。表明添加的糯米、石灰、水泥等粘結(jié)性材料越多，土顆粒之間的孔隙被細(xì)顆粒的粘結(jié)基質(zhì)填充的越密實(shí)，因而滲透性越差，但稻草添加量越多，反而會(huì)增大其滲透系數(shù)，主要原因是稻草“粒徑”相對(duì)較大且存在較強(qiáng)的吸水性，主要體現(xiàn)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(qiáng)度和飽和滲透系數(shù)按照改良效果由好到差進(jìn)行了排列，對(duì)比可見：其中，改性土的強(qiáng)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(qiáng)度提高較為顯著；改性土的抗?jié)B性能由好到差排序?yàn)椋喝贤粒═B）＞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?jié)B性改良較為明顯。所有改性土相對(duì)于素土而言，改性土的抗剪強(qiáng)度約為素土的1.3～3.5倍，飽和滲透系數(shù)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(lái)講，改性土的最佳改性材料含量（Φop）應(yīng)從抵抗變形能力、強(qiáng)度、抗?jié)B性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、施工難易性等多種角度來(lái)綜合考量。本文核心考察的是改性土耐久性指標(biāo)，主要考慮的是其強(qiáng)度和抗?jié)B性，因而確定最佳改性材料含量主要依賴于室內(nèi)直剪試驗(yàn)及飽和滲透試驗(yàn)結(jié)果，確定原則如下：假定某改性材料含量范圍內(nèi)的改性土抗剪強(qiáng)度達(dá)到某一最峰值或常量，同時(shí)其滲透系數(shù)也達(dá)到谷值或常量時(shí)，在該范圍內(nèi)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?？梢姡煌男圆牧咸砑又了赝林?，均存在一個(gè)最優(yōu)改性材料含量，改性材料過(guò)少或過(guò)量添加至素土中，均難以改善素土的強(qiáng)度及抗?jié)B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(yàn)

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(nèi)的自然環(huán)境下耐久性試驗(yàn)圖片進(jìn)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(huán)境下剝蝕試驗(yàn)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(duì)比可見，添加一定量改性材料的改性土，在短期內(nèi)對(duì)改善素黃土的抗剝蝕特性有較好的作用，但在較長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)（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(lái)改良素土則效果較好（ν=0.05～0.5%/d）。從圖4的統(tǒng)計(jì)結(jié)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(duì)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(tuán)粒和填塞了大孔隙結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其吸水能力和導(dǎo)水性能急劇下降，因而受到風(fēng)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(xì)水上升模型試驗(yàn)

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

表4 改性土毛細(xì)水上升參數(shù)對(duì)比Table 4 Comparison of parameters of capillary lifting of modified soils

圖5 毛細(xì)水上升穩(wěn)定后含水率沿高度分布規(guī)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(xì)水上升基本在2 個(gè)月內(nèi)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后的毛細(xì)水上升高度從27 cm～105 cm 不等，但均小于素土的毛細(xì)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(yīng)。

（2）從毛細(xì)水上升速率對(duì)比來(lái)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(duì)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(yōu)越。

2.5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度齡期試驗(yàn)

通過(guò)三軸試驗(yàn)獲得各類改性土在不同齡期下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu和割線模量E50隨齡期的變化規(guī)律，見圖6。通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的齡期試驗(yàn)結(jié)果可見，糯米基類改性土及素土的qu在7～14 d的齡期上達(dá)到最大值，隨齡期的延長(zhǎng)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而有減小趨勢(shì)，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(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的延長(zhǎng)有逐漸增大的趨勢(shì)，表明：有機(jī)質(zhì)改性土隨著齡期的延長(zhǎng)，其有機(jī)質(zhì)易于受到生物霉菌等入侵、水分沖蝕而逐漸喪失強(qiáng)度特性，而水硬性材料容易發(fā)生水化反應(yīng)、碳化反應(yīng)，更進(jìn)一步提高了與土顆粒的粘結(jié)作用，表現(xiàn)為強(qiáng)度的增長(zhǎng)現(xiàn)象。從其割線模量E50隨齡期的變化趨勢(shì)可見，當(dāng)齡期達(dá)到7 d 左右時(shí)，其剛度基本達(dá)到最高值，隨后隨著齡期的增長(zhǎng)而略有下降或維持不變的趨勢(shì)，進(jìn)一步表明有機(jī)質(zhì)改性土和無(wú)機(jī)質(zhì)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(guī)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(jié)構(gòu)變化規(guī)律

通過(guò)對(duì)改性土在初始狀態(tài)和自然環(huán)境條件下剝蝕400 d后的SEM試驗(yàn)，采用PCAS程序來(lái)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(shù)（FD）在剝蝕前后的對(duì)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(guī)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(guò)將各類改性土的孔隙面積比例PP和分形維數(shù)FD，按照從大到小進(jìn)行排序?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)：素土（PS）在剝蝕前后，其孔隙面積分布比例（PP-B）與分形維數(shù)（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(shù)（FD-B）相比其他改性土明顯較小，表明糯米基和石灰類粘結(jié)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(jìn)孔隙的定向有序排列，降低其分形維數(shù)，提高土體的綜合物理力學(xué)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%，F(xiàn)D-A 減小幅度約為0.6～3.7%，而素土在發(fā)生剝蝕后，其PP-A 減小幅度為11.2%，F(xiàn)D-A 減小幅度為4.3%，上述微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果也進(jìn)一步證實(shí)了改性土在抵抗自然環(huán)境下的剝蝕性能具有較好的優(yōu)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(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比曲線Fig.8 Comparison of microscopic pore structure parameter of modified soils and PS before and after denudation

3 結(jié)論

（1）不同改性材料添加至素土中，均存在一個(gè)最優(yōu)改性材料含量，改性材料過(guò)少或過(guò)量添加至素土中，均難以改善素土的強(qiáng)度及抗?jié)B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(tǒng)改性材料對(duì)改善素土的工程性能有限，同時(shí)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(bǔ)作用，可同時(shí)加強(qiáng)改性土的粘聚性、充填孔隙和增強(qiáng)加筋效果。

（2）不同傳統(tǒng)材料改性土的抗剪強(qiáng)度提高約為素土的1.3～3.5 倍，抗?jié)B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(xì)水上升最大高度約為素土的24～93%，糯米基類改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的延長(zhǎng)而減小，水泥基和石灰基改性土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨齡期的延長(zhǎng)呈增大趨勢(shì)。

（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(shù)（FD）減小幅度約為0.6～3.7%，而素土在發(fā)生剝蝕后，其PP和FD減小幅度分別為11.2%和4.3%。