不同種類纖維加筋對地仗層改性試驗研究

游菁， 嚴紹軍，2， 崔德山， 農(nóng)明艷

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，武漢 430074；2.陜西省文物保護研究院，西安 710075）

0 引言

地仗層是壁畫、造像藝術(shù)的重要物質(zhì)載體，它是支撐體表面和顏料層的分界面［1］。纖維加筋土是將土體中植入一定比例、長度的纖維，充分拌勻后形成的土木復(fù)合材料。相關(guān)試驗證明纖維加筋后的土體強度得到提升，因而纖維加筋土在眾多領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。纖維加筋材料可分為兩大類，人工合成纖維和自然纖維［2］?，F(xiàn)有地仗層加筋研究大多適用于壁畫地仗層的修補，對造像地仗的修補研究較少。同時，壁畫地仗加筋多以麥草、棉、麻等自然纖維為主［3-7］，人工合成纖維的應(yīng)用較少。因此，研究以泥塑地仗層為研究對象，采用現(xiàn)代碳纖維和傳統(tǒng)麻刀纖維進行加筋試驗，分析兩種纖維對地仗層力學性質(zhì)和干縮控制性能的影響，探究地仗層的加固機理，進而為優(yōu)化地仗層的修復(fù)工藝提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試驗材料包括試驗土體和纖維。試驗土體為遼寧義縣某遼代造像地仗層，通過土的顆粒分析試驗確定試驗土體為粉質(zhì)黏土。將試樣土體用自動烘干箱烘干，對烘干后的土體進行人工研碎，過1mm篩備用。土體指標如表1所示。

表1 試驗土體的物理力學性質(zhì)

馬贊峰［8］對莫高窟壁畫地仗層修補材料進行篩選，碳纖維是比較適合的地仗修補材料。改性試驗選取麻纖維和碳纖維，綜合馬贊峰［8］及杜文鳳［3］地仗修補試驗中纖維長度，將纖維長度定為7mm，其性能指標如表2所示。

表2 纖維的物理力學性質(zhì)

1.2 試驗方案

在纖維的摻入量上，采用體積比控制麻刀與碳纖維的用量，試驗摻入體積量為0%、0.5%、0.75%和1.0%的纖維，即麻纖維質(zhì)量百分比為0.5%、0.75%和1.0%，碳纖維質(zhì)量百分比為0.57%、0.85%和1.13%。試樣制作過程嚴格按照《土工試驗》相關(guān)規(guī)范及傳統(tǒng)地仗層制作工藝進行，重塑土樣內(nèi)徑為39.1mm，高度為80mm，試樣的含水率為25%，略大于土體的塑限19.06%。將試樣置于三軸儀飽和器中存放5d，確保水、土及纖維充分浸潤后，制作重塑樣，并壓實成型。取出成型試樣置于空氣中養(yǎng)護，逐日記錄試樣質(zhì)量、形變數(shù)據(jù)，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，對試樣進行無側(cè)限抗壓強度等測試試驗。

2 試驗結(jié)果

2.1 試樣的無側(cè)限抗壓強度

按上述試驗方案進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

圖1為無側(cè)限抗壓強度與不同纖維摻入量的關(guān)系曲線，隨纖維摻入量增加，試樣的無側(cè)限抗壓強度先升高后降低，改性試樣強度仍遠高于素土試樣。其中碳纖維加筋試樣最大抗壓強度為素土試樣強度的2.13倍，麻纖維加筋試樣最大抗壓強度為素土試樣強度的1.49倍。同一纖維摻量下，碳纖維加筋試樣的無側(cè)限抗壓強度均大于麻纖維加筋試樣，其中纖維摻量為0.75%時，纖維加筋土的無側(cè)限抗壓強度最大。

圖1 無側(cè)限抗壓強度與纖維種類的關(guān)系

圖2為同一纖維摻量下，不同纖維改性試樣強度對比，當纖維摻入量分別為0.5%、0.75%和1.0%時，碳纖維加筋土體強度為麻纖維加筋土體強度的1.4倍、1.42倍和1.38倍，碳纖維加筋土體的抗壓強度提高效果更明顯。

圖2 麻纖維與碳纖維無側(cè)限抗壓強度的對比

2.2 試樣的質(zhì)量、形變監(jiān)測

素土試樣在加筋處理后，處于飽水狀態(tài)，進行無側(cè)限抗壓強度前，需在自然條件下風干，直至改性試樣質(zhì)量與形變趨于穩(wěn)定。對干燥過程中的試樣進行質(zhì)量和形變監(jiān)測，研究纖維改性土體后，土體抵抗干縮形變的能力，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表4和表5所示。

表4 試樣質(zhì)量衰減率

表5 試樣軸向收縮率

摻入纖維改性土體的一個重要目的就是控制施工期間地仗層的收縮開裂。對于麻纖維加筋試樣，當纖維摻入量為0.5%和0.75%時，麻纖維加筋試樣的軸向收縮變形比素土試樣的小。麻纖維的加入能改善土體干縮情況，當麻纖維摻入量為0.75%時，軸向收縮率較素土試樣減少了17%左右，但當麻纖維摻入量為1.0%時，試樣反而干縮更明顯。

對于碳纖維加筋試樣，使用碳纖維加筋后，試樣的軸向收縮率均高于素土試樣，在纖維摻入量相同的情況下，麻纖維加筋試樣比碳纖維加筋試樣的軸向收縮率相對要小。當纖維摻入量為0.75%時，碳纖維加筋試樣的軸向收縮率最小，是素土纖維試樣的1.04倍，是麻纖維加筋試樣的1.27倍。當碳纖維摻入量為0.5%和0.75%時，試樣軸向收縮率相差不大，摻入量為0.75%的碳纖維試樣軸向收縮率略低于摻入量為0.5%的碳纖維試樣，可推測纖維摻入量為0.5%和0.75之間可能存在軸向收縮率更小的情況。由圖3和圖4可知，纖維加筋試樣在養(yǎng)護過程中，試樣軸向收縮率-時間曲線呈拋物線狀，軸向收縮率隨養(yǎng)護時間的增加而增大，最終趨于穩(wěn)定。

圖3 軸向收縮率與麻纖維摻入量的關(guān)系

圖4 軸向收縮率與碳纖維摻入量的關(guān)系

由圖5和圖6可知，養(yǎng)護期間土體質(zhì)量逐日減少，土體損失的質(zhì)量為土體內(nèi)的水分，質(zhì)量衰減率及為脫水率。同時，土體失水干縮導(dǎo)致試樣發(fā)生形變，其軸向收縮率與質(zhì)量衰減存在相關(guān)性，圖5為軸向收縮率-脫水率曲線。對于同種纖維加筋試樣，其質(zhì)量衰減率越小，脫水率越低，對應(yīng)的軸向收縮率越?。粚τ谮呌诜€(wěn)定后的同一質(zhì)量衰減率，0.75%纖維摻入量的加筋試樣軸向收縮率最小，1.0%纖維摻入量的加筋試樣軸向收縮率最大。

圖5 麻纖維-脫水率與軸向收縮率的關(guān)系

圖6 碳纖維-脫水率與軸向收縮率的關(guān)系

3 試驗分析

3.1 纖維加筋對強度的影響

纖維對土體抗壓強度的提升效果主要取決于筋-土界面的作用強度和纖維自身的抗拉強度［9］。筋-土界面之間的力學作用分為黏接和摩擦兩種形式，表現(xiàn)為界面的黏結(jié)力和摩擦力，其作用效果受土質(zhì)條件和界面接觸條件的雙重影響［10］。筋-土界面的作用力來自纖維表面與黏土顆粒的相互作用，纖維在土體內(nèi)隨機分布，纖維表面附著黏土，纖維之間相互交織與纏繞，當受到外部壓力時，土體中纖維之間發(fā)生相對位移，纖維的存在對土體起到了有效的約束作用。摩擦力的影響因素有摩擦系數(shù)、正應(yīng)力、含水量、顆粒級配和有效接觸面積等［11］，纖維的存在增大了筋-土界面摩擦面積和界面摩擦力，能有效提高筋-土界面作用強度。在土體局部發(fā)生裂縫時，纖維承擔起這部分土體上的拉應(yīng)力，延緩了裂縫的發(fā)展和防止整個結(jié)構(gòu)的斷裂破壞，使試樣的破壞形式變?yōu)檩^穩(wěn)定的塑性漸變破壞，提高加筋試樣的承載力［12］。纖維摻入量較少時，試樣內(nèi)纖維之間不易形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對土體約束有限。隨著纖維摻入量增大，加筋土體的抗壓強度隨之增大，但土體中纖維含量過多時，纖維之間容易交織，甚至結(jié)團，這導(dǎo)致纖維之間的接觸面增大，筋-土摩擦面積相對減少，最終使得界面摩擦力降低，加筋土體抗壓強度降低。

碳纖維與麻纖維加筋試樣的抗壓效果存在的差異，是由于不同種類纖維有著不同的表面物理性質(zhì)，土體顆粒與加筋纖維間產(chǎn)生了差異性的接觸效果［13］。碳纖維不存在吸水效應(yīng)，而麻纖維具有吸水和脫水效應(yīng)，養(yǎng)護過程中，加筋試樣中麻纖維脫水干縮，導(dǎo)致麻纖維與土體纏繞和咬合作用效果降低；進行無側(cè)限抗壓試驗時，加筋試樣抵抗變形破壞，容易形成應(yīng)力集中現(xiàn)象，而麻纖維抗拉強度遠低于碳纖維，受力拉伸變細，甚至部分麻纖維斷裂，導(dǎo)致土與纖維粘接能力降低，所以加筋試樣在進行無側(cè)限抗壓試驗時，碳纖維加筋試樣無側(cè)限抗壓強度更大。

3.2 纖維對脫水形變的影響

加筋試樣在養(yǎng)護期間的質(zhì)量衰減即為土體內(nèi)水分的蒸發(fā)，土體中水分蒸發(fā)過程基本上可以分為3個階段：常速率、減速率和殘余階段［14］。對應(yīng)的土體脫水收縮形變過程基本上可以分為急速收縮階段、減速收縮階段和殘余收縮階段3個階段。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，麻纖維加筋試樣能有效減少脫水導(dǎo)致的形變，是因為麻纖維屬于天然材料，具有吸水性和透氣性，其吸濕性能好、散水性能快，能有效提高加筋試樣脫水均勻性。加筋后的養(yǎng)護過程中，麻纖維提供了水蒸發(fā)通道，降低了土體不均勻干縮導(dǎo)致變形量。碳纖維加筋試樣軸向收縮率高于素土試樣的原因可歸結(jié)為：碳纖維屬于人工合成材料，材料本身強度高、耐高溫性能好，但不具備吸水性，無法改善土體脫水后的不均勻干縮情況。碳纖維與土體攪拌過程中，碳纖維與土顆粒的親和力差，碳纖維在土體中容易富集，降低了纖維對變形的限制效果。

當纖維摻入量過大時，可能導(dǎo)致土樣中單個麻纖維和土顆粒的粘結(jié)數(shù)量減少，土顆粒與纖維界面的粘結(jié)效果變差，加筋試樣的初始孔隙比偏高，纖維之間會存在孔隙薄膜水而沒有土顆粒。當水分由外向里蒸發(fā)時，纖維之間會失去相互粘結(jié)作用而發(fā)生少量滑移，少部分土顆粒隨之發(fā)生移動，過量的纖維聚集在土體內(nèi)部容易形成很多缺陷和薄弱面，從降低了纖維的空間交織與彎曲加筋作用，影響試樣的脫水收縮形變。

4 結(jié)語

對地仗層使用麻纖維和碳纖維進行加筋處理，通過比對分析不同纖維摻入量情況下，加筋試樣的無側(cè)限抗壓強度和脫水形變，可以得到以下結(jié)論。

（1） 同種纖維加筋條件下，隨纖維摻入量的增加，加筋試樣的無側(cè)限抗壓強度先增加后減小，在纖維摻入量為0.75%時，加筋試樣的抗壓強度最大。

（2） 同一纖維摻入量條件下，碳纖維加筋試樣的無側(cè)限抗壓強度大于麻纖維加筋試樣的無側(cè)限抗壓強度，碳纖維提升抗壓強度效果更好。

（3） 纖維加筋粉質(zhì)黏土的脫水軸向形變規(guī)律可以分急速收縮階段、減速收縮階段和殘余收縮階段。當麻纖維摻入量小于1.0%時，麻纖維加筋土體有抵脫水收縮形變效果，而碳纖維加筋土體脫水收縮形變加劇。

通過對地仗層的加筋試驗中可以得出，天然纖維和人工合成纖維具有不同方面的優(yōu)勢和劣勢，由于加筋對象是地仗層，加筋后需要與本體相結(jié)合，對加筋后的形變有要求，建議選取0.75%纖維摻入量的麻纖維進行加筋最為合適。