多因素對再生微粉改性城墻內(nèi)芯土強(qiáng)度的影響

王曉嬌，戚承志，周理安，班力壬，朱守東，于航，趙發(fā)

（北京建筑大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

居庸關(guān)城墻使用的建筑材料大多為就地取材[1]，居庸關(guān)北關(guān)城城樓為明代建成，其內(nèi)外檐墻多用巨磚、條 石等包砌，內(nèi)填黃土、碎石[2]。近些年來，該城墻常常發(fā)生倒塌、裂縫等病害，除了雨雪等天氣原因?qū)е峦猓才c城墻的外包磚強(qiáng)度及其本身內(nèi)芯土強(qiáng)度的降低有關(guān)。

劉奕彤等[3]研究了改性材料摻量對土體抗壓強(qiáng)度的影響，由此得到生土材料強(qiáng)度最優(yōu)的配合比。楊永等[4]通過對比單摻和復(fù)摻試驗，得出有利于土體強(qiáng)度提高的生土改性材料石灰、礦渣和粉煤灰的最佳比例。雷志君等[5]研究了養(yǎng)護(hù)齡期對生土基材料強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，生土基材料的強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而提高。Sivadasan和Kodi[6]利用瓊脂生物高分子材料對砂土進(jìn)行改性，結(jié)果表明，改性砂土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長呈提高趨勢。馬奇等[7]研究了羧甲基纖維素鈉摻量和不同含水率對生土抗壓強(qiáng)度的影響，得到了較高強(qiáng)度下試件制備的最優(yōu)含水率。林澍等[8]研究了初始含水率對吹填土強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，隨土樣初始含水率的增加，強(qiáng)度大致呈對數(shù)關(guān)系降低。Faisal等[9]通過室內(nèi)試驗研究了泥炭土的初始含水率與其強(qiáng)度的關(guān)系，結(jié)果表明，降低泥炭土的初始含水率可以提高其強(qiáng)度，減小其壓縮變形量。葉萬軍等[10]研究了初始含水率對膨脹土力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，初始含水率與土體的抗剪強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。何國榮等[11]研究了水泥土在水中養(yǎng)護(hù)和在包膜濕潤條件下養(yǎng)護(hù)時試件強(qiáng)度的變化，結(jié)果表明，包膜條件下養(yǎng)護(hù)的試件強(qiáng)度略低于水中養(yǎng)護(hù)的試件。

以上學(xué)者對影響改性土體強(qiáng)度的因素進(jìn)行了研究，包括改性材料的配比、養(yǎng)護(hù)時間、土體的初始含水率，包膜或套袋養(yǎng)護(hù)等，但是就改性材料城墻廢舊青磚磨制的再生微粉對生土改性研究較少，摻加該再生微粉后土樣在自然條件養(yǎng)護(hù)或包膜和套袋養(yǎng)護(hù)，這2種不同養(yǎng)護(hù)條件對試件強(qiáng)度影響的研究也較少。對于居庸關(guān)城墻內(nèi)芯土摻入廢舊城墻磚再生微粉后，其強(qiáng)度與再生微粉摻量、含水率、養(yǎng)護(hù)時間等因素的規(guī)律研究沒有很好地開展。

本文將城墻廢棄的青磚進(jìn)行加工，磨制成微粉應(yīng)用到城墻加固中，研究了再生微粉摻量、土體含水率變化、試件是否包膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)時間變化等因素對城墻內(nèi)芯土試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響，通過試驗并結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變曲線選出適合城墻內(nèi)芯土強(qiáng)度提高的最優(yōu)條件和最佳再生微粉摻量，為實際城墻保護(hù)工程提供參考。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗材料及儀器設(shè)備

查閱相關(guān)文獻(xiàn)[1]可知，居庸關(guān)城墻內(nèi)芯土多為就地取材，故試驗用土是在居庸關(guān)長城附近就地采集的土樣。城墻所用青磚由黏土燒制而成[12]，試驗所用青磚（見圖1）為實地調(diào)研收集的城墻維修中拆除下來的建筑垃圾，經(jīng)過實驗室機(jī)械粉磨制成再生微粉。粉磨過程中，先將較大的青磚破碎成較小的塊狀，放入烘箱中于105℃烘8 h，再放入ZHM-1-250振動磨機(jī)中粉磨30 min，得到粒徑小于0.75 mm的再生微粉。試驗用水為自來水。

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗所使用的主要設(shè)備為SLB-1型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗儀。

1.2 試件設(shè)計與制備

試件為直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱體。未摻再生微粉土體的擊實試驗結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，城墻內(nèi)芯土的最優(yōu)含水率為12.1%。因此含水率試驗中，試件設(shè)計如表1所示，并設(shè)置平行對照試樣。

表1 再生微粉摻量與含水率試驗設(shè)計

試件包膜以及養(yǎng)護(hù)時間試驗設(shè)計如表2所示。

表2 再生微粉摻量與包膜與否以及養(yǎng)護(hù)時間試驗設(shè)計

1.3 試驗過程

（1）試件外套橡皮套，其上下面緊貼不透水石，之后置于載物臺。測力環(huán)系數(shù)為10.807 N/0.01 mm，與外部壓力罩上部接觸，之后進(jìn)行控制臺設(shè)置。

（2）在電腦上設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)對試驗進(jìn)行控制。對試件編號后選擇UU試驗（不固結(jié)不排水試驗），根據(jù)量力環(huán)輸入載荷系數(shù)1.0807N/μm，結(jié)束條件選擇最大變形量（mm），輸入值為16 mm，采樣方式選擇按變形量0.1 mm。

（3）對不同再生微粉摻量、不同含水率、包膜與不包膜以及不同養(yǎng)護(hù)時間的試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗。

2 試驗結(jié)果和討論

2.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗破壞現(xiàn)象

再生微粉摻量為10%、含水率為12.1%時，包膜以及不包膜養(yǎng)護(hù)7 d試件經(jīng)過無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗后的破壞情況如圖3所示。

由圖3可見，包膜養(yǎng)護(hù)下試件多出現(xiàn)鼓脹型的破壞；而不包膜養(yǎng)護(hù)下試件主要出現(xiàn)斜截面劈裂型的破壞。

2.2 不同再生微粉摻量和含水率試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果與分析（見圖4）

由圖4可見：

（1）再生微粉摻量為10%時，含水率為10.1%、11.1%、12.1%的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差不大；含水率為13.1%的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高；含水率為14.1%的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低。當(dāng)再生微粉摻量為20%時，含水率為10.1%～11.1%的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差不大；含水率為13.1%的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高；含水率為14.1%的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最低。當(dāng)再生微粉摻量為30%時，隨含水率的增加，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸提高，含水率為14.1%的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。

（2）含水率為10.1%～13.1%時，隨再生微粉摻量從10%增加到30%，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈逐漸降低的趨勢；而含水率為14.1%時，隨再生微粉摻量從10%增加到30%，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈逐漸提高的趨勢。這可能是因為再生微粉由廢棄青磚磨制而成，其具有較強(qiáng)的吸水能力，在滿足其本身的吸水能力狀態(tài)下，達(dá)到一定程度時再生微粉的粘結(jié)力才能發(fā)揮出來。在低含水率時，再生微粉的粘結(jié)力沒有得到充分發(fā)揮，城墻內(nèi)芯土雖然具有一定的粘聚力，但因為水分的不足，不能很好地與再生微粉粘合，故受壓時兩者的土顆粒之間摩擦力較小。當(dāng)含水率增加至14.1%時，再生微粉摻量為30%的土體固化反應(yīng)加強(qiáng)，試件的粘聚力和摩擦力均提高，土骨架結(jié)構(gòu)可以有效承受外部的荷載作用[13]，試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高。

（3）由擊實試驗可知，未摻再生微粉的城墻內(nèi)芯土最優(yōu)含水率為12.1%（試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為146.0 kPa），控制含水率為不變量12.1%時，隨著再生微粉摻量從0增加到30%，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度先提高后降低。

（4）再生微粉具有較強(qiáng)的吸水能力，故含水率對試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度影響較大。當(dāng)再生微粉摻量大于15%時，含水率大于13.1%才可使試件強(qiáng)度提高；當(dāng)采用相同含水率12.1%制備試件時，則再生微粉摻量不超過15%對試件強(qiáng)度更有利。

2.3 包膜試驗結(jié)果與分析

控制試件含水率為12.1%，不同再生微粉摻量7 d內(nèi)不包膜試件質(zhì)量隨時間的變化見圖5，包膜試件質(zhì)量隨時間的變化見圖6。

由圖5可以看出，不包膜養(yǎng)護(hù)條件下，前3 d試件質(zhì)量逐漸減小，并且減小的速率也較大，而3 d后質(zhì)量又有增大的趨勢，這是試驗期間天氣下雨導(dǎo)致空氣潮濕，吸收了空氣中的水分所致。

由圖6可以看出，包膜養(yǎng)護(hù)條件下，隨著時間的延長，各組試件的質(zhì)量幾乎不變。

圖7為初始含水率為12.1%時，不同再生微粉摻量包膜試件與不包膜試件的7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度對比。

由圖7可見，未摻再生微粉時，包膜與不包膜試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差較大，隨著再生微粉摻量的增加，兩者強(qiáng)度差值逐漸縮小。由圖7擬合得到不包膜試件7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度y與再生微粉摻量x之間的函數(shù)關(guān)系為：

擬合公式的相關(guān)性系數(shù)為1，表明土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與再生微粉摻量具有很大的相關(guān)性。

對于包膜試件，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著再生微粉摻量的增加變化不大，只在再生微粉摻量為20%左右出現(xiàn)略微提高趨勢。對于不包膜試件，7 d無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著再生微粉摻量增加呈明顯下降的趨勢，尤其當(dāng)再生微粉摻量為30%時，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度已經(jīng)接近包膜時的強(qiáng)度。

由此可知，不包膜的自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)與包膜狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)對試件的強(qiáng)度影響較大。包膜時試件的含水率基本不變，而不包膜時試件的含水率是變化的（見圖5），天氣較干燥則含水率不斷降低，偶爾下雨天空氣潮濕又會使含水率略微增加。包膜時強(qiáng)度變化不大，是在含水率相同情況下，初始含水率一直保持不變，在薄膜包裹中水分能夠更好地浸潤土和再生微粉，使再生微粉與土更好地結(jié)合到一起。不包膜時試件強(qiáng)度提高的主要原因是干燥過程中隨含水率降低試件內(nèi)部不斷增大的粘聚力作用所致[14]。但是隨著再生微粉摻量的增加，不包膜試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸降低，主要是因為試件的初始含水率沒有使再生微粉和重塑土產(chǎn)生較強(qiáng)的粘聚力，之后含水率降低，導(dǎo)致強(qiáng)度也越來越低。綜上，試件初始含水率為12.1%時，不包膜養(yǎng)護(hù)下未摻再生微粉的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。

2.4 養(yǎng)護(hù)時間的影響與分析

研究養(yǎng)護(hù)時間對試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響時，設(shè)置0 d組（未經(jīng)養(yǎng)護(hù)的試件）與7 d組，7 d組包括包膜養(yǎng)護(hù)與不包膜養(yǎng)護(hù)2種情況。初始含水率為12.1%時，不同再生微粉摻量在以上條件下的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度如圖8所示。

由圖8可以看出，未摻再生微粉時，試件包膜養(yǎng)護(hù)0 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與包膜養(yǎng)護(hù)7 d時較為接近，但與不包膜養(yǎng)護(hù)7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相差較大。相同再生微粉摻量時，試件包膜養(yǎng)護(hù)7 d與養(yǎng)護(hù)0 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度相比略有提高，但二者的值仍接近。隨著再生微粉摻量的增加，不包膜養(yǎng)護(hù)7d試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)大幅度下降，直到再生微粉摻量為30%時，其值接近包膜養(yǎng)護(hù)0 d與7d時的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

在包膜養(yǎng)護(hù)0 d與7 d條件下，試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度幾乎沒有很大變化，這是因為初始含水率的變化較小，所以土顆粒之間的粘聚力并沒有明顯提高。不包膜養(yǎng)護(hù)7d時，試件含水率在自然狀態(tài)下蒸發(fā)，增加了顆粒之間的粘聚力。初始含水率為12.1%、再生微粉摻量為30%時，不包膜養(yǎng)護(hù)7 d試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度高于包膜養(yǎng)護(hù)7 d的試件，但相比其它再生微粉摻量的試件，包膜與不包膜養(yǎng)護(hù)7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增加值變小。

包膜養(yǎng)護(hù)時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在再生微粉摻量大于20%時略有下降；不包膜養(yǎng)護(hù)時，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度在再生微粉摻量大于10%時出現(xiàn)明顯下降。所以，考慮養(yǎng)護(hù)時間，當(dāng)試件中再生微粉摻量為10%左右時，不包膜養(yǎng)護(hù)7d比包膜養(yǎng)護(hù)0 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要高。

2.5 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

不同再生微粉摻量土樣不包膜養(yǎng)護(hù)0 d時的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖9所示。

由圖9（a）可見，未摻再生微粉的土樣在軸向壓力下發(fā)生彈塑性變形，屬于應(yīng)變硬化曲線，即隨著軸向荷載的增加，應(yīng)力與應(yīng)變的增量都為正值。根據(jù)劍橋模型，應(yīng)力在土體的屈服面以內(nèi)只發(fā)生彈性變形，應(yīng)力變化超過屈服面以后土體就會發(fā)生塑性變形[15]。由圖9（b）可見，再生微粉摻量為10%時土體的彈性模量比未摻再生微粉的土體略有增大，土樣的抵抗彈性變形能力有所提高，這是因為再生微粉與土顆粒之間的摩擦咬合力得到提高，并且其三維空間結(jié)構(gòu)體系也發(fā)揮作用[16]。從微觀上，土體的分子與分子之間的鍵合強(qiáng)度也有所提高。但是峰值過后，土體呈現(xiàn)了軟化的塑性變形趨勢，可能因為原本的結(jié)構(gòu)在達(dá)到應(yīng)力最大后發(fā)生了破壞，顆粒之間產(chǎn)生裂隙，具有一定拉力，而微粉和土體之間雖然粘結(jié)力較強(qiáng)，但兩者之間的抗拉能力是較弱的，因此后期的延性有下降趨勢。由圖9（c）可見，再生微粉摻量為20%時，土體表現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象，即峰值后應(yīng)力隨應(yīng)變的增大明顯下降。表明再生微粉摻量較多時，土顆粒之間的結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化，抵抗變形的能力降低，塑性階段的延性也減弱。由圖9（d）可見，再生微粉摻量為30%時，彈性階段強(qiáng)度降幅較大，僅能達(dá)到100 kPa左右，彈性模量也呈現(xiàn)降低趨勢。土體與再生微粉之間的粘結(jié)力因再生微粉摻量過多而大幅降低，土體的粘聚力受到再生微粉一定的干擾。

綜合來看，當(dāng)再生微粉摻量為10%左右時，土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和彈性模量有所提高，應(yīng)力也能夠達(dá)到最大值，但當(dāng)再生微粉摻量增加到20%和30%時，對抵抗外界荷載下的變形不利。建議實際工程中城墻內(nèi)芯土摻加10%再生微粉，含水率應(yīng)控制在13%左右，夯實后自然狀態(tài)養(yǎng)護(hù)7 d，這樣能夠使城墻整體強(qiáng)度更高。

3 結(jié)語

（1）再生微粉摻量和含水率均會影響土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。當(dāng)再生微粉摻量大于15%時，含水率大于13.1%才可使試件強(qiáng)度提高；當(dāng)采用相同含水率12.1%制備試件時，則再生微粉摻量不超過15%對試件強(qiáng)度更有利。

（2）含水率為12.1%時，不包膜養(yǎng)護(hù)條件下試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)高于包膜養(yǎng)護(hù)條件下，不包膜養(yǎng)護(hù)時無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨再生微粉摻量的增加逐漸降低。

（3）包膜養(yǎng)護(hù)0 d試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與包膜養(yǎng)護(hù)7 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度接近，遠(yuǎn)低于在不包膜狀態(tài)下自然養(yǎng)護(hù)7 d的試件，所以試件不包膜養(yǎng)護(hù)7 d更有利于強(qiáng)度的提高。

（4）分析應(yīng)力-應(yīng)變曲線可知，再生微粉摻量為10%左右時土樣的彈性模量最高，在達(dá)到峰值后延性也較好，土體具有一定抵抗變形能力。

（5）建議實際工程中城墻內(nèi)芯土摻加10%再生微粉，含水率應(yīng)控制在13%左右，夯實后自然狀態(tài)養(yǎng)護(hù)7 d，這樣能夠使城墻整體強(qiáng)度更高。