基于楊木木屑改性的隧道工程透水砂漿性能研究

蔣雅君，喻良敏，王萃娟，彭 濤，王虎群

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610031；3.北京東方雨虹防水技術(shù)股份有限公司 特種功能防水材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 101309)

0 引言

隧道噴膜防水是一種新興的隧道防水技術(shù)，近些年來被廣泛應(yīng)用于公路隧道、鐵路隧道、地鐵區(qū)間隧道、LNG工藝隧道等工程中[1-4]。在實(shí)際工程中，初期支護(hù)基面往往凹凸不平，所以一般會在初期支護(hù)表面設(shè)置無紡布緩沖層來保證噴膜防水層的施作質(zhì)量，同時(shí)，無紡布緩沖層能夠?qū)⒊跗谥ёo(hù)基面的滲水及時(shí)排走，對水壓進(jìn)行及時(shí)卸載[5-6]。但是由于無紡布設(shè)置在初期支護(hù)和防水層之間，導(dǎo)致防水層與初期支護(hù)、二次襯砌無法緊密粘接，隧道噴膜防水襯砌結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力能力無法正常發(fā)揮[7]。因此，國內(nèi)外也有一些工程采用在初期支護(hù)后噴射砂漿或細(xì)石混凝土找平層后，再施作噴膜防水層的方法，以提高隧道襯砌結(jié)構(gòu)的整體性[8-9]，并取得了良好的效果。這種做法取消了無紡布緩沖層，使得隧道二次襯砌后的排水空間也被削減，可能會導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)承受水壓增大。因此，需要針對砂漿找平層進(jìn)行改性，提高其透水性能，使得防水層與初期支護(hù)、二次襯砌密貼，同時(shí)又能在一定程度上消除噴膜防水后的局部滲水，減少水壓積聚。

想要達(dá)到以上目的，可行的方法之一就是對砂漿找平層進(jìn)行改性，提高其孔隙率，以達(dá)到透水的要求。目前，類似可行的建筑材料主要有透水混凝土[10-14]、多孔混凝土等。其中，透水混凝土透水性能良好、成本較低，得到了廣泛的研究，但是由于粗骨料顆粒過大且不適于噴射，其透水原理和方法不適合用于噴膜防水層的找平層。有學(xué)者研究了一種可降解的透水混凝土[15]，但是由于其所用的降解材料為高分子材料，成本較高，并不適用于大規(guī)模的工程應(yīng)用。近些年來，有學(xué)者研究植物纖維加入混凝土后對其性能的改善，如秸稈混凝土[16-20]。研究表明，秸稈纖維具有多孔結(jié)構(gòu)，能夠提高混凝土的吸水率和孔隙率[21]。實(shí)際上，秸稈纖維是一種植物纖維，由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等構(gòu)成，在堿性條件下能夠發(fā)生降解[22-23]。目前，秸稈纖維在混凝土中的應(yīng)用大多集中于利用其纖維骨架提升混凝土強(qiáng)度，而對于其多孔結(jié)構(gòu)的研究以及提高混凝土吸水率的研究很少，其在混凝土內(nèi)的降解研究也很少有學(xué)者涉及。

為了研制具有透水能力的砂漿，本文借鑒秸稈混凝土的思路，選擇具有一定吸水和可降解能力的楊木木屑摻入到砂漿當(dāng)中，制成具有連通孔隙的透水砂漿，以達(dá)到砂漿找平的同時(shí)透水的目的。目前的研究工作主要集中于木屑的摻量和養(yǎng)護(hù)方式對砂漿性能指標(biāo)的影響，包括體積密度、吸水率以及抗壓強(qiáng)度等，以期為后續(xù)開展深入的研究奠定基礎(chǔ)和提供指導(dǎo)。

1 木屑的降解特性分析

本文選用生活中常見的楊木木屑為原材料，分析和研究其在特定環(huán)境下的降解性能，為驗(yàn)證其在制備透水砂漿中的可行性提供依據(jù)。

1.1 木屑的降解原理

為了更好地研究楊木木屑在實(shí)際情況中的降解效果，現(xiàn)從其降解原理出發(fā)，分析其降解過程，研究其降解特性。

植物纖維來源于大自然，其分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要是由纖維素、半纖維素、木質(zhì)素和糖分以及一些雜質(zhì)所構(gòu)成。其中，纖維素為纖維的主要部分，而半纖維素和木質(zhì)素以及一些雜質(zhì)為纖維的其他成分。半纖維素和纖維素相互搭接，木質(zhì)素包裹在纖維素和半纖維素外層，起到保護(hù)的作用，相互結(jié)合緊密，其結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定。纖維分子結(jié)構(gòu)如圖1所示[23]。

圖1 植物纖維分子結(jié)構(gòu)

利用高效液相色譜儀對楊木木屑的成分進(jìn)行檢測，得到其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 木屑主要化學(xué)成分

纖維素和半纖維素的分子結(jié)構(gòu)類似，都是大分子。不同的是，纖維素是由葡萄糖基聚合而成，而半纖維素是由多種糖基復(fù)合而成，二者都具有大量的還原性末端基，在不同的環(huán)境中會發(fā)生不同的反應(yīng)，所以性質(zhì)也大致相似。纖維素與半纖維素的分子結(jié)構(gòu)如圖2所示[23]。

(a)纖維素分子結(jié)構(gòu)

目前，纖維素和半纖維素的降解方法主要有酸解、堿解以及生物降解等。其中，酸解和堿解操作方式相對簡單，效果較好，且成本較低，往往被研究采用?？紤]到砂漿環(huán)境呈堿性，所以選擇在堿性條件下進(jìn)行降解，并分析其降解效果。

纖維素的降解原理如下：在堿性環(huán)境下，由于纖維素還原性末端基性質(zhì)不穩(wěn)定，在堿的作用下，還原性末端基逐漸斷裂并脫落，導(dǎo)致其配糖鍵也發(fā)生斷裂，葡萄糖基逐漸掉落，大分子逐漸分解成為小分子，掉下來的葡萄糖基轉(zhuǎn)變?yōu)楫愖兲撬幔⒁遭c鹽的形式存在[23]。也有研究表明，在該化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)上，加入強(qiáng)氧化劑或者采用超聲處理等措施可以加強(qiáng)降解效果，所以有時(shí)也會用來配合纖維素降解[24]。

半纖維素結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與纖維素相似，降解原理大致相同，只是其反應(yīng)產(chǎn)物不再是單一的葡萄糖，而是相互聚集的多糖。木質(zhì)素由于性質(zhì)并不穩(wěn)定，本身能溶于強(qiáng)堿，所以并不需要對其做特殊處理，只需要依靠堿環(huán)境對其降解即可。

1.2 木屑的降解試驗(yàn)

稱取一定質(zhì)量的楊木木屑，配置不同濃度的氫氧化鈉溶液，將木屑分批次緩慢加入氫氧化鈉溶液中，在80 ℃下恒溫?cái)嚢?0 min，超聲加熱處理20 min，反復(fù)幾次后在80 ℃恒溫反應(yīng)24 h。反應(yīng)至指定時(shí)間后，拿出木屑靜置冷卻至室溫后過濾、洗滌、干燥，稱取反應(yīng)后的木屑質(zhì)量。設(shè)置2個(gè)變量、4個(gè)對照組，其中，木屑質(zhì)量為12、24、36、48 g，氫氧化鈉濃度為1、3、5、7 mol/L。

1.3 木屑的降解效果

通過觀察試驗(yàn)現(xiàn)象可知，在堿的作用下，楊木木屑(見圖3(a))逐漸降解，溶液由澄清逐漸變成棕黃色(見圖3(b))，反應(yīng)后的木屑顏色更深，呈黃黑色(見圖3(c))。

(a)反應(yīng)前木屑 (b)反應(yīng)時(shí)溶液 (c)反應(yīng)后木屑

記錄試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4和圖5所示，用于分析楊木木屑在堿溶液中的降解效果。

圖4 木屑降解曲線(氫氧化鈉濃度1 mol/L)

圖5 木屑質(zhì)量隨氫氧化鈉濃度的變化曲線(反應(yīng)24 h)

由圖4可知：隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，楊木木屑的質(zhì)量不斷減少，反應(yīng)24 h后降解率均達(dá)到了55%左右；而隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，楊木木屑降解速率越來越慢，在24 h后反應(yīng)速率緩慢。

由圖5可知，隨著氫氧化鈉濃度的增加，各試驗(yàn)組24 h內(nèi)楊木木屑降解率也在不斷增加，在氫氧化鈉濃度為7 mol/L時(shí)木屑降解率達(dá)到了60%左右。這說明隨著氫氧化鈉濃度的增加，楊木木屑和堿的反應(yīng)速率和反應(yīng)程度也逐漸增加，氫氧化鈉的濃度在影響著反應(yīng)的進(jìn)行。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過上述分析可知，楊木木屑在砂漿試塊中具有一定的降解可行性?，F(xiàn)將楊木木屑作為原材料加入到砂漿試塊中，代替部分細(xì)骨料，與砂漿在堿性環(huán)境下混合，用以改善砂漿透水性能。下面主要研究砂漿性能隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化，以及摻量和養(yǎng)護(hù)方式對砂漿性能的影響。

2.1 原材料

1)楊木木屑：密度0.5 kg/m3，含水率8%～10%，濕度10%。2)氫氧化鈉：產(chǎn)自Aladdin試劑(上海)有限公司，藥品呈粉狀，AR分析純，純度95%。3)水泥：P·O 42.5水泥，產(chǎn)自諸城市陽春水泥有限公司，主要化學(xué)成分見表2，堆積密度1.4 kg/m3，比表面積358 m2/kg。4)砂子：河砂，堆積密度為1 450 kg/m3，含水率0.2%，細(xì)度模數(shù)2.31，中砂，粒徑0.35～0.5 mm。5)水：自來水。6)速凝劑：FSA無堿速凝劑，產(chǎn)自天津偉合發(fā)展有限公司，密度1.51 g/cm3，固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)49.67%。

表2 水泥主要化學(xué)成分

2.2 砂漿的制備

砂漿的配合比按照J(rèn)GJ/T 98—2010《砌筑砂漿配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》設(shè)計(jì)，配制強(qiáng)度等級為M10的砂漿。

在砂漿制備過程中發(fā)現(xiàn)楊木木屑具有一定的吸水性，在設(shè)計(jì)用水時(shí)需要考慮其對砂漿的影響。經(jīng)過試配發(fā)現(xiàn)，每24 g楊木木屑多加20 g水，砂漿性能良好，脫模正常，故按照比例每6 g楊木木屑多加5 g水。按照楊木木屑摻量的遞增關(guān)系共設(shè)計(jì)了5個(gè)配比，其中1#組為空白組(楊木木屑摻量為0%)，各砂漿配合比見表3，速凝劑用量按照J(rèn)GJ/T 372—2016《噴射混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》選取。

表3 各砂漿配合比

砂漿的制備參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》。將水泥和砂子按照設(shè)計(jì)用量攪拌2 min，隨后加入相應(yīng)質(zhì)量的楊木木屑繼續(xù)攪拌1 min。將設(shè)計(jì)用水配制成1 mol/L的氫氧化鈉溶液，待水泥、砂子和楊木木屑攪拌完成后分2次加入其混合物中，手動(dòng)攪拌2 min，隨后加入速凝劑繼續(xù)攪拌1 min。將砂漿混合物倒入尺寸為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的塑料模具中，振動(dòng)5～10 s，24 h后脫模，放入1 mol/L的氫氧化鈉溶液中養(yǎng)護(hù)。同時(shí)，以5#為試驗(yàn)組，改變其養(yǎng)護(hù)方式，設(shè)置2個(gè)對照組(分別命名為5-1組、5-2組)。5-1組為制作砂漿時(shí)不加入氫氧化鈉，用水為自來水，同樣放入1 mol/L的氫氧化鈉溶液中養(yǎng)護(hù)；5-2組為制作砂漿時(shí)用自來水，同時(shí)放入清水中養(yǎng)護(hù)。

2.3 試驗(yàn)指標(biāo)及測試方法

選取各砂漿試塊的體積密度、孔隙率、吸水率(總孔隙率與開口孔隙率)、抗壓強(qiáng)度4個(gè)指標(biāo)，測試隨著不同摻量和養(yǎng)護(hù)方式的改變4個(gè)指標(biāo)的變化情況。孔隙率和吸水率可以在一定程度上作為表征砂漿透水能力的指標(biāo)。同時(shí)，對楊木木屑和砂漿試塊進(jìn)行掃描電鏡測試，研究其微觀結(jié)構(gòu)，從而對以上指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行輔助分析，相互印證。

2.3.1 體積密度的測定

體積密度的測定中，參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行烘干溫度及時(shí)間的條件要求，并采用理論公式進(jìn)行體積密度的計(jì)算。砂漿試塊養(yǎng)護(hù)完成后在75 ℃下烘干24 h，取出并冷卻至室溫后稱量其干質(zhì)量m0。隨后測量其尺寸V，如實(shí)測尺寸與公稱尺寸之差不超過1 mm，則按公稱尺寸計(jì)算。砂漿試塊體積密度

(1)

每種砂漿計(jì)算3個(gè)試樣的體積密度，求平均值。

2.3.2 孔隙率的測定

孔隙率包括總孔隙率和開口孔隙率。其中，開口孔隙率表示連通孔占砂漿的體積大小，是表征透水能力的直接因素。本試驗(yàn)針對砂漿試塊總孔隙率和開口孔隙率展開測試。

總孔隙率采用CABR—457型硬化混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析儀測試。分辨率小于2 μm，采用線性追蹤遍歷法(導(dǎo)線法)。試驗(yàn)參數(shù)為：總導(dǎo)線長3 000 mm，每幀導(dǎo)線數(shù)量為5 mm，分析區(qū)域?yàn)樵噳K長寬值，均為70.7 mm。試驗(yàn)開始前對儀器校準(zhǔn)。

開口孔隙率測試方法目前規(guī)范沒有規(guī)定，參考目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)成果可分為質(zhì)量法和體積法，本試驗(yàn)選用體積法[15, 25]。首先，將試塊在75 ℃下烘干24 h，待其冷卻至室溫稱取m0；隨后放入常溫水中浸泡24 h至飽和，稱取質(zhì)量m1；最后將飽和試塊放入盛滿水的燒杯中，收集溢出的水，稱取質(zhì)量m2。開口孔隙率

(2)

每種砂漿測量3個(gè)試樣的吸水率，求平均值。

2.3.3 吸水率的測定

吸水率的測定參考JGJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和文獻(xiàn)[25]，砂漿試塊養(yǎng)護(hù)完成后在烘箱中75 ℃下烘干24 h，待其冷卻至室溫后稱重，記錄其干質(zhì)量m0。隨后將試塊放入常溫水中浸泡24 h，試塊浸入水中的深度為35 mm。浸泡完成后將試塊取出，用吸水紗布吸干試塊表面的水，稱取其吸水后質(zhì)量m1。吸水率

(3)

每種砂漿測量3個(gè)試樣的吸水率，求平均值。

2.3.4 抗壓強(qiáng)度的測試

抗壓強(qiáng)度參照J(rèn)GJ/T 70—2009《建筑砂漿基本性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，采用壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試。測試前將試塊成型面垂直壓板放置，試塊中心對準(zhǔn)壓板正中心。加荷速度為1.5 kN/s，連續(xù)而均勻地加荷，當(dāng)試塊接近破壞發(fā)生迅速變形時(shí)，停止調(diào)整試驗(yàn)機(jī)油門，直至試塊破壞，導(dǎo)出破壞曲線，記錄破壞荷載，觀察試塊破壞情況。

2.3.5 微觀性能的表征

采用掃描電鏡(SEM，inspect F，美國FEI公司，分辨率3.0 nmat 30 kV，10 nmat 3 kV)觀察楊木木屑反應(yīng)前后的微觀變化和砂漿試塊養(yǎng)護(hù)28 d后的水化情況，以及楊木木屑在砂漿中的分布情況。

采用ADSM302電子顯微鏡(深圳安東星科技有限公司，圖片分辨率1 200萬像素，對焦距離5～22 cm，幀頻30 f/s(600 Lx亮度下)，包裝數(shù)據(jù)31 cm×24.5 cm×18 cm/2.2 kg)觀察砂漿試塊木屑顆粒分布情況。VHX-6000超景深三維立體顯微鏡(日本基恩士公司，冷光源，色溫5 700 K)觀察砂漿試塊養(yǎng)護(hù)后內(nèi)部孔隙分布情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

在砂漿制備的過程中發(fā)現(xiàn)楊木木屑與砂漿混合較為均勻，在養(yǎng)護(hù)完成后，試塊表面有部分水泥剝落，試塊表面分布有斑點(diǎn)狀的楊木木屑，木屑分布清晰。試塊表面呈現(xiàn)不同的顏色，其中，在堿溶液內(nèi)養(yǎng)護(hù)后試塊表面呈淺黃色(見圖6(a))，木屑附近顏色更深；而在清水里面養(yǎng)護(hù)的試塊表面呈灰白色(見圖6(b))。

(a) (b)

將砂漿試塊沿平面平整切割開來，木屑在砂漿試塊內(nèi)部的分布情況如圖7所示。從圖中可以看出，木屑顆粒在砂漿試塊內(nèi)部分布較為均勻。對比圖7(a)和圖7(b)可以看出，普通砂漿試塊內(nèi)部孔隙較少，平面較為平整。而木屑摻入砂漿試塊中后，木屑與膠凝材料結(jié)合較松散，分布較散。同時(shí)，由于木屑顆粒本身帶入的氣體以及木屑顆粒的多孔結(jié)構(gòu)，砂漿試塊內(nèi)部有一定量的氣孔，內(nèi)部呈稍不平整狀態(tài)，且隨著摻量的增加現(xiàn)象越來越明顯。

(a)普通砂漿試塊 (b)木屑砂漿試塊(5#)

砂漿試塊養(yǎng)護(hù)完成后，將試塊沿平面平整切割開來，木屑降解情況及砂漿氣孔結(jié)構(gòu)如圖8所示。從圖8(a)可以看出，養(yǎng)護(hù)28 d后，木屑發(fā)生降解，砂漿試塊呈蜂窩狀，存在密密麻麻的小孔和殘留的部分木屑。而從圖8(b)可以看出，其氣孔較大。同時(shí)，大氣孔與砂漿本身小氣孔相互連接，形成砂漿試塊吸排水通道，而且隨著木屑摻量的增加，其通道越來越多，吸排水能力由此得到提高。

(a)養(yǎng)護(hù)后砂漿試塊(5#)

在養(yǎng)護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)，砂漿試塊養(yǎng)護(hù)溶液逐漸變成不同程度的黃色，如圖9所示。其中，5-2組在清水中養(yǎng)護(hù)的砂漿試塊養(yǎng)護(hù)溶液呈淺黃色(見圖9(c))，表面有少量漂浮物。這說明在砂漿試塊中的楊木木屑發(fā)生了降解，降解產(chǎn)物從砂漿試塊內(nèi)部逐漸析出到溶液當(dāng)中，而且隨著養(yǎng)護(hù)方式的不同，其反應(yīng)的程度都不同。

(a)養(yǎng)護(hù)溶液 (b)養(yǎng)護(hù)溶液變黃(堿溶液)(c)養(yǎng)護(hù)溶液變黃(清水)

選取試驗(yàn)用的楊木木屑原樣、在砂漿試塊養(yǎng)護(hù)28 d后取出摻入的楊木木屑以及養(yǎng)護(hù)28 d后的砂漿試塊進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，結(jié)果如圖10所示。從圖10(a)可以看出，原楊木木屑因?yàn)槠涠鄬咏Y(jié)構(gòu)，提供了較多的空隙。從圖10(b)可以看出，在試塊中反應(yīng)28 d后，楊木木屑多層結(jié)構(gòu)遭到侵蝕，少量木屑發(fā)生碎裂，結(jié)構(gòu)間的空隙也有所增加；同時(shí)，其表面附著有少量的C-S-H凝膠體和其他水化產(chǎn)物。圖10(c)則反映了楊木木屑在砂漿試塊內(nèi)的分布情況及砂漿試塊水化情況。從圖10(c)可以看出，楊木木屑與砂漿相互結(jié)合，砂漿主要分布在楊木木屑外部，木屑內(nèi)存在著大量空隙；同時(shí)，砂漿試塊內(nèi)部充滿了大量的C-S-H凝膠體及少量的六角板狀Ca(OH)2晶體，這說明楊木木屑的摻入對水泥的水化并沒有造成很大的影響，水泥水化情況良好。

(a)原楊木木屑 (b)反應(yīng)后的楊木木屑 (c)砂漿試塊

3.2 砂漿性能指標(biāo)隨木屑摻量的變化規(guī)律

3.2.1 體積密度

將各砂漿體積密度測試結(jié)果繪制成曲線，如圖11所示。由圖11可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，各砂漿體積密度均逐漸增大。這是因?yàn)樗嗨某潭仍絹碓礁撸a(chǎn)物逐漸增多，砂漿試塊的體積密度也就不斷增大。其中，普通砂漿試塊的體積密度在7、14、28 d時(shí)分別達(dá)到了1 750、1 800、1 833 kg/m3，由于加入了速凝劑，在7 d時(shí)砂漿試塊的體積密度就達(dá)到了較高的水平。

圖11 體積密度隨木屑摻量的變化曲線

而隨著楊木木屑的摻入，由于其代替了砂漿試塊中部分細(xì)骨料的體積，木屑密度較低，導(dǎo)致砂漿試塊的體積密度不斷降低，在摻量為24 g時(shí)砂漿試塊7、14、28 d的體積密度只有1#普通砂漿試塊的80%左右。

3.2.2 孔隙率

各砂漿試塊總孔隙率和開口孔隙率隨楊木木屑摻量的變化曲線如圖12和圖13所示。從圖12和圖13可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，孔隙率的變化趨勢和體積密度完全相反。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水化產(chǎn)物逐漸增多，充填砂漿內(nèi)部孔隙，總孔隙率和開口孔隙率逐漸降低。從圖中還可以看出，摻入了楊木木屑的砂漿試塊總孔隙率和開口孔隙率降低速率均要慢于普通砂漿試塊，這是因?yàn)樗嗟乃蜅钅灸拘嫉慕到鈱紫堵实淖饔檬窍喾吹?，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，楊木木屑的降解在一定程度上可以使砂漿試塊的整體孔隙率增大。

圖12 總孔隙率隨木屑摻量的變化曲線

圖13 開口孔隙率隨木屑摻量的變化曲線

隨著木屑摻量的增加，砂漿試塊的總孔隙率和開口孔隙率均不斷增加，在摻量為24 g時(shí)砂漿試塊養(yǎng)護(hù)28 d后總孔隙率達(dá)到了31.7%，開口孔隙率達(dá)到了25.6%，為1#普通砂漿試塊的2～3倍。

3.2.3 吸水率

各砂漿試塊吸水率隨楊木木屑摻量的變化曲線如圖14所示。從圖14可以看出，吸水率和孔隙率變化趨勢相同。其中，普通砂漿試塊的7、14、28 d吸水率分別達(dá)到了11.2%、10.9%、9.0%。從圖14也可以看出，摻入了楊木木屑的砂漿試塊吸水率降低速率要慢于普通砂漿試塊，原因與孔隙率類似。

圖14 吸水率隨木屑摻量的變化

而隨著楊木木屑摻量的增加，砂漿試塊的吸水率逐漸增大，在摻量為24 g時(shí)砂漿試塊養(yǎng)護(hù)28 d吸水率達(dá)到了22%，同樣為1#組普通砂漿試塊的2～3倍。

3.2.4 抗壓強(qiáng)度

作為隧道襯砌結(jié)構(gòu)的一部分，砂漿找平層應(yīng)具有基本的力學(xué)性能，其中，抗壓強(qiáng)度應(yīng)是予以關(guān)注的性能指標(biāo)之一。因此，需要研究楊木木屑的摻入對砂漿試塊抗壓強(qiáng)度的影響。

對砂漿試塊抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試，其破壞形態(tài)如圖15所示。由圖15可以看出，普通砂漿試塊抗壓測試時(shí)，首先頂部出現(xiàn)一條大裂縫，隨后兩邊2條裂縫不斷發(fā)展，最后形成半月字形，試塊呈漏斗狀破壞。而摻入了楊木木屑的砂漿試塊裂縫發(fā)展迅速，最終破壞形態(tài)與普通砂漿試塊相似，裂縫呈半月字形，試塊破壞呈漏斗狀。這說明楊木木屑摻入砂漿試塊后，在砂漿試塊內(nèi)分布均勻，沒有形成較大的缺陷，不存在明顯的薄弱處，試塊破壞時(shí)裂縫發(fā)展正常，破壞現(xiàn)象明顯。

(a)普通砂試塊 (b)摻入木屑的砂漿試塊

選取各砂漿試塊隨楊木木屑摻量變化的抗壓試驗(yàn)結(jié)果，繪制相應(yīng)的曲線如圖16所示。由圖16可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度均在不斷增加。這是因?yàn)殡S著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，水泥水化程度加劇，導(dǎo)致水化產(chǎn)物逐漸增多，砂漿試塊越來越密實(shí)，其抗壓強(qiáng)度越來越高。其中，普通砂漿試塊7、14、28 d抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了9.6、10.9、11.6 MPa。由于加入了速凝劑，在7 d時(shí)抗壓強(qiáng)度也達(dá)到了一個(gè)較高的水平。

圖16 抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化曲線

隨著楊木木屑摻量的增加，砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，在摻量為24 g時(shí)，砂漿試塊養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度只有6.3 MPa，為普通砂漿試塊的55%左右。這是因?yàn)闂钅灸拘純?nèi)部帶有大量孔隙，其與砂漿試塊的結(jié)合也不是完全緊密的；同時(shí)，楊木木屑摻入到砂漿試塊當(dāng)中代替了一部分細(xì)骨料，其所提供的抗壓強(qiáng)度有限，并不能承擔(dān)抗壓的作用，所以抗壓強(qiáng)度才會降低，并且隨著摻量的增加，該現(xiàn)象越來越明顯。

3.3 砂漿性能指標(biāo)隨養(yǎng)護(hù)方式的變化規(guī)律

3.3.1 體積密度

將5#、5-1、5-2組砂漿試塊體積密度測試結(jié)果繪制成曲線，如圖17所示。由圖可知，3組砂漿試塊體積密度同樣隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加在逐漸增大。3組體積密度從數(shù)值上看相差不大，其中，5#組最小，5-1組次之，5-2組最大。

圖17 體積密度隨養(yǎng)護(hù)方式的變化曲線

3.3.2 孔隙率

5#、5-1、5-2組砂漿試塊的孔隙率測試結(jié)果如圖18和圖19所示。從圖18和圖19可以看出，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，3組砂漿試塊總孔隙率和開口孔隙率均逐漸降低，且5#最大，5-1次之，5-2最小，分別為31.7%和25.6%、30.8%和24.5%、30%和23.8%?？梢婋S著養(yǎng)護(hù)方式的改變，砂漿所處的環(huán)境也發(fā)生了改變。其實(shí)養(yǎng)護(hù)方式影響的是砂漿的堿環(huán)境，5#組砂漿試塊內(nèi)外堿濃度都是1 mol/L，而5-1組砂漿內(nèi)部堿環(huán)境比外部環(huán)境弱，由于溶液的相互流通，導(dǎo)致楊木木屑所處的堿環(huán)境稍弱于5#組。5-2組由于所處的堿環(huán)境最弱，所以其楊木木屑降解程度比其他2組低，這與前述養(yǎng)護(hù)溶液的表現(xiàn)情況是一致的。

圖18 總孔隙率隨養(yǎng)護(hù)方式的變化曲線

圖19 開口孔隙率隨養(yǎng)護(hù)方式的變化曲線

3.3.3 吸水率

5#、5-1、5-2組砂漿試塊的吸水率測試結(jié)果如圖20所示。由圖可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，3組砂漿試塊吸水率均逐漸降低，且5#最大，5-1次之，5-2最小，分別為22%、21%、20.4%。其原因同孔隙率一致，均是由于砂漿內(nèi)部的堿環(huán)境不同，導(dǎo)致其吸水率發(fā)生了變化。

圖20 吸水率隨養(yǎng)護(hù)方式的變化曲線

3.3.4 抗壓強(qiáng)度

5#、5-1、5-2組砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果如圖21所示。由圖可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，3組砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度均逐漸增大。三者數(shù)值相差不大，其中，5#最小，5-1次之，5-2最大。隨著養(yǎng)護(hù)方式的改變，抗壓強(qiáng)度的發(fā)展趨勢與吸水率相反，楊木木屑的降解導(dǎo)致砂漿試塊吸水率越高，表示其內(nèi)部孔隙越多，楊木木屑所提供的抗壓能力就越小，砂漿試塊抗壓強(qiáng)度也就越低。

圖21 抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)方式的變化曲線

為了更進(jìn)一步地了解砂漿試塊抗壓強(qiáng)度與吸水率的關(guān)系，通過吸水率和抗壓強(qiáng)度測試結(jié)果，對其進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖22所示。其中，R2=0.987，斜率誤差0.015 3，截距誤差0.273。

圖22 吸水率-抗壓強(qiáng)度擬合曲線

從圖22可以看出，吸水率與抗壓強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著吸水率的增長，砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度在逐漸降低，且下降比較明顯。因此，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)隧道工程的透水指標(biāo)和強(qiáng)度要求來合理選擇楊木木屑的摻量。

4 結(jié)論與討論

將楊木木屑摻入到砂漿試塊當(dāng)中，通過改變楊木木屑的摻量和砂漿試塊的養(yǎng)護(hù)方式，測試和分析了其對砂漿試塊體積密度、孔隙率、吸水率、抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，驗(yàn)證了楊木木屑摻入砂漿中后，可以提高砂漿的孔隙率，在一定程度上達(dá)到提升其透水能力的目的。通過本文的研究工作，可以得出以下結(jié)論：

1)加入楊木木屑后的砂漿試塊總孔隙率、開口孔隙率和吸水率相較于普通砂漿試塊有明顯提高。摻量為24 g時(shí)28 d砂漿試塊分別達(dá)到了31.7%、25.6%、22%，為普通砂漿試塊的2～3倍。

2)加入了楊木木屑的砂漿試塊體積密度和抗壓強(qiáng)度相較于普通砂漿試塊有明顯降低。在摻量為24 g時(shí)體積密度只有普通砂漿試塊的79%左右，抗壓強(qiáng)度只有普通砂漿試塊的54%左右。

3)隨著養(yǎng)護(hù)方式的改變，砂漿試塊的性能指標(biāo)發(fā)生了相應(yīng)的變化。其中，內(nèi)摻堿并加堿溶液養(yǎng)護(hù)后砂漿試塊體積密度最小，孔隙率和吸水率最大，抗壓強(qiáng)度最小?？瞻捉M(清水養(yǎng)護(hù))體積密度最大，吸水率最低，抗壓強(qiáng)度最高。

4)通過對砂漿試塊吸水率-抗壓強(qiáng)度進(jìn)行線性擬合后發(fā)現(xiàn)，兩者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著砂漿試塊吸水率的增大，砂漿試塊的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，且下降明顯。

本文針對楊木木屑摻入砂漿試塊后對砂漿試塊孔隙率和吸水率的影響展開了測試，并且分析了一些基本性能指標(biāo)；同時(shí)，針對摻入木屑后對砂漿各指標(biāo)的影響機(jī)制展開了探討，并且對木屑在砂漿試塊中的降解過程展開了討論。后續(xù)研究工作中，將針對其在動(dòng)水沖刷條件下的應(yīng)用情況及作用規(guī)律做進(jìn)一步的探討。