麻刀灰浆力学性能及微观试验研究

刘德明；强天伟；李丽；田闰乐

（西安工程大学城市规划与市政工程学院，西安710048）

0 引言

历史建筑大多采用砌体、生土或生土外包砌体结构，分布极为广泛。近年来随着国家经济和文化的发展，人们对历史建筑的保护越来越重视，然而已有砌体结构保护方法很难满足历史建筑性能保护的需要，亟需寻求一种尽量不影响历史建筑外貌和历史信息的结构性能增强的方法[1-3]。

近年来，国内外学者对古建筑结构的方法保护进行了不断地实践和研究。陈平等[4-5]运用ANSYS 对大象寺塔进行了详细的计算与稳定性分析，对古塔结构性能进行综合评判。

参照历史文献材料和制作工艺，选取麻刀灰浆，进行配合比试验，通过相似性模拟分析与正交试验设计，进行相应的力学性能试验和分析，最后进行电镜试验，为古建筑加固保护提供参考。

1 古建筑灰浆立方体抗压试验

1.1 试验设备

本实验在西北农林科技大学建筑工程学院实验室完成，仪器为微机控制电子万能试验机、70.7mm×70.7mm×70.7mm 三联试模，试验仪器及模具如图1 所示。

图1 试验仪器及模具

1.2 古建筑灰浆的配合比设计

本试验的材料乃依据文献与案例进行选择，而各材料的配比用量也是基于此定出基准[6-8]，参考依据根据北庭故城城墙。麻刀灰浆配合比及编号如表1 所示。

表1 麻刀灰浆配合比及编号

1.3 古建筑灰浆试块的制作与养护

麻刀泥中白灰与土拌匀后加水成泥，然后掺入麻刀，其中泥∶麻刀为100:3。设计了3 组试件，分别为M、MA 和MB，每组 6 个。试件几何尺寸为 70.7mm×70.7mm×70.7mm，试件制作后静止2d 后对试件进行编号、拆模，在自然条件下养护至规定龄期28d。

1.4 古建筑灰浆立方体抗压试验过程

图2 是麻刀灰浆立方体受压破坏过程，可以看出，试块在受到压力时，在表面产生与压力方向相同的竖向细微裂缝，随着荷载的增大，中间变形变大，试件整体被压扁，由于麻刀的存在，起着增强连接材料的作用，试块整体性较好。未掺麻刀试块Mb、Mc 受荷后，首先在表面产生竖向裂缝，随着荷载增加，裂缝由表面向内部发展，发生片状剥落，试件Mb 在加载过程中，侧面产生竖向裂缝，变形较大，试件破坏时整体性较好。掺麻刀试块M、Ma 受到压力以后，产生整体变形，继续加载，试块被压扁，表面比未加固试件完整，内部产生碎裂，试件M 在加载过程中，侧面产生竖向裂缝，变形较大，试件破坏时整体性较好。

1.5 古建筑灰浆抗压试验结果

式中：f—立方体抗压强度（MPa），精确到0.1MPa；Nu—试件破坏荷载（N）；A—试件承压面积（mm2）；K—换算系数，取1.35。

图2 麻刀灰浆试块破坏形态

根据试验值绘制应力—应变曲线，如图3 所示。试验开始加载，各组试件曲线变化较为缓慢，随着继续加载，各组试件的应力—应变关系基本一致，近似于线性变化，试件Ma2 的曲线斜率大于试件M2、Mb1 的斜率，说明试件Ma2 的弹性模量更大，抵抗变形的能力更好，随着应力增加，应力—应变曲线斜率开始减小，应变迅速增大，试件裂缝增大，向内部发展，随后达到其峰值应力，由应力—应变曲线可以看出，试件Ma2 的峰值应力和峰值应变最大。随着应变增加，各组试件到达峰值应力后很快进入下降段，各组试件下降曲线均较为平缓，应力随着应变的增加慢慢减小，塑形变形较大。

图3 麻刀灰浆应力—应变曲线

表2 列出了麻刀灰浆立方体抗压强度的主要结果。

表2 立方体抗压试验结果

①峰值应力。由表2 可以看出，对于麻刀灰浆试件M和Ma，说明使用麻刀会提高灰浆的强度，试件M 比试件Mb 提高了165.4%；试件Ma 比试件M 提高了125.11%。②峰值应变和极限应变。可以看出，对于麻刀灰浆来说，试件Mb 比试件M 的峰值应变提高了21.4%，极限应变提高了24.4%；试件Ma 比试件M 的峰值应变提高了14.3%，极限应变提高了20%。

2 麻刀灰浆加固机理分析

2.1 SEM 的样品制备

本文主要通过扫描电镜研究麻刀灰浆微观结构的紧密程度和颗粒度的大小进行观察研究，采用日立Flex SEM 1000 高分辨率场发射扫描电镜，取放大倍 数 为 10000、5000、2000 的图片分析研究。设备如图4 所示。

2.2 SEM 的结果分析

为进一步研究灰浆试样微观作用机理。对不同配比的麻刀灰浆的试样内部进行了扫描电镜试验。本文对灰浆材料表面形貌进行观察拍照。试验所得麻刀灰浆扫描电镜图片如图5 所示。

图4 高分辨率场发射扫描电镜

图5 麻刀灰浆电镜图

试样MB 的孔隙率较小，而试样M 和MA 的孔隙率则更大一些，麻刀灰粒表面呈均匀的网状，说明麻刀的分布增加了浆体的孔隙率，但却很好的起到了抑制裂缝开展的作用，在压应力作用下，麻刀与土颗粒摩擦力较大，因而表现为抗压强度增大。

3 总结

本文以试验为基础，通过微观研究，得到麻刀灰浆的各项力学性能，主要结论如下：

①通过立方体抗压试验看出，麻刀泥试件整体性较好，被整体压扁，对于麻刀灰浆试件M 和Ma，说明使用麻刀会提高灰浆的强度。②通过SEM 试验可以看出，麻刀灰浆中麻刀被土体颗粒包围，麻刀与土颗粒接触，且麻刀增大了土体的孔隙，纤维结构能够将土体中的孔隙连通，增大透气性，此时，在压应力作用下，麻刀与土颗粒摩擦力较大，因而表现为抗压强度增大。