青海东部地区改性夯土耐久性能研究

2021-08-02李航航李辉蒋宁山赵国智

重庆建筑 2021年7期

李航航，李辉，蒋宁山，赵国智

（1青海大学土木工程学院，青海西宁 810016；2青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室，青海西宁 810016；3青海省建筑建材科学研究院有限公司，青海西宁 810008；4青海省高原绿色建筑与生态社区重点实验室，青海西宁 810008）

0 引言

青海省东部位于黄土高原与青藏高原的过渡地带，是青海省的主要人口聚集区，这一区域内的湟水河流域、大通河流域和黄河流域内存在大量黄土，自古以来生活在这里的各族人民相互学习借鉴融揉创造出了独具青海特色的民居典型——庒廓[1]，即由高大的夯土墙、厚实的大门、平缓的屋顶、松木组成的四合院形式的房屋。庒廓建筑具有就地取材、施工方便、成本低廉、冬暖夏凉、生态环保等优势。但由于传统的夯土构件受力性能差、耐久性弱，在经历风雨、盐碱、冻融等恶劣自然作用后，夯土墙体表面的土体结构极易破坏剥离，从而影响整个庒廓建筑的使用安全性。

随着现代科学技术的发展，研究人员对土体材料不断改良，提高了其耐久性，使夯土焕发出新的生机[2]。青海省于2018年发布了关于改性夯土墙房屋工程建设的地方标准——《青海省改性夯土墙房屋技术导则》（DB63/T 1687—2018），对改性夯土房屋的构造设计、施工和质量检验作了相关规定。崔凯、曾伟龙、叶俊捷等[3-5]研究了掺有硫酸钠和氯化钠的夯土在干湿循环作用下盐分经过反复溶解吸收结晶膨胀的过程，发现干湿盐渍耦合作用下通过改变夯土的微观结构对夯土结构的劣化产生影响，降低夯土抗压强度。西安建筑科技大学尚建丽、王宝卿[6-7]使用水泥、矿渣、石灰、石膏等改良不同地域的土料，测试研究发现改性夯土材料的耐水性和抗冻性均得到了很大的提高，且二者之间存在较为密切的联系，提出了评价夯土材料耐水程度和抗冻程度的量化指标，并分析了其作用机理。陈平[8]以榆林卫城南城墙为研究对象，发现在土料中掺和5%水泥、5%熟石灰、10%料姜石不仅可增强土体的无侧限抗压强度，而且也具有良好的耐久性。安徽理工大学刘超[9]使用棉花秸秆纤维加筋水泥土，在干湿以及冻融循环条件下，改性土的耐久性能得到了提升。除了这些方法外，吴任平、韩亮等[10-11]利用人工钙化技术和夯土微生物覆膜在夯土墙表面形成碳酸钙层，达到了提高夯土墙体抗侵蚀能力的良好效果。

在夯土中添加改性材料能显著提高夯土的耐久性能，但是通过这些方法改性后的夯土较原有夯土的性质、颜色、外观有了很大改变，失去了传统夯土房屋原有的特色。本文以环保无污染低耗能青稞秸秆纤维、石子改性夯土为基础，使用聚乙烯醇、固化剂及防水剂等改良改性夯土，并对改良后的夯土抗压性能及耐久性能进行试验探讨，可为夯土房屋的改性研究和建设提供参考。

1 试件制备

1.1 试验材料

试验土样取自西宁市北郊，黄土质粉质黏土，初始含水率为15.2%，最优含水率为15.8%，最大干密度为1.72g/cm3，是良好的夯土墙用土。将生土去除杂质后在烘箱中烘干，过筛孔直径为5mm的土工标准筛。青稞秸秆来自本地农田，将青稞秸秆剥掉表皮留下光滑的茎秆，裁剪为长度30～50mm的片段，然后反复碾压至扁平状备用，添加到生土材料中可起到拉结土体的作用。试验所用石子为一般建筑青石石子，粒径分别5～10mm、10～15mm、15～20mm[12]，石子具有良好的抗压能力，表面粗糙、多棱角，作为骨料可以使土体更加紧密结合，形成骨架，同土体协同受力，使生土材料获得较好的抗压性能。聚乙烯醇为160目粉末状，常被用作胶水添加到建筑外墙涂料中，以增加涂料的粘度，该试验把聚乙烯醇添加到夯土中提高土料之间的粘结力。固化剂为卓能达土壤固化剂，需配合质量分数为9%的生石灰使用，常被用作公路路基的固化。防水剂为纳米渗透型有机硅防水剂，常被用作混凝土墙面防水，用于夯土的具体效果尚无人研究。试验用水为普通自来水。

1.2 试验试件的制备

参考《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）[13]中的击实试验及已有研究成果[14]，利用千斤顶、C45混凝土、100mm立方混凝土模具自制制样仪器，使用同等的压力分三层制作尺寸为100mm立方体试件，这种尺寸的试件可以较为真实地反应生土材料实际工作中的受力状态。共制作5组试件，每组9个，共45个，具体为一组不添加任何材料的素夯土试件，编号A，另外四组均为以0.25%青稞秸秆加20%石子为基础制作的试件，分别为仅使用青稞秸秆加石子的B组，使用质量分数0.8%聚乙烯醇改良的C组，使用质量分数1.2%固化剂原液的D组，使用防水剂的E组,如图1所示。

图1 改性夯土试件

待试件养护干燥后，将防水剂均匀喷洒于试件表面，第一遍喷洒干燥后再使用刷子涂抹一遍防水剂。制作好的试件在室内自然养护28d干燥后进行试验，养护后试件强度、含水率趋于平缓，变化小。对每组编号1—3的试件进行浸水试验，编号4—6的试件进行耐盐性试验，编号7—9的试件进行冻融循环试验。

2 试验过程及结果分析

2.1 浸水试验

浸水试验将处理好的试件浸泡在高度约1cm的水中（图2），观察试件的浸水变化情况，每隔10min将试件取出一次，擦干表面水分称量。试验持续60min，对于超过60min没有发生溃散的试件判定为耐水性好，计算其吸水速率，并将未溃散的试件重新在室内环境中放置养护28d，干燥后使用YAW4306微机控制电液伺服压力试验机进行加载，测其强度变化规律。60min以内发生溃散的试件判定为耐水性差。改性夯土试件浸水试验结果见表1，吸水速率R（%/min）计算公式如下[6]：

表1 改性夯土试件浸水试验数据

式中：M60——浸水60min后试件的质量（g）；M——浸水试验前质量（g）；T——浸水时间（60min）。

由表1和试验现象可以看出，不做任何防水处理的素夯土试件和青稞秸秆纤维石子改性夯土试件耐水性较差，在10min到20min的时间内试件上部并未完全浸湿，但此时试件的浸水部分就已经发生土体溃散，吸水后夯土试件的结构和强度受到了破坏，不足以支撑试件的重量而被压坏，素夯土试件的这一现象最为明显快速，在5min到7min时就已逐渐开始破坏。造成这一现象的本质原因是黄土具有湿陷性，以黄土为主要材料的夯土试件在浸水后，试件中的自由水和弱结合水增多，土颗粒之间粘结力遭到破坏，在力与水的共同作用下土颗粒骨架失去稳定重新排列，宏观上表现为发生湿陷变形，浸泡在水面里的试件发生体积湿陷变形，水面上的土体发生剪切湿陷变形。经过防水处理的试件耐水性能均得到了提升，其中由防水剂处理过的E组试件耐水性能最好，对水分做到了完全隔绝，证明纳米渗透型有机硅防水剂对夯土墙也有明显的防水效果，防水效果如图2所示。固化剂的防水效果次之，虽然D组试件的吸水率比较大，但浸水一个半小时吸水饱和后，试件无任何明显的土体溃散，保持着一定的强度，试验水体依然清澈，D组试件在制件过程中添加了石灰，石灰起到了吸水作用。C组试件耐水性表现有好有差，耐水性好的C-3在试验结束时基本保持完整，耐水性差的C-1、C-2试件边角在浸水30min到40min时发生溃散，溃散土体上方试件无裂缝产生，但耐水性明显强于A、B组试件。

图2 改性夯土浸水试验

浸水试验后，待试件再次养护干燥，测得部分耐水性较好试件的无侧限抗压强度平均值，如表2所示。

表2 浸水前后强度变化

经过浸水试验，C组试件的抗压强度衰减率为46.42%，衰减幅度较大，衰减的主要原因是试件浸水面边角脱落及部分聚乙烯醇溶解进水中，聚乙烯醇能够提高干燥试件的强度，但聚乙烯醇溶于水后造成试件土体粘聚力和内摩擦角减小，浸水后试件强度大幅度衰减。D组试件强度衰减率为4.68%，强度变化很小，试件浸水前后只经历了吸水、放湿的过程，试件没有受到破坏。E组试件浸水后强度增加，主要是由制件过程造成的强度变化。

2.2 耐盐性试验

同中国其他地区黄土相比，青海东部地区黄土易溶盐含量相对较高，特别是阶地地区的黄土，易溶盐含量可达0.43%[15]。这一地区夏季降雨比较集中，且降雨后水分快速蒸发。降雨溶解地下土中可溶盐，然后随水分上升渗透到墙体中，墙体水分蒸发后，可溶盐失水结晶膨胀，如NaSO4吸水结晶会使体积膨胀3.1倍。可溶盐在夯土中反复溶解—结晶膨胀—溶解，会造成内部孔隙变大，破坏夯土内部致密的结构，造成夯土墙体不断膨胀、开裂、酥碱、掉渣，而且这一过程属于恶性循环，大量的可溶盐在夯土墙体底部聚集，加剧了盐蚀破坏过程。所以分析改性夯土试件的耐盐能力十分必要。

耐盐性试验模拟夯土墙体实际工作中所处环境，毛巾平铺于铁托盘中，将养护好的试件放置于毛巾上，试件底部与毛巾之间铺垫同试件相同大小的滤纸，然后使用注射器将配置好的浓度为3%的NaSO4、Na2SiO3混合溶液注入毛巾，使毛巾湿润，保证可溶盐溶液能上渗到试验试件中，在试验结束前持续向毛巾注射可溶盐溶液，保持毛巾湿润，试验维持14d，然后把试件放在室内环境中养护28d，观察试件的腐蚀情况。

被盐溶液侵蚀的试件在室内自然养护后的破坏状况如图3所示。图3 a）中第一排试件从左到右分别为B组、D组、D组，第二排左到右分别为A组、E组、C组，图3 b）为B组试件。A、B、D组试件耐盐性能相对较差，各组均有很多的白色絮状物质从试件顶部长出，造成夯土材料剥落，同时试件表面有臌胀裂缝产生，并且析出了大量的白色晶体。试件很酥软，剥落的材料一捏就碎。C组试件表面无白色絮状物质长出，也无大量白色晶体析出，但试件表面产生了臌胀破裂，裂缝处有白色晶体析出，相对其他几组试件仍较为坚硬，具有一定的强度，耐盐性能最好。E组喷涂防水剂的试件表面发生了粉碎，粉粹后的表面未有盐分析出，原因是试件经过14d长时间与水盐溶液接触，盐溶液从秸秆与夯土的间隙渗入土体，结晶后膨胀力造成试件由内向外破坏。防水剂对普通水浸泡的试件有较好的防水效果，但不能抵御盐溶液浸蚀，且试件表面涂防水层对试件强度没有提升，不足以抵御这种破坏。在充分使用防水剂的情况下，可通过防止水分入渗完全阻止易溶盐的迁移。

图3 耐盐性试验

2.3 冻融循环试验

青海省东部地区冬季干燥寒冷、降雪少，昼夜温差极大，夜间最低温度可达-15℃左右，白天最高温度又升至5℃，夯土墙体内的水分在整个冬季要反复经历“冻胀—融化—冻胀”的过程。冻融破坏会造成夯土墙体胀裂剥落破坏，特别是在经常堆积冬季降雪的墙根处，大量的降雪融水极易入渗墙体造成冻胀，使得墙根掏蚀，对夯土建筑的使用造成较为严重的影响，因此研究改性夯土的抗冻融性能十分必要。

选择养护28d的改性夯土试件、TMS9018环境资源冻融循环系统进行封闭系统冻融循环试验。根据规范规定，以24h为一个冻融循环周期，冷冻12h，融化12h。根据青海省东部冬季气象资料显示，本次试验冷冻温度选择-15℃，融化温度选择15℃，冻融循环次数设定为28次。在经历冻融循环后，观察试件外观并测定其无侧限抗压强度，并对比不同改性夯土试件。

冻融循环前后抗压强度如表3所示。从图表中可以看出，在经历28次冻融循环后，改性夯土试件的无侧限抗压强度均有一定幅度的衰减。其中，D组试件抗压强度减小了33.88%，抗冻融性能较差。B、C、E组试件的减小幅度在15%左右，具有很好的抗冻融性能，C组试件冻融循环后无侧限抗压强度仍然可达3MPa，在所有改性夯土试件中强度最高，E组试件的抗冻融循环性能并无特别明显的改变，是因为此试验为封闭系统的冻融循环试验，破坏试件结构的是试件内部土体中的结合水和孔隙中的自由水，防水剂可对外部水分起到很好的隔绝作用，但无法消除内部水分。A组试件冻融循环前后强度变化只有5.36%，但试件本身强度就很小。