基于杨木木屑改性的隧道工程透水砂浆性能研究

2022-08-18蒋雅君喻良敏王萃娟王虎群

隧道建设(中英文) 2022年7期

蒋雅君，喻良敏，王萃娟，彭涛，王虎群

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；2.西南交通大学生命科学与工程学院，四川成都 610031；3.北京东方雨虹防水技术股份有限公司特种功能防水材料国家重点实验室，北京 101309)

0 引言

隧道喷膜防水是一种新兴的隧道防水技术，近些年来被广泛应用于公路隧道、铁路隧道、地铁区间隧道、LNG工艺隧道等工程中[1-4]。在实际工程中，初期支护基面往往凹凸不平，所以一般会在初期支护表面设置无纺布缓冲层来保证喷膜防水层的施作质量，同时，无纺布缓冲层能够将初期支护基面的渗水及时排走，对水压进行及时卸载[5-6]。但是由于无纺布设置在初期支护和防水层之间，导致防水层与初期支护、二次衬砌无法紧密粘接，隧道喷膜防水衬砌结构的协同受力能力无法正常发挥[7]。因此，国内外也有一些工程采用在初期支护后喷射砂浆或细石混凝土找平层后，再施作喷膜防水层的方法，以提高隧道衬砌结构的整体性[8-9]，并取得了良好的效果。这种做法取消了无纺布缓冲层，使得隧道二次衬砌后的排水空间也被削减，可能会导致衬砌结构承受水压增大。因此，需要针对砂浆找平层进行改性，提高其透水性能，使得防水层与初期支护、二次衬砌密贴，同时又能在一定程度上消除喷膜防水后的局部渗水，减少水压积聚。

想要达到以上目的，可行的方法之一就是对砂浆找平层进行改性，提高其孔隙率，以达到透水的要求。目前，类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、成本较低，得到了广泛的研究，但是由于粗骨料颗粒过大且不适于喷射，其透水原理和方法不适合用于喷膜防水层的找平层。有学者研究了一种可降解的透水混凝土[15]，但是由于其所用的降解材料为高分子材料，成本较高，并不适用于大规模的工程应用。近些年来，有学者研究植物纤维加入混凝土后对其性能的改善，如秸秆混凝土[16-20]。研究表明，秸秆纤维具有多孔结构，能够提高混凝土的吸水率和孔隙率[21]。实际上，秸秆纤维是一种植物纤维，由纤维素、半纤维素、木质素等构成，在碱性条件下能够发生降解[22-23]。目前，秸秆纤维在混凝土中的应用大多集中于利用其纤维骨架提升混凝土强度，而对于其多孔结构的研究以及提高混凝土吸水率的研究很少，其在混凝土内的降解研究也很少有学者涉及。

为了研制具有透水能力的砂浆，本文借鉴秸秆混凝土的思路，选择具有一定吸水和可降解能力的杨木木屑掺入到砂浆当中，制成具有连通孔隙的透水砂浆，以达到砂浆找平的同时透水的目的。目前的研究工作主要集中于木屑的掺量和养护方式对砂浆性能指标的影响，包括体积密度、吸水率以及抗压强度等，以期为后续开展深入的研究奠定基础和提供指导。

1 木屑的降解特性分析

本文选用生活中常见的杨木木屑为原材料，分析和研究其在特定环境下的降解性能，为验证其在制备透水砂浆中的可行性提供依据。

1.1 木屑的降解原理

为了更好地研究杨木木屑在实际情况中的降解效果，现从其降解原理出发，分析其降解过程，研究其降解特性。

植物纤维来源于大自然，其分子结构复杂，主要是由纤维素、半纤维素、木质素和糖分以及一些杂质所构成。其中，纤维素为纤维的主要部分，而半纤维素和木质素以及一些杂质为纤维的其他成分。半纤维素和纤维素相互搭接，木质素包裹在纤维素和半纤维素外层，起到保护的作用，相互结合紧密，其结构相对稳定。纤维分子结构如图1所示[23]。

图1 植物纤维分子结构

利用高效液相色谱仪对杨木木屑的成分进行检测，得到其主要化学成分如表1所示。

表1 木屑主要化学成分

纤维素和半纤维素的分子结构类似，都是大分子。不同的是，纤维素是由葡萄糖基聚合而成，而半纤维素是由多种糖基复合而成，二者都具有大量的还原性末端基，在不同的环境中会发生不同的反应，所以性质也大致相似。纤维素与半纤维素的分子结构如图2所示[23]。

(a)纤维素分子结构

目前，纤维素和半纤维素的降解方法主要有酸解、碱解以及生物降解等。其中，酸解和碱解操作方式相对简单，效果较好，且成本较低，往往被研究采用。考虑到砂浆环境呈碱性，所以选择在碱性条件下进行降解，并分析其降解效果。

纤维素的降解原理如下：在碱性环境下，由于纤维素还原性末端基性质不稳定，在碱的作用下，还原性末端基逐渐断裂并脱落，导致其配糖键也发生断裂，葡萄糖基逐渐掉落，大分子逐渐分解成为小分子，掉下来的葡萄糖基转变为异变糖酸，并以钠盐的形式存在[23]。也有研究表明，在该化学反应的基础上，加入强氧化剂或者采用超声处理等措施可以加强降解效果，所以有时也会用来配合纤维素降解[24]。

半纤维素结构和性质与纤维素相似，降解原理大致相同，只是其反应产物不再是单一的葡萄糖，而是相互聚集的多糖。木质素由于性质并不稳定，本身能溶于强碱，所以并不需要对其做特殊处理，只需要依靠碱环境对其降解即可。

1.2 木屑的降解试验

称取一定质量的杨木木屑，配置不同浓度的氢氧化钠溶液，将木屑分批次缓慢加入氢氧化钠溶液中，在80 ℃下恒温搅拌60 min，超声加热处理20 min，反复几次后在80 ℃恒温反应24 h。反应至指定时间后，拿出木屑静置冷却至室温后过滤、洗涤、干燥，称取反应后的木屑质量。设置2个变量、4个对照组，其中，木屑质量为12、24、36、48 g，氢氧化钠浓度为1、3、5、7 mol/L。

1.3 木屑的降解效果

通过观察试验现象可知，在碱的作用下，杨木木屑(见图3(a))逐渐降解，溶液由澄清逐渐变成棕黄色(见图3(b))，反应后的木屑颜色更深，呈黄黑色(见图3(c))。

(a)反应前木屑 (b)反应时溶液 (c)反应后木屑

记录试验过程中的数据，结果如图4和图5所示，用于分析杨木木屑在碱溶液中的降解效果。

图4 木屑降解曲线(氢氧化钠浓度1 mol/L)

图5 木屑质量随氢氧化钠浓度的变化曲线(反应24 h)

由图4可知：随着反应时间的增加，杨木木屑的质量不断减少，反应24 h后降解率均达到了55%左右；而随着反应的不断进行，杨木木屑降解速率越来越慢，在24 h后反应速率缓慢。

由图5可知，随着氢氧化钠浓度的增加，各试验组24 h内杨木木屑降解率也在不断增加，在氢氧化钠浓度为7 mol/L时木屑降解率达到了60%左右。这说明随着氢氧化钠浓度的增加，杨木木屑和碱的反应速率和反应程度也逐渐增加，氢氧化钠的浓度在影响着反应的进行。

2 试验方案设计

通过上述分析可知，杨木木屑在砂浆试块中具有一定的降解可行性。现将杨木木屑作为原材料加入到砂浆试块中，代替部分细骨料，与砂浆在碱性环境下混合，用以改善砂浆透水性能。下面主要研究砂浆性能随着养护时间的变化，以及掺量和养护方式对砂浆性能的影响。

2.1 原材料

1)杨木木屑：密度0.5 kg/m3，含水率8%～10%，湿度10%。2)氢氧化钠：产自Aladdin试剂(上海)有限公司，药品呈粉状，AR分析纯，纯度95%。3)水泥：P·O 42.5水泥，产自诸城市阳春水泥有限公司，主要化学成分见表2，堆积密度1.4 kg/m3，比表面积358 m2/kg。4)砂子：河砂，堆积密度为1 450 kg/m3，含水率0.2%，细度模数2.31，中砂，粒径0.35～0.5 mm。5)水：自来水。6)速凝剂：FSA无碱速凝剂，产自天津伟合发展有限公司，密度1.51 g/cm3，固体质量分数49.67%。

表2 水泥主要化学成分

2.2 砂浆的制备

砂浆的配合比按照JGJ/T 98—2010《砌筑砂浆配合比设计规程》设计，配制强度等级为M10的砂浆。

在砂浆制备过程中发现杨木木屑具有一定的吸水性，在设计用水时需要考虑其对砂浆的影响。经过试配发现，每24 g杨木木屑多加20 g水，砂浆性能良好，脱模正常，故按照比例每6 g杨木木屑多加5 g水。按照杨木木屑掺量的递增关系共设计了5个配比，其中1#组为空白组(杨木木屑掺量为0%)，各砂浆配合比见表3，速凝剂用量按照JGJ/T 372—2016《喷射混凝土应用技术规程》选取。

表3 各砂浆配合比

砂浆的制备参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》。将水泥和砂子按照设计用量搅拌2 min，随后加入相应质量的杨木木屑继续搅拌1 min。将设计用水配制成1 mol/L的氢氧化钠溶液，待水泥、砂子和杨木木屑搅拌完成后分2次加入其混合物中，手动搅拌2 min，随后加入速凝剂继续搅拌1 min。将砂浆混合物倒入尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的塑料模具中，振动5～10 s，24 h后脱模，放入1 mol/L的氢氧化钠溶液中养护。同时，以5#为试验组，改变其养护方式，设置2个对照组(分别命名为5-1组、5-2组)。5-1组为制作砂浆时不加入氢氧化钠，用水为自来水，同样放入1 mol/L的氢氧化钠溶液中养护；5-2组为制作砂浆时用自来水，同时放入清水中养护。

2.3 试验指标及测试方法

选取各砂浆试块的体积密度、孔隙率、吸水率(总孔隙率与开口孔隙率)、抗压强度4个指标，测试随着不同掺量和养护方式的改变4个指标的变化情况。孔隙率和吸水率可以在一定程度上作为表征砂浆透水能力的指标。同时，对杨木木屑和砂浆试块进行扫描电镜测试，研究其微观结构，从而对以上指标的试验结果进行辅助分析，相互印证。

2.3.1 体积密度的测定

体积密度的测定中，参考JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》进行烘干温度及时间的条件要求，并采用理论公式进行体积密度的计算。砂浆试块养护完成后在75 ℃下烘干24 h，取出并冷却至室温后称量其干质量m0。随后测量其尺寸V，如实测尺寸与公称尺寸之差不超过1 mm，则按公称尺寸计算。砂浆试块体积密度

(1)

每种砂浆计算3个试样的体积密度，求平均值。

2.3.2 孔隙率的测定

孔隙率包括总孔隙率和开口孔隙率。其中，开口孔隙率表示连通孔占砂浆的体积大小，是表征透水能力的直接因素。本试验针对砂浆试块总孔隙率和开口孔隙率展开测试。

总孔隙率采用CABR—457型硬化混凝土气孔结构分析仪测试。分辨率小于2 μm，采用线性追踪遍历法(导线法)。试验参数为：总导线长3 000 mm，每帧导线数量为5 mm，分析区域为试块长宽值，均为70.7 mm。试验开始前对仪器校准。

开口孔隙率测试方法目前规范没有规定，参考目前国内外学术成果可分为质量法和体积法，本试验选用体积法[15, 25]。首先，将试块在75 ℃下烘干24 h，待其冷却至室温称取m0；随后放入常温水中浸泡24 h至饱和，称取质量m1；最后将饱和试块放入盛满水的烧杯中，收集溢出的水，称取质量m2。开口孔隙率

(2)

每种砂浆测量3个试样的吸水率，求平均值。

2.3.3 吸水率的测定

吸水率的测定参考JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》和文献[25]，砂浆试块养护完成后在烘箱中75 ℃下烘干24 h，待其冷却至室温后称重，记录其干质量m0。随后将试块放入常温水中浸泡24 h，试块浸入水中的深度为35 mm。浸泡完成后将试块取出，用吸水纱布吸干试块表面的水，称取其吸水后质量m1。吸水率

(3)

每种砂浆测量3个试样的吸水率，求平均值。

2.3.4 抗压强度的测试

抗压强度参照JGJ/T 70—2009《建筑砂浆基本性能试验方法标准》，采用压力试验机进行测试。测试前将试块成型面垂直压板放置，试块中心对准压板正中心。加荷速度为1.5 kN/s，连续而均匀地加荷，当试块接近破坏发生迅速变形时，停止调整试验机油门，直至试块破坏，导出破坏曲线，记录破坏荷载，观察试块破坏情况。

2.3.5 微观性能的表征

采用扫描电镜(SEM，inspect F，美国FEI公司，分辨率3.0 nmat 30 kV，10 nmat 3 kV)观察杨木木屑反应前后的微观变化和砂浆试块养护28 d后的水化情况，以及杨木木屑在砂浆中的分布情况。

采用ADSM302电子显微镜(深圳安东星科技有限公司，图片分辨率1 200万像素，对焦距离5～22 cm，帧频30 f/s(600 Lx亮度下)，包装数据31 cm×24.5 cm×18 cm/2.2 kg)观察砂浆试块木屑颗粒分布情况。VHX-6000超景深三维立体显微镜(日本基恩士公司，冷光源，色温5 700 K)观察砂浆试块养护后内部孔隙分布情况。

3 试验结果及讨论

3.1 试验现象

在砂浆制备的过程中发现杨木木屑与砂浆混合较为均匀，在养护完成后，试块表面有部分水泥剥落，试块表面分布有斑点状的杨木木屑，木屑分布清晰。试块表面呈现不同的颜色，其中，在碱溶液内养护后试块表面呈浅黄色(见图6(a))，木屑附近颜色更深；而在清水里面养护的试块表面呈灰白色(见图6(b))。

(a) (b)

将砂浆试块沿平面平整切割开来，木屑在砂浆试块内部的分布情况如图7所示。从图中可以看出，木屑颗粒在砂浆试块内部分布较为均匀。对比图7(a)和图7(b)可以看出，普通砂浆试块内部孔隙较少，平面较为平整。而木屑掺入砂浆试块中后，木屑与胶凝材料结合较松散，分布较散。同时，由于木屑颗粒本身带入的气体以及木屑颗粒的多孔结构，砂浆试块内部有一定量的气孔，内部呈稍不平整状态，且随着掺量的增加现象越来越明显。

(a)普通砂浆试块 (b)木屑砂浆试块(5#)

砂浆试块养护完成后，将试块沿平面平整切割开来，木屑降解情况及砂浆气孔结构如图8所示。从图8(a)可以看出，养护28 d后，木屑发生降解，砂浆试块呈蜂窝状，存在密密麻麻的小孔和残留的部分木屑。而从图8(b)可以看出，其气孔较大。同时，大气孔与砂浆本身小气孔相互连接，形成砂浆试块吸排水通道，而且随着木屑掺量的增加，其通道越来越多，吸排水能力由此得到提高。

(a)养护后砂浆试块(5#)

在养护过程中发现，砂浆试块养护溶液逐渐变成不同程度的黄色，如图9所示。其中，5-2组在清水中养护的砂浆试块养护溶液呈浅黄色(见图9(c))，表面有少量漂浮物。这说明在砂浆试块中的杨木木屑发生了降解，降解产物从砂浆试块内部逐渐析出到溶液当中，而且随着养护方式的不同，其反应的程度都不同。

(a)养护溶液 (b)养护溶液变黄(碱溶液)(c)养护溶液变黄(清水)

选取试验用的杨木木屑原样、在砂浆试块养护28 d后取出掺入的杨木木屑以及养护28 d后的砂浆试块进行扫描电镜试验，结果如图10所示。从图10(a)可以看出，原杨木木屑因为其多层结构，提供了较多的空隙。从图10(b)可以看出，在试块中反应28 d后，杨木木屑多层结构遭到侵蚀，少量木屑发生碎裂，结构间的空隙也有所增加；同时，其表面附着有少量的C-S-H凝胶体和其他水化产物。图10(c)则反映了杨木木屑在砂浆试块内的分布情况及砂浆试块水化情况。从图10(c)可以看出，杨木木屑与砂浆相互结合，砂浆主要分布在杨木木屑外部，木屑内存在着大量空隙；同时，砂浆试块内部充满了大量的C-S-H凝胶体及少量的六角板状Ca(OH)2晶体，这说明杨木木屑的掺入对水泥的水化并没有造成很大的影响，水泥水化情况良好。

(a)原杨木木屑 (b)反应后的杨木木屑 (c)砂浆试块

3.2 砂浆性能指标随木屑掺量的变化规律

3.2.1 体积密度

将各砂浆体积密度测试结果绘制成曲线，如图11所示。由图11可以看出，随着养护时间的增加，各砂浆体积密度均逐渐增大。这是因为水泥水化的程度越来越高，水化产物逐渐增多，砂浆试块的体积密度也就不断增大。其中，普通砂浆试块的体积密度在7、14、28 d时分别达到了1 750、1 800、1 833 kg/m3，由于加入了速凝剂，在7 d时砂浆试块的体积密度就达到了较高的水平。

图11 体积密度随木屑掺量的变化曲线

而随着杨木木屑的掺入，由于其代替了砂浆试块中部分细骨料的体积，木屑密度较低，导致砂浆试块的体积密度不断降低，在掺量为24 g时砂浆试块7、14、28 d的体积密度只有1#普通砂浆试块的80%左右。

3.2.2 孔隙率

各砂浆试块总孔隙率和开口孔隙率随杨木木屑掺量的变化曲线如图12和图13所示。从图12和图13可以看出，随着养护时间的增加，孔隙率的变化趋势和体积密度完全相反。随着养护时间的增加，水化产物逐渐增多，充填砂浆内部孔隙，总孔隙率和开口孔隙率逐渐降低。从图中还可以看出，掺入了杨木木屑的砂浆试块总孔隙率和开口孔隙率降低速率均要慢于普通砂浆试块，这是因为水泥的水化和杨木木屑的降解对孔隙率的作用是相反的，随着养护时间的增加，杨木木屑的降解在一定程度上可以使砂浆试块的整体孔隙率增大。

图12 总孔隙率随木屑掺量的变化曲线

图13 开口孔隙率随木屑掺量的变化曲线

随着木屑掺量的增加，砂浆试块的总孔隙率和开口孔隙率均不断增加，在掺量为24 g时砂浆试块养护28 d后总孔隙率达到了31.7%，开口孔隙率达到了25.6%，为1#普通砂浆试块的2～3倍。

3.2.3 吸水率

各砂浆试块吸水率随杨木木屑掺量的变化曲线如图14所示。从图14可以看出，吸水率和孔隙率变化趋势相同。其中，普通砂浆试块的7、14、28 d吸水率分别达到了11.2%、10.9%、9.0%。从图14也可以看出，掺入了杨木木屑的砂浆试块吸水率降低速率要慢于普通砂浆试块，原因与孔隙率类似。

图14 吸水率随木屑掺量的变化

而随着杨木木屑掺量的增加，砂浆试块的吸水率逐渐增大，在掺量为24 g时砂浆试块养护28 d吸水率达到了22%，同样为1#组普通砂浆试块的2～3倍。

3.2.4 抗压强度

作为隧道衬砌结构的一部分，砂浆找平层应具有基本的力学性能，其中，抗压强度应是予以关注的性能指标之一。因此，需要研究杨木木屑的掺入对砂浆试块抗压强度的影响。

对砂浆试块抗压强度进行测试，其破坏形态如图15所示。由图15可以看出，普通砂浆试块抗压测试时，首先顶部出现一条大裂缝，随后两边2条裂缝不断发展，最后形成半月字形，试块呈漏斗状破坏。而掺入了杨木木屑的砂浆试块裂缝发展迅速，最终破坏形态与普通砂浆试块相似，裂缝呈半月字形，试块破坏呈漏斗状。这说明杨木木屑掺入砂浆试块后，在砂浆试块内分布均匀，没有形成较大的缺陷，不存在明显的薄弱处，试块破坏时裂缝发展正常，破坏现象明显。

(a)普通砂试块 (b)掺入木屑的砂浆试块

选取各砂浆试块随杨木木屑掺量变化的抗压试验结果，绘制相应的曲线如图16所示。由图16可以看出，随着养护时间的增加，砂浆试块的抗压强度均在不断增加。这是因为随着养护时间的增加，水泥水化程度加剧，导致水化产物逐渐增多，砂浆试块越来越密实，其抗压强度越来越高。其中，普通砂浆试块7、14、28 d抗压强度分别达到了9.6、10.9、11.6 MPa。由于加入了速凝剂，在7 d时抗压强度也达到了一个较高的水平。

图16 抗压强度随养护时间的变化曲线

随着杨木木屑掺量的增加，砂浆试块的抗压强度逐渐降低，在掺量为24 g时，砂浆试块养护28 d的抗压强度只有6.3 MPa，为普通砂浆试块的55%左右。这是因为杨木木屑内部带有大量孔隙，其与砂浆试块的结合也不是完全紧密的；同时，杨木木屑掺入到砂浆试块当中代替了一部分细骨料，其所提供的抗压强度有限，并不能承担抗压的作用，所以抗压强度才会降低，并且随着掺量的增加，该现象越来越明显。

3.3 砂浆性能指标随养护方式的变化规律

3.3.1 体积密度

将5#、5-1、5-2组砂浆试块体积密度测试结果绘制成曲线，如图17所示。由图可知，3组砂浆试块体积密度同样随着养护时间的增加在逐渐增大。3组体积密度从数值上看相差不大，其中，5#组最小，5-1组次之，5-2组最大。

图17 体积密度随养护方式的变化曲线

3.3.2 孔隙率

5#、5-1、5-2组砂浆试块的孔隙率测试结果如图18和图19所示。从图18和图19可以看出，随着养护时间的增加，3组砂浆试块总孔隙率和开口孔隙率均逐渐降低，且5#最大，5-1次之，5-2最小，分别为31.7%和25.6%、30.8%和24.5%、30%和23.8%。可见随着养护方式的改变，砂浆所处的环境也发生了改变。其实养护方式影响的是砂浆的碱环境，5#组砂浆试块内外碱浓度都是1 mol/L，而5-1组砂浆内部碱环境比外部环境弱，由于溶液的相互流通，导致杨木木屑所处的碱环境稍弱于5#组。5-2组由于所处的碱环境最弱，所以其杨木木屑降解程度比其他2组低，这与前述养护溶液的表现情况是一致的。

图18 总孔隙率随养护方式的变化曲线

图19 开口孔隙率随养护方式的变化曲线

3.3.3 吸水率

5#、5-1、5-2组砂浆试块的吸水率测试结果如图20所示。由图可知，随着养护时间的增加，3组砂浆试块吸水率均逐渐降低，且5#最大，5-1次之，5-2最小，分别为22%、21%、20.4%。其原因同孔隙率一致，均是由于砂浆内部的碱环境不同，导致其吸水率发生了变化。

图20 吸水率随养护方式的变化曲线

3.3.4 抗压强度

5#、5-1、5-2组砂浆试块的抗压强度测试结果如图21所示。由图可知，随着养护时间的增加，3组砂浆试块的抗压强度均逐渐增大。三者数值相差不大，其中，5#最小，5-1次之，5-2最大。随着养护方式的改变，抗压强度的发展趋势与吸水率相反，杨木木屑的降解导致砂浆试块吸水率越高，表示其内部孔隙越多，杨木木屑所提供的抗压能力就越小，砂浆试块抗压强度也就越低。