椰壳纤维加筋土遗址生态注浆材料的性能

芦 苇，骆 望，李东波1，，刘秦龙，刘加平

（1.西安建筑科技大学 西部绿色建筑国家重点实验室，陕西 西安 710055；2.西安建筑科技大学 理学院，陕西 西安 710055；3.西安建筑科技大学 建筑学院，陕西 西安 710055）

中国西北丝绸之路沿线土遗址文物数量众多且分布广泛，现存土遗址普遍存在大量的裂隙［1］，目前主要采用灌浆法进行封护.传统水泥基砂浆等注浆料虽然硬化后的强度较高［2-3］，但与遗址土体的相容性较差，且易对文物本体造成不可逆的污染，不适用于土遗址的加固保护.

糯米浆（GRP）、烧料礓石（CGN）等天然胶结材料在土质文物中应用广泛［4-5］.以CGN 为主剂的浆液流动性良好，收缩变形小，且具有较高的力学强度和良好的相容性［6-8］.GRP 的黏性较强，凝固干燥后可以有效提高以CGN 等作为胶凝材料浆体的早期强度，并限制其收缩变形［1，7］.但上述材料制备的浆体固化后仍具有明显的脆性破坏特征，耗能能力有限.

有关学者尝试在土坯中加入纤维来改善其抗拉和耗能能力.Abolfazl 等［9］利用棕榈纤维改善了建筑用土坯材料的力学性能和抗冲刷性能，且土坯的抗干缩开裂性能也有了大幅提升.Parisia 等［10］验证了秸秆纤维对土坯材料的强化效果，并创新提出了复合土坯材料的弹性模量估算方法.Burbano-Garcia等［11］发现掺和聚丙烯纤维后，土坯的弯曲破坏模式从脆性转变为延性，但由于纤维团簇作用的影响，其密度、抗压强度与抗折强度均随着纤维掺量的增大而单调降低.综上，土坯中掺入适量纤维对其力学强度、延性和抗裂性能等均有显著的影响，上述研究为土遗址注浆材料的改性提供了新的思路.

本文采用天然椰壳纤维作为加筋材料，以黄土、GRP、CGN 等为基材，研究椰壳纤维长度和掺量（质量分数，文中涉及的掺量、水胶比等除特别说明外均为质量分数或质量比）对注浆料流动性、收缩性、抗压强度和抗折强度的影响，并通过扫描电镜（SEM）对其微观结构与纤维增强机理进行分析，给出了适宜的纤维加筋配比建议.

1 试验

1.1 试验方案

考虑椰壳纤维长度（L）和椰壳纤维掺量2 种影响因素，设计3 个长度水平和4 个掺量水平，进行正交试验，同时预留无纤维对照组进行对比.确定试件水胶比为0.55，糯米浆中糯米的质量分数为6%［12］，试件的配合比如表1 所示.各组试样编号用CF-X-Y 表示，其中CF 代表椰壳纤维，X 代表椰壳纤维的长度，Y 代表椰壳纤维的掺量.

表1 试件的配合比Table 1 Mix proportions of specimens

1.2 试验材料

（1）试验土样 试验选用陕西西安地区的Q3黄土，取土深度为3.0～4.0 m.为保证黄土的颗粒均匀，将采样黄土在自然条件下风干，然后用碾土器碾碎并过1 mm 筛，即得到试验所用黄土（图1（a））.经室内材性试验，测得3 组土样物理参数的均值，如表2所示.

图1 试验材料与处理方法Fig.1 Experimental material and treatment methods

表2 试验用土的基本物理指标Table 2 Basic physical property of test soil

（2）CGN 天然料礓石经76 μm（200 目）的研磨机研磨成粉后在马弗炉中1 000 ℃下煅烧3 h 即得到CGN（图1（b）、（c））.由文献［13］可知，CGN主要包括气硬性组分（CaO）和水硬性组分（β-CaSiO3和Ca2Al2Si2O8）.CGN 的化学组成如表3所示.

表3 CGN 的化学组成Table 3 Chemical composition（by mass） of CGN

（3）GRP 取相应质量的糯米粉和水，混合后记录GRP 在锅内的初始刻度，加热煮沸1 h（图1（d））.为避免蒸发作用的影响，煮沸期间不断加水搅拌至初始刻度，保证浆液的浓度不变.

（4）椰壳纤维 椰壳经浸泡、脱脂、机械打松和真空干燥得到椰壳纤维，人工选取直径为100～500 μm的纤维，用剪刀分别裁剪至试验所需的3 种长度，同时用游标卡尺反复测量，尽可能保证误差在±0.5 mm 以内（图1（e））.椰壳纤维的基本物理力学参数如表4 所示.

表4 椰壳纤维的基本物理力学参数Table 4 Basic physical and mechanical parameters of coir fiber

1.3 测试方法

1.3.1 流动性和收缩率

流动性按照GB/T 50448—2008《水泥基灌浆材料应用技术规范》进行测试，待浆体在玻璃板平面内自由流动30 s 后，取2 个互相垂直方向最大直径的均值作为该浆体的流动度.

收缩率试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm，采用精度0.001 mm的比长仪测试试件0～28 d的收缩率.

1.3.2 抗压强度与抗折强度

注浆材料的力学性能试验参照GB/T 17671—2021《水泥胶砂强度检验方法（ISO 法）》进行，采用万能试验机对试件进行无侧限抗压强度（UCS）试验和三点弯曲试验，试件尺寸分别为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm 和40 mm×40 mm×160 mm，自然养护至28 d 后进行测试.

UCS 试验采用3 mm/min 匀速单调加载方案直至试件破坏；三点弯曲试验采用中心加荷法，以1 mm/min 匀速单调加载直至试件破坏.2 类试验每组均设置3 个平行试件，采用文献［14］的计算方法获得试件的抗压强度和抗折强度值.

2 结果与讨论

2.1 加筋注浆材料的流动性

图2 为椰壳纤维长度和掺量对浆体流动性的影响规律.由图2 可见：

图2 椰壳纤维长度和掺量对浆体流动性的影响规律Fig.2 Effects of length and content of coir fiber on slurry fluidity

（1）随着椰壳纤维长度和掺量的增加，浆体的流动性近似线性降低，拟合结果如图2（b）所示.当L＜12 mm时，纤维对浆体流动性的影响较小，流动度为95～110 mm；当L=18 mm，掺量为0.6%～0.8%时，纤维对浆体流动性的影响较大，浆体的流动度降至80～90 mm.

（2）试件CF-6-0.2 的边缘局部图显示，当椰壳纤维长度较短且掺量较少时，浆体表面及边缘处较为光滑；试件CF-18-0.6 的边缘局部图显示，较长且较多的椰壳纤维加入后在浆体周围形成了明显的阻隔边界，主要由于较长且较多的椰壳纤维加入后在浆体里分布密度较大，易蜷曲、弯折甚至堆叠团聚，限制和阻碍了浆体的自由流动.

2.2 加筋注浆材料的收缩率

图3 为椰壳纤维长度和掺量对试件收缩率的影响规律.由图3 可见：

图3 椰壳纤维长度和掺量对试件收缩率的影响规律Fig.3 Effects of length and content of coir fiber on shrinkage rate of specimens

（1）试件的收缩率随着椰壳纤维掺量的增加逐渐减小，纤维长度对收缩率的影响较为有限.加筋后各组试件的收缩率均小于未加筋的对照组，且均小于2.3%，满足土遗址裂隙注浆的需求［1，15］和JG/T 333—2011《混凝土裂缝修补灌浆材料技术条件》中关于聚合物基料类灌浆材料体积收缩率不超过3%的规定.

（2）试件0～28 d 收缩过程大致可划分为3 个阶段：1）失水期 处于0～7 d 范围内，此阶段试件的含水率急剧下降，收缩率近似线性增大，收缩幅度约为总收缩量的70%.2）放缓期 处于7～18 d 范围内，此阶段试件的失水速度放缓，收缩量变化率逐渐减小.3）稳定期 养护18 d 后，曲线趋于水平，各组试件的收缩率稳定在1.4%～2.2%之间.同时，随着椰壳纤维掺量的增加，浆体开裂程度将更加严重.这主要是由于较多且较长的椰壳纤维加入后，在试件内部形成的三维网状骨架，能够有效抵抗浆体的收缩变形，但浆体收缩时试件主要受拉应力作用，在收缩率较小的情况下更易开裂.

2.3 加筋注浆材料的抗压强度

图4 为不同椰壳纤维长度和掺量下试件的UCS变化规律与破坏特征.由图4 可见：

图4 不同椰壳纤维长度和掺量下试件的UCS 变化规律与破坏特征Fig.4 Variation of UCS and failure characteristics of coir fiber reinforced specimen with different lengths and contents

（1）掺加椰壳纤维后试件的抗压强度普遍高于未加筋组，纤维长度为6 mm 时试件的抗压强度提升最为显著，其中试件CF-6-0.6 的平均抗压强度提升率达49.09%；纤维长度为18 mm 时试件的抗压强度提升率均较为有限，仅为0.91%～8.18%.

（2）3 种纤维长度下的最优掺量均集中在0.6%左右.当椰壳纤维掺量进一步增大时，可能导致试件的抗压强度低于无纤维对照组.试件的破坏图取自峰值荷载后，可见对照组试件呈“X”型破坏，边缘浆体大量脱落，裂缝开展严重，属于典型的脆性破坏.当纤维掺量在0.6%以下时，随着纤维掺量的增大，试件能较好地保持整体性，裂缝分布均匀且宽度较小，逐渐呈现出一定的延性特征.这是因为受外力作用时，椰壳纤维的拉结作用限制了颗粒间的相对位移.但需要注意的是，掺入过长且过多的纤维易发生重叠、堆聚，降低了浆体的密度，增大了孔隙率，导致试件的抗压强度大幅减小［16］.

2.4 加筋注浆材料的抗折强度

图5 为不同椰壳纤维长度和掺量下试件的抗折强度变化规律与破坏特征.由图5 可见：

图5 不同椰壳纤维长度和掺量下试件的抗折强度变化规律与破坏特征Fig.5 Variation of flexural strength and failure characteristics of coir fiber reinforced specimen with different fiber lengths and contents

（1）除试件CF-18-0.8 外，其余掺纤维试件的抗折强度均大于对照组试件.与抗压结果类似，纤维长度为6 mm 时试件的抗折强度提升更为显著，其中试件CF-6-0.6 抗折强度的提升达32.08%.值得注意的是，试件CF-18-0.8 的抗折强度相比对照组试件降低了1.88%，同样说明掺入较多且较长的纤维反而可能降低浆体的抗折强度.

（2）当椰壳纤维长度6 mm 时，随着纤维掺量的改变，试件的抗折强度变化最为显著，最优纤维掺量约为0.6%；当椰壳纤维长度大于12 mm 时，最优纤维掺量约为0.5%，但此长度下拟合曲线较为平缓，即椰壳纤维掺量对试件抗折强度的影响较为有限.

图6 为不同纤维长度与掺量下试件三点弯曲试验荷载-位移曲线与荷载峰值时破坏情况.由图6 可见：对照组试件在峰值荷载后陡降至10 N 以下，呈典型的脆性破坏特征；掺加椰壳纤维后，试件可承受的峰值荷载和破坏后的残余荷载水平均随着纤维掺量的增加而增大，且荷载峰值对应的最大挠度较对照组试件提升了15%～50%，曲线与坐标轴围合面积大幅增加，说明掺加椰壳纤维后试件具有更高的延性和断裂能［9］.这种承载能力的增加可归因于椰壳纤维的桥接能力，由于土体的滑动受限，张开的裂缝还会重新分配拉应力，利用纤维良好的抗拉和延伸性来提高浆体的延性.

图6 不同纤维长度与掺量下试件三点弯曲试验荷载-位移曲线与荷载峰值时破坏情况Fig.6 Load-displacement curve and post-peak failure characteristics of specimens in three point bending test with different fiber lengths and contents

3 微观结构与纤维增强机理

3.1 SEM 分析

图7 所示为试件CF-6-0.6 的SEM 图像.由图7可见：

图7 试件CF-6-0.6 的SEM 图像Fig.7 SEM images of specimen CF-6-0.6

（1）GRP 固化后的支链淀粉呈片状结构，将CGN 水化产物硅铝酸钙（C-A-S-H）、水化硅酸钙（C-S-H））等树枝状结构产物规则排列，包裹于土颗粒表面或填充于土颗粒之间，大幅降低了孔隙率，提高了结石体的密实度和力学性能［7］.

（2）尽管椰壳纤维均匀地分布于浆体基质中，但纤维与基质间仍存在间隙.这主要是由于天然椰壳纤维具有较好的吸湿性，即在浇筑试件时，纤维将吸水产生微膨胀，干燥后又恢复到原始体积，但体积变化率十分微小，不会明显弱化浆体的宏观性能［9］.此外，在掺入适宜长度和掺量的椰壳纤维加筋土体结构中，GRP 和CGN 规则排列的树枝状结构产物粘附于纤维表面，有效增加了土体和椰壳纤维的接触面积，增大黏聚力和摩擦力［17］.同时，胶结物密实的土体颗粒受力后不断对椰壳纤维表面进行挤压嵌合，增大了与椰壳纤维的机械咬合力，进而有效增强了浆体的整体性和宏观力学性能.

3.2 增强机理

本文研究的纤维加筋土遗址注浆材料强化机理可从3 个层次揭示：（1）烧料疆石水化反应产物对土颗粒的胶结、包裹和填充［7］；（2）糯米浆对烧料姜石反应产物的规则化排列并粘接形成树枝状颗粒框架［7］；（3）随机分布的椰壳纤维形成网状框架并拉结土颗粒形成三维整体结构.椰壳纤维加筋土遗址注浆材料的增强机理如图8 所示.

图8 椰壳纤维加筋土遗址注浆材料的增强机理Fig.8 Reinforcement mechanism of coir fiber reinforced eco-grouting materials in earthen sites

除纤维自身良好的桥接能力外，随机分布的椰壳纤维在基质内编织形成了立体网状结构骨架.当浆体受外力作用时，纤维在开裂截面附近取向相近，受拉方向基本一致，基质内部不同位置和方向的纤维受拉后对基质产生挤压作用，故被纤维围绕的基质处于多向受力状态，有效限制了基质的变形与相对滑移，提高了浆体的宏观力学性能.此外，由于椰壳纤维和基质间的摩擦挤压，纤维表面更加凹凸不平，粗糙度增大，进一步提升了纤维表面与基质之间的接触面积和嵌合程度.

因此，增加椰壳纤维的掺量和长度，纤维总表面积及其与基质间的接触面积随之增大，从而提升材料的整体性和宏观力学性能.但当椰壳纤维掺量和长度均较大时，纤维易发生弯折、团聚，降低浆体密实度，形成局部空隙等薄弱点，对浆体强度产生了负面影响［11］.

4 结论

（1）随着椰壳纤维长度和掺量的增加，加筋注浆材料的流动性逐渐降低.当椰壳纤维长度在12 mm以下时，纤维对浆体流动性的影响较小；当纤维长度达到18 mm、掺量达到0.6%以上时，纤维易在浆体周围边缘处发生团聚，形成明显的阻隔边界，大幅降低浆体的流动性.

（2）浆体的收缩率随着椰壳纤维掺量的增加逐渐减小，但与椰壳纤维长度无明显的相关性.掺加椰壳纤维后试件的收缩率为1.4%～2.2%，满足工程与规范要求.较多且较长的椰壳纤维掺入后在浆体内部形成的三维网状结构能有效抵抗浆体的收缩变形，但浆体失水固化时易开裂.

（3）椰壳纤维的长度和掺量对浆体抗压强度、抗折强度及延性的提升存在最优值.当纤维长度一定时，其最优掺量为0.5%～0.6%；当纤维掺量一定时，建议纤维长度取6 mm，其中试件CF-6-0.6 的抗压强度、抗折强度相比对照组试件分别提升49.09%和32.08%.但当纤维掺量与长度均较大时，可能由于纤维的堆叠、团聚，导致浆体的密度、强度等反而小于对照组.