改性糯米灰浆的室内研究及在九寨沟钙华地质裂缝修复中的应用

范明明，裴向军，杜 杰，肖维阳，周立宏，杨华阳

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；2.九寨沟国家级自然保护区管理局，四川 九寨沟 623407；3.四川省地质矿产勘查开发局四〇五地质队，四川 都江堰 611800)

钙华，又称石灰华，是在地表由岩溶泉、湖水沉积形成的大孔隙次生碳酸钙，具有易风化、环状或片状纹理、块状或海绵状结构等特征，含碎屑物和生物残骸，呈乳白或浅灰色[1-3]。钙华在我国主要集中分布在松辽平原的西侧、黄土高原的西北部以及青海、四川、新疆等部分地区山地垂直带和山间盆地。针对钙华成因及演化过程，国内外学者进行了大量的研究[4-8], 钙华的溶解及析出沉淀过程，都会受到地形形态、气候变化、物化条件、生物、水文等因素的影响，溶解及沉淀速率非常有限，所以钙华景观的形成经历了漫长的历史时期，一旦出现损坏，其自我修复极其缓慢，在其他因素的影响下或将导致彻底消失，因此适时采用人工辅助的方法促进其生长是非常有必要的。

九寨沟风景区作为世界自然遗产，其内部的钙华景观具有重要的研究、观赏价值。针对2017年“8·8”地震震后裂缝的治理工作，在自然恢复为主、人工诱导为辅的修复原则及填补裂缝、减少流水冲刷剥蚀作用、恢复瀑布景观、加固失稳崖体的修复目标指导下，选择修复材料及工艺时，应当注意对当地生态环境的保护，要求修复材料为生态环保型材料，且具有一定的抗冲刷性能和水中固结强度。常用的灌浆材料主要为水泥基和化学基浆材。水泥基浆材属碱性材料，极易形成对钙华景观的侵蚀，造成二次破坏。而化学浆液可能会释放本体中的离子，严重影响当地水环境。

传统糯米灰浆在我国有着悠久的应用历史，可追溯至南北朝时期。据现代研究发现，开平碉楼[9]、闽西南部的土围楼[10]、云南庆安堤[11]以及南京、商丘、西安等地的古城墙都有糯米灰浆的应用[12-14]。魏国峰等[15-16]研究了石灰及米浆种类对传统糯米灰浆性能的影响，发现纯氧化钙制备的糯米灰浆的抗压强度等参数最好，并指出糯黄米灰浆的综合性能最佳；胡悦等[17]指出砖颗粒骨料的加入使糯米灰浆的抗冻性较空白样品提高了125%，当骨料粒径控制在3 mm以下，骨料/灰的比值控制在2∶1以下,对改善糯米灰浆的性能效果最佳；杨富巍等[14]指出糯米浆对碳酸钙方解石晶体的大小和形貌有明显的调控作用，在一定浓度范围内,糯米浆浓度越大,生成的方解石结晶度越低,颗粒越小,结构也越致密；贾栋钦等[18]指出改性糯米灰浆可改变黄土原有孔隙结构和物质成分，改善其水敏特性，并指出当胶固比为0.45时，改良效果最为明显。

由于石灰本身具有流动性差、干缩性大、易开裂等特征，传统糯米灰浆也存在着此类问题，且将糯米灰浆用在钙华地质裂缝的修复中还鲜有研究。笔者在传统糯米灰浆的基础上，结合九寨沟地质裂缝特征及水文条件，引入不同比例原料及改性剂，并加入钙华颗粒作为骨料，研制出一种可用于修复水下地质裂缝的改性糯米灰浆。本次研究对改性糯米灰浆的流动特性及不同养护条件下不同龄期结石体的抗压强度和抗折强度等基本性质进行了测试，确定其在九寨沟钙华地质裂缝修复中的配合比。修复结果表明，钙华地质裂缝修复达到了预期效果。

1 试验方案设计

1.1 试验材料

试验所用钙华颗粒取自九寨沟景区珍珠滩瀑布下游的松散堆积体，并筛分至粒径小于5 mm，图1为钙华颗粒的颗分曲线。糯米粉购于成都当地超市，食品级材料；生石灰(CaO)购于四川圣玉生态材料科技有限公司，纯度达95%；石膏(CaSO4·1/2H2O)购于四川康定龙源惠城石膏有限公司，160目；改性剂1#购于吉林梨树县矿业公司，比表面积15 000 ～27 000 m2/kg；改性剂2#，为分析纯，购于上海臣启化工科技有限公司。

图1 钙华颗粒颗分曲线Fig.1 Particle size distribution curve of travertine

1.2 试验设计及制备

根据前期试验结果，本试验选用浓度为2.5%的糯米浆[18]，各组试验配合比见表1。试验方法：按设计配比称量各组份用量，先将生石灰与糯米浆混合均匀，再依次加入石膏、钙华颗粒及改性剂，搅拌均匀至黏稠状，即得改性糯米灰浆。测试流动度及凝结时间。待浆液凝结前分别装入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm、160 mm×40 mm×40 mm模具中，24 h后脱模，将其中各1/2的样品放于水中养护，要求试样上表面低于水面2 cm，剩余部分放在室内(温度20±5 ℃，相对湿度65±10%)养护，用作对比样。

表1 各组试验配合比

1.3 性能指标测试方法

(1)流动特性测试

为更好地了解改性糯米灰浆的流变特性，待浆液搅拌好后，分别采用NLD-3水泥胶砂流动度测定仪和维卡仪测试其流动度和凝结时间，试验过程参考《水泥胶砂流动度测定方法》(GB-T2419-2016)和《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》(GB-T-1346-2011)。

(2)力学性能测试

试样养护至规定龄期(1，3，7，14，28 d)分别进行单轴抗压强度和抗折强度测试。其中单轴抗压强度测试采用CSS-44100电子万能试验机，加载速率为1 mm/min；抗折强度测试采用KZJ-5000B型电动抗折试验机，每组试验均测试3次，取其平均值，试验均在室温条(20 ℃)件下进行。

2 试验结果与分析

2.1 流变特性

试验测试了各组浆液的流动性及凝结时间，结果如图2所示。从图2中可以看出，随糯米浆掺量的增加，浆液的初始流动度和可泵期随之增加，凝结时间延长，且初凝与终凝的间隔时间也相应增大。当糯米浆掺量每增加0.04份时，浆液的初始流动度增长4.5%～9.5%、可泵期增长20%～40%，初凝时间和终凝时间分别增长32%和36%。另外，随着石灰掺量增加、石膏掺量相应减少，浆液的流动度逐渐减小，凝结时间缩短，初、终凝时间最大缩短率为16.3%、21.6%，表明糯米浆和石灰分别具有缓凝和速凝的作用。在实际应用中可通过改变不同组份掺量，调节其流动特性，使之既具有良好的流动特性，又能在失去流动性后快速凝结。

图2 不同组份对浆液流动性能的影响Fig.2 Effect of different group experience on the fluidity of mortar

2.2 不同养护条件下结石体应力-应变关系曲线

申向东等[19]指出材料宏观力学性能与材料内部的微观或者细观组织结构有着十分密切的关系。笔者通过万能压力试验机测试同一龄期、不同养护条件下糯米灰浆结石体的单轴抗压强度，得到其完整的应力-应变关系。以第二组7 d时的试样为例，其应力应变曲线如图3所示，将结石体在荷载作用下的变形损伤过程分为4个阶段：Ⅰ压密阶段；Ⅱ线弹性阶段；Ⅲ裂纹发展阶段；Ⅳ裂缝贯通破坏阶段。

图3 不同养护条件下第二组试样7 d时的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curve of the second group of specimens at 7 d under different curing conditions

图3中曲线显示，水中养护试样的压密阶段更长，呈下凹型，表明此时结石体碳化程度较低，内部存在较多孔隙，而空气中养护的试样，同龄期抗压强度比水中养护的试样高54.8%，线弹性阶段更长，曲线更陡。第Ⅲ阶段，在小应力增量情况下，结石体迅速达到屈服破坏点，表明该阶段其内部裂隙快速发展、贯通，结构产生破坏；第Ⅳ阶段，结石体继续发生变形，内部大多数破损断面贯通，结构失去连续性。

2.3 单轴抗压强度

不同养护条件下，不同龄期试样的单轴抗压强度如图4所示，实线表示空气中养护，虚线表示水中养护。从图4(a)中可以看出，空气中养护的试样的抗压强度明显高于水中试样的强度值，且随养护时间的延长，前者抗压强度增长速率明显大于后者。

图4 不同组份对试样抗压强度的影响Fig.4 Effect of different group experience on the compressive strength of the samples

就空气中养护的试样来说，其结石体抗压强度的增长幅度逐渐增大，在7～14 d内存在明显的转折点，此阶段最大增长率达43.7%。另外，随糯米浆掺量的增加，结石体的前期抗压强度整体呈下降趋势，但当掺量为0.64份时，结石体后期强度增长明显，优于其他组。而水中养护的试样的结石体抗压强度与糯米浆掺量呈负相关关系，即糯米浆掺量越多，其强度越小，且试样强度增长缓慢，最大增长率为27.5%。

图4(b)中数据表明，随养护龄期的延长，结石体强度变化趋势与图4(a)基本一致。另外随石灰掺量的增加(石膏掺量的减少)，0～7 d内空气中养护试样的抗压强度逐渐降低，7～14 d内出现转折，呈上升趋势，且掺量为0.53/0.95一组的增长速率最大，为50.5%。而水中试样的抗压强度随石灰掺量增加逐步降低，且该趋势随养护时间的延长被逐渐扩大。

2.4 抗折强度

不同养护条件下，不同龄期试样的抗折强度如图5所示，实线表示空气中养护、虚线表示水中养护。图5(a)中曲线显示，空气中试样的抗折强度普遍高于水中的试样，且前者的增长速率明显高于后者，该规律与抗压强度变化趋势相吻合。此外，7 d后空气中试样的抗折强度增长明显，最大增长速率达127%，而水中试样的强度增长缓慢，仅为7.1%。另外随糯米浆掺量的增加，0～7 d内的抗折强度呈现先减小后增加，14 d后掺量为0.64份的试样的抗折强度最高；而水中养护条件下，当糯米浆掺量达到0.64份及以上时，抗折强度受其掺量影响较小。图5(b)数据还表明，随养护时间延长，石灰成为对之抗折强度影响较大的因素，且其掺量与抗折强度呈正相关关系。而水中试样的抗折强度与养护时间及石灰掺量的关系并非十分明显。

图5 不同组份对试样抗折强度的影响Fig.5 Effect of the different group experience on the flexural strength of the samples

3 九寨沟钙华地质裂缝修复试验

3.1 九寨沟钙华地质裂缝特征

九寨沟风景区位于中国四川省阿坝藏族羌族自治州，处于青藏高原向四川盆地过渡地带，地质背景复杂，褶皱断裂发育，新构造运动作用强烈，地壳抬升幅度大，喀斯特作用明显，发育了大规模的钙华沉积。 2017年8月8日发生的7.0级地震给九寨沟带来了严重的破坏，造成道路中断、崖体开裂、瀑布断流，严重影响景区的观赏及研究价值。现场调查发现，此次地震造成地质裂缝特征各异，根据其特点将之分为四类，分别为过水漫流型、震裂陡倾型、动水冲刷型以及溶蚀空洞型。不同类型裂缝特征见表2。

分析认为拟修复的前三类地质裂缝主要是由地震力的拉张作用造成的，在剖面上呈上宽下窄纵向延伸，垂向错动力使裂缝两侧的土体产生严重的破碎化，在流水的冲刷作用下，松散土体被带走，裂缝侧壁受到进一步侵蚀，其空间展布规模不断发育、扩大[20]。且经过1个水文年后，孔隙水的冰劈作用更是加剧了裂缝的破坏情况。而溶蚀空洞型裂缝是在长期的流水冲蚀下，形成的凹槽型空洞，使水流具有了一定的水头差，“漫流型”水流发展成“瀑布型”水流，侵蚀形式也逐渐转化成片蚀和溯源侵蚀的复合形式。长此以往，钙华景观将遭到严重的破坏。

表2 不同类型地质裂缝特征

3.2 修复浆液及方案设计

(1)修复浆液设计

限于此次修复规模及施工场地条件限制，大型设备无法进入，因此采用手持搅拌机制浆、人工浇筑、静压充填的方式实施，要求浆液初始流动度大于16 cm、可泵期55 min以上，以及较短的可泵期和初凝时间间隔。因此根据不同类型地质裂缝特征及流水情况，结合上述实验结论，分别采用不同的浆液配合比，针对过水漫流型、震裂陡倾型等此类水流小或无流水的裂缝，采用第二组试验配合比，糯米浆0.64份、石膏1.19份、石灰0.29份、钙华颗粒1份、改性剂1# 0.07份、改性剂2# 1.19%份，浆液可泵期86 min，初凝时间98 min，终凝时间125 min；而针对流量大、流速快的动水冲刷型及溶蚀空洞型裂缝，采用第一组试验配合比，糯米浆0.6份、石膏1.19份、石灰0.29份、钙华颗粒1份、改性剂1# 0.07份、改性剂2# 1.19%份，浆液可泵期63 min，初凝时间74 min，终凝时间92 min。

(2) 修复方案设计

整体修复思路为先清缝，后浇筑，再铺盖。具体实施步骤如下：

①清理裂缝：清理裂缝中的浮土、树叶等杂物，保持裂缝内相对洁净，提高修复体与缝壁的粘结作用；

②浇筑糯米灰浆：采取自下而上分层浇筑、分成捣筑的方式；对于深度较大的部分，可投入一定比例块状钙华土(粒径宜为为缝宽的1/2～2/3)，减少浆液流失，加速凝结。

③铺设钙华土：在修复体表面铺设一层粒径较小的块状钙华土或藓类植物，增加与周围景观的协调性。

3.3 修复效果评价

采用裂缝开度及水流流量作为指标，评价修复效果。其中裂缝开度采用钢尺和埋钉法进行定点测量，在裂缝两侧稳定部位分别埋入1只钢钉，通过测量修复前与修复后3个月时钢钉之间的距离L，来表明裂缝开度的变化；裂缝的存在必会产生大量的流水漏失，减小下游水流速度和流量，因此采用裂缝上下游单位延米水流量变化评判其修复情况，计算公式如下：

Q=60·V·S

式中：Q——流量/(m3·min-1)；

V——流速/(m·s-1)；

S——截面面积/m2。

按照裂缝类型，从中各选1条作为修复试验点，现场修复工作开始于2018年4月，历时1.5个月，共使用改性糯米灰浆2.25 m3。裂缝修复前后效果如表3和图6所示，从中可以看出：修复前，裂缝较为明显，流水漏失严重，并出现部分崖体失稳现象；而修复后，已有裂缝基本闭合，展布规模无变大趋势，修复体处未发现新增裂缝，开裂崖体稳定性提高，未发生破坏现象。且裂缝上下游水流速度基本一致，流失漏失量也从修复前的50%降低至3%，表明封堵效果明显，大大提高了地层抗渗性，基本恢复了原有景观，达到了预期效果。另外，修复过程中未产生对生态环境的破坏，实现了生态修复的目的，同时为其他同类型地质裂缝的修复提供了实践经验。

表3 裂缝修复前后效果评价

图6 地质裂缝修复前后对比图(左修复前，右修复后)Fig.6 Comparison pictures of geological cracks before and after restoration (the left are before repair, and the right are after repair)

4 改性糯米灰浆固化及裂缝修复机理分析

此次改性糯米灰浆是在传统糯米灰浆的基础上改性而得到的一种生态加固材料。糯米粉经糊化作用后，支链淀粉打开，与水分子结合形成黏度较大的胶体，生石灰(CaO)与胶体中水分子发生消化反应并生成Ca(OH)2，同时释放热量，其产物在空气中CO2的作用下，发生碳化反应生成CaCO3。此外，糯米浆中的支链淀粉在碳酸钙的结晶过程中作为生物模板，调控、约束结晶颗粒的大小、形貌以及结构，使其较为容易生成晶体颗粒更小、形状更为规则的六方型方解石晶体[14]。受氢氧化钙呈碱性的影响，体系中将长期保持弱碱性，该环境可保证并延长支链淀粉的调控作用。石膏(CaSO4·1/2H2O)水化后迅速固化生成高强度的CaSO4·2H2O，使改性糯米灰浆快速成型，为后续反应提供稳定的附着环境，保证碳化进程顺利进行；改性剂1#颗粒粒径较小，对结石体内部的孔隙结构可以形成较好的填充作用，提高密实度，使其具有更好的抗渗性能。而相对于空气养护条件来说，水中CO2含量一般为1.5×10-5mol/L，远低于空气中其含量值，造成氢氧化钙在水中的碳化速率和碳化程度相对较低，结石率偏低，密实度较差，结石体内部仍存在着大量的孔隙结构，表现出的宏观力学特征也相应偏小。

在现场修复试验中，针对部分深大裂缝加入一定粒径(以缝宽的1/2～2/3为宜)的钙华颗粒，主要原因有二，一是阻挡浆液的漏失，使更多的浆液充填裂缝，节省经济成本；二是作为碳酸钙模板，为糯米灰浆提供稳定的附着环境并诱导碳酸钙晶体的生成。当浆液浇筑到裂缝中时，其在重力作用下向四周流动，充填裂缝及孔隙结构，待浆液逐渐失去流动性而产生堆积，粘结缝壁，固结后与缝壁形成交互层，增强裂缝处的抗渗性和稳定性，提高整体修复效果。

5 结论

(1)室内试验表明，改性糯米灰浆具有初始流动性好、凝结时间可控、强度高等特征。此外，空气中试样的各项性能指标均优于水中试样，且前者抗压强度最大增长速率为43.7%，明显高于后者的27.5%。

(2)改性糯米灰浆在九寨沟裂缝修复、加固崖体试验中取得了良好的效果，提高了地层稳定性和抗渗性，使流水漏失量由原来的50%降低至3%，较好地恢复了瀑布景观。表明改性糯米灰浆与钙华颗粒具有较好的相容性，可改善钙华颗粒的原生孔隙结构，促进钙华的自然生长。同时也为其他同类型地裂缝加固提供了实践经验。

(3)不同养护条件下，CO2含量不同，改性糯米灰浆碳化速度及碳化程度不同，表现出的宏观力学性能也存在一定差异。钙华颗粒在改性糯米灰浆中一方面提供稳定的附着环境，保证碳化反应的顺利进行；另一方面作为生物模板，促进其碳化过程，诱导碳酸钙晶体的生长。碳酸钙作为糯米灰浆的最终产物，可促进钙华景观生长，实现生态修复目的。