古塔砌筑灰浆力学性能及其影响因素分析

孟 浩，韦 俊，周谦祥，卢俊龙，王振山

(1.江苏合谷建筑设计有限公司， 江苏 苏州 215000；2.苏州科技大学 土木工程学院， 江苏 苏州 215000；3.西安理工大学 土木建筑工程学院， 陕西 西安 710048)

砖石古塔是优秀的历史文化遗产建筑，也是典型的砌体高耸结构，因长期保存至今，建筑材料的性能退化、塔体遭受自然或人为的破坏影响，现存古塔结构均具有一定程度的损伤。因而对现存砖石古塔进行保护与修缮，具有重要的意义，古建筑的加固应遵守“修旧如旧”的原则，作为古塔修复的主要粘结材料，砌筑用糯米灰浆的力学性能是重要的基础技术指标。

针对古旧砌体粘结材料的相关研究中，杨富巍等[1]通过对西安明城墙灰浆样品进行TGA-DSC、FT-IR、SEM等分析，发现其中有糯米成分，得出糯米浆的加入会使碳酸钙的颗粒变小，结构致密；李祖光等[2]利用电镜、X射线衍射技术，分析硫酸铝、明矾石膏对糯米灰浆性能的影响，发现3种添加剂对糯米灰浆力学性能、耐久性、收缩性有显著的影响；魏国峰等[3-4]探讨了不同种类石灰、米浆种类对糯米灰浆的影响机理，采用电子显微镜进行观察微观形貌，发现采用氧化钙制备的糯米灰浆微观结构致密、糯黄米灰浆的综合性能最佳；谌文武等[5]从温度角度出发，得到糯米浓度为6%、温度在75℃～80℃，糯米灰浆加固古遗址土效果较好；纪晓佳等[6]通过对不同米浆浓度的三合土进行抗压强度试验，发现当在三合土中米浆浓度为5%时，其综合力学性能达到最佳；彭红涛等[7]为探讨糯米浆对三合土力学性能的影响，对几组灰浆试块进行轴压试验与抗渗试验，发现糯米浆能提高其抗压强度和抗渗能力，且对三合土颜色影响较小；郑晓平等[8]研究自制硅酸盐对传统糯米灰浆性能的影响，发现自制硅酸盐对糯米灰浆的表面硬度、抗压强度、耐冻融性和耐水性均有一定程度的改善。胡悦等[9]研究了骨料种类对糯米灰浆性能的影响，发现砖颗粒骨料的加入，会提高糯米灰浆的收缩性和抗冻性。闫兴田等[10]研究了软硬互层状试样在卸荷蠕变条件下的变形特征。陈武等[11]分析了分析NaOH浓度、粉煤灰含量对地聚合物无侧限抗压强度的影响以及Ca成分的作用。

研究表明，糯米浆的浓度、温度和无机添加剂的种类对糯米灰浆的力学性能影响显著，是进行砖石古塔结构力学性能分析的基础。为此，本文通过对古塔常见的砌筑灰浆进行轴压试验，结合试验现象和其阶段性损伤演化机理，分析砌筑灰浆力学性能的影响因素，为研究砖石古塔力学性能提供参考。

1 试验概述

1.1 试验材料及配合比设计

试验中所需材料包括：工业氢氧化钙粉末、熟石灰、自来水、黄土、明矾、二氧化钛等，参照砖石古塔的砌筑灰浆构成，设计配置3种试验灰浆：第一种为普通糯米灰浆。当糯米浆浓度为5%时，糯米灰浆试块性能最佳。而当糯米浆浓度提高到10%时，试块的力学性能略微下降。经过试验，发现当水灰比为0.8时，糯米浆粘结强度、表面硬度最高。故将水灰比确定为0.7、0.8，糯米浆确定为5%和7%两种，按表1制备4组糯米灰浆试块 (A1—A4)。第二种为糯米灰土浆(B1—B6)，灰土比选用力学性能较好3∶7灰土和2∶8灰土。试验所用糯米灰土浆试块采用黄土、糯米粉、自来水、熟石灰制作，糯米浆浓度为7%。第三种为改性糯米灰浆(C1—C13)，在第一种普通糯米灰浆的基础上，添加不同配比的纳米改性材料。根据前两种糯米灰浆试块的结果，将改性糯米灰浆的水灰比和米浆浓度分别确定为0.8和5%。

表1 糯米灰浆配合比设计

1.2 试件制备

熬制糯米浆时，按糯米浆浓度为5%所需要的糯米量和水量，分别称取一定量的糯米粉和自来水，放入电饭锅内充分搅拌均匀，用钢尺记录初始液面高度，加热煮沸后再熬制2 h，期间每2 min测量糯米浆在电饭锅内的刻度，及时补充水分，使米浆的浓度维持不变，熬制过程不断搅拌防止米浆焦糊，浓度为7%的糯米浆制作方法同上。糯米灰土浆制备时，按设计配合比称取黄土、熟石灰和熬制好的糯米浆倒入搅拌桶中，机械搅拌至稠度基本不变。纳米改性灰浆试块制备时，待糯米浆冷却后，加入相应配比的添加剂，搅拌均与至稠度不变。试块制备时，先在试模内表面涂抹少量的脱模剂，然后将拌好的不同配合比的糯米浆、糯米灰土浆和含有添加剂的糯米浆转入模具内，插捣密实后沿着摸具顶面刮平。试件放置14 d脱模，然后转移至养护室内恒温、恒湿养护。

1.3 试验加载方式

采用微机控制电液伺服万能试验机进行加载，加载时下承压为球形支座，以便于试件对中，确保试件受压精确；将养护到规定龄期的试件取出，检查试件表面的平整度，挑选出相对两面平整的面作为与试验机的接触面；将试件轻放在承压板上，调整球形支座，保持上下承压面平行，以确保试件上下面与承压面充分接触。放置试件完成后，均以0.25 mm/min的速度连续均匀地加荷，及时观察试件的变形和破坏情况，当荷载下降至极限荷载的85%时结束加载。加载采集系统，见图1。

图1 加载及采集系统

2 试验过程及现象

试验结果表明，不同配合比的试块开裂和破坏过程基本相同，通过对比试验现象和应力-应变曲线，可以发现受压全过程可分为三个阶段，分别为初裂阶段、裂缝扩展阶段和破坏阶段，具体如图2—图4所示，主要特征如下：

图2 糯米灰浆试块破坏过程

图3 糯米灰土浆试块破坏过程

图4 改性糯米灰浆试块破坏过程

初裂阶段：各试块随着荷载的增大，其表面产生微小裂缝，但未贯穿。其中糯米灰浆试块上部边角处被压裂，出现掉渣脱落。糯米灰土浆试块表皮出现掉渣脱落，且有轻微外鼓。改性糯米灰浆试块仅出现轻微竖向裂缝。此时在荷载-位移曲线中表现为直线上升阶段，若维持荷载不变，产生的裂缝不会自主延伸。

裂缝扩展阶段：当荷载继续增大，各试块原有裂缝沿竖向延长，横向宽度增加，有的沿全截面已贯通，试块表皮及边角处有明显的脱落现象。其中糯米灰浆试块在其边角处出现贯穿裂缝，且其边角有脱落迹象。糯米浆灰土浆试块鼓涨明显，表皮掉落，边角处出现贯通裂缝。改性糯米灰浆试块仅出现贯穿裂缝，表皮有轻微碎渣脱落。此时在荷载-位移曲线中表现为上升，并达到荷载极限值。

破坏阶段：当荷载达到极限荷载后，继续施加荷载，各试块被贯通裂缝分割成柱体单元而脱落，荷载下降加快，加载结束。受压破坏后试块呈“梭形”状。

3 试验结果分析

3.1 糯米灰浆试块结果分析

图5、图6为试验得到不同浓度、水灰比下糯米浆试件全过程应力-应变曲线。由图5可知，当糯米浆浓度为5%，水灰比为0.7、0.8时，两者的应力-应变曲线上升段和下降段较为相似，表明水灰比对力学性能影响不明显，但水灰比为0.8相对于水灰比0.7的试块下降较快，表现出较大的脆性；糯米浆浓度增加至7%，水灰比为0.7时，曲线斜率变化较大，而水灰比为0.8的糯米灰浆试块曲线走势稳定，斜率变化不大，但两者的峰值荷载相近。分析图6可知，当水灰比为0.7、0.8时，改变糯米浆浓度，其水灰比为0.7的糯米灰浆试块曲线斜率变化较大，而水灰比为0.8的糯米灰浆试块曲线走势基本一致，但最终峰值荷载存在明显的差异，表明糯米浆浓度对试块的力学性能有显著影响。

图5 不同水灰比糯米灰浆试块应力-应变曲线

图6 不同糯米浆浓度糯米灰浆试块应力-应变曲线

为反映糯米灰浆试块的抗压强度与变形能力，求得两种变量下糯米灰浆试块抗压强度及弹性模量，见图7、图8。分析所得数据发现当水灰比从0.8降低至0.7时，糯米浆浓度为5%，糯米灰浆试块抗压强度和弹性模量降低了5%、8%；糯米浆浓度提高到7%时，糯米灰浆试块抗压强度与弹性模量降低了5%、15%。当糯米浆浓度由5%增加至7%，水灰比为0.8时，糯米灰浆试块抗压强度和弹性模量降低了21%和10%；水灰比为0.7时，糯米灰浆试块抗压强度与弹性模量降低了20%与16%。

图7 糯米灰浆试块抗压强度

图8 糯米灰浆试块弹性模量

综上所述，糯米浆浓度和水灰比是影响糯米灰浆力学性能的主要因素。在糯米浆浓度一定时，水灰比增大，灰浆试块的承载能力、抗压强度、抗变形能力也相应增强，但增强效果不显著；而当水灰比一定时，糯米浆浓度提高，灰浆试块的承载能力、抗压强度及抗变形能力降低，降低程度较为明显。糯米浆使试块抗压强度、变形能力显著提高的机理是糯米浆与石灰浆在空气中凝结硬化产生的碳酸钙颗粒间有协同作用，使试块更加密实，而氢氧化钙是典型的无机胶结物质，在复合使用条件下，糯米浆对碳酸钙的结晶过程具有一定的调控作用，一定浓度的糯米浆，会使碳酸钙的颗粒逐渐变小至纳米级范围，形状愈加不规则，结构却更紧密[12-13]。

3.2 糯米灰土浆试块结果分析

在部分砖石古塔中，砌筑灰浆采用糯米灰土浆，由糯米灰浆、石灰、黄土的材料拌合而成，为此根据表1配合比制备的灰土试块进行轴心受压试验，分析灰土比、水灰比等因素对糯米灰土浆试块力学性能的影响，并得出最优配合比。为此，控制灰土比、糯米浓度不变，改变水灰比，得到3∶7灰土、2∶8灰土应力-应变曲线与抗压强度均值。应力-应变曲线见图9，抗压强度平均值见图10。

图9 糯米灰土浆试块应力-应变曲线

图10 糯米灰土浆试块抗压强度平均值

分析两种不同灰土比的抗压强度与应力-应变曲线发现当水灰比为0.7时，3∶7灰土、2∶8灰土的抗压强度均达到最大值；水灰比在0.5～0.7的范围内，可提高糯米灰土浆试块的抗压强度，但超过该范围试块的抗压强度降低，该结果产生的原因为水灰比越高灰土浆的流动性越好、黏聚性越差，同时水分过多不利于石灰碳化反应的进行，影响灰浆强度的形成。 为较准确地得出糯米灰土浆试块的最优配合比，对水灰比为0.7灰土比分别为3∶7、2∶8灰土试块的应力-应变曲线作对比，见图11。

图11 3∶7、2∶8糯米灰土浆试块的应力-应变曲线

由图11可知加载初期2∶8灰土抗压强度大于3∶7灰土，但随着加载的进行，3∶7灰土抗压强度明显大于2∶8灰土。因此，当米浆浓度、灰土比一定，改变水灰比时，水灰比为0.7的糯米灰土浆试块承压能力最好；当米浆浓度、水灰比相同，灰土比不同时，灰土比为3∶7的糯米灰土浆试块力学性能最好。综上所述，灰土比为3∶7，米浆浓度为5%，水灰比为0.7时糯米灰土浆试块的抗压强度、承载力等力学性能最佳。

3.3 含添加剂灰浆试块试验结果分析

探究了糯米浆浓度、水灰比对灰浆试块力学性能的影响，综合分析知糯米浆浓度为5%，水灰比为0.8时所用配合比最优。在此基础上对含明矾、二氧化钛灰浆试块进行材料力学性能试验，对比各配合比下应力-应变关系、抗压强度，分析明矾、二氧化钛对糯米灰浆试块承载力、强度等力学性能的影响。添加剂为明矾、二氧化钛及含两种添加剂的灰浆试块应力-应变曲线见图12，抗压强度、弹性模量的提高率或降低率见图13、图14。

图12 改性糯米灰浆试块应力-应变对比

图13 改性糯米灰浆试块抗压强度均值

图14 改性糯米灰浆试块弹性模量均值

分析图13、图14，可以看出明矾和二氧化钛对糯米灰浆的抗压强度、收缩率有显著的改善，与试验现象相对应。同时，研究表明明矾对糯米灰浆的强度提高具有明显作用，特别是早期强度，同时也会使其早期收缩变缓，裂缝减少。改善糯米灰浆收缩性能的机理主要是形成了钙矾石，其固相体积膨胀对糯米的干燥收缩起了一定补偿作用。此外添加明矾后的糯米灰浆，其结构更为致密，这是其抗压强度、前期收缩率降低的微观解释[14-15]。对含不同添加剂的灰浆试块组内对比，知明矾、二氧化钛含量为1.0%，明矾、二氧化钛含量各0.25%对灰浆试块承载力、抗压能力的增强效果最显著，而添加剂种类、含量的变化使灰浆试块抗变形能力存在明显差异，明矾含量越大试块抗变形能力越强，二氧化钛含量增加试块抗变形能力降低，两者混合使用含量对试块的抗变形能力影响不大。综合分析知明矾含量1.0%对灰浆试块抗压强度影响最大，使抗压强度提高了1.26倍；而明矾含量2.0%的灰浆试块使弹性模量提高最多，是空白试样弹性模量的3.6倍。

4 结 论

通过配置多种配比的糯米灰浆并制作试块，进行抗压强度试验，对测试结果进行总结分析，得到了糯米灰浆强度变化及影响因素的相关规律，具体如下：

(1) 糯米浆浓度、水灰比和灰土比为砖石古塔砌筑灰浆的主要影响因素。

(2) 采用糯米浓度5%，水灰比为0.8的配合比所制备糯米灰浆的抗压及变形能力较好。

(3) 在砖石古塔文物保护与修复中，建议选择糯米浆浓度为7%，水灰比为0.7的3∶7灰土对砖石古塔进行修复与保护。

(4) 明矾和二氧化钛对糯米浆极限抗压强度、早期强度和收缩率有显著改善。