几类传统改性生土的耐久性及微观结构试验研究

朱才辉，邱 嵩，石 卫，3，李俊连

（1.西安理工大学岩土工程研究所，陕西 西安 710048；2.陕西省城市地质与地下空间工程技术研究中心，陕西 西安 710068；3.陕西省水工环地质调查中心，陕西 西安 710068；4.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710043）

引言

自从“绿色建筑”概念的提出，不同国家和地区针对“生土建筑”材料在工程中适用性的研究突飞猛进。其中，基于生土及改性材料在生土建筑中的应用一直以来成为学者们广泛关注的科学问题。早期的生土建筑，由于材料使用不当、建造或保护技术不当，导致生土建筑出现风化剥蚀、渗水软化、开裂、坍塌直至被遗弃，这对于传统古村落生土建筑的保护和修复带来了困难和挑战。随着材料科学及新型建筑理念的发展，现代生土建筑中多采用在素土中添加改性材料来改善其工程特性，以往的研究中多采用室内试验、模型试验来探索各类改性土的综合性能，如强度、刚度、收缩性、热学特性、孔隙性、吸放湿性能，抗风化剥蚀特性、耐酸性、渗透性等各类性能。其中，常见的生土建筑改性材料达上千种，归纳起来主要包括：有机材料、无机材料、高分子材料、微生物技术及混合材料等。常见的如：硅藻土［1］，木屑［2］、甘蔗渣［3］、0.25～10%的稻草［4］、麦秆［5］、稻壳［6］、竹子［7］、废弃茶叶［8］、绵羊毛［9］、动物粪便［10］、大麻［11］等。上述通过在生土中添加一定含量的植物、动物纤维可以大大降低改性生土的热传导系数，提高生土建筑的热学性能，此外还可以增强土体的柔韧性、延性和摩擦性能，但对其强度和刚度有所降低。还有基于糯米浆及其衍生制品［12-13］也广泛应用于土遗址、黄土窑洞墙面的修复，会减少由于水敏性导致的墙面病害。此外，还有在生土中添加钢纤维［14］、石灰［15］、水泥［16］、废胶末［17］、粉煤灰［18］、陶瓷碎片［19］、建筑垃圾［20］等，这类改性材料基于“变废为宝”理念，能够大大改善生土的强度和变形性能。随着新材料、新工艺的发展，有学者尝试在生土中添加聚丙烯［21］、聚烯烃［22］、抗疏力固化剂［23］、高分子材料［24-25］、微生物技术［26］、三合土［27］等，来改善生土的物理-力学-热学特性，并将其应用于生土建筑及土遗址的修复中。针对古建筑夯土基座、城墙土遗址、生土民居、古代壁画等调研发现［28-30］，经过改性的生土均具有较好的耐久性，而后期修复期间，由于忽略了采用改性材料或修复工艺不当导致的本体破坏屡见不鲜。上述部分研究成果，不仅从宏观上考察了改性生土的各种工程性能，结果表明，通过在素土中添加有机材料、无机材料、化学材料或采取生物加固技术，可以极大的改善素土的各类性能；此外，还从微观结构角度来深入分析了改性生土相比于素土的改良效果［31］，表明生土经改性后，明显具有更规则、紧密的孔隙特征，然而对于改性土在自然环境下的剥蚀前后的微观结构特征的变化规律研究尚缺乏。但对于生土建筑而言，除了满足必须的强度、刚度性能、热学性能外，还需要满足其长期耐久性能［32］，如：抗渗性、抗剥蚀性、毛细水上升性等特征等，关于改性生土在长期自然环境条件下的耐久性能及微观结构变化特征尚需进一步研究。

本文以西安地区生土建筑为研究对象，重点探索在Q3黄土（素土）中添加传统改性材料，对素土的耐久性能进行改良，通过室内试验和模型试验来获取其最优改性材料含量、评价其耐久性，并针对其在自然环境下剥蚀前后的微观结构特征进行扫描电镜试验研究，以期为生土建筑改性材料的工程应用提供科学参考。

1 材料及试验方法

1.1 改性材料

由于黄土的大孔隙、水敏性、低强度等缺陷，现代生土建筑中采用在生土中掺入一定比例的改性材料来构造围护结构，这样可以大大提高工程稳定性。本文采取传统的天然材料：糯米（粉或浆）、桐油、稻草、细沙和熟石灰、水泥等，按照一定比例添加至天然黄土中，本次黄土基料选取西安市白鹿原黄土，取样为地表以下3 m 处Q3黄土，天然黄土的物理指标见表1。其中，不同糯米浆的熬制方式：采用100 g糯米粉添加1 L水，煮1 h 40 min；稻草选用长度为3 cm的商品，其余材料均采用标准商品。

表1 素土（Q3黄土）物理指标Table 1 Basic physical parameters of the PS（Q3 loess）

1.2 试验方法

（1）最佳改性材料含量试验

为了获得不同改性材料对素土进行改良所需的最佳含量，需要开展不同含量的改性土的直接剪切试验和变水头饱和渗透试验。根据不同改性材料含量下改性土的峰值抗剪强度和渗透系数，来确定最佳含量。其中，直剪试验采用ZJ 型电动等应变直剪仪（见图1（a）），直剪试验的竖向荷载等级分别取σc=100、200、300 kPa、400 kPa。饱和渗透试验采用TST-55 型渗透仪（见图1（b））。所有改性土样在制备完成后，在恒温（20±2°C）恒湿（56～60%±2%RH）养护箱内静置24 h，然后开展相关试验。为了便于评价改性材料在素土中的含量对素土的改良效果，假定添加至素土中的混合改性材料质量为M1，素土质量为M2，则改性土中改性材料的含量Φ可表达为：

（2）自然剥蚀试验

文中所要开展的改性土的剥蚀试验主要指的是在以西安市近年来的自然环境下，进行为期400 d 的观测试验，统计分析改性土体在受到风吹日晒、雨浸冰劈等干湿-冻融循环等综合因素下，发生结构性丧失、开裂、剥蚀等现象。自然环境下的改性土耐久性试验过程如下：按照《土工试验方法标准》（GB50123-2019）中击实试验的要求进行制模型试样，在室内恒温恒湿条件下静置养护7 d，然后将试样盛放于塑料盘中，放置于试验楼顶的开阔场地，进行自然环境剥蚀试验观测，试验过程中，定期（3～5 次/月）称量塑料盘中的剥蚀的土样，计算3 组平行试样的剥蚀量md、时间T及平均剥蚀速率ν，并对试样的破坏特征进行摄影，描述其在自然环境下的涨缩开裂特征。其中改性土的剥蚀速率ν表示如下：

式中，ν为剥蚀速率（%/d）；md为剥蚀土质量（g）；M为试样总质量（g），T为剥蚀稳定所需时间（d），本次试验时间为400 d。

（3）毛细水上升模型试验

毛细水上升模型试验采用自行研发的测试系统进行试验，测试系统包括：有机玻璃试样筒、土壤水分传感器（TDR）测试系统、供水系统组成（见图1（c））。其中，单个有机玻璃筒的尺寸为内径100 mm、壁厚5 mm、高500 mm，单个有机玻璃桶之间采用法兰盘加橡胶垫片并用螺丝上紧密闭连接；每个试样筒侧壁沿竖向每隔100 mm预留TDR探针的插入孔，用于TDR测试系统的安装。试样筒底部设置一个网孔状有机玻璃圆盘，为底部浸水提供入渗通道。试样筒外壁上贴有用于测量试样增湿的钢尺，便于观测毛细水上升高度。试验时，将透水石层和滤纸铺设于试样底部，并将套筒放置于干净的水槽中，迅速测试试样中的体积含水率，监测频次为：24 h以内，每1～2 h监测一次，24 h以后，每隔1 d监测一次，当连续测试的一周内，前后2 d天的含水率测试结果误差不超过0.2%，则可认为毛细水上升趋于稳定，终止试验。试验结束后，绘制毛细水上升稳定后，不同类改性土的含水率增量与土柱高度之间的关系，判断最大毛细水上升高度及增湿程度。

其中，TDR 传感器与主机连接，可精确测量体积含水率和土体温度。可测量体积含水率的范围为0～100%，温度范围为-40～80℃；测量精度：±0.5℃，水分：±3%。试样的初始条件：模型中夯土平均含水率设定为18%±1%左右，将干密度设置为1.50 g/cm3。

为了综合分析改性生土的毛细水上升效应，假定土柱中各测点的含水率在毛细水上升一段时间t后，毛细水上升最大高度为Hmax，抬升到最大高度所需时间为T，则平均抬升速率β可表示为：

则可通过抬升最大高度和抬升速率来评判该类改性土的阻水效应。一般情况下，抬升高度越大阻水效果越差，抬升速率越大，表明其一定时间内的吸水能力越强，反映出其阻水效果也较差。

（4）无侧限抗压强度龄期试验

改性生土的无侧限抗压强度综合表征了改性土的刚度和抗压强度特性。文中采用应力-应变控制式三轴仪（见图1（d）），开展不同改性土在不同龄期（1、7、14、28 d）下的无侧限抗压强度试验，探讨其强度qu和割线模量E50随龄期的变化规律。试样采取标准三轴试样分层击实进行制样，干密度ρd=1.5 g/cm3，含水率w=18.0%。室内养护条件：温度25～30℃，相对湿度40～60%RH。通过三轴试验获得改性土的各类改性土在不同龄期下的应力-应变关系，来得其无侧限抗压强度qu和割线模量E50随龄期的变化规律。

文中采用E50来表征改性生土的割线模量：

式中：qu表示改性生土的峰值抗压强度（kPa）；ε表示当应力为0.5qu时代表的应变量（%）。

（5）微观结构SEM试验

土体的颗粒、孔隙结构微观结构演化规律与土体在受到自然环境剥蚀特性有关。文中基于JSM-6700F扫描电镜试验仪（见图1（e）），获取最佳含量情况下改性土及素土在剥蚀前后的SEM图像，采用PCAS程序来分析土颗粒及孔隙分布特征［29］，主要分析土体在受到自然环境侵蚀前后的孔隙面积比例（PP）及孔隙分维度数（FD），进一步从细观角度来了解土体的微观结构演化特征。

图1 试验测试设备Fig.1 Experiment instruments

1.3 试验方案

本次改性材料包括：糯米粉、糯米浆、桐油、稻草、石灰、水泥、砂料、糯米灰浆、糯米灰膏等，开展最佳改性材料含量试验。其中，三七灰土、三合土、水泥土为工程常采用的改性土，其最佳含量已在实际工程中得以应用［15-16，27］，本文不再开展其最佳含量试验。根据上述改性材料及以往研究中针对改性土的含量方案，特制定文中的试验方案，见表2。

表2 改性土试验方案Table 2 Test schemes of the modified soils

2 试验结果分析

2.1 抗剪强度及渗透性试验

根据前述的试验方案，得到素土及不同改性材料含量Φ下的改性生土在轴向压力σc=200 kPa下的峰值抗剪强度τf和渗透系数的变化曲线，见图2所示，将各类改性土及素土的峰值抗剪强度与饱和渗透系数按照大小顺序排列对比见图3。

图2 不同改性土试验结果Fig.2 Test results of different types of modified soils

图3 不同改性土抗剪强度及渗透系数排序Fig.3 Ranking of shear strength and permeability coefficient of different modified soils

由图2 可知，在添加合适比例的改性材料后，相对比素黄土的抗剪强度τf有明显的增加，但添加量超过某一含量后，其抗剪强度维持不变或略有下降；添加一定含量改性材料的改性土的饱和渗透系数Ks明显低于素土，且随着改性材料添加量的增大，改性土的渗透系数基本呈逐渐下降趋势。表明添加的糯米、石灰、水泥等粘结性材料越多，土颗粒之间的孔隙被细颗粒的粘结基质填充的越密实，因而渗透性越差，但稻草添加量越多，反而会增大其渗透系数，主要原因是稻草“粒径”相对较大且存在较强的吸水性，主要体现在其“拉筋”效果上。

图3中将各类改性土的最佳改性材料含量方案下的峰值抗剪强度和饱和渗透系数按照改良效果由好到差进行了排列，对比可见：其中，改性土的强度排序：三合土（TB）＞糯米粉和稻草改性土（SPS）＞糯米灰浆+桐油（SLO）＞糯米粉改性土（SP）＞糯米灰浆改性土（SJL）＞三七灰土（LS）＞糯米灰膏改性土（SPL）＞稻草改性土（ST）＞糯米浆改性土（SJ）＞糯米浆+稻草改性土（SJS）＞素土（PS），前4 种改性土的强度提高较为显著；改性土的抗渗性能由好到差排序为：三合土（TB）＞糯米粉和稻草改性土（SPS）＞糯米粉改性土（SP）＞糯米灰浆改性土（SJL）＞三七灰土（LS）＞水泥土（CS）＞糯米灰膏改性土（SPL），这6 类改性土的抗渗性改良较为明显。所有改性土相对于素土而言，改性土的抗剪强度约为素土的1.3～3.5倍，饱和渗透系数约为素土的1/3～1/1650，总体上表明生土改良效果较为明显。

2.2 最佳改性材料含量的确定

从工程角度来讲，改性土的最佳改性材料含量（Φop）应从抵抗变形能力、强度、抗渗性、经济性、环保性、施工难易性等多种角度来综合考量。本文核心考察的是改性土耐久性指标，主要考虑的是其强度和抗渗性，因而确定最佳改性材料含量主要依赖于室内直剪试验及饱和渗透试验结果，确定原则如下：假定某改性材料含量范围内的改性土抗剪强度达到某一最峰值或常量，同时其渗透系数也达到谷值或常量时，在该范围内的改性材料在素土中含量，即可视为最佳改性材料含量。基于上述原则，确定的各类改性土最佳改性材料含量Φop见图2及如表2。可见，不同改性材料添加至素土中，均存在一个最优改性材料含量，改性材料过少或过量添加至素土中，均难以改善素土的强度及抗渗性能，其中各类改性材料的最佳添加比分别为：糯米粉（Φop=7%）、糯米浆（Φop=5%）、稻草（Φop=0.6%）、糯米灰膏（Φop=11%）、糯米灰浆（Φop=7%）、糯米灰浆+桐油（Φop=5%+5%）、水泥（Φop=7%）、石灰（Φop=30%-体积比）。

2.3 剥蚀性试验

因篇幅受限，仅选取几种具有代表性改性土及素土在T=1～400 d 内的自然环境下耐久性试验图片进行展示，见表3。图4 为不同改性土在最佳改性材料含量下的剥蚀速率从小到大排序图。

图4 不同改性土的剥蚀速率Fig.4 Denudation ratio of modified soils

表3 改性土试样在自然环境下剥蚀试验Table 3 Denudation tests of modified soils under natural environment conditions

由表3可见：从其200 d的剥蚀特征对比可见，添加一定量改性材料的改性土，在短期内对改善素黄土的抗剥蚀特性有较好的作用，但在较长时间段内（400 d后），素土及单一的糯米浆（粉）改性土其抗剥蚀性较差（ν=1.1～1.5%/d），而采用多种组合材料来改良素土则效果较好（ν=0.05～0.5%/d）。从图4的统计结果可见：在素土中分别添加5%的糯米灰浆和桐油改性土（SLO）及添加5%糯米浆和0.6%稻草改性土（SJS）后，其抗剥蚀性相对较好，其原因是：土体中添加油脂和糯米浆后，容易在素土中形成非亲水团粒和填塞了大孔隙结构，导致其吸水能力和导水性能急剧下降，因而受到风化作用的影响则较弱。其余改性土的抗剥蚀效果由好变差依次为：三七灰土（LS）＞稻草改性土（ST）＞糯米浆改性土（SJ）＞水泥土（CS）＞糯米粉和稻草改性土（SPS）＞三合土（TB）＞糯米粉改性土（SP）；添加一定比例改性材料后，改性土的抗剥蚀性相比素土均有不同程度的提高，提高幅度为1.3～30.0倍。

2.4 毛细水上升模型试验

基于上述毛细水上升模型试验，获得最佳改性材料含量下不同改性土在毛细水上升达到稳定后的体积含水率沿模型高度方向上的分布规律见图5。图5中横坐标X=0处直线将土柱中的体积含水率增量Δθw=θwt-θw0分为负增量和正增量的分界线（θwt指的是：经历时间为t后土中为含水率达到稳定时的含水率；θw0指的是：土柱中含水率的初始值），认为土柱中含水率不变点（Δθw=0）即为毛细水上升最高点。不同改性生土的毛细水上升参数见表4。试验结果表明：

表4 改性土毛细水上升参数对比Table 4 Comparison of parameters of capillary lifting of modified soils

图5 毛细水上升稳定后含水率沿高度分布规律Fig.5 Distribution of water content along height after the stable condition of capillary elevation

（1）不同改性土的毛细水上升基本在2 个月内趋于稳定，稳定后的毛细水上升高度从27 cm～105 cm 不等，但均小于素土的毛细水上升高度113 cm，其最大抬升高度约为素土的24～93%，表明素土中添加改性材料后，均能改善其阻水效应。

（2）从毛细水上升速率对比来看，阻水效果最好的改性土为糯米浆+桐油改性土（SLO），其次为糯米浆+稻草改性土（SJS）。其中糯米基、石灰基、植物纤维改性材料组合的改性土阻水效果相对单一改性材料或水硬性材料改性土（CS、LS、TB）的阻水性更为优越。

2.5 无侧限抗压强度龄期试验

通过三轴试验获得各类改性土在不同龄期下的无侧限抗压强度qu和割线模量E50随龄期的变化规律，见图6。通过无侧限抗压强度的龄期试验结果可见，糯米基类改性土及素土的qu在7～14 d的龄期上达到最大值，随龄期的延长无侧限抗压强度反而有减小趋势，而水硬性材料的改性土，如水泥土（CS）、三七灰（LS）、三合土（TB）的无侧限抗压强度随龄期的延长有逐渐增大的趋势，表明：有机质改性土随着龄期的延长，其有机质易于受到生物霉菌等入侵、水分冲蚀而逐渐丧失强度特性，而水硬性材料容易发生水化反应、碳化反应，更进一步提高了与土颗粒的粘结作用，表现为强度的增长现象。从其割线模量E50随龄期的变化趋势可见，当龄期达到7 d 左右时，其刚度基本达到最高值，随后随着龄期的增长而略有下降或维持不变的趋势，进一步表明有机质改性土和无机质改性土在龄期上的显著差异。

图6 改性土qu和E50随龄期的变化规律Fig.6 Variation of qu and E50 with the age of modified soils

2.6 剥蚀前后改性土微观结构变化规律

通过对改性土在初始状态和自然环境条件下剥蚀400 d后的SEM试验，采用PCAS程序来分析孔隙分布特征，因篇幅限制，文中选取几类典型改性土：糯米浆+桐油改性土（SLO）、糯米浆+稻草改性土（SJS）、三合土（TB）和素土（PS）的剥蚀前后1：500 的SEM 图片及孔隙土颗粒分布彩图，如图7 所示。不同改性材料及素土的孔隙面积分布比例（PP）与分形维数（FD）在剥蚀前后的对比见图8。从图7、图8 可见，剥蚀前后的不同粒径颗粒及孔隙分布规律存在较大差异，剥蚀前孔隙尺寸显然小于剥蚀后孔隙尺寸，剥蚀前颗粒定向排列较好，而剥蚀后颗粒排列较为杂乱。通过将各类改性土的孔隙面积比例PP和分形维数FD，按照从大到小进行排序对比发现：素土（PS）在剥蚀前后，其孔隙面积分布比例（PP-B）与分形维数（FD-B）均大于其他改性土，其中，糯米浆+桐油改性土（SLO）和三合土（TB）的孔隙面积分布比（PP-B）和分形维数（FD-B）相比其他改性土明显较小，表明糯米基和石灰类粘结材料在含量合适的情况下，能够大大提高素土的致密性，降低大孔隙的含量，并能促进孔隙的定向有序排列，降低其分形维数，提高土体的综合物理力学性能；改性土在剥蚀后的PP-A 和FD-A 略有减小，PP-A 减小幅度约为0.3～5.5%，FD-A 减小幅度约为0.6～3.7%，而素土在发生剥蚀后，其PP-A 减小幅度为11.2%，FD-A 减小幅度为4.3%，上述微观结构试验结果也进一步证实了改性土在抵抗自然环境下的剥蚀性能具有较好的优越性。

图7 改性土及素土剥蚀前后的SEM 图像Fig.7 SEM images of modified soils and PS before and after denudation

图8 改性土在剥蚀前后的微观结构参数对比曲线Fig.8 Comparison of microscopic pore structure parameter of modified soils and PS before and after denudation

3 结论

（1）不同改性材料添加至素土中，均存在一个最优改性材料含量，改性材料过少或过量添加至素土中，均难以改善素土的强度及抗渗性能，其中各类改性材料的最佳添加比分别为：糯米粉（7%）、糯米浆（5%）、稻草（0.6%）、糯米灰膏（11%）、糯米灰浆（7%）、糯米灰浆+桐油（5%+5%）、水泥（7%）、石灰（30%-体积比）。添加单一的传统改性材料对改善素土的工程性能有限，同时添加多种改性材料（糯米基、水硬性材料、稻草纤维）能起到相互弥补作用，可同时加强改性土的粘聚性、充填孔隙和增强加筋效果。

（2）不同传统材料改性土的抗剪强度提高约为素土的1.3～3.5 倍，抗渗性提高为素土的3～1650 倍、抗剥蚀性约为素土的1.3～30.0 倍；改性土毛细水上升最大高度约为素土的24～93%，糯米基类改性土无侧限抗压强度随龄期的延长而减小，水泥基和石灰基改性土无侧限抗压强度随龄期的延长呈增大趋势。

（3）改性土在剥蚀后，孔隙面积分布比例（PP）减小幅度约为0.3～5.5%，分形维数（FD）减小幅度约为0.6～3.7%，而素土在发生剥蚀后，其PP和FD减小幅度分别为11.2%和4.3%。