制备方法对土遗址重塑样稳定性的影响研究

赵建忠,裴强强,5,王海龙,张 鑫,张 博,5,许宏生

[1. 敦煌研究院,甘肃酒泉 736200; 2. 国家古代壁画与土遗址保护工程技术研究中心(敦煌研究院),甘肃酒泉 736200;3. 古代壁画保护国家文物局重点科研基地(敦煌研究院),甘肃酒泉 736200;4. 甘肃莫高窟文化遗产保护设计咨询有限公司,甘肃酒泉 736200; 5. 兰州大学土木工程与力学学院,甘肃兰州 730000]

0 引 言

我国西北地区的新疆、甘肃、宁夏和陕西境内遗存许多古代土建筑遗址,种类繁多。西北地区的古代土建筑遗址大部分是由粉土、粉质黏土或沙土夯筑而成。由于其纯属土质建筑,极其脆弱,在长期自然和人为因素影响下,遗址本体发生了不同程度的各种病害[1-5]。近年来,在实验室研究和工程实践的基础上形成了较为系统的土建筑遗址综合治理措施[6-7],并对干旱区遗址本体的保护提供了技术支撑,取得了显著的加固效果[8-17]。然而受地区环境因素和遗址本体土质的影响,按照《中国文物古迹保护准则》及长期土建筑遗址保护工作经验,不同遗址土质和环境条件的遗址本体保护,必须通过室内试验和现场实践进一步研究遗址本体的基本性质,并通过模拟对比试验综合评价采取不同措施的加固效果。因此,为提高对原遗址体保护措施的有效性和可靠性,均需要通过室内重塑样完成对比分析和效果评价,分析和评价的基础是所制备重塑样性质的稳定性。岩土工程方面对重塑样的研究较多[18-21],郑剑锋等通过测试试样干密度和含水率分布的均匀性来判断分层击实法、泥浆固结法、两头压实法三种制样方法的优劣[18];赵振勇等将现有实验室内常用的一些设备加以组装,提出了一种新的重塑土样制备技术,提高了试样的均匀性[19];周伟红等设计制造了分层压样成样器,以分层数量、土样干密度等因素,研究重塑黄土成样的均匀性[20];胡海军等采用两种不同制样方法,分析其抗拉强度差异[21]。在长期工程实践和试验过程中发现,不同土质重塑样的稳定性较差,拌土、制样等环节都是影响试验结果的主要因素,因此,如何把控拌土、闷土、制样过程中的关键环节确保重塑样的稳定性成为重塑样制备的关键问题。现有研究主要采用改进设备和不同方法制作重塑样,但对拌土过程研究较少。本次研究发现拌制土方法和闷土时间(按照最优含水率在土中加入一定量的水拌制均匀后,采用密封方法使土和水混合逐步均匀的过程时长)的不同对试样的基本性质也影响较大。文章通过在大量的工程实践和室内研究的基础上,总结了拌土过程拌制土方法和闷土时间对重塑样的稳定性的影响规律,提出的拌土方法和闷土时间对保证重塑样质量具有一定借鉴和指导意义,创新性强,为室内试验研究和工程实践提出了科学依据。

样品制备采用土建筑遗址专用液压装置(ZL201020640515.5),该设备是全自动液压装置,能够准确提供足够的压力,可以排除人为制备样品的不同因素的影响,为实验室试样制备拌制土方法的评价提供可能。本实验按照机械拌制和人为拌制,闷制土时间等不同方法分别制备试验样品,根据土建筑遗址的具体情况,制备50 mm×50 mm×50 mm方样和φ61.8 mm×20 mm的圆柱样,通过观察和分析拌制土团粒的状态,无侧限抗压强度试验和直接剪切试验,综合评价拌制土的最优状态。

1 实验土的基本物理性质

本实验所用土均为锁阳城遗址周边风蚀台地素土。依据土工试验方法标准(GB/T 50123—2019),采用击实法对最大干密度和最优含水率进行测定;采用液塑限联合测定法对液塑限进行测定;采用比重瓶法对比重进行测定;采用筛析法和密度计法对粒径进行了测定,其基本物理性质如表1、图1,其基本物理性质与遗址本体类似。土的矿物成分的种类以及含量对夯土的各种基本物理力学都有一定的影响,对遗址土以及实验土进行了XRD分析。本次实验在定性分析的基础上进行半定量分析,半定量分析的方法采用K值法。通过XRD分析,遗址土与实验用土的矿物成分与含量基本一致(表2)。

图1 实验土与遗址土粒径分布曲线

表1 实验土和遗址土的基本物理性质

表2 XRD分析矿物成分

2 试样拌制方法

本次试验分为两大组,分别为机器拌土和人工拌土,每个大组又分成7个小组,每个小组3个平行样。小组的试样按闷土的时间分为7个组,每组干土质量为1 kg,加水130 g(13.1%为实验土的最优含水率),拌制均匀后分别用密封袋密封保存、放于保湿器内闷至0 h,1 h,4 h,12 h,24 h,48 h,72 h(工程上施工闷土时间一般为72h,这里将闷土时间最长设置为72 h)。

2.1 机械拌土

1) 将碾好的土用天平称1 000 g后放入小型搅拌机中,再将小喷壶内装满水,连壶带水在天平上称重,并记录数据。

2) 按秒表计时,开启搅拌,频率调至4档,在搅拌机搅动过程中均匀的将水喷洒至干燥的土中,并不断搅拌;

3) 当发现土颜色变深,大概加入80 g左右水时,关闭搅拌。然后用铲土刀将贴在搅拌机壁上的土刮下,装好后继续搅拌,直到将水喷完还需搅拌机再连续搅拌至少3 min。

4) 用铲土刀将贴在搅拌机壁上的土刮下来,装好后继续搅拌30 s,停止,秒表记录时间。

5) 重复(1)～(4)拌7组土,将搅拌好的土按闷土时间,0 h,1 h,4 h,12 h,24 h,48 h和72 h分别进行闷制,闷土时间完成后取样测试含水率。

6) 闷制到相应时间后,测量其含水率,并将闷好的土用制样机每组按照1.7 g/cm3的干密度制备3个50 mm×50 mm×50 mm的方块样并编号,在实验室自然状态下阴干,完全干燥后采用MNM-300型万能试验机测试试样的抗压强度。再按照φ61.8 mm×20 mm尺寸制作至少4个圆柱试样,在实验室自然状态下阴干,完全干燥后用JBL-4型直剪仪做直剪试验,测定其粘聚力c、内摩擦角φ。

2.2 人工拌土

1) 将碾好的土用天平称1 000 g后放入脸盆中,再将小喷壶内装满水,连壶带水在天平上称重,并记录数据。

2) 戴好手套后按秒表计时,开始拌土,先用喷壶将土表面喷湿,用手将湿土与干土拌匀,在继续用喷壶喷湿,再拌匀,直到喷入130 g水为止。

3) 水喷完后,用手背与盆底互搓,将土的大颗粒搓开,停止,秒表记录时间。

4) 重复1)～3)拌7组土,将搅拌好的土按闷土时间0 h,1 h,4 h,12 h,24 h和48 h,72 h分别进行闷制,闷制前取样做含水率测试。

5) 闷制到相应时间后,其余测试方法与机械拌土操作方法相同,制样并测定抗压强度和c、φ值。

3 结果与分析

3.1 拌制土的直观分析

拌土后对土进行拍照,做宏观分析,闷土至相应时间制样后用60倍显微镜对试样进行微观分析,观察试样结构。结果见表3。

从表3中宏观照片表明,在土拌制的过程中,人工拌制的土与机械拌制的土相比,更均匀、结团颗粒直径更小。

表3 宏观与微观照片

(续表3)

从闷土至相应时间后制好的样品的微观照片来看,人工拌土制得的试样比机械拌土制得的试样更均匀,结团颗粒更小,并且随着闷土时间的增加,结团颗粒直径在增大。

3.2 土颗粒统计分析

拌土后土在水的作用下会形成圆形的结团颗粒,颗粒大小不一,采用四分法取部分拌制好的土对结团颗粒粒径进行统计,结果如表4所示。

表4 拌土后结团颗粒统计

西北地区土遗址都含有一定量的黏土矿物,一般含有很少量的高岭石,几乎不含有蒙脱石,但是伊利石含量相对较高。黏土矿物的带电性指粘土矿物在与水接触时的带电符号和带电量。电荷产生原因有两种,一种是晶格取代形成的永久电荷,这种电荷属于构造电荷;另一种是受粘土表面化学变化和pH值等的影响形成的表面电荷,这种电荷为可变电荷。晶格取代是指黏土矿物晶体结构中一部分阳离子被另外一部分阳离子所取代,但晶体结构不变的现象。由于晶格取代是低价阳离子取代了高价阳离子,产生了过剩的负电荷,因此,一般情况下黏土带负电。黏土带电量通常用CEC表示,CEC越大,说明黏土所带负电荷越多,高岭石CEC为3～15,伊利石为20～40,蒙脱石为70～150。实验用土含有约20%的伊利石,其较大的比表面积与带负电的特性使得实验土在加水制备的时候易结团。

此外,黏土具有较好的亲水性,吸收水分后迅速获得粘结力。在拌土过程中,加水时将黏土润湿而成黏土团,未迅速扩散渗透的水吸附黏土继续滚动成团,在机械搅拌和人工作用下不断滚动而吸附更多的黏土,遂形成较大的黏土砂团。黏土砂团的形成以水分和未混匀的黏土为核心,因此可以判断水分含量和黏土含量都比周围未结团的土要高[22]。拌制方法不同,闷土时间长短都会影响土颗粒结团数量多少、大小与硬度。试验分别对不同拌土方法及闷土时间的试样进行结团粒径统计。

结合表3和表4可知,机械拌土结团颗粒呈圆形,硬度较大,闷置时间越长,结团颗粒越多,且颗粒直径越大。人工拌土虽然也有结团颗粒,但结团颗粒硬度小,粒径也较小。

3.3 闷土时间对含水率的影响

测定闷土前后土的含水率,机械拌土和人工拌土闷土前后含水率关系如图2、图3所示。

图3 人工拌土闷土前后的含水率对比

综合来看,闷土4 h内含水率的损失可以忽略不计,但闷土时间越长,含水率损失越大。拌完土结束后4h内,土的含水率基本控制在13%左右,随着闷土时间的增加,土的含水率会降低,在4 h后,会以每24小时0.5%的速度下降。

含水率的降低是由于土内部水分随着闷土时间的增加,一部分逐渐向土体表面和密封袋表面转移,另一部分由液体转化为气体造成了损失。

3.4 不同拌制方法抗压强度试验

试验采用MNM-300型万能试验机测试试样的抗压强度,可进行试验力、变形、位移等速率控制及保持。试验控制应变速率为每分钟1%。

将制备好的 50 mm×50 mm×50 mm风干试样,做无侧限抗压强度试验,试验结果如图4所示。

图4 闷土时间与抗压强度关系

1) 从图4可以看出,闷土时间在0～12 h内,试样的抗压强度不稳定,24～72 h内,随着闷土时间的增加,试样抗压强度在逐渐降低。这是因为在闷土时间在0～12 h内,土和水还未混合均匀,导致制样时试样差异较大,土的抗压强度不规律;24～72 h内,土和水逐渐混合均匀,并且随着闷土时间增加,结团颗粒会吸附周围土颗粒,使结团颗粒逐渐增多、增大,不均匀团颗粒影响试样的固结,尤其大直径团颗粒与周围土颗粒之间的作用力弱于均匀土颗粒间的作用力,局部脆弱最终引起试样抗压强度降低。

2) 从图4可以看出,人工拌土试样抗压强度明显高于机械拌土试样的抗压强度。这是因为机械拌土过程中随着搅拌叶的转动,土颗粒也随着不断的滚动,未扩散的水吸附黏土,在不断滚动过程中结团、壮大,导致结团颗粒增多、增大,影响到了试样的抗压强度。而人工拌土时土颗粒的滚动相对较少,不易成团,并且人为将一部分较大颗粒揉碎,降低了结团颗粒的影响。

3.5 不同拌制方法直剪试验

试验采用DJY型应变控制式直剪仪。该仪器结构简单,操作方便,可通过增减砝码控制竖向荷载。在电机带动下,试样在沿上下盒之间的水平面上受剪直至破坏。采用0.8 mm/min的速率剪切,通过不排水剪切试验测定不同闷土时间下机械拌土和人工拌土试样的抗剪强度及指标c、φ值。

将制备好的20 mm×61.8 mm的圆柱样在自然环境下风干,做直剪试验,试验结果图5、图6所示(c、φ值较大是因为自然风干土样的含水率低于1.5%)。

图5 闷土时间与粘聚力关系

图6 闷土时间与内摩擦角关系

1) 从图5中看出,闷土时间在0～12 h内,试样的粘聚力处于波动状态,这是由于土和水还未混合均匀,导致试样差异较大。24～72 h内,随着闷土时间的增加,试样的粘聚力在逐渐增大,这是由于24 h后土和水混合均匀,但随着闷土时间的增加,土中含水率逐渐降低,同样质量的土在制作试样时干密度会增加,土颗粒之间的孔隙有一定的压缩,使土样更加密实,导致粘聚力增加。

2) 从图6中看出,闷土时间在0～12 h内,试样的内摩擦角处于波动状态,这是由于土和水还未混合均匀,导致试样差异较大。24～72 h内,随着闷土时间的增加,试样的内摩擦角在逐渐降低,这是由于24 h后土中含水率趋于均匀,但随着闷土时间的增加,黏土结团颗粒逐渐吸附周围黏粒,导致结团颗粒直径增大,数量增多,结团颗粒相对较光滑,咬合能力差,最终使得内摩擦角呈现衰减趋势[23]。

4 结 论

从多次试验中来看,影响试样稳定性的因素有拌土后土结团颗粒大小、拌土方法、试样的含水率和闷土时间。

1) 在其他条件不变的情况下,拌土后土的结团颗粒越小,数量越少,试样的抗压强度越高。

2) 与搅拌类的机械比起来,人工拌土试样的抗压强度要高于机械拌土试样的抗压强度。

3) 闷土时间在24～72 h内,土样的抗压强度和内摩擦角随着闷土时间的增加而减小,粘聚力随着闷土时间的增加而增加。

综上所述,采用人工拌土、闷土时间在24 h所拌的土最优,其结团颗粒最少,含水率损失不大,土所处的状态更稳定,更能保证土建筑遗址室内试验研究试样的稳定性。