岳建偉， 楊 雪， 趙麗敏，*， 張大偉

（1.河南大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南 開封 475004；2.河南大學(xué)開封市不可移動(dòng)文物修復(fù)與安全評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 開封 475004）

開封市地處黃河下游南岸，具有豐富的地表水資源.夏季降雨增多和黃河水位上漲引起開封市地下水位波動(dòng)，易溶鹽伴隨毛細(xì)作用在土遺址中不斷遷移、結(jié)晶，導(dǎo)致開封城墻遺址土出現(xiàn)不同程度的開裂、剝落和泛堿等現(xiàn)象.研究表明，毛細(xì)水引發(fā)的干濕循環(huán)會(huì)改變土體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，對(duì)土體具有一定的劣化作用［1?4］.如何優(yōu)化開封城墻修復(fù)土的配合比，有效解決地下水分、鹽分對(duì)開封城墻和墻基夯土的侵蝕，并在提高土遺址力學(xué)性能的同時(shí)，注重改善其水理性質(zhì)是修復(fù)土遺址的關(guān)鍵問題.

在人類早期的建筑活動(dòng)中，石灰是最早被使用的膠凝材料之一［5］，被古人大量用于不可移動(dòng)文物的基礎(chǔ)夯土加固.相關(guān)學(xué)者在加固現(xiàn)存土遺址時(shí)，為減少現(xiàn)代建筑痕跡，選用石灰與其他材料共同加固，如：有機(jī)硅、粉煤灰、纖維等，這在提高土遺址力學(xué)性能和抗風(fēng)化方面效果顯著［6?9］.在改善土遺址水理性質(zhì)方面，相關(guān)學(xué)者從材料選擇和加固方式入手，進(jìn)一步探索土遺址的加固和保護(hù)方法，研究結(jié)果對(duì)土遺址防水抗?jié)B具有重要指導(dǎo)意義［6，10?13］.然而，由于加固材料的屬性不能盡善盡美，對(duì)土遺址加固效果各不相同，個(gè)別土遺址經(jīng)加固后會(huì)出現(xiàn)“泛白”、抗凍融性能較差等問題.

眾學(xué)者的研究成果在一定程度上推動(dòng)了土體改良及提高力學(xué)性能等方面的研究，但能同時(shí)提高土遺址力學(xué)性能和水理性質(zhì)的研究不多，尤其以粉質(zhì)黏土為主進(jìn)行土遺址配合比的研究較少.本文以開封城墻修復(fù)土為研究對(duì)象，基于開封氣候特征變化，采用甲基硅酸鈉、石灰和膠粉作為外加劑，通過正交試驗(yàn)優(yōu)化修復(fù)土的配合比，以期提高修復(fù)土的力學(xué)性能和耐水性能.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

土取自開封城墻附近，根據(jù)GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，測(cè)得其為粉質(zhì)黏土（素土），天然含水率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的含水率、摻量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為13.20%，塑限為21.03%，液限為37.63%，塑性指數(shù)為16.6，最大干密度為1.68 g/cm3，最優(yōu)含水率為14.32%.外加劑中：石灰的相對(duì)分子質(zhì)量為56.08，CaO 含量不低于98%，灼蝕量為2%；甲基硅酸鈉的pH 值為12～14；膠粉為可再分散聚合物乳膠粉.

1.2 試驗(yàn)方案

采用3 因素4 水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)：3 因素為甲基硅酸鈉、石灰、膠粉，分別記為因素A、B、C；4 水平為甲基硅酸鈉、石灰、膠粉的4 個(gè)摻量，甲基硅酸鈉的摻量為1.0%、2.0%、3.0%、4.0%，石灰的摻量為1.0%、3.0%、5.0%、7.0%，膠粉的摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，將各摻量按從小到大的順序記為 水 平1、2、3、4.采 用 正 交 表L16（45），設(shè) 素 土（A0B0C0）為對(duì)照組，共17 組試樣.以黏聚力F、內(nèi)摩擦角θ和吸水質(zhì)量減少率w作為評(píng)價(jià)指標(biāo).

1.3 試樣制備

將素土烘干、碾碎、過篩去除雜質(zhì)后備用.石灰對(duì)試樣的含水率影響較大，根據(jù)GB/T 50123—2019分別對(duì)不同石灰摻量的修復(fù)土試樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn).采用擊實(shí)試驗(yàn)所得最優(yōu)含水率及最大干密度，將素土、甲基硅酸鈉、石灰、膠粉與純水按比例混合、攪拌均勻后密封靜置24 h.制備φ61.8×20.0 mm 試樣用于直接剪切試驗(yàn)，制備φ39.1×80.0 mm 試樣用于毛細(xì)吸水試驗(yàn)，每組試驗(yàn)均設(shè)置3 個(gè)平行試樣，結(jié)果取平均值.試樣制備后，放入20 ℃、相對(duì)濕度為90%的恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)28 d，使石灰、甲基硅酸鈉、膠粉與素土充分反應(yīng).

1.4 試驗(yàn)方法

采用北京華勘科技有限責(zé)任公司生產(chǎn)的全自動(dòng)直剪儀進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)，根據(jù)GB/T 50123—2019，設(shè)定剪切速率為0.8 mm/min，分別施加100、200、300、400 kPa 的垂直壓力.根據(jù)氣象資料顯示，開封市近20 a 夏季平均氣溫為26.9 ℃，平均相對(duì)濕度為69.6%，因此毛細(xì)吸水試驗(yàn)在27 ℃、相對(duì)濕度為70%的恒溫恒濕箱中進(jìn)行，以模擬夏季暴雨過程中城墻土底部積水及暴雨停止后雨水蒸發(fā)的過程，24 h后，測(cè)得每組試樣相對(duì)素土試樣的吸水質(zhì)量減少率.用賽默飛世爾FEI Quanta 250 環(huán)境掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)修復(fù)土最優(yōu)配合比與素土進(jìn)行微觀測(cè)試.

2 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

先采用極差分析法確定每種因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律和影響顯著性，再通過多功能系數(shù)分析對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行綜合考察評(píng)選.正交試驗(yàn)結(jié)果見表1，表中A1B1C1為甲基硅酸鈉、石灰、膠粉摻量分別為1.0%、1.0%、0.5%的修復(fù)土試樣，其他類推.

2.1 極差分析

對(duì)表1 中黏聚力、內(nèi)摩擦角、吸水質(zhì)量減少率等評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行極差分析，結(jié)果見表2，表中：Ki（i=1、2、3、4）為某個(gè)因素第i個(gè)水平的指標(biāo)之和；ki為其平均值；R為極差，極差越大，表明該試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，作用越顯著.由表2 中R的大小可以看出：對(duì)修復(fù)土黏聚力和內(nèi)摩擦角指標(biāo)的影響順序?yàn)槭遥灸z粉＞甲基硅酸鈉，對(duì)耐水性指標(biāo)的影響順序?yàn)榧谆杷徕c＞石灰＞膠粉；每個(gè)因素水平對(duì)應(yīng)的最大Ki值為該因素的最優(yōu)水平，滿足黏聚力、內(nèi)摩擦角和吸水質(zhì)量減少率的最優(yōu)配合比組合分別是A2B4C3、A1B3C1、A4B1C4.

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of orthogonal tests

表2 正交試驗(yàn)指標(biāo)分析Table 2 Index analysis of orthogonal tests

甲基硅酸鈉、石灰和膠粉在素土中會(huì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)反應(yīng)，從而改變了素土的性質(zhì)，使其力學(xué)性能及耐水性能得到提高.

甲基硅酸鈉對(duì)修復(fù)土黏聚力和內(nèi)摩擦角指標(biāo)的影響最小，對(duì)耐水性能指標(biāo)影響最大.與素土相比，隨著甲基硅酸鈉摻量的增大，修復(fù)土黏聚力呈先上升后下降的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角呈緩慢下降的趨勢(shì)，吸水質(zhì)量減少率呈逐步上升的趨勢(shì).甲基硅酸鈉分子中的甲基基團(tuán)是常見的疏水基團(tuán)，可以在修復(fù)土顆粒表面形成憎水層，具有微膨脹、增加密實(shí)度的功能［14］.甲基硅酸鈉與水、CO2反應(yīng)生成聚硅氧烷膜（［CH3SiO3/2］n），［CH3SiO3/2］n具有很強(qiáng)的憎水性，能使修復(fù)土顆粒表面的接觸角增大，提高其耐水性能，其化學(xué)反應(yīng)式為：

石灰可在土體中發(fā)生結(jié)晶作用和碳化反應(yīng)，生成Ca（OH）2晶體和CaCO3沉淀.Ca（OH）2晶體是一種強(qiáng)度較高的固體，能夠提高試樣的力學(xué)性能，部分生成的CaCO3能夠與土顆粒膠結(jié)，增大土樣密實(shí)度，減少其孔隙率，提高土顆粒間的結(jié)合力.隨著石灰摻量的增加，修復(fù)土黏聚力呈逐漸增大的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角呈先增大后減小的趨勢(shì)，吸水質(zhì)量減少率由59.77%降至46.65%，耐水性能呈下降趨勢(shì).這是由于所摻入的石灰未能全部發(fā)生結(jié)晶碳化，部分殘留在試樣中，使修復(fù)土顆粒之間的咬合摩擦力減?。?5?16］.試驗(yàn)結(jié)果從某種程度上驗(yàn)證了黏聚力和內(nèi)摩擦角成負(fù)相關(guān)性的推論［17?18］，且修復(fù)土試樣中可與甲基硅酸鈉反應(yīng)的CO2和水逐漸減少，甲基硅酸鈉無法生成足夠多的聚硅氧烷膜，導(dǎo)致試樣耐水性能減弱.下一步將探究不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境對(duì)修復(fù)土的影響.

膠粉對(duì)修復(fù)土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的影響僅次于石灰，隨著膠粉摻量的增大，修復(fù)土黏聚力呈先增大后減小的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角呈整體減小的趨勢(shì)，吸水質(zhì)量減少率呈逐漸增加的趨勢(shì).這是因?yàn)槟z粉增大了修復(fù)土顆粒間的膠結(jié)作用，減少了修復(fù)土顆粒之間的內(nèi)摩擦力，而膠粉與修復(fù)土顆粒膠結(jié)可提高土體的黏結(jié)性和密實(shí)度，使其耐水性能得到改善.

2.2 功效系數(shù)分析

功效系數(shù)法是把要考核的各項(xiàng)指標(biāo)按照多檔次標(biāo)準(zhǔn)，通過功效函數(shù)將各指標(biāo)轉(zhuǎn)化為可度量的評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)，對(duì)研究進(jìn)行總體評(píng)價(jià)的一種方法［19］.為綜合考察評(píng)選開封城墻修復(fù)土的評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用極大型變量單項(xiàng)功效系數(shù)計(jì)算公式，計(jì)算黏聚力、內(nèi)摩擦角、吸水質(zhì)量減少率的功效系數(shù)dF、dθ、dw.評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值越大，單項(xiàng)功效系數(shù)越大，修復(fù)土力學(xué)性能和水理性能越好.由于本研究目的在于提高開封城墻修復(fù)土力學(xué)性能和水理性質(zhì)，故將3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的單項(xiàng)功效系乘以相同的權(quán)重系數(shù)0.333 3，再進(jìn)行加和得到總功效系數(shù)D.功效系數(shù)結(jié)果見表3.由表3 可見，A2B3C4的總功效系數(shù)最高（85.39），這表明其具有較好的力學(xué)性能和耐水性能，總體性能最優(yōu).由此得到修復(fù)土的最優(yōu)配合比：甲基硅酸鈉、石灰、膠粉的摻量分別為2.0%、5.0%、2.0%.

表3 功效系數(shù)結(jié)果Table 3 Results of efficacy coefficient

2.3 微觀分析

素土和最優(yōu)配合比修復(fù)土試樣的SEM 照片見圖1.由圖1 可見：素土內(nèi)部孔隙率較大，土顆粒排布不均勻，顆粒級(jí)配不佳，導(dǎo)致顆粒間黏結(jié)作用較弱，且土顆粒表面黏結(jié)物較少；最優(yōu)配合比修復(fù)土試樣中，石灰、甲基硅酸鈉、膠粉及其反應(yīng)生成物填充了土顆粒之間的空隙，使土體骨架整體性得到提高，土顆粒間填充密實(shí)，顆粒級(jí)配改善較為明顯，從而降低了修復(fù)土試樣的孔隙率；最優(yōu)配合比修復(fù)土試樣表面存在絮狀物，可增強(qiáng)土顆粒間的膠結(jié)作用，從而提高土體的整體穩(wěn)定性.甲基硅酸鈉溶液中的硅酸鹽凝膠粒子在素土孔隙中起填充作用，石灰在土體內(nèi)反應(yīng)生成Ca（OH）2和CaCO3晶體，膠粉生成的膠凝物質(zhì)使分散的土顆粒黏結(jié)成整體，在這幾種因素作用下，有效提高了修復(fù)土力學(xué)性能與耐水性能.

圖1 素土及最優(yōu)配合比修復(fù)土的SEM 照片F(xiàn)ig.1 SEM images of A0B0C0 and restoration soil with optimum mixture ratio

3 結(jié)論

（1）甲基硅酸鈉、石灰、膠粉的加入能有效提高開封城墻修復(fù)土的力學(xué)性能和耐水性能.隨著甲基硅酸鈉摻量的增加，修復(fù)土的黏聚力呈先上升后下降的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角呈緩慢下降的趨勢(shì)，耐水性能呈增大趨勢(shì)；隨著石灰摻量的增加，修復(fù)土的黏聚力和內(nèi)摩擦角有不同程度的提高，耐水性能呈下降趨勢(shì)；隨著膠粉摻量的增加，修復(fù)土的黏聚力呈先增大后減少的趨勢(shì)，內(nèi)摩擦角整體呈減小的趨勢(shì)，耐水性能呈增大趨勢(shì).

（2）通過正交試驗(yàn)，開封城墻修復(fù)土黏聚力、內(nèi)摩擦角指標(biāo)的影響順序?yàn)槭遥灸z粉＞甲基硅酸鈉，對(duì)耐水性能指標(biāo)的影響順序?yàn)榧谆杷徕c＞石灰＞膠粉.

（3）修復(fù)土黏聚力最佳的最優(yōu)配合比為：甲基硅酸鈉摻量2.0%、石灰摻量7.0%、膠粉摻量1.5%；內(nèi)摩擦角最佳的最優(yōu)配合比為：甲基硅酸鈉摻量1.0%、石灰摻量5.0%、膠粉摻量0.5%；耐水性能最佳的最優(yōu)配合比為：甲基硅酸鈉摻量4.0%、石灰摻量1.0%、膠粉摻量2.0%.采用功效系數(shù)法評(píng)價(jià)得出綜合性能最優(yōu)的修復(fù)土配合比為：甲基硅酸鈉摻量2.0%、石灰摻量5.0%、膠粉摻量2.0%.最優(yōu)配合比修復(fù)土骨架整體性得到提高，顆粒級(jí)配改善較為明顯，土顆粒間填充密實(shí)，土樣孔隙率降低，可有效提高修復(fù)土的力學(xué)性能和耐水性能.