王曉嬌，戚承志，周理安，班力壬，朱守東，于航，趙發(fā)

（北京建筑大學 土木與交通工程學院，北京 100044）

0 引言

居庸關城墻使用的建筑材料大多為就地取材[1]，居庸關北關城城樓為明代建成，其內外檐墻多用巨磚、條 石等包砌，內填黃土、碎石[2]。近些年來，該城墻常常發(fā)生倒塌、裂縫等病害，除了雨雪等天氣原因導致外，也與城墻的外包磚強度及其本身內芯土強度的降低有關。

劉奕彤等[3]研究了改性材料摻量對土體抗壓強度的影響，由此得到生土材料強度最優(yōu)的配合比。楊永等[4]通過對比單摻和復摻試驗，得出有利于土體強度提高的生土改性材料石灰、礦渣和粉煤灰的最佳比例。雷志君等[5]研究了養(yǎng)護齡期對生土基材料強度的影響，結果表明，生土基材料的強度隨養(yǎng)護齡期的延長而提高。Sivadasan和Kodi[6]利用瓊脂生物高分子材料對砂土進行改性，結果表明，改性砂土的無側限抗壓強度隨著養(yǎng)護時間的延長呈提高趨勢。馬奇等[7]研究了羧甲基纖維素鈉摻量和不同含水率對生土抗壓強度的影響，得到了較高強度下試件制備的最優(yōu)含水率。林澍等[8]研究了初始含水率對吹填土強度的影響，結果表明，隨土樣初始含水率的增加，強度大致呈對數關系降低。Faisal等[9]通過室內試驗研究了泥炭土的初始含水率與其強度的關系，結果表明，降低泥炭土的初始含水率可以提高其強度，減小其壓縮變形量。葉萬軍等[10]研究了初始含水率對膨脹土力學性能的影響，結果表明，初始含水率與土體的抗剪強度呈負相關。何國榮等[11]研究了水泥土在水中養(yǎng)護和在包膜濕潤條件下養(yǎng)護時試件強度的變化，結果表明，包膜條件下養(yǎng)護的試件強度略低于水中養(yǎng)護的試件。

以上學者對影響改性土體強度的因素進行了研究，包括改性材料的配比、養(yǎng)護時間、土體的初始含水率，包膜或套袋養(yǎng)護等，但是就改性材料城墻廢舊青磚磨制的再生微粉對生土改性研究較少，摻加該再生微粉后土樣在自然條件養(yǎng)護或包膜和套袋養(yǎng)護，這2種不同養(yǎng)護條件對試件強度影響的研究也較少。對于居庸關城墻內芯土摻入廢舊城墻磚再生微粉后，其強度與再生微粉摻量、含水率、養(yǎng)護時間等因素的規(guī)律研究沒有很好地開展。

本文將城墻廢棄的青磚進行加工，磨制成微粉應用到城墻加固中，研究了再生微粉摻量、土體含水率變化、試件是否包膜進行養(yǎng)護、養(yǎng)護時間變化等因素對城墻內芯土試件無側限抗壓強度的影響，通過試驗并結合應力-應變曲線選出適合城墻內芯土強度提高的最優(yōu)條件和最佳再生微粉摻量，為實際城墻保護工程提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗材料及儀器設備

查閱相關文獻[1]可知，居庸關城墻內芯土多為就地取材，故試驗用土是在居庸關長城附近就地采集的土樣。城墻所用青磚由黏土燒制而成[12]，試驗所用青磚（見圖1）為實地調研收集的城墻維修中拆除下來的建筑垃圾，經過實驗室機械粉磨制成再生微粉。粉磨過程中，先將較大的青磚破碎成較小的塊狀，放入烘箱中于105℃烘8 h，再放入ZHM-1-250振動磨機中粉磨30 min，得到粒徑小于0.75 mm的再生微粉。試驗用水為自來水。

無側限抗壓強度試驗所使用的主要設備為SLB-1型應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀。

1.2 試件設計與制備

試件為直徑39.1 mm、高80 mm的圓柱體。未摻再生微粉土體的擊實試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，城墻內芯土的最優(yōu)含水率為12.1%。因此含水率試驗中，試件設計如表1所示，并設置平行對照試樣。

表1 再生微粉摻量與含水率試驗設計

試件包膜以及養(yǎng)護時間試驗設計如表2所示。

表2 再生微粉摻量與包膜與否以及養(yǎng)護時間試驗設計

1.3 試驗過程

（1）試件外套橡皮套，其上下面緊貼不透水石，之后置于載物臺。測力環(huán)系數為10.807 N/0.01 mm，與外部壓力罩上部接觸，之后進行控制臺設置。

（2）在電腦上設置相應的參數對試驗進行控制。對試件編號后選擇UU試驗（不固結不排水試驗），根據量力環(huán)輸入載荷系數1.0807N/μm，結束條件選擇最大變形量（mm），輸入值為16 mm，采樣方式選擇按變形量0.1 mm。

（3）對不同再生微粉摻量、不同含水率、包膜與不包膜以及不同養(yǎng)護時間的試件進行無側限抗壓強度試驗。

2 試驗結果和討論

2.1 無側限抗壓強度試驗破壞現(xiàn)象

再生微粉摻量為10%、含水率為12.1%時，包膜以及不包膜養(yǎng)護7 d試件經過無側限抗壓強度試驗后的破壞情況如圖3所示。

由圖3可見，包膜養(yǎng)護下試件多出現(xiàn)鼓脹型的破壞；而不包膜養(yǎng)護下試件主要出現(xiàn)斜截面劈裂型的破壞。

2.2 不同再生微粉摻量和含水率試件無側限抗壓強度試驗結果與分析（見圖4）

由圖4可見：

（1）再生微粉摻量為10%時，含水率為10.1%、11.1%、12.1%的試件無側限抗壓強度相差不大；含水率為13.1%的試件無側限抗壓強度最高；含水率為14.1%的試件無側限抗壓強度最低。當再生微粉摻量為20%時，含水率為10.1%～11.1%的試件無側限抗壓強度相差不大；含水率為13.1%的試件無側限抗壓強度最高；含水率為14.1%的試件無側限抗壓強度最低。當再生微粉摻量為30%時，隨含水率的增加，無側限抗壓強度逐漸提高，含水率為14.1%的試件無側限抗壓強度最高。

（2）含水率為10.1%～13.1%時，隨再生微粉摻量從10%增加到30%，試件的無側限抗壓強度均呈逐漸降低的趨勢；而含水率為14.1%時，隨再生微粉摻量從10%增加到30%，試件的無側限抗壓強度呈逐漸提高的趨勢。這可能是因為再生微粉由廢棄青磚磨制而成，其具有較強的吸水能力，在滿足其本身的吸水能力狀態(tài)下，達到一定程度時再生微粉的粘結力才能發(fā)揮出來。在低含水率時，再生微粉的粘結力沒有得到充分發(fā)揮，城墻內芯土雖然具有一定的粘聚力，但因為水分的不足，不能很好地與再生微粉粘合，故受壓時兩者的土顆粒之間摩擦力較小。當含水率增加至14.1%時，再生微粉摻量為30%的土體固化反應加強，試件的粘聚力和摩擦力均提高，土骨架結構可以有效承受外部的荷載作用[13]，試件無側限抗壓強度提高。

（3）由擊實試驗可知，未摻再生微粉的城墻內芯土最優(yōu)含水率為12.1%（試件的無側限抗壓強度為146.0 kPa），控制含水率為不變量12.1%時，隨著再生微粉摻量從0增加到30%，試件的無側限抗壓強度先提高后降低。

（4）再生微粉具有較強的吸水能力，故含水率對試件的無側限抗壓強度影響較大。當再生微粉摻量大于15%時，含水率大于13.1%才可使試件強度提高；當采用相同含水率12.1%制備試件時，則再生微粉摻量不超過15%對試件強度更有利。

2.3 包膜試驗結果與分析

控制試件含水率為12.1%，不同再生微粉摻量7 d內不包膜試件質量隨時間的變化見圖5，包膜試件質量隨時間的變化見圖6。

由圖5可以看出，不包膜養(yǎng)護條件下，前3 d試件質量逐漸減小，并且減小的速率也較大，而3 d后質量又有增大的趨勢，這是試驗期間天氣下雨導致空氣潮濕，吸收了空氣中的水分所致。

由圖6可以看出，包膜養(yǎng)護條件下，隨著時間的延長，各組試件的質量幾乎不變。

圖7為初始含水率為12.1%時，不同再生微粉摻量包膜試件與不包膜試件的7 d無側限抗壓強度對比。

由圖7可見，未摻再生微粉時，包膜與不包膜試件的無側限抗壓強度相差較大，隨著再生微粉摻量的增加，兩者強度差值逐漸縮小。由圖7擬合得到不包膜試件7 d無側限抗壓強度y與再生微粉摻量x之間的函數關系為：

擬合公式的相關性系數為1，表明土體的無側限抗壓強度與再生微粉摻量具有很大的相關性。

對于包膜試件，7 d無側限抗壓強度隨著再生微粉摻量的增加變化不大，只在再生微粉摻量為20%左右出現(xiàn)略微提高趨勢。對于不包膜試件，7 d無側限抗壓強度隨著再生微粉摻量增加呈明顯下降的趨勢，尤其當再生微粉摻量為30%時，其無側限抗壓強度已經接近包膜時的強度。

由此可知，不包膜的自然狀態(tài)下養(yǎng)護與包膜狀態(tài)下養(yǎng)護對試件的強度影響較大。包膜時試件的含水率基本不變，而不包膜時試件的含水率是變化的（見圖5），天氣較干燥則含水率不斷降低，偶爾下雨天空氣潮濕又會使含水率略微增加。包膜時強度變化不大，是在含水率相同情況下，初始含水率一直保持不變，在薄膜包裹中水分能夠更好地浸潤土和再生微粉，使再生微粉與土更好地結合到一起。不包膜時試件強度提高的主要原因是干燥過程中隨含水率降低試件內部不斷增大的粘聚力作用所致[14]。但是隨著再生微粉摻量的增加，不包膜試件的無側限抗壓強度逐漸降低，主要是因為試件的初始含水率沒有使再生微粉和重塑土產生較強的粘聚力，之后含水率降低，導致強度也越來越低。綜上，試件初始含水率為12.1%時，不包膜養(yǎng)護下未摻再生微粉的試件無側限抗壓強度最高。

2.4 養(yǎng)護時間的影響與分析

研究養(yǎng)護時間對試件的無側限抗壓強度的影響時，設置0 d組（未經養(yǎng)護的試件）與7 d組，7 d組包括包膜養(yǎng)護與不包膜養(yǎng)護2種情況。初始含水率為12.1%時，不同再生微粉摻量在以上條件下的無側限抗壓強度如圖8所示。

由圖8可以看出，未摻再生微粉時，試件包膜養(yǎng)護0 d的無側限抗壓強度與包膜養(yǎng)護7 d時較為接近，但與不包膜養(yǎng)護7 d的無側限抗壓強度相差較大。相同再生微粉摻量時，試件包膜養(yǎng)護7 d與養(yǎng)護0 d的無側限抗壓強度相比略有提高，但二者的值仍接近。隨著再生微粉摻量的增加，不包膜養(yǎng)護7d試件的無側限抗壓強度出現(xiàn)大幅度下降，直到再生微粉摻量為30%時，其值接近包膜養(yǎng)護0 d與7d時的無側限抗壓強度。

在包膜養(yǎng)護0 d與7 d條件下，試件的無側限抗壓強度幾乎沒有很大變化，這是因為初始含水率的變化較小，所以土顆粒之間的粘聚力并沒有明顯提高。不包膜養(yǎng)護7d時，試件含水率在自然狀態(tài)下蒸發(fā)，增加了顆粒之間的粘聚力。初始含水率為12.1%、再生微粉摻量為30%時，不包膜養(yǎng)護7 d試件的無側限抗壓強度高于包膜養(yǎng)護7 d的試件，但相比其它再生微粉摻量的試件，包膜與不包膜養(yǎng)護7 d的無側限抗壓強度增加值變小。

包膜養(yǎng)護時，無側限抗壓強度在再生微粉摻量大于20%時略有下降；不包膜養(yǎng)護時，無側限抗壓強度在再生微粉摻量大于10%時出現(xiàn)明顯下降。所以，考慮養(yǎng)護時間，當試件中再生微粉摻量為10%左右時，不包膜養(yǎng)護7d比包膜養(yǎng)護0 d的無側限抗壓強度要高。

2.5 應力-應變關系

不同再生微粉摻量土樣不包膜養(yǎng)護0 d時的應力-應變曲線如圖9所示。

由圖9（a）可見，未摻再生微粉的土樣在軸向壓力下發(fā)生彈塑性變形，屬于應變硬化曲線，即隨著軸向荷載的增加，應力與應變的增量都為正值。根據劍橋模型，應力在土體的屈服面以內只發(fā)生彈性變形，應力變化超過屈服面以后土體就會發(fā)生塑性變形[15]。由圖9（b）可見，再生微粉摻量為10%時土體的彈性模量比未摻再生微粉的土體略有增大，土樣的抵抗彈性變形能力有所提高，這是因為再生微粉與土顆粒之間的摩擦咬合力得到提高，并且其三維空間結構體系也發(fā)揮作用[16]。從微觀上，土體的分子與分子之間的鍵合強度也有所提高。但是峰值過后，土體呈現(xiàn)了軟化的塑性變形趨勢，可能因為原本的結構在達到應力最大后發(fā)生了破壞，顆粒之間產生裂隙，具有一定拉力，而微粉和土體之間雖然粘結力較強，但兩者之間的抗拉能力是較弱的，因此后期的延性有下降趨勢。由圖9（c）可見，再生微粉摻量為20%時，土體表現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象，即峰值后應力隨應變的增大明顯下降。表明再生微粉摻量較多時，土顆粒之間的結構開始發(fā)生變化，抵抗變形的能力降低，塑性階段的延性也減弱。由圖9（d）可見，再生微粉摻量為30%時，彈性階段強度降幅較大，僅能達到100 kPa左右，彈性模量也呈現(xiàn)降低趨勢。土體與再生微粉之間的粘結力因再生微粉摻量過多而大幅降低，土體的粘聚力受到再生微粉一定的干擾。

綜合來看，當再生微粉摻量為10%左右時，土樣的無側限抗壓強度和彈性模量有所提高，應力也能夠達到最大值，但當再生微粉摻量增加到20%和30%時，對抵抗外界荷載下的變形不利。建議實際工程中城墻內芯土摻加10%再生微粉，含水率應控制在13%左右，夯實后自然狀態(tài)養(yǎng)護7 d，這樣能夠使城墻整體強度更高。

3 結語

（1）再生微粉摻量和含水率均會影響土樣的無側限抗壓強度。當再生微粉摻量大于15%時，含水率大于13.1%才可使試件強度提高；當采用相同含水率12.1%制備試件時，則再生微粉摻量不超過15%對試件強度更有利。

（2）含水率為12.1%時，不包膜養(yǎng)護條件下試件的無側限抗壓強度遠高于包膜養(yǎng)護條件下，不包膜養(yǎng)護時無側限抗壓強度隨再生微粉摻量的增加逐漸降低。

（3）包膜養(yǎng)護0 d試件的無側限抗壓強度與包膜養(yǎng)護7 d的無側限抗壓強度接近，遠低于在不包膜狀態(tài)下自然養(yǎng)護7 d的試件，所以試件不包膜養(yǎng)護7 d更有利于強度的提高。

（4）分析應力-應變曲線可知，再生微粉摻量為10%左右時土樣的彈性模量最高，在達到峰值后延性也較好，土體具有一定抵抗變形能力。

（5）建議實際工程中城墻內芯土摻加10%再生微粉，含水率應控制在13%左右，夯實后自然狀態(tài)養(yǎng)護7 d，這樣能夠使城墻整體強度更高。