固化夯土材料强度特性与耐久性能试验

陈 哲，王 帅，徐 颖*，谭宇恒

(1. 天津大学建筑工程学院，天津 300072； 2. 中国水利电力对外有限公司，北京 100120)

夯土作为一种廉价而易制取的建筑材料，自商代沿用至今，在人类建筑发展史上发挥了重要的作用。现如今，以混凝土为主要构筑材料的建筑物在建筑结构中已趋于普遍，但在水泥的生产与建筑物拆除过程中，往往会对环境造成影响，与近些年来的节能减排的政策相悖。与此同时，作为一种古老的构筑技术，夯土技术以其取材易、无污染、可持续性好、保温隔热性能以及抗震性能优越等诸多优点，在当今建筑构筑方面又焕发了新的活力[1-3]。但对于土结构而言，其耐久性、安全性以及抗震性能也存在许多的缺陷，有必要对改性夯土材料进行进一步试验研究[4-6]。

中外学者就夯土材料的基本力学性能及其结构性能已展开了一系列研究。在改性夯土的加固方法方面，Corbin等[7]研究了改性夯土材料中纤维掺量对其力学性质的影响，发现存在最优纤维添量使得其无侧向抗压强度(unconfined compressive strength, UCS)最大；Ciancio等[8]研究了石灰掺量对夯土强度的影响，得出了使得无侧限抗压强度最大的最佳石灰掺量；彭道强[9]对水泥和石灰两种常用的改性试剂的改性效果进行了研究，发现添加水泥与石灰均使夯土抗压强度有不同程度的提高；以新型固化剂为夯土改良试剂，证实了其对夯土抗压强度的改善具有良好效果[10-11]。

在改性的夯土强度和耐久性研究方面，Consoli等[12]通过研究单轴抗压实验结果，总结出了强度与水泥含量、孔隙度和养护龄期等变量之间的关系；Rocha等[13]研究了粉煤灰、石灰含量以及孔隙度与石灰含量的比值等因子对夯土材料长期强度的影响，提出了强度增长的幂指数关系预测公式模型；王东星等[14]对掺入粉煤灰、水泥和石灰的固化淤泥进行试验，发现养护时间越长，适当的水泥掺量会增强其无侧限抗压强度；梁兰娣[15]研究发现随着干湿循环次数不同，对土楼夯土试样的质量、含水率及无侧限抗压强度的影响也不尽相同；孟庆明等[16]对夯土试块进行了干湿循环下的物理特性试验研究，发现干湿循环次数对夯土的质量、含水率以及强度有很大的影响；Narloch等[17]对矿物组成成分不同的水泥固化夯土进行压缩试验，发现不同矿物组成成分对夯土材料抗压强度有不同影响程度；崔凯等[18]基于对夯土建筑遗址的赋存环境特征以及夯土物理力学性质的分析，发现干湿循环以及盐渍的共同作用是导致夯土结构劣化的重要原因。

综上所述，现有研究主要集中于不同固化剂类型和配比对于天然土夯土强度和耐久性能影响的定性研究，在其固化配合比以及加固方法等方面国内外学者也做了大量相关研究，其强度增长规律亦有涉及。但在固化夯土配合比方面，当前研究大多针对某一地区的生土材料进行加固，对于不同黏土矿物对固化夯土的强度以及耐久性影响规律的研究尚未深入涉及，夯土的固化反应机理和多种固化剂配合使用的加固效果也鲜有探究。

鉴于上述研究现状，现提出利用市面上常见的典型黏土矿物(膨润土、高岭土)与天然土为主要成分制作固化夯土试样，开展无侧限抗压试验和吸水试验，研究在不同配比固化剂加固条件和不同养护期条件下夯土试样的强度和物理力学参数变化规律以及耐久性能特征。此外在试验基础上还初步建立膨润土、高岭土夯土试样强度发展模型并讨论模型参数的物理意义与影响因素，这一研究对夯土材料的改性应用和夯土建筑的稳定性以及预测其性能变化行为，判断其相关影响因素，有重要的理论研究意义和工程应用价值。

1 试样制备及试验方案

1.1 原材料选用

选用多种市面上常见的建筑材料为原料作为试验材料，提出了三大类试样配比方案，即天然土试样、高岭土试样、膨润土试样。其中用到的原料有天然土、建筑河砂、水泥、高岭土、膨润土以及石灰等。

1.2 试验设备

选用自制经过改造的夯土器进行夯土试样的制作，可良好控制试样夯实度，如图 1(a)所示。该夯土器包含：成样模具筒、夯锤以及刻度尺等主要部件。并通过利用英国ELE公司生产的三轴测试系统来测试不同种类夯土试样的无侧向抗压强度，如图 1(b)所示。

图 1 夯土器及三轴试验测试系统Fig.1 Compactor and loading frame for UCS testing

1.3 试样制备

制备的夯土试样根据砂(60%、65%)、固化剂含量(0、5%)以及种类的不同共设置11种配合比，试验配合比方案如表 1所示，其中S代表天然砂，L代表石灰，C代表水泥，B代表膨润土，K代表高岭土，NS代表天然土。首先，需要根据设计方案确定不同配合比试样各组分原材料质量，并进行称重，继而按各自配合比混合且搅拌均匀，再将配好的湿土装入模具，并使用夯实器对其进行夯实。通过夯土器将试样加工成直径30mm、长度78mm的圆柱形试样。膨润土试样、高岭土试样和天然土试样的夯实度分别为95%、93%和95%。对于各种类型的试样来讲，夯实过程中需要尽量每层均匀夯实，以期达到试样每层的密实程度均一化，减小层理对试样力学性质的影响。

表 1 试验配合比方案Table1 Test design details of different blending ratios

每种配合比制备16个试样，分成4组分别进行3、7、28、56d的养护，且每组包含4个试样，共计制备171个夯土试样。对于养护至规定龄期的试样将其取出，迅速对其质量、高度、直径等参数进行测量。直径取4次测量的平均值，高度取2次测量的平均值，而后可以通过以上参数计算出试样密度。

1.4 试验方案

对11种不同配比方案、4种不同养护龄期的试样分别开展无侧限抗压强度试验和吸水试验。

无侧限抗压强度试验：将经过测量的养护试样小心取出，迅速平整稳定地放置于三轴试验系统的底座的正中心上，以防止试样水分与环境发生交换而发生再平衡，以及试验过程中由于泊松效应造成试样底面超过底座轮廓造成的应力不均匀以及出现剪应力等不利状况的发生。放置前，需要对仪器底座顶端以及顶端荷载试样帽底端涂抹润滑剂(凡士林)以减少应力集中。试验过程中，加载率控制在0.5%/min，当应变达到10%时，停止加载。试验结束后，将试样小心取出，回收并妥善保存试样。并对试验后的试样取样测其含水率。

吸水试验：将6个不同类型且已知质量的夯土试样置于已备好的去离子水或1mol/L氯化钠溶液中浸泡2h，液面高度为试样高度的1/10。随后将试样干燥并称重以确定其吸水质量以及质量损失。干燥后试样再次置于与之前相同的溶液中24h后，利用相同的方法进行干燥称重。经过2h吸水试验后的试样如图 2所示。

1#为天然土试样；2#为高岭土试样；3#为膨润土试样； A为石灰试样；B为水泥试样图 2 氯化钠溶液以及去离子水放置2h后的试样Fig.2 Specimens exposed for 2 h to NaCl solution and deionized water

2 试验结果及分析

2.1 粒度分布实验及其他物理力学指标

选用的天然土试样的颗粒级配曲线如图 3所示，计算可得所用天然土的不均匀系数Cu=42>5，曲率系数Cc=0.17，故该试样土的土粒不均匀，级配不连续。稠度试验以及相对密度试验的试验结果如表 2所示。

图 3 天然土颗粒级配曲线Fig.3 Grain-size distribution curve of natural soil

表 2 天然土的基本物理参数Table2 Basic physical properties of natural soil

按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[19]对于土的分类标准进行分类，试验所用天然土属于粉质黏性土。

2.2 无侧限抗压强度及其他物理力学指标结果及分析

2.2.1 膨润土

经过无侧限抗压试验，每种配合比的膨润土试样在不同养护龄期下的无侧限抗压强度、体积密度以及含水率的值，如图 4所示。

图 4 膨润土试样强度、密度、含水率与养护龄期关系Fig.4 The relationship of UCS，density and water content for bentonite specimen with curing time

总体来看，本试验试样的配比按照固化剂类别来讲可分为添加水泥类和未添加水泥类试样。未添加水泥试样中的固化剂为石灰，而水泥类试样中也有一组添加石灰。夯土材料作为混凝土的环保型替代材料，以天然河沙为补充材料，利用胶凝材料与黏土矿物之间的化学反应生成强度较高的胶结材料充当混凝土中水泥的作用，将砂石紧密结合在一起以增强其黏聚力。

从图 4中可以看出，不同配合比的试样的无侧限抗压强度随着养护龄期的增加而呈增长的趋势，增长幅度逐渐减小，最后逐渐应趋于稳定。此现象与实际情况相符合，即试样强度随着水化反应的逐渐完成，其强度逐渐提高，但强度不会无限制增加，存在一个最大强度。对比图4(b)、图4(c)配比试样强度试验结果：养护56d的含石灰的试样抗压强度约为含有水泥的试样的29%，表明固化剂中添加水泥的试样在强度方面明显优于添加石灰的试样，并且随着养护龄期的增长，固化剂为水泥的试样强度增幅较固化剂为石灰的试样要大。

图 5 高岭土试样强度、密度、含水率与养护龄期关系Fig.5 The relationship of UCS，density and water content for kaolinite specimens with curing time

水泥试样固化机制主要是发生水化反应以及火山灰反应，而石灰试样固化机制主要是水化反应、火山灰反应和碳酸化反应[20]。水泥的主要成分为3CaO·SiO2、2CaO·SiO2等，其发生水化反应消耗的水量和产生的Ca(OH)2的质量约为4︰1。火山灰反应中Ca(OH)2与水的摩尔质量比值的区间为1︰1.25～1︰3.25[21]。由计算可知，水泥完全反应需要的含水率为4%～6%，石灰完全反应需要的含水率为9%～17%，本试验膨润土试样含水率为10%～13%。蒙脱石具有较强的亲水性，土体中的水分部分吸附在黏粒表面，部分参与水化反应。对于添加水泥的固化试样来说，随着石灰含量的增加，水泥无法完全发生水化反应，试样强度有所下降；而未添加水泥类试样则呈现相反的规律，即随着石灰含量的增加，石灰水化反应程度增强，使夯土试样强度升高。由此说明，对于膨润土试样来说，石灰含量对不同类型固化剂的夯土材料的强度有着不同的影响。随着养护龄期的增长，其强度亦随着膨润土与固化剂反应产物的增加而增强。

2.2.2 高岭土

如图 5所示为每种配合比的高岭土试样在不同养护龄期下的无侧限抗压强度、体积密度以及含水率的值。与膨润土试样类似地，添加水泥类高岭土试样的强度要高于未添加水泥类试样。所有配合比的试样无侧限抗压强度值随着养护龄期的增加呈现先增加后减小的趋势。其原因可能是由于高岭土试样在养护过程中除了发生水化反应之外，强度增长后期碳化反应开始进行或起主导作用，使得高岭土试样的强度在后期存在衰减。碱性环境的变化也会对固化反应的产物产量造成影响，高岭土与固化剂反应过程中pH的变化改变了胶结物产量，从而影响强度变化。对于添加水泥类试样来说，无论在何种养护阶段，石灰含量的提高(0～5%)会使试样的强度有所提高。对于未添加水泥类试样来说，石灰含量的增加(5%～10%)反而会使试样强度降低。以上特征皆与相应的膨润土试样强度增长规律相反，其原因可能是由于高岭土与膨润土在经过水泥与石灰等固化剂固化时，其水化反应生成的胶结物结构或含量有所不同。

对比图5(a)、图5(b)可知，将石灰加入水泥试样中会使其强度增加约10%；对比图5(b)、图5(c)两组配合比的试样测试结果可以看出，随着养护龄期的增加，水泥的掺入会明显增强试样强度。整体而言，高岭土试样强度强于膨润土试样，原因可能是高岭土试样的亲水性远小于蒙脱石，可有更充足的水分参与水泥和石灰的水化反应，能对试样起到更好的胶结作用。

2.2.3 天然土

每种配合比的天然土试样在不同养护龄期下的无侧限抗压强度、体积密度以及含水率的值，如图 6所示。

图 6 天然土试样强度、密度、含水率与养护龄期关系Fig.6 The relationship of UCS，density and water content for natural soil specimens with curing time

由图 6可知，对于图6(a)、图6(c)中的配合比试样来说，试样的无侧限抗压强度随着养护龄期的增加基本上呈增加趋势，而图6(b)中的试样强度随着养护龄期先增加后减小。含水泥试样和含石灰试样强度随着养护时间的增加而增加，特别是在水化作用后期。

对比图6(a)、图6(b)，添加石灰并不能使试样强度提高，反而有所降低。添加水泥类试样的强度要高于未添加水泥类的试样。相同配比试样夯实度越高，试样抗压强度越大。根据试验结果，相同夯实度条件下，天然土试样的强度低于高岭石试样强度，但高于膨润土试样强度，且试样强度对配合比的敏感程度显著大于夯实度。总体而言，三类试样的含水率在养护过程中变化不大，膨润土试样的含水率相对稳定在17%左右，高岭土试样的含水率约相对稳定在11%，天然土试样则保持在4%左右。由于土样在固化过程中发生水化反应，会消耗部分孔隙水，但标准养护28d后，固化土样的水化反应速率会减慢，控制其含水率下降程度有限[22]。所有石灰类试样的体积密度要略高于水泥类试样，且二者随养护龄期的增加而变化不大。同类试样体积密度较低时，试样初始存在挤压作用，颗粒间较难发生滑移，内摩擦角增大，而体积密度较高时，试样更易产生裂隙，削弱了颗粒间的法向接触力，内摩擦角减小，更易发生破坏，强度更低。

2.3 吸水试验结果及分析

衡量夯土类材料耐久性的主要方法就是研究其在干湿循环下的质量损失[15]。夯土材料所处的潮湿环境可能含有无机盐离子，其中最为常见且对耐久性影响最大的就是氯化钠溶液。吸水试验将含有固化剂的膨润土、高岭土、天然土三类试样分别放置于去离子水以及浓度1mol/L氯化钠溶液中，且每类试样的固化剂类型分为水泥类和石灰类，以探究夯实试样在这两种环境下的耐久程度。

2.3.1 去离子水试验结果及分析

如表 3所示，试样置于去离子水中浸泡2h与24h后的干湿质量均有所变化。所有试样在浸泡2h后尚能保持完整的结构，而24h后仅有2、3、4号试样能够保证完整性，由于黏粒的存在，试样内部在干、湿循环过程中会产生干缩和湿胀变形，当变形产生的应力超过土体结构时就会在颗粒连接的薄弱环节处产生应力集中，产生裂缝继而造成固化试样结构破坏。已经溃散的试样，判定该试样的干、湿耐久性达不到要求。根据试验结果可以看出，相较于其他两种试样，膨润土试样的耐久度最差。添加水泥的高岭土的干湿质量损失最小，表现出最强的耐久度和抗风化能力。对比完整的试样2h与24h的质量损失变化量也可以得到水泥的固化效果强于石灰。

表 3 不同配合比试样浸于去离子水中后相对干湿质量损失率Table3 Relative dry and wet mass loss rates of specimens with different blending ratios after being exposed to deionized water

由黏土矿物的矿物组成分析可知，蒙脱石的比表面积(800m2/g)要远远大于高岭石(10m2/g)，加之膨润土和高岭土的主要成分分别为蒙脱石和高岭石。蒙脱石的晶胞活动性极大，水分子可以进入晶胞之间，具有极强的吸水性；高岭土晶胞之间存在氢键，具有较强的联结力，水分子不易进入[22]。因此，在浸泡条件下，膨润土试样对水分子的吸附能力更强且膨胀量更大，由于矿物表面被水分子包裹且厚度达到一定的程度，更容易造成了膨润土试样的垮塌，其耐久性也就越差。而高岭土试样由于吸水相对较少，使其结构更容易保持完整。在天然土试样中，由于其天然土中的黏土含量要少于其余两种试样，其添加石灰试样溃散可能是由于其黏土矿物含量过少，不足以与固化剂反应生成足够多的钙和硅的化合物以大幅度增强其黏聚力，因此其耐久度也很一般。另一个导致溃散的原因是由于水的侵入可能会使某些水溶性胶结物遇水溶解，导致其固化黏聚力减弱，且水的润滑作用也可能降低土粒之间的内摩阻力。

2.3.2 氯化钠溶液试验结果及分析

试样经过浓度1mol/L NaCl浸泡2h和24h的质量变化量如表 4所示。浸泡2h后，所有试样均能够保持完整，而24h后，仅有2、3、4、6号能够保持完整。与去离子水中的试验结果类似的，膨润土试样置于氯化钠溶液中的耐久度更差：与溶液接触24h后，试样整体出现分解垮塌，试样失去了颗粒之间的黏合结构，黏聚力消失。高岭土试样以及天然土试样(水泥为固化剂)在经过氯化钠溶液浸泡2h后表现出良好的耐久性，虽有一定的质量损失但试样结构完整。膨润土黏粒干缩和湿胀变形大于高岭土，干湿循环过程中更易剥落，耐久性更差[23]。然而，在浸泡24h后，除了含有水泥的试样，所有试样均出现不同程度的分解弱化现象。其弱化程度也与试样的配比与组分含量有关。其中含有天然土与石灰的试样完全解体，而含有天然土与水泥的试样，其在浸泡前后未有明显的质量损失，表明它们的结构稳定，整体性较好，抗风化能力更强。并且高岭土试样具有一定的抗风化能力：添加水泥的试样在24h浸泡后没有明显的弱化与质量损失，且没有出现天然土试样与膨润土试样一样的解体现象。

表 4 不同配合比试样浸于NaCl溶液中的相对 干湿质量损失率Table4 Relative dry and wet mass loss rates of specimens with different blending ratios after being exposed to NaCl solution

置于氯化钠溶液以及去离子水中的试样，根据其前后的质量改变量可以看出暴露于两种环境的试样的质量变化或反应与试样的配比、固化剂类型、固化剂成分暴露时间有关。综合而言，高岭土的耐久度要强于其余两组。

3 无侧限抗压强度增长模型分析与确立

为了得到膨润土试样随龄期变化的长期无侧限抗压强度增长模型，分别对不同配比条件下试样的无侧限抗压强度变化规律进行了非线性曲线拟合。图 7所示为不同配合比条件下膨润土试样强度的变化规律。

从图7中可以看出，不同配合比试样的无侧限抗压强度随着养护龄期的增加而呈增长的趋势，增长幅度逐渐减小，最后逐渐趋于稳定。强度随龄期的变化基本遵循函数y=a-bcx增长，且拟合结果的拟合优度R2都在96%以上，表明回归显著，具有很高的精度，如图 8所示。

图 7 不同配比膨润土试样强度-养护龄期关系Fig.7 The relations between UCS and curing time under different blending ratios of bentonite specimens

图 8 膨润土试样强度增长拟合曲线Fig.8 Strength growth fitting curve of bentonite specimens

图 9 不同配比高岭土试样强度-养护龄期关系Fig.9 The relations between UCS and curing time under different blending ratios of kaolinite specimens

养护时间t与无侧限抗压强度qu关系表示为

qu=a-bct

(1)

式(1)中：a、b、c为模型参数，0

表 5 膨润土模型函数拟合结果Table5 Fitting results of bentonite model function

在此假设随着养护龄期的增加，其无侧限抗压强度不会衰减，存在理论上的渐近线，即y=qult，qult为强度的极限值。当t→+∞时，qult=a；当t→0时，试样刚刚夯实完成未经养护的初始强度为q0，q0=qult-b。通过整理可得，膨润土试样无侧限抗压强度的拟合函数模型为

(2)

由拟合结果可知，对于某一配比的膨润土试样来说，c值为常数，因此可以判定c的取值与试样配比有关。同理，模型参数a、b也均与试样的配比密切相关。更进一步，由此可以引申出以下猜想：模型参数a、b、c除了与上述因素有关以外，还可能与试样的初始孔隙比、养护条件有关[12]。

图9 所示为不同配合比条件下高岭土试样强度的变化规律。从图9中可以看出，在56个养护龄期内不同配合比试样的无侧限抗压强度的增长规律分为两个阶段：增长阶段和衰减阶段。可以类比的黏性土的应变软化本构模型[24]，并找到一种与高岭土强度先随养护龄期快速增大，达到最大值后下降速率逐渐减小相类似的类似演化规律的特征函数模型为

(3)

式(3)中：qu为无侧限抗压强度；A、B、C、D均为模型参数，且A、B、C均大于0，而参数D<0，且1>A>B。

对高岭土试样无侧限抗压强度试验结果散点进行拟合，拟合优度R2如表 6所示。前两组配合比下的高岭土试样的拟合优度非常好，后两组配合比下的试样其拟合结果要稍差一些，其原因可能是试样强度过低，无侧限抗压强度试验的所用三轴仪的系统误差值相较于前者较大，因此拟合优度有所变化，如图 10所示。

表 6 高岭土模型函数拟合结果Table6 Fitting results of kaolinite model function

图 10 高岭土试样强度增长拟合曲线Fig.10 Strength growth fitting curve of kaolinite specimens

当t→+∞时，qult=C，其中qult表示高岭土强度经过衰减的最终值，根据现有研究成果来就看，在此先假设其强度衰减不会无限减小至0，而会最终停留在大于其初始强度q0的某个值；当t→0时，函数极限得到的是其未经养护的试样强度值为q0=e-D(eB-eA)A/(A-B)+C。推导可得qult>q0，与假设相符。根据拟合结果可知，模型参数A、B、C、D与土样的配合比有关，还可能与试样的初始孔隙比、养护条件有关。

4 结论

(1)不同配比的膨润土试样强度随养护龄期的增加而增强，且增长速率逐渐减小，而试样的体积密度与含水率则变化不大；不同配比的高岭土试样强度随养护龄期的增加呈先增加而后小幅衰减的规律，而试样体积密度与含水率则变化不大；水泥与石灰等量添加时，天然土试样强度随养护龄期变化先增加后减小，而其余配比的强度均随养护龄期增加而增强，而试样体积密度与含水率也变化不大。

(2)对于膨润土、高岭土、天然土3类黏土试样来说，水泥的固化效果要明显强于石灰，但其中石灰含量的变化对试样强度的影响效果各不相同。对于含水泥的膨润土试样，石灰含量的增加使强度降低，而对于不含水泥膨润土试样中，石灰含量增加使强度增加；对于含水泥的高岭土试样，石灰含量的增加使强度增加，而对于不含水泥高岭土试样中，石灰含量增加使强度降低；对于含水泥天然土试样，石灰含量的变化对养护28d后的试样强度有明显影响。

(3)在蒸馏水和氯化钠溶液实验中，高岭土试样的耐久度最佳，其次为天然土试样，最差为膨润土试样，且以水泥为固化剂的试样的耐久性能要强于以石灰为固化剂的试样。

(4)通过拟合得到膨润土试样的强度增长模型，强度随养护龄期的增加而增长，增长幅度逐渐减小且最后趋于稳定；拟合得到的高岭土试样的强度增长模型可分为增长阶段和衰减阶段，模型参数取值与试样配合比有关。