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烧料礓石拌合遗址土浆液结石体室内试验研究

来源期刊:中南大学学报(自然科学版)2018年第6期

论文作者:谌文武 张克文 张景科 王东阳 周瑾 张起勇

文章页码:1519 - 1526

关键词:土遗址;烧料礓石;结石体;物理性质;水理性质

Key words:earthen sites; calcined ginger nuts; calculus body; physical properties; water properties

摘    要:为研究烧料礓石作为土遗址灌浆材料的可行性,以烧料礓石为灌浆基料,夏官营遗址土为拌合料,对烧料礓石浆液结石体试样进行物理性质、水理性质等室内试验。研究结果表明:拌合烧料礓石后,结石体粉粒增加、黏粒减少,砂粒变化不大;与拌合石英砂结石体相比,烧料礓石浆液结石体结构更致密,失水速度更慢;结石体具有很小的收缩率,其界限含水率有所增加,提高了土体的可塑性;结石体渗透系数小,耐崩解性能较强;烧料礓石内部组分与土粒、水分产生反应,使结石体的物理、水理性质发生了一定改变;结石体结构稳定、整体性好,且耐雨蚀能力强,是一种合适的土遗址灌浆材料。试验结果为烧料礓石应用于土遗址保护加固工程提供依据,施工时可根据裂隙灌浆需要优选使用。

Abstract: With the aim of finding theoretical basis for applying calcined ginger nuts to earthen sites, the calcined ginger nuts was used to reinforce earthen site of Xiaguanying as the grouting materials. The physical and water properties of the calcined ginger nuts were tested. The results show that after mixing calcined ginger nuts, the silt particle contents increases, while the clay particle contents decreases and the sand particle contents doesn’t change basically in calculus body, and the structure is more dense and water loss rate is slower compared with that of the calculus body mixed silicon. Calculus body has little shrinking and deforming capacity, which increases liquid and plastic limit, and improves the plasticity of soil. The calculus body is of small permeability and strong resistance to disintegration ability. The internal components of calcined ginger nuts react with the soil particles and water so that the physical and water properties of the solidified form change to some degree. The sample has good structural stability, integrity and water resistance. Therefore, it can be used as excellent grouting materials for earthen sites. The test results can provide the basis for the performance of calcined ginger nuts to reinforcement of earthen sites and the preferred ratio should be chosen on the basis of cracks case.



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DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.06.027

烧料礓石拌合遗址土浆液结石体室内试验研究

谌文武1, 2,张克文1, 2,张景科1, 2, 3,王东阳1, 2,周瑾1, 2,张起勇1, 2

(1. 兰州大学 土木工程与力学学院,甘肃 兰州,730000;

2. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室,甘肃 兰州,730000;

3. 兰州大学 丝绸之路经济带研究中心,甘肃 兰州,730000)

摘要:为研究烧料礓石作为土遗址灌浆材料的可行性,以烧料礓石为灌浆基料,夏官营遗址土为拌合料,对烧料礓石浆液结石体试样进行物理性质、水理性质等室内试验。研究结果表明:拌合烧料礓石后,结石体粉粒增加、黏粒减少,砂粒变化不大;与拌合石英砂结石体相比,烧料礓石浆液结石体结构更致密,失水速度更慢;结石体具有很小的收缩率,其界限含水率有所增加,提高了土体的可塑性;结石体渗透系数小,耐崩解性能较强;烧料礓石内部组分与土粒、水分产生反应,使结石体的物理、水理性质发生了一定改变;结石体结构稳定、整体性好,且耐雨蚀能力强,是一种合适的土遗址灌浆材料。试验结果为烧料礓石应用于土遗址保护加固工程提供依据,施工时可根据裂隙灌浆需要优选使用。

关键词:土遗址;烧料礓石;结石体;物理性质;水理性质

中图分类号:TU521             文献标志码:A         文章编号:1672-7207(2018)06-1519-07

Laboratory study on properties of calcined ginger nuts mixed with earthen sites’ soil for grouting materials

CHEN Wenwu1, 2, ZHANG Kewen1, 2, ZHANG Jingke1, 2, 3,WANG Dongyang1, 2, ZHOU Jin1, 2, ZHANG Qiyong1, 2

(1. School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;

2. Key Laboratory of Mechanics on Western Disaster and Environment, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

3. Silk Road Economic Belt Research Center, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)

Abstract: With the aim of finding theoretical basis for applying calcined ginger nuts to earthen sites, the calcined ginger nuts was used to reinforce earthen site of Xiaguanying as the grouting materials. The physical and water properties of the calcined ginger nuts were tested. The results show that after mixing calcined ginger nuts, the silt particle contents increases, while the clay particle contents decreases and the sand particle contents doesn’t change basically in calculus body, and the structure is more dense and water loss rate is slower compared with that of the calculus body mixed silicon. Calculus body has little shrinking and deforming capacity, which increases liquid and plastic limit, and improves the plasticity of soil. The calculus body is of small permeability and strong resistance to disintegration ability. The internal components of calcined ginger nuts react with the soil particles and water so that the physical and water properties of the solidified form change to some degree. The sample has good structural stability, integrity and water resistance. Therefore, it can be used as excellent grouting materials for earthen sites. The test results can provide the basis for the performance of calcined ginger nuts to reinforcement of earthen sites and the preferred ratio should be chosen on the basis of cracks case.

Key words: earthen sites; calcined ginger nuts; calculus body; physical properties; water properties

我国西北地区保存有大量的土遗址,这些土遗址承载了丰富的历史信息,是我国重要的文物资源[1]。得益于西北地区干旱少雨的气候,土遗址得以保存下来[2]。然而,在长期的自然环境和人类生产生活的影响下,土遗址发育有基础掏蚀、裂隙切割墙体、冲沟和大面积坍塌等病害[3-4]。裂隙是影响我国干旱半干旱区土遗址稳定性和完整性的主要病害之一,裂隙形成后导致墙体的崩塌和冲沟破坏[5]。目前,土遗址保护工程中针对裂隙的加固措施主要为锚固和灌浆2种方式。岩土工程中灌浆主要采用:黏土、石灰、水泥以及水玻璃等无机材料;环氧树脂以及丙烯酸胺等有机类灌浆材料;有机-无机复合材料等。由于传统灌浆材料往往存在一些不足,人们对新型灌浆材料及其性能开展了研究,并取得了很大进展[6-7]。国内针对土遗址灌浆材料的研究开始于20世纪80年代,将PS材料拌合粉煤灰应用于加固砂砾岩石窟取得成功[8-10]。随后敦煌研究院尝试将PS材料应用于土遗址保护中,综合分析PS浓度、模数对加固后遗址土物理力学性质的影响,研发了PS-(C+F)和PS-C等一系列土遗址灌浆材料,并在交河故城保护中取得了很好的效果,从而形成了系统的PS加固体系[11-13]。在国外,由德国联邦环保基金会资助研发的水硬性石灰材料(又称欧洲水硬石灰),兼具水硬和气硬的性质。国内将其应用于花山岩画保护加固中,取得了很好的效果[14-16]。近年来,浙江大学对传统石灰类材料糯米灰浆进行了微观加固机理、物理力学特征及耐久性试验研究,为不可移动文物基于传统石灰的加固材料和方法提供了新的思路[17-18]。敦煌研究院和中国文化遗产研究院合作,将我国传统硅酸盐建筑材料料礓石、阿嘎土进行改性(高温焙烧),使其同时含有水硬和气硬性。目前,在水硬性和气硬性材料与土相互作用的研究中,对于水泥土和灰土的研究在中最为普遍和深入[19-20]。而烧料礓石中含有的硅酸盐、硅铝酸盐以及氧化钙等与水泥、石灰材料的成分相近,因此,水泥和石灰与土体间相互作用对烧料礓石的研究有一定的指导意义。烧料礓石拌合石英砂浆液结石体物理力学性质研究表明,改性的料礓石和阿嘎土可用于修复加固土石质及砖陶质类等文物[20-24]。随着土遗址保护材料的进一步发展,将烧料礓石作为灌浆材料应用于土遗址中仍需进一步开展系统的室内试验研究。本文作者从烧料礓石拌合遗址土浆液的室内试验研究出发,对其浆液结石体试样分别进行物理、水理性质试验,分析烧料礓石作为土遗址灌浆材料的可行性,为其作为土遗址灌浆材料提供依据。研究结果对灌浆施工养护以及烧料礓石防治土遗址其他病害有重要意义。

1  材料与试样制备

1.1  试验材料

将高温焙烧后的料礓石过孔径75 μm筛。料礓石是产于我国大地湾遗址的第四纪黄土中沉积礓结石(当地称料礓石)。烧料礓石主要成分为水硬性组分(b-CaSiO3和Ca2Al2Si2O8)和气硬性组分(CaO)。其内部反应过程可描述如下[22]

水硬性:β-CaSiO3+nH2O→β-CaSiO3×nH2O    (1)

Ca2Al2Si2O8+nH2O→Ca2Al2Si2O8×nH2O      (2)

气硬性:CaO+H2O→Ca(OH)2              (3)

Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O         (4)

遗址土取自兰州市榆中县的宋代夏官营古城,根据GB/T 50123—1999“土工试验方法标准”对夏官营遗址土进行基本试验,该土为砂质粉土。其天然含水率为1.62%,天然密度为1.51 g/cm3,干密度为1.49 g/cm3,孔隙率为44.8%。

1.2  试样制备

将遗址土风干后过孔径为1 mm筛,将烧料礓石与遗址土以不同质量比拌合,根据裂隙注浆施工工艺及浆液流动性要求确定适宜的水灰比。按照GB/T 17671—1999“水泥胶砂强度检验方法(ISO法)”及JGJ/T 70—2009“建筑砂浆基本性能试验方法标准”进行试验,试样养护龄期均为28 d,每组试验设3组平行样。表1所示为浆液材料及性质。

表1  浆液材料及性质

Table 1  Grouting material and properties

2  试验结果与分析

2.1  物理性质

2.1.1  颗粒分析试验

将结石体试样研碎后作颗粒分析试验,图1所示为结石体与遗址土颗粒粒径分布曲线。由图1可见:拌合烧料礓石的结石体相较于遗址土而言,粉粒(粒度为0.005~0.075 mm)增加,黏粒(粒度<0.005 mm)减少。这主要是由于土粒中具有活性的成分与水接触后生成的硅酸盐及氢氧化钙等凝胶体,凝胶体表面的Na2+和K+与烧料礓石水化反应生成的Ca2+发生吸附交换,黏粒表面扩散层变薄,分散性降低,从而使土中的小颗粒逐渐变为大团粒,最终改变结石体的颗粒组分[25]

图2所示为结石体粉粒和黏粒质量分数变化。烧料礓石颗粒主要为粉粒,粒径集中于0.015~0.080 mm,如不考虑与土粒之间的相互作用,拌合后混合土体内粉粒的质量分数要小于实际拌合粉粒的质量分数,而黏粒反之。由图2可见:颗分试验结果很好地说明了烧料礓石与土粒之间产生的反应,不仅在一定程度上改变了结石体内部土粒组分,而且改变了其物理及水理性能。

图1  颗粒粒径分布曲线

Fig. 1  Particle size distribution curves

图2  粉粒和黏粒质量分数

Fig. 2  Mass fraction of silt and clay particle

2.1.2  含水率试验

分别测试结石体3,7,14和28 d龄期的含水率,试样长×宽×高为160 mm×40 mm×40 mm。

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