麻刀灰漿力學性能及微觀試驗研究

劉德明；強天偉；李麗；田閏樂

（西安工程大學城市規劃與市政工程學院，西安710048）

0 引言

歷史建筑大多采用砌體、生土或生土外包砌體結構，分布極為廣泛。近年來隨著國家經濟和文化的發展，人們對歷史建筑的保護越來越重視，然而已有砌體結構保護方法很難滿足歷史建筑性能保護的需要，亟需尋求一種盡量不影響歷史建筑外貌和歷史信息的結構性能增強的方法[1-3]。

近年來，國內外學者對古建筑結構的方法保護進行了不斷地實踐和研究。陳平等[4-5]運用ANSYS 對大象寺塔進行了詳細的計算與穩定性分析，對古塔結構性能進行綜合評判。

參照歷史文獻材料和制作工藝，選取麻刀灰漿，進行配合比試驗，通過相似性模擬分析與正交試驗設計，進行相應的力學性能試驗和分析，最后進行電鏡試驗，為古建筑加固保護提供參考。

1 古建筑灰漿立方體抗壓試驗

1.1 試驗設備

本實驗在西北農林科技大學建筑工程學院實驗室完成，儀器為微機控制電子萬能試驗機、70.7mm×70.7mm×70.7mm 三聯試模，試驗儀器及模具如圖1 所示。

圖1 試驗儀器及模具

1.2 古建筑灰漿的配合比設計

本試驗的材料乃依據文獻與案例進行選擇，而各材料的配比用量也是基于此定出基準[6-8]，參考依據根據北庭故城城墻。麻刀灰漿配合比及編號如表1 所示。

表1 麻刀灰漿配合比及編號

1.3 古建筑灰漿試塊的制作與養護

麻刀泥中白灰與土拌勻后加水成泥，然后摻入麻刀，其中泥∶麻刀為100:3。設計了3 組試件，分別為M、MA 和MB，每組 6 個。試件幾何尺寸為 70.7mm×70.7mm×70.7mm，試件制作后靜止2d 后對試件進行編號、拆模，在自然條件下養護至規定齡期28d。

1.4 古建筑灰漿立方體抗壓試驗過程

圖2 是麻刀灰漿立方體受壓破壞過程，可以看出，試塊在受到壓力時，在表面產生與壓力方向相同的豎向細微裂縫，隨著荷載的增大，中間變形變大，試件整體被壓扁，由于麻刀的存在，起著增強連接材料的作用，試塊整體性較好。未摻麻刀試塊Mb、Mc 受荷后，首先在表面產生豎向裂縫，隨著荷載增加，裂縫由表面向內部發展，發生片狀剝落，試件Mb 在加載過程中，側面產生豎向裂縫，變形較大，試件破壞時整體性較好。摻麻刀試塊M、Ma 受到壓力以后，產生整體變形，繼續加載，試塊被壓扁，表面比未加固試件完整，內部產生碎裂，試件M 在加載過程中，側面產生豎向裂縫，變形較大，試件破壞時整體性較好。

1.5 古建筑灰漿抗壓試驗結果

式中：f—立方體抗壓強度（MPa），精確到0.1MPa；Nu—試件破壞荷載（N）；A—試件承壓面積（mm2）；K—換算系數，取1.35。

圖2 麻刀灰漿試塊破壞形態

根據試驗值繪制應力—應變曲線，如圖3 所示。試驗開始加載，各組試件曲線變化較為緩慢，隨著繼續加載，各組試件的應力—應變關系基本一致，近似于線性變化，試件Ma2 的曲線斜率大于試件M2、Mb1 的斜率，說明試件Ma2 的彈性模量更大，抵抗變形的能力更好，隨著應力增加，應力—應變曲線斜率開始減小，應變迅速增大，試件裂縫增大，向內部發展，隨后達到其峰值應力，由應力—應變曲線可以看出，試件Ma2 的峰值應力和峰值應變最大。隨著應變增加，各組試件到達峰值應力后很快進入下降段，各組試件下降曲線均較為平緩，應力隨著應變的增加慢慢減小，塑形變形較大。

圖3 麻刀灰漿應力—應變曲線

表2 列出了麻刀灰漿立方體抗壓強度的主要結果。

表2 立方體抗壓試驗結果

①峰值應力。由表2 可以看出，對于麻刀灰漿試件M和Ma，說明使用麻刀會提高灰漿的強度，試件M 比試件Mb 提高了165.4%；試件Ma 比試件M 提高了125.11%。②峰值應變和極限應變。可以看出，對于麻刀灰漿來說，試件Mb 比試件M 的峰值應變提高了21.4%，極限應變提高了24.4%；試件Ma 比試件M 的峰值應變提高了14.3%，極限應變提高了20%。

2 麻刀灰漿加固機理分析

2.1 SEM 的樣品制備

本文主要通過掃描電鏡研究麻刀灰漿微觀結構的緊密程度和顆粒度的大小進行觀察研究，采用日立Flex SEM 1000 高分辨率場發射掃描電鏡，取放大倍 數 為 10000、5000、2000 的圖片分析研究。設備如圖4 所示。

2.2 SEM 的結果分析

為進一步研究灰漿試樣微觀作用機理。對不同配比的麻刀灰漿的試樣內部進行了掃描電鏡試驗。本文對灰漿材料表面形貌進行觀察拍照。試驗所得麻刀灰漿掃描電鏡圖片如圖5 所示。

圖4 高分辨率場發射掃描電鏡

圖5 麻刀灰漿電鏡圖

試樣MB 的孔隙率較小，而試樣M 和MA 的孔隙率則更大一些，麻刀灰粒表面呈均勻的網狀，說明麻刀的分布增加了漿體的孔隙率，但卻很好的起到了抑制裂縫開展的作用，在壓應力作用下，麻刀與土顆粒摩擦力較大，因而表現為抗壓強度增大。

3 總結

本文以試驗為基礎，通過微觀研究，得到麻刀灰漿的各項力學性能，主要結論如下：

①通過立方體抗壓試驗看出，麻刀泥試件整體性較好，被整體壓扁，對于麻刀灰漿試件M 和Ma，說明使用麻刀會提高灰漿的強度。②通過SEM 試驗可以看出，麻刀灰漿中麻刀被土體顆粒包圍，麻刀與土顆粒接觸，且麻刀增大了土體的孔隙，纖維結構能夠將土體中的孔隙連通，增大透氣性，此時，在壓應力作用下，麻刀與土顆粒摩擦力較大，因而表現為抗壓強度增大。