不同种类纤维加筋对地仗层改性试验研究

时间：2024-12-27

游菁，严绍军，2，崔德山，农明艳

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074；2.陕西省文物保护研究院，西安 710075）

0 引言

地仗层是壁画、造像艺术的重要物质载体，它是支撑体表面和颜料层的分界面［1］。纤维加筋土是将土体中植入一定比例、长度的纤维，充分拌匀后形成的土木复合材料。相关试验证明纤维加筋后的土体强度得到提升，因而纤维加筋土在众多领域广泛应用。纤维加筋材料可分为两大类，人工合成纤维和自然纤维［2］。现有地仗层加筋研究大多适用于壁画地仗层的修补，对造像地仗的修补研究较少。同时，壁画地仗加筋多以麦草、棉、麻等自然纤维为主［3-7］，人工合成纤维的应用较少。因此，研究以泥塑地仗层为研究对象，采用现代碳纤维和传统麻刀纤维进行加筋试验，分析两种纤维对地仗层力学性质和干缩控制性能的影响，探究地仗层的加固机理，进而为优化地仗层的修复工艺提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 实验材料

试验材料包括试验土体和纤维。试验土体为辽宁义县某辽代造像地仗层，通过土的颗粒分析试验确定试验土体为粉质黏土。将试样土体用自动烘干箱烘干，对烘干后的土体进行人工研碎，过1mm筛备用。土体指标如表1所示。

表1 试验土体的物理力学性质

马赞峰［8］对莫高窟壁画地仗层修补材料进行筛选，碳纤维是比较适合的地仗修补材料。改性试验选取麻纤维和碳纤维，综合马赞峰［8］及杜文凤［3］地仗修补试验中纤维长度，将纤维长度定为7mm，其性能指标如表2所示。

表2 纤维的物理力学性质

1.2 试验方案

在纤维的掺入量上，采用体积比控制麻刀与碳纤维的用量，试验掺入体积量为0%、0.5%、0.75%和1.0%的纤维，即麻纤维质量百分比为0.5%、0.75%和1.0%，碳纤维质量百分比为0.57%、0.85%和1.13%。试样制作过程严格按照《土工试验》相关规范及传统地仗层制作工艺进行，重塑土样内径为39.1mm，高度为80mm，试样的含水率为25%，略大于土体的塑限19.06%。将试样置于三轴仪饱和器中存放5d，确保水、土及纤维充分浸润后，制作重塑样，并压实成型。取出成型试样置于空气中养护，逐日记录试样质量、形变数据，待数据稳定后，对试样进行无侧限抗压强度等测试试验。

2 试验结果

2.1 试样的无侧限抗压强度

按上述试验方案进行无侧限抗压强度试验，试验数据如表3所示。

表3 无侧限抗压强度试验结果

图1为无侧限抗压强度与不同纤维掺入量的关系曲线，随纤维掺入量增加，试样的无侧限抗压强度先升高后降低，改性试样强度仍远高于素土试样。其中碳纤维加筋试样最大抗压强度为素土试样强度的2.13倍，麻纤维加筋试样最大抗压强度为素土试样强度的1.49倍。同一纤维掺量下，碳纤维加筋试样的无侧限抗压强度均大于麻纤维加筋试样，其中纤维掺量为0.75%时，纤维加筋土的无侧限抗压强度最大。

图1 无侧限抗压强度与纤维种类的关系

图2为同一纤维掺量下，不同纤维改性试样强度对比，当纤维掺入量分别为0.5%、0.75%和1.0%时，碳纤维加筋土体强度为麻纤维加筋土体强度的1.4倍、1.42倍和1.38倍，碳纤维加筋土体的抗压强度提高效果更明显。

图2 麻纤维与碳纤维无侧限抗压强度的对比

2.2 试样的质量、形变监测

素土试样在加筋处理后，处于饱水状态，进行无侧限抗压强度前，需在自然条件下风干，直至改性试样质量与形变趋于稳定。对干燥过程中的试样进行质量和形变监测，研究纤维改性土体后，土体抵抗干缩形变的能力，监测数据如表4和表5所示。

表4 试样质量衰减率

表5 试样轴向收缩率

掺入纤维改性土体的一个重要目的就是控制施工期间地仗层的收缩开裂。对于麻纤维加筋试样，当纤维掺入量为0.5%和0.75%时，麻纤维加筋试样的轴向收缩变形比素土试样的小。麻纤维的加入能改善土体干缩情况，当麻纤维掺入量为0.75%时，轴向收缩率较素土试样减少了17%左右，但当麻纤维掺入量为1.0%时，试样反而干缩更明显。

对于碳纤维加筋试样，使用碳纤维加筋后，试样的轴向收缩率均高于素土试样，在纤维掺入量相同的情况下，麻纤维加筋试样比碳纤维加筋试样的轴向收缩率相对要小。当纤维掺入量为0.75%时，碳纤维加筋试样的轴向收缩率最小，是素土纤维试样的1.04倍，是麻纤维加筋试样的1.27倍。当碳纤维掺入量为0.5%和0.75%时，试样轴向收缩率相差不大，掺入量为0.75%的碳纤维试样轴向收缩率略低于掺入量为0.5%的碳纤维试样，可推测纤维掺入量为0.5%和0.75之间可能存在轴向收缩率更小的情况。由图3和图4可知，纤维加筋试样在养护过程中，试样轴向收缩率-时间曲线呈抛物线状，轴向收缩率随养护时间的增加而增大，最终趋于稳定。

图3 轴向收缩率与麻纤维掺入量的关系

图4 轴向收缩率与碳纤维掺入量的关系

由图5和图6可知，养护期间土体质量逐日减少，土体损失的质量为土体内的水分，质量衰减率及为脱水率。同时，土体失水干缩导致试样发生形变，其轴向收缩率与质量衰减存在相关性，图5为轴向收缩率-脱水率曲线。对于同种纤维加筋试样，其质量衰减率越小，脱水率越低，对应的轴向收缩率越小；对于趋于稳定后的同一质量衰减率，0.75%纤维掺入量的加筋试样轴向收缩率最小，1.0%纤维掺入量的加筋试样轴向收缩率最大。

图5 麻纤维-脱水率与轴向收缩率的关系

图6 碳纤维-脱水率与轴向收缩率的关系

3 试验分析

3.1 纤维加筋对强度的影响

纤维对土体抗压强度的提升效果主要取决于筋-土界面的作用强度和纤维自身的抗拉强度［9］。筋-土界面之间的力学作用分为黏接和摩擦两种形式，表现为界面的黏结力和摩擦力，其作用效果受土质条件和界面接触条件的双重影响［10］。筋-土界面的作用力来自纤维表面与黏土颗粒的相互作用，纤维在土体内随机分布，纤维表面附着黏土，纤维之间相互交织与缠绕，当受到外部压力时，土体中纤维之间发生相对位移，纤维的存在对土体起到了有效的约束作用。摩擦力的影响因素有摩擦系数、正应力、含水量、颗粒级配和有效接触面积等［11］，纤维的存在增大了筋-土界面摩擦面积和界面摩擦力，能有效提高筋-土界面作用强度。在土体局部发生裂缝时，纤维承担起这部分土体上的拉应力，延缓了裂缝的发展和防止整个结构的断裂破坏，使试样的破坏形式变为较稳定的塑性渐变破坏，提高加筋试样的承载力［12］。纤维掺入量较少时，试样内纤维之间不易形成网状结构，对土体约束有限。随着纤维掺入量增大，加筋土体的抗压强度随之增大，但土体中纤维含量过多时，纤维之间容易交织，甚至结团，这导致纤维之间的接触面增大，筋-土摩擦面积相对减少，最终使得界面摩擦力降低，加筋土体抗压强度降低。

碳纤维与麻纤维加筋试样的抗压效果存在的差异，是由于不同种类纤维有着不同的表面物理性质，土体颗粒与加筋纤维间产生了差异性的接触效果［13］。碳纤维不存在吸水效应，而麻纤维具有吸水和脱水效应，养护过程中，加筋试样中麻纤维脱水干缩，导致麻纤维与土体缠绕和咬合作用效果降低；进行无侧限抗压试验时，加筋试样抵抗变形破坏，容易形成应力集中现象，而麻纤维抗拉强度远低于碳纤维，受力拉伸变细，甚至部分麻纤维断裂，导致土与纤维粘接能力降低，所以加筋试样在进行无侧限抗压试验时，碳纤维加筋试样无侧限抗压强度更大。

3.2 纤维对脱水形变的影响

加筋试样在养护期间的质量衰减即为土体内水分的蒸发，土体中水分蒸发过程基本上可以分为3个阶段：常速率、减速率和残余阶段［14］。对应的土体脱水收缩形变过程基本上可以分为急速收缩阶段、减速收缩阶段和残余收缩阶段3个阶段。

根据试验数据可知，麻纤维加筋试样能有效减少脱水导致的形变，是因为麻纤维属于天然材料，具有吸水性和透气性，其吸湿性能好、散水性能快，能有效提高加筋试样脱水均匀性。加筋后的养护过程中，麻纤维提供了水蒸发通道，降低了土体不均匀干缩导致变形量。碳纤维加筋试样轴向收缩率高于素土试样的原因可归结为：碳纤维属于人工合成材料，材料本身强度高、耐高温性能好，但不具备吸水性，无法改善土体脱水后的不均匀干缩情况。碳纤维与土体搅拌过程中，碳纤维与土颗粒的亲和力差，碳纤维在土体中容易富集，降低了纤维对变形的限制效果。

当纤维掺入量过大时，可能导致土样中单个麻纤维和土颗粒的粘结数量减少，土颗粒与纤维界面的粘结效果变差，加筋试样的初始孔隙比偏高，纤维之间会存在孔隙薄膜水而没有土颗粒。当水分由外向里蒸发时，纤维之间会失去相互粘结作用而发生少量滑移，少部分土颗粒随之发生移动，过量的纤维聚集在土体内部容易形成很多缺陷和薄弱面，从降低了纤维的空间交织与弯曲加筋作用，影响试样的脱水收缩形变。