干湿循环作用下EICP固化仿遗址土的耐久性.pdf
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1、第1 8卷 第1 0期2 0 2 3年1 0月中 国 科 技 论 文C H I N AS C I E N C E P A P E RV o l.1 8N o.1 0O c t.2 0 2 3干湿循环作用下E I C P固化仿遗址土的耐久性张建伟1,董 悦1,李贝贝1,石 磊1,吴禄源1,韩智光1,任克彬2(1.河南大学土木建筑学院,河南开封4 7 5 0 0 4;2.河南省文物建筑保护研究院,郑州4 5 0 0 0 2)摘 要:为了研究遗址土在毛细水干湿循环过程中的稳定性,采用大豆脲酶诱导碳酸钙沉淀(e n z y m e i n d u c e dc a r b o n a t ep r e
2、 c i p i-t a t i o n,E I C P)技术抑制遗址土的劣化。以开封市尉氏县阮籍啸台土遗址为研究对象,自制仿遗址土,并进行室内干湿循环模拟试验,研究不同循环次数及不同胶结液浓度下仿遗址土试样的外观、质量和无侧限抗压强度的变化,并结合扫描电子显微镜(s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e,S E M)从微观层面分析E I C P技术固化仿遗址土的机理。结果表明:随着干湿循环次数的增加,E I C P加固试样的质量损失较少,结构稳定性较好,无侧限抗压强度降低幅度较低;S E M结果显示E I C P加固试样的内部生成了碳
3、酸钙晶体,起到胶结和填充土颗粒的作用,从而提高了固化土的强度。关键词:E I C P技术;仿遗址土;固化;干湿循环;微观分析中图分类号:T U 4 1 1.3 文献标志码:A文章编号:2 0 9 5 2 7 8 3(2 0 2 3)1 0 1 0 4 9 0 7开放科学(资源服务)标识码(O S I D):D u r a b i l i t yo f i m i t a t e d s i t e s o i l s o l i d i f i i o nb yE I C Pu n d e r d r y-w e t c y c l e sZ HA N GJ i a n w e i1,D O
4、N GY u e1,L IB e i b e i1,S H IL e i1,WUL u y u a n1,HA NZ h i g u a n g1,R E NK e b i n2(1.S c h o o l o fC i v i l a n dA r c h i t e c t u r a lE n g i n e e r i n g,H e n a nU n i v e r s i t y,K a i f e n g,H e n a n4 7 5 0 0 4,C h i n a;2.H e n a nP r o v i n c i a lA r c h i t e c t u r a lH
5、e r i t a g eP r o t e c t i o na n dR e s e a r c hI n s t i t u t e,Z h e n g z h o u4 5 0 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t os t u d y t h e s t a b i l i t yo f t h e s i t e s o i l i n t h ep r o c e s s o f c a p i l l a r yw a t e r d r y-w e t c y c l e s,t h e t e c h n o l o
6、g yo f e n z y m ei n d u c e dc a r b o n a t e p r e c i p i t a t i o n(E I C P)w a s e m p l o y e d t o e f f e c t i v e l y i n h i b i t t h e d e t e r i o r a t i o n o f t h e s i t e s o i l.I n t h i s p a p e r,t h eR u-a n j iX i a o t a i s i t e i nW e i s h i c o u n t y,K a i f e
7、n g c i t y,w a s t a k e n a s t h e r e s e a r c ho b j e c t,t h e s i t e s o i lw a s s e l f-m a d e,a n d t h e i n d o o r d r y-w e t c y c l e s i m u l a t i o n t e s tw a s c o n d u c t e d.T h e c h a n g e s o f t h e a p p e a r a n c e,q u a l i t y a n du n c o n f i n e d c o m
8、p r e s s i v e s t r e n g t ho f t h e i m i-t a t i o ns i t e s o i l s a m p l e su n d e r d i f f e r e n t c y c l e s a n dd i f f e r e n t c e m e n t c o n c e n t r a t i o nw e r e s t u d i e d,a n d t h em e c h a n i s mo fE I C Pt e c h-n o l o g yc u r i n g t h e i m i t a t i o
9、ns i t e s o i lw a s a n a l y z e d f r o mt h em i c r o s c o p i c l e v e l b yc o m b i n i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e(S E M).T h e r e s u l t s s h o wt h a tw i t h t h e i n c r e a s e o f d r yw e t c y c l e s,t h em a s s l o s s o f E I C Ps t r e n g t h e
10、n e d s p e c i m e n s i s r e d u c e d,t h e s t r u c t u r-a l s t a b i l i t yg e t sb e t t e r,a n d l e s sd e c r e a s eo f t h eu n c o n f i n e d c o m p r e s s i v e s t r e n g t h i s o b s e r v e d.T h eS E Mr e s u l t s s h o wt h a t c a l c i u mc a r b o n a t e c r y s t a
11、 l s a r e f o r m e d i n t h e s a m p l e s s t r e n g t h e n e db yE I C P,w h i c hc o n t r i b u t e s i nt h ec e m e n t i n ga n df i l l i n go f s o i l p a r t i-c l e s,l e a d i n g t o t h e i m p r o v e m e n t o f t h e s t r e n g t ho f t h e s o l i d i f i e ds o i l.K e y w
12、 o r d s:E I C Pt e c h n o l o g y;i m i t a t i o ns i t e s o i l;s o l i d i f i c a t i o n;d r y-w e t c y c l e s;m i c r o s c o p i c a n a l y s i s收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 2基金项目:国家自然科学基金资助项目(4 2 1 7 7 4 5 4);河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目(2 0 1 9 G G J S 0 4 1);河南省研究生教育改革与质量提升工程项目(Y J S 2 0 2 1 J D 1 3)第一
13、作者:张建伟(1 9 8 1),男,教授,主要研究方向为微生物岩土矿化技术通信作者:吴禄源,讲师,主要研究方向为微生物矿化技术,w u l y m p h e n u.e d u.c n 土遗址大多数裸露于自然环境中,由于不断遭受各种自然因素的侵蚀破坏,其劣化程度随着时间的增长愈加严重,产生了诸如土体剥落、表土流失、掏蚀、失稳坍塌等病害现象。这些病害的原因大多与降雨积水、地下水位的反复升降所导致的干湿循环作用有关,因此,研究干湿循环作用下遗址土的劣化规律具有重要的理论与现实意义1-5。长期的干湿循环是引起遗址土耐久性降低的主要原因,许多学者已进行了大量研究:任克彬等6、孟庆明等7、G u a
14、n等8研究了干湿循环作用对不同遗址土体力学特性的影响规律,发现土体的抗剪强度和抗压强度随干湿循环次数的增加呈现先增后减的趋势;万勇等9、刘文化等1 0、R a y h a n i等1 1发现不同类别土样经过干湿循环后其力学特性发生了不可逆转化,并随干湿循环次数的增加,土样产生体积收缩,微裂缝数量增加;张虎元等1 2、张芳枝等1 3研究了遗址土在干湿循环作用下的耐久性变化规律,结果表明,随干湿循环次数的增加,遗址土的抗风蚀性能、抗水崩解性能均呈下降趋势。此外,对于遗址土而言,干湿循环作用下的孔隙分布变化也是引起土体微观结构和力学特性改变的重要原因。T a n g等1 4、C o r d e r
15、o等1 5、汪时机等1 6研究了干湿循环对土体裂隙发育的影响,发现随干湿循环次数的增加,土体内部裂隙不断发育、数量也不断增加并贯通,裂隙的扩散最终导致土体强度的降低;潘振兴等1 7、X u等1 8、M i j a r e s等1 9研究了干湿循环作用下的土体微观损伤,发现随干湿循环次数的增加,土壤颗粒的胶结作用减弱,土体内部孔隙数量增加;Y e等2 0、S a d i s u n等2 1研究了干湿循环对土壤结构修复的影响,发现收缩性良好的土体易中 国 科 技 论 文第1 8卷 对干湿循环做出响应,土壤强度随干湿循环次数的增加而逐渐降低。为提高遗址土在干湿循环后的耐久性,传统上采用有机或无机材料
16、进行加固的方式,但是多数材料存在耐水性差、收缩开裂严重等缺点,对遗址土本身造成伤害。近年来,越来越多的学者提出采用E I C P技术加固遗址土,E I C P技术利用植物中的脲酶催化尿素水解,与周围环境中的C a2+结合生成碳酸钙沉淀,在土体内部起到填充土颗粒孔隙的作用,以达到加固土体的目的。E I C P技术不需要引入微生物,是一种环境友好型且能实际应用的技术,具有天然无毒、绿色环保等优点2 2-2 5。综上所述,本文以开封市尉氏县阮籍啸台遗址土为研究对象,通过试验室内制备仿遗址土,采用E I C P技术加固仿遗址土进行室内试验,模拟遗址土的毛细水干湿循环过程,研究不同干湿循环次数下试样的外
17、观、质量、无侧限抗压强度的变化,并结合S E M从微观层面分析E I C P技术固化仿遗址土的机理。1 试验材料和试验方法1.1 试验材料1.1.1 土样性质本试验研究对象为阮籍啸台遗址土,阮籍啸台位于河南省开封市,是晋代阮籍舒啸处,如图1所示。啸台为黄土夯筑而成,夯层醒目,每层9c m,颜色呈黄色,土质较为坚硬,但由于风雨剥蚀和水土流失,破坏极为严重。图1 阮籍啸台土遗址现状F i g.1 C u r r e n t s t a t u so fR u a n j iX i a o t a i s i t e 阮籍啸台遗址作为省级保护单位,具有珍贵的价值且不可再生,根据文物保护原则2 6,试
18、验研究用土不可完全直接在原遗址上取用,对此拟选用一种人工制备的仿遗址土。通过室内土工试验对比开封黄河滩附近的土与阮籍啸台遗址土,结果见表1,可见,2种土的基本物理性质差别较小,同属于粉砂土。2种土的主要化合物质量分数对比见表2。因此,本试验选用开封黄河滩土在室内制作重塑土试样,对其进行土工试验分析。表1 开封粉砂土与阮籍啸台遗址土基本物理性质对比T a b l e 1 C o m p a r i s o no f b a s i cp h y s i c a l p r o p e r t i e sb e t w e e nK a i f e n gs i l t s o i l a n d
19、R u a n j iX i a o t a i s i t e s o i l土的种类天然密度/(gc m-3)天然含水率/%最优含水率/%最大干密度/(gc m-3)土类遗址土1.6 71.4 71 4.4 71.8 6粉砂土开封粉砂土1.5 17.4 01 5.5 21.7 1粉砂土表2 开封粉砂土与阮籍啸台遗址土中主要化合物质量分数对比T a b l e 2 C o m p a r i s o no fm a i nc o m p o u n d s i nK a i f e n gs i l t s o i l a n dR u a n j iX i a o t a i s i t
20、e s o i l土的种类质量分数/%S i O2A l2O3C a OC O2F e2O3K2OM g ON a2OT i O2遗址土6 0.71 4.73.8 66.6 45.4 43.5 62.3 41.3 70.9 3开封粉砂土5 7.61 1.99.3 97.4 35.2 43.0 92.1 81.4 80.9 81.1.2 仿遗址土的制备采用X射线荧光(X-r a yf l u o r e s c e n c e,X R F)光谱法对开封黄河滩土和阮籍啸台遗址土进行元素分析,试验结果中开封粉砂土和遗址土的主要化合物含量见表2。通过比较可知,2种土中的主要化合物为S i O2、A l
21、2O3、F e2O3、C O2、K2O、C a O、M g O,其中开封粉砂土中的S i O2、A l2O3、F e2O3、K2O、M g O含量低于阮籍啸台遗址土,因此,为了尽可能还原阮籍啸台遗址土,本研究通过在开封粉砂土中补充相对应量的S i O2、A l2O3、F e2O3、K2O、M g O来制备人工遗址土。本试验所采用的S i O2、A l2O3、F e2O3、M g O均呈粉末状,采用的黄河滩土需先筛去杂物,之后放入烘箱彻底干燥。根据表2中2种土的主要化合物含量差值,每1 0 0g开封粉砂土中需添加3.1 0gS i O2、2.8 0gA l2O3、0.2 0gF e2O3、0.1
22、 6gM g O配制阮籍啸台遗址土,搅拌均匀,制备过程如图2所示。图2 仿遗址土制备过程F i g.2 P r e p a r a t i o np r o c e s so f i m i t a t i o ns i t e s o i l1.2 试验方法1.2.1 大豆脲酶的提取取10 0 0g干燥大豆,放入4 0烘箱中烘烤6h,0501 第1 0期张建伟,等:干湿循环作用下E I C P固化仿遗址土的耐久性取出后采用多功能粉碎机粉碎,为保证粉碎的均匀性,分批多次进行,制得豆粉。随后取适量豆粉于洁净的烧杯中,按固液比1 1 0加入去离子水,使用磁力搅拌器不间断地搅拌3 0m i n。最后
23、将搅拌均匀的豆粉 溶 液 放 入 离 心 机 中,以30 0 0r/m i n离 心1 5m i n,收集上清液,即为大豆脲酶粗酶。采用电导率方 法 测 定 本 试 验 所 使 用 大 豆 脲 酶 活 性 约 为1 7.0 3mm o l/(Lm i n)。1.2.2 试样制备本试验选取0、0.2、0.4、0.6、0.8m o l/L这5组胶结液浓度,胶结液由尿素-氯化钙等体积均匀混合而成,将提取的大豆脲酶溶液与胶结液按照体积比1 1混合成为混合液。加固方法为拌和,在制备好的仿 遗 址 土 中 加 入 混 合 液 至 土 的 最 优 含 水 率1 4.4 7%,搅拌均匀,用塑料薄膜密封、湿毛巾
24、覆盖闷发1 2h。之后采用分层击实法制作试样,干密度控制在1.6 5g/c m3,试样规格为3 8mm 7 6mm,试验室内自然养护2 8d。值得注意的是,本试验中每组做2次平行试验,每次试验制作3个试样,以达到减少试验误差的效果。1.2.3 干湿循环试验方法实际环境中,土遗址根部在毛细水作用下产生竖向吸水增湿作用,之后受自然环境影响产生劣化。为模拟现场环境条件,干湿循环试验采用毛细水干湿循环的方法进行。整个试验分为增湿、脱湿2个过程。增湿过程:采用毛细吸水的方式进行模拟,如图3(a)所示,将养护完成后的试样称重后置于铁盘中的透水石上。试样底面与透水石之间放有滤纸,以防止试样底部的土体经过浸泡
25、后流失。向铁盘中加入去离子水,使其液面与最上层透水石的顶面(即土样的底面)保持平齐,将试样完全暴露在自然环境中,再通过毛细水的上升作用使试样吸水增重。前期试验发现,由不同胶结液浓度的E I C P溶液加固的土柱试样,毛细水上升至顶部并完全润湿试样所需时间最多为7h,为了使试样内部水分分布更加均匀,延长吸湿时间即设定增湿过程为1 2h。期间注意对铁盘进行补水,始终保持去离子水液面与透水石顶面保持平齐。图3 毛细水干湿循环过程F i g.3 D r y-w e t c y c l e sp r o c e s sd i a g r a mo f c a p i l l a r yw a t e r
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