浙江大学学报(工学版)

浙江大学学报(工学版), 2025, 59(3): 496-503 doi: 10.3785/j.issn.1008-973X.2025.03.007

交通工程、土木工程

桐油糯米复合灰浆强度试验及微观机理分析

唐晓武,, 向青青, 费敏亮, 李柯毅, 孙国平, 俞悦

1. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，浙江 杭州 310058

2. 浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心，浙江 杭州 310058

3. 浙江大学 岩土工程研究所，浙江 杭州 310058

4. 浙江省文物考古研究所，浙江 杭州 310014

5. 中国人民大学 公共管理学院，北京 100086

Strength test and microscopic mechanism analysis of tung oil sticky rice-lime composite mortar

TANG Xiaowu,, XIANG Qingqing, FEI Minliang, LI Keyi, SUN Guoping, YU Yue

1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

2. Engineering Research Center of Urban Underground Development of Zhejiang Province, Hangzhou 310058, China

3. Institute of Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

4. Zhejiang Institute of Cultural Relics and Archaeology, Hangzhou 310014, China

5. School of Public Administration and Policy, Renmin University of China, Beijing 100086, China

收稿日期: 2024-01-6  

基金资助: 浙江省文物保护科技资助项目（2023006）.

Received: 2024-01-6  

Fund supported: 浙江省文物保护科技资助项目（2023006）.

作者简介 About authors

唐晓武（1966—），男，教授，博导，从事土工合成材料、软土地基处理以及土遗址保护研究.orcid.org/0000-0002-0916-8761.E-mail：tangxiaowu@zju.edu.cn , E-mail：tangxiaowu@zju.edu.cn

摘要

为了土遗址的夯土修复，采用正交设计制作不同质量分数比（水∶桐油∶糯米浆∶石灰）的复合灰浆试样.经1 a遗址现场养护，以抗剪强度的2个力学指标（黏聚力、内摩擦角）评价桐油、糯米浆、石灰对粉土的加固效果，以获得最优质量分数比. 结果表明：当复合灰浆质量分数比为18∶5∶12∶10时，黏聚力最大；当质量分数比为9∶3∶5∶5时，内摩擦角最大. 对2组最优质量分数比的桐油糯米复合灰浆开展28 d内强度增长验证，利用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱、X射线衍射仪探究复合灰浆的协同改良机理. 2组复合灰浆在28 d龄期中，在黏聚力方面，最优质量分数比试样的黏聚力达到了正交试验最高组合1a龄期的98.6%；在内摩擦角方面，最优质量分数比试样的内摩擦角达到了正交试验最高组合1a龄期的97.8%. 结果被应用于发生剥离病害的遗址土体，获得了良好的加固效果，能为潮湿环境土遗址现场修复和保护提供参考.

关键词： 复合灰浆 ; 抗剪强度 ; 正交试验 ; 改良机理 ; 微观机制分析

Abstract

Orthogonal design was used to make composite mortar samples with different mass fraction ratios (moisture : tung oil : sticky rice : lime) for the tamping repair of earthen ruins. After one full year of on-site maintenance of the site, the reinforcement effects of tung oil, sticky rice pulp and lime on silt were evaluated by two mechanical indexes of shear strength, i. e. cohesion and internal friction angle, to obtain the optimal mass fraction ratios. Results showed that when the mass fraction ratio was 18 : 5 : 12 : 10, the cohesion was the largest. When the mass fraction ratio was 9 : 3 : 5 : 5, the internal friction angle was the largest. The intensity growth of the two groups of tung oil sticky rice-lime composite mortar was verified within 28 days, and the synergistic improvement mechanism of composite mortar was explored by scanning electron microscope, Fourier transform infrared spectroscopy and X-ray diffractometer. At the 28-day curing age, in terms of cohesion, the cohesion of the optimal mass fraction ratio specimen achieved 98.6% of the cohesion of the highest combination in the orthogonal experiment at the 1-year curing age; in terms of internal friction angle, the internal friction angle of the optimal mass fraction ratio specimen achieved 97.8% of the internal friction angle of the highest combination in the orthogonal experiment at the 1-year curing age. The results were applied locally to the soil of the site with stripping disease, and the results showed that the long-term restoration effect was good, and could provide some reference for the on-site restoration and protection of the soil site in the humid environment.

Keywords： composite mortar ; shear strength ; orthogonal test ; improved mechanism ; microscopic mechanism

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本文引用格式

唐晓武, 向青青, 费敏亮, 李柯毅, 孙国平, 俞悦. 桐油糯米复合灰浆强度试验及微观机理分析. 浙江大学学报(工学版)[J], 2025, 59(3): 496-503 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.03.007

TANG Xiaowu, XIANG Qingqing, FEI Minliang, LI Keyi, SUN Guoping, YU Yue. Strength test and microscopic mechanism analysis of tung oil sticky rice-lime composite mortar. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2025, 59(3): 496-503 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2025.03.007

潮湿环境土遗址是中华文明早期发展阶段的载体，具有重要的历史研究价值，须重点保护[1]. 但是，恶劣的赋存环境和脆弱的土体结构使潮湿环境土遗址易发生剥离、裂缝、粉化等病害，难以稳定实现保护性展示，因此潮湿环境土遗址保护成为文物保护工作中最为困难的课题之一[2-3]，对于土质遗址，可以通过添加修复材料以改善土体性质，以保持土遗址原貌.

现代材料[4-5]在土遗址修复中取得了一定成效，但存在耐候性差、微生物滋生及文物相容性较差等缺陷[6]. 作为传统无机胶凝材料，石灰因具备良好的保水、防潮和防腐功能，被应用于文化遗产保护. 在石灰中掺入有机材料[7-10]可弥补石灰干缩大、凝结硬化速度慢、强度低等不足[10]. 在开展含石灰的改良土体试验时，可采用正交试验分析各因素的协同改良效果[11]. 桐油改良后的灰浆的抗剪强度、抗Cl−侵蚀和耐冻融循环等性能得到明显改善[7]；在石灰中加入糯米浆后，表面硬度和抗压性能得到显著提高[9]. 采用传统无机与有机材料协同加固土体，在合理质量分数比下可实现性能上的优势互补.

复合材料的微观结构决定了宏观表现，可利用微观测试分析各材料性能上的互补优势. 唐晓武等[12]基于扫描电子显微镜（SEM）对未加固土和固化土进行表面形貌分析，证实桐油能在黏土表面形成附着良好的包膜层；张雅文[13]在蛋清灰浆中通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析出Ca2+与蛋清蛋白中的−OH之间发生配位作用；杨富巍等[14]利用X射线衍射仪（XRD）对糯米灰浆中碳酸钙晶体进行鉴定，确定其为方解石晶体. 探讨传统材料对土体改良的影响机制，对表面形貌、化学成分及物相结构进行表征，揭示桐油糯米复合灰浆的加固机理及验证试验的可靠性.

本研究为了实现土遗址剥离病害的现场夯土修复，采用正交设计制作不同质量分数比的复合灰浆，经1 a遗址现场养护，以抗剪强度的2个力学指标（黏聚力、内摩擦角）评价桐油、糯米浆、石灰复合灰浆对粉土的加固效果. 研究各因素对评价指标影响的主次顺序及显著性水平，以获得最优质量分数比. 对最优质量分数比桐油糯米复合灰浆开展28 d内强度增长验证，并结合微观手段探究3种材料之间的协同加固机理，将预制的桐油糯米复合灰浆应用于发生剥离的遗址土体表面后进行外观监测并记录，为潮湿环境下土遗址修复和保护提供参考.

1. 试验材料与方法

1.1. 试验材料

正交试验设计的原材料（见图1）包括粉土、生桐油、糯米粉、熟石灰和蒸馏水. 由于遗址土的稀缺性，不足以满足室内试验所用. 故选取与遗址土类似的杭州粉土开展试验，土性参数如表1所示. 图中，GS为土粒比重，wo为水的质量分数最优值，ρ为最大干密度，wL为液限，wP为塑限，c为黏聚力，φ为内摩擦角，与Fei等[15]采用土壤的一致.

图 1

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图 1   复合灰浆原材料

Fig.1   Raw materials for composite mortar


表 1   试验用杭州粉土基本土性参数[15]

Tab.1  Basic parameters of experimental Hangzhou silt [15]

参数数值参数数值
GS2.7wP/%24.2
wo/%20.48c/kPa14.1
ρ/（g·cm−3）1.59φ/（°）26.4
wL/%33.3——

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生桐油根据《Y/T 2865—2017 中华人民共和国林业行业标准》[16]所生产，产地为河南省大别山，主要由α-酮酸（质量分数为77%~82%）、油酸（3.5%~12.7%）和亚麻酸（8%~10%）组成[17]，α-酮酸不饱和度高，含有共轭双键、羧基酯，易发生氧化、聚合反应[18]. 生桐油在20 ℃时的性能指标如表2所示. 表中，Dr为相对密度，sv为皂化值，$\eta $为黏度，TKA为总酮酸质量分数.

表 2   生桐油的性能指标[16]

Tab.2  Performance indicators of raw tung oil[16]

外观Drsv/
（mg·g−1）		$\eta $/
（mPa·s）		TKA/%
透明液体0.9350~
0.9395		190~199200~350≥80

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糯米粉的主要成分为淀粉（质量分数为75%~77%），以支链淀粉为主[19]. 淀粉在加热糊化后，具有良好的胶结作用，使被改良土体结构更密实、防渗性能更好[20]. 熟石灰微溶于水，基本性质参照表3.

表 3   熟石灰的基本性能参数

Tab.3  Basic performance parameters of slaked lime

外观分子式相对分子质量粒径/μm酸碱性
白色粉末Ca(OH)274.091~2强碱

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1.2. 试验过程

根据《GB/T 50123—2019 土工试验方法标准》要求[21]，将粉土在105 ℃恒温下烘干8 h至质量不再发生变化，过2 mm土工圆孔筛.

在装有300 g蒸馏水的电饭锅中倒入200 g糯米粉，搅拌均匀成糯米质量分数为40%的糯米浆，加热10 min煮沸后充分糊化. 按比例将烘干的粉土与蒸馏水、生桐油、糯米浆及熟石灰混合，利用搅拌器将不同质量分数比的桐油糯米复合灰浆混合物拌合均匀后制样，利用内径为61.8 mm、高度为20 mm的环刀制样，夯实并称重，保持复合灰浆密度为（1.70±0.02）g/cm3. 如图2所示为遗址现场养护照片及养护环境参数. 图中，$\theta $为温度，RH为相对湿度，n为养护龄期，正交设计复合灰浆放置于田螺山遗址现场馆内进行1 a的养护（2021年10月1日−2022年9月30日），对温度及湿度进行持续监测，平均相对湿度为92.9%，平均温度为19.3 ℃.

图 2

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图 2   遗址现场养护照片及养护环境参数

Fig.2   Site on-site conservation photo and environment parameters


对于最优质量分数比的验证复合灰浆，制备工艺与养护条件与正交设计复合灰浆相同，自2022年11月3日置于养护室内进行养护，设置养护相对湿度为92.9%，温度为19.3 ℃，养护龄期设置为1、7、14、21、28 d.

1.3. 正交设计

正交设计选取土体中水的质量分数、桐油质量分数、糯米浆质量分数、石灰质量分数为4种关键因素，分别用wW、wT、wR、wL表示. 每个因素设置7个水平. 本试验采用4因素7水平正交表L49（74），如表4和图3所示. 在每个水平和因素下制备4个复合灰浆，通过直剪试验探究不同质量分数比的桐油糯米复合灰浆在不同水平下对黏聚力和内摩擦角的影响程度.

表 4   试验因素与水平表

Tab.4  Factors and level tables of test

水平因素
wW/%wT/%wR/%wL/%
112122
214244
316366
418488
52051010
62261212
72471414

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图 3

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图 3   各因素的不同水平下的质量分数

Fig.3   Mass fractions of different levels for each factor


结合质量法对桐油糯米复合灰浆质量分数比进行设计，通过以下公式计算各因素的质量：

$ {m}_{\mathrm{A}}={w}_{{\mathrm{W}}} {m}_{0} ,$

$ \begin{array}{c}{m}_{j}=\dfrac{{m}_{{\mathrm{A}}}{+m}_{0}}{{1-w}_{\mathrm{T}}-{w}_{\mathrm{R}}{-w}_{\mathrm{L}}}{w}_{j};\;{{j}}=\{{{\mathrm{T,R,L}}} \} .\end{array} $

式中：$ {m}_{\mathrm{A}} $为蒸馏水的质量，$ {w}_{{\mathrm{W}}} $为水的质量分数，$ {m}_{0} $为干土质量，$ {w}_{\mathrm{T}} $、$ {w}_{\mathrm{R}} $、$ {w}_{\mathrm{L}} $分别为桐油、糯米浆、石灰的质量分数，$ {m}_{\mathrm{{T}}}、{m}_{{\mathrm{R}}}、{m}_{{\mathrm{L}}} $分别为桐油、糯米浆或石灰的质量.

1.4. 直剪试验

参照《GB/T 50123—2019 土工试验方法标准》[21]，采用ZJ型应变控制式直剪仪，样品在不排水条件进行快剪，分别在100、200、300、400 kPa垂直压力下开展直剪试验，土样破坏时记录测力计读数，速率设置为0.8 mm/min，剪切过程连续且均匀，计算得到黏聚力c和内摩擦角φ.

1.5. 微观表征

针对最优质量分数比的验证复合灰浆，在内部几何中心位置取5 mm×5 mm×20 mm的块状样品进行105 ℃下的干燥，通过CRESSINGTON 108真空离子溅射仪对断面进行约20 nm的镀膜处理，置于JSM-7800F型扫描电子显微镜进行微观形貌观察. 在扫描完成后将样品（避开镀膜）研磨至0.075 mm粒度以下粉末以备用. 取1~2 g粉末样品和100 mg溴化钾放入玛瑙研体中，装入模具压制成片后采用Nicolet iS10型傅里叶变换红外光谱仪分析物质结构和鉴别化学物. 取50 mg粉末样品放入样品架凹槽，用载玻片轻压样品表面后刮平表面，放入Smart Lab型X射线衍射仪中进行矿物物相分析.

2. 正交试验分析

2.1. 极差分析

以基于抗剪强度的黏聚力和内摩擦角为指标，在49组桐油糯米复合灰浆抗剪强度的正交试验设计结果中，黏聚力最高为111.19 kPa，对应的质量分数比为18∶5∶2∶8，此时内摩擦角为25.00°；内摩擦角最高为32.00°，对应的质量分数比为12∶5∶10∶10，此时黏聚力为93.2 kPa.

如表5、6所示，对正交试验评价指标进行极差分析. 表中，K为49组正交试验中各因素在各水平下7个试验结果之和，$ \bar {k} $为试验结果的算数平均值，反映各因素各水平对评价指标的影响，值越大影响越大. 定义imax为最佳水平，即各因素$ \bar {k} $最大时对应的水平；R为各因素$ \bar {k} $最大值减去$ \bar {k} $最小值，反映各因素对评价指标的影响，值越高影响越大.结果表明，在土体中水的质量分数、桐油质量分数、糯米浆质量分数、石灰质量分数这4个关键因素中，若以黏聚力为评价指标，对应的最佳水平分别为4、5、6 、5，极差分别为48.73、51.11、11.42、14.22 kPa；若以内摩擦角为评价指标，对应的最佳水平分别为4、6、5、5，极差分别为9.22°、7.05°、2.86°、2.53°. 黏聚力最高对应的质量分数比为18∶5∶12∶10；内摩擦角最高对应的质量分数比为9∶3∶5∶5. 影响黏聚力变化的各因素主次顺序为桐油、水、石灰、糯米浆的质量分数；影响内摩擦角的依次为水、桐油、糯米浆、石灰的质量分数.

表 5   黏聚力极差分析结果

Tab.5  Results of range analysis of cohesion

水平K（c）/kPa$\bar{k} $（c）/kPa
wWwTwRwLwWwTwRwL
1388.85168.63309.61305.8355.5524.0944.2343.69
2351.61210.49321.72324.150.2330.0745.9646.30
3474.18267.05327.25329.3567.7438.1546.7547.05
4534.59388.71342.44380.4576.3755.5348.9254.35
5313.88526.4383.6405.3744.8475.2054.8057.91
6203.07433.58389.55371.6329.0161.9455.6553.09
7193.48464.87385.49342.9327.6466.4155.0748.99

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表 6   内摩擦角极差分析结果

Tab.6  Results of range analysis of internal friction angle

水平K$(\varphi)/\text{ (°)} $$\bar{k}(\varphi)/\text{ (°)} $
wWwTwRwLwWwTwRwL
1133.6395.76111.37115.6419.0913.6815.9116.52
2130.55104.02111.51112.9118.6514.8615.9316.13
3132.72110.81121.45119.3518.9615.8317.3517.05
4151.27111.65125.16118.6521.6115.9517.8816.95
5126.35144.34131.39130.6218.0520.6218.7718.66
693.17145.11128.1128.3113.3120.7318.318.33
786.73142.8125.51129.0112.3920.417.9318.43

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2.2. 效应曲线分析

如图4所示为抗剪强度的效应曲线图，可以更加直观地反映强度指标随因素水平的变化规律. 黏聚力和内摩擦角随各因素质量分数的增加，均呈现先增大后减小的趋势. 黏聚力和内摩擦角变化幅度随土体中水的质量分数和桐油的质量分数变化明显. 当水的质量分数和桐油的质量分数较小时，桐油糯米复合灰浆较干硬、流动性差，粉土不能被加固材料充分包裹，土颗粒结构密实度不高，黏聚力小，咬合约束作用与胶结性能都相对较差，内摩擦角小. 当水的质量分数和桐油的掺入质量分数较多时，颗粒表面能较为彻底地被包裹，不论是水膜还是油膜，颗粒间的接触转化为流体和颗粒的接触，提供了润滑作用，尤其是水膜蒸发后，固化的桐油膜替代水膜，显著减小了颗粒间的摩擦力，致使内摩擦角稳定在较小值.

图 4

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图 4   抗剪强度的效应曲线图

Fig.4   Effect graph of shear strength


2.3. 方差分析

如表7、8所示，选取95%置信度开展方差分析确定各因素对评价指标是否产生显著影响. 其中，SE为离差平方和；f为自由度，即可以自由变化值的个数；$ {\sigma }^{2} $ 为均方；F为组间均方与组内均方的比值；P为显著性；e为误差. 可以看出，对于黏聚力和内摩擦角，土体中水的质量分数和桐油的质量分数的影响均显著，而糯米浆和熟石灰的质量分数的影响均不显著. 糯米浆和石灰的质量分数的影响虽均未达到显著水平，但均方都大于误差值均方，表明试验结果是合理的，不是由试验误差导致的.

表 7   黏聚力方差分析结果

Tab.7  Results of variance analysis of cohesion

方差来源SE/(kPa)2f$ {\sigma }^{2} $/(kPa)2FP
wW14055.9562342.6614.21显著
wT16003.7562667.2916.18显著
wR991.856165.311.01—
wL1077.496179.581.09—
e3957.2824164.87——
总计36086.3249———

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表 8   内摩擦角方差分析结果

Tab.8  Results of variance analysis of internal friction angle

方差来源SE/（°）2f$ {\sigma }^{2} $/（°）2FP
wW467.09677.8520.17显著
wT387.51664.5816.74显著
wR52.9568.832.29—
wL43.6267.271.89—
e92.61243.86——
总计17522.8949———

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3. 微观机理分析

3.1. 表面形貌

如图5（a）、（b）所示为水、桐油、糯米浆、石灰的质量分数比分别为18∶5∶12∶10和9∶3∶5∶5的复合灰浆养护1 d后放大10000倍时的表面形貌（低倍率下无明显形态），在2种复合灰浆土颗粒表面能观察到其被桐油膜包裹，质量分数比为18∶5∶12∶10的复合灰浆中桐油包裹程度相对不显著，而质量分数比为9∶3∶5∶5的复合灰浆中未固化的桐油不仅将土颗粒胶结成团聚体，且呈现水滴状附着在颗粒表面.

图 5

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图 5   不同龄期桐油糯米复合灰浆的SEM图

Fig.5   SEM images of tung oil sticky rice-lime composite mortar at different ages


在第28 d时，从图5（c）、（d）可以看到，放大500倍时，质量分数比为18∶5∶12∶10的复合灰浆中桐油-糯米浆-熟石灰的相互联系更为紧密，形成了更高的黏聚力；质量分数比为9∶3∶5∶5的复合灰浆中颗粒团聚体表面更粗糙，颗粒间咬合作用更强，对应的内摩擦角更高. 如图5（e）、（f）所示，放大5000倍后，土颗粒表面有矿物生成，由于桐油和糯米浆是无晶型，结合XRD分析结果判断这些微小且均匀分布的颗粒为方解石晶体.

综合图5（a）~（f）可知，当蒸馏水、桐油、糯米浆、石灰与烘干粉土搅拌时，土颗粒紧密黏结在一起，形成致密互锁结构，大孔隙被胶凝材料和方解石填充，孔隙率降低，颗粒间的桐油膜和水膜都起到润滑效果，桐油能够团聚土颗粒并在表面形成油膜，改变颗粒间的直接接触形式，提高黏聚力，在养护1 d后，土体表面桐油膜相对光滑平整，光泽感强，表明流动性较好，且随养护龄期的增长而固化.

3.2. 物相分析

如图6所示为水、桐油、糯米浆、石灰的质量分数比分别为18∶5∶12∶10和9∶3∶5∶5的复合灰浆在不同龄期下的XRD图. 图中，P为各组分的质量分数. 可见石英、高岭石、白云母、方解石、熟石灰、钠长石为两者的主要矿物成分.

图 6

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图 6   桐油糯米复合灰浆矿物半定量分析

Fig.6   Phase semiquantitative analysis of tung oil sticky rice-lime composite mortar


方解石作为熟石灰碳化反应产物之一，在土颗粒表面附着并在颗粒间缝隙中填充，促进了抗剪强度的提升[22]. 相比于1 d养护期，28 d时质量分数为18∶5∶12∶10的复合灰浆中方解石晶体的半定量质量分数提高了1.4个百分点，而质量分数比为9∶3∶5∶5的复合灰浆中方解石晶体的半定量质量分数提高了2.1个百分点.在28 d养护期间时，质量分数比为9∶3∶5∶5的复合灰浆中方解石的质量分数比质量分数为18∶5∶12∶10的复合灰浆中的高0.5个百分点. 结果表明当3种材料都存在时，桐油比糯米浆更能促进方解石生成，结合图5（e）、（f）可知，糯米浆对方解石结晶的大小和形貌具有控制作用，能生成更为细致的方解石晶体[14].

3.3. 化学成分

如图7所示为质量分数比分别为18∶5∶12∶10和9∶3∶5∶5的复合灰浆在1 d和28 d时的傅里叶红外光谱测试结果，在不同养护龄期下官能团主要包括−OH、C−H、CO32−、Si−O以及C＝O[23-26] ，其中TR为透过率，k为波数.

图 7

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图 7   不同龄期桐油糯米复合灰浆的FTIR图谱

Fig.7   FTIR patterns of tung oil sticky rice-lime composite mortar at different ages


2 515.7~2 516.3、1 795.6~1796.4、1 428.3~1 429.9、873.8~874.2、777.5~778.2 cm−1处吸收峰为CO32−的特征峰[24]，被用于表征方解石质量分数的变化. 与养护1 d相比，28 d时2种复合灰浆的CO32−特征峰更明显，表明随龄期的增长方解石质量分数增加，这与XRD结果一致. 3 642.3~3 643.0、3 436.6 ~3 437.7 cm−1为−OH伸缩振动峰[23,25]，2种复合灰浆−OH峰值随龄期而变小，表明熟石灰参与了碳化反应，土体中水的质量分数也随之减少. 但强度却仍保持增长趋势，这是由于固化的桐油膜[7,18]和糯米浆代替了水膜，提高了土颗粒的力学性能. 而1 732.4~1 733.7 cm−1处为桐油与糯米浆中的C＝O伸缩振动吸收峰[26]，随养护时间增加峰值更明显，桐油在空气中暴露，不饱和脂肪酸会部分氧化，形成含有C＝O的产物.

4. 强度验证与现场原位修复

4.1. 抗剪强度验证

如图8所示为28 d内质量分数比分别为18∶5∶12∶10和9∶3∶5∶5的复合灰浆的黏聚力与内摩擦角随龄期的增长趋势. 黏聚力和内摩擦角随养护龄期的变化增幅，以14 d为转折点，由快速进入平缓增长阶段. 当养护龄期小于14 d时，黏聚力最大增幅高达190.7%，内摩擦角增幅高达100.4%，各材料协调作用发挥显著，土颗粒间胶结性能、咬合约束作用得到了极大提高. 当养护龄期大于21 d时，黏聚力最小增长幅度低至1.8%，内摩擦角增幅低至2.4%，黏聚力和内摩擦角趋于稳定.

图 8

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图 8   不同龄期桐油糯米复合灰浆抗剪强度

Fig.8   Shear strength of tung oil sticky rice-lime composite mortar at different ages


当养护龄期到28d时，与质量分数为18∶5∶12∶10的复合灰浆相比，质量分数比为9∶3∶5∶5的复合灰浆的黏聚力偏小，相差8.3%，但内摩擦角增大了7.4%，可推测与桐油和糯米浆这2种材料的掺入量相关联. 将验证复合灰浆与养护1 a的49组正交设计复合灰浆相比，质量分数为18∶5∶12∶10的复合灰浆的黏聚力达到了黏聚力最高组的98.6%，质量分数比为9∶3∶5∶5的复合灰浆的内摩擦角达到了内摩擦角最高组的97.8%. 最优质量分数比在28 d短期养护性能逼近正交试验最高组合1 a龄期的指标，因此，通过正交试验所得到的最优质量分数比设计具备可靠性.

4.2. 现场原位修复

土遗址在干湿循环、冻融循环的潮湿环境胁迫影响下，易发生剥离、裂缝、粉化等病害. 田螺山土遗址博物馆为加固保护土体，允许将预制的桐油糯米复合灰浆局部应用至土遗址表面（见图9）. 将松动且即将自然掉落的土体取下，经由烘干、碾碎、过筛操作后，于2023年6月26日按照质量分数比分别为18∶5∶12∶10和9∶3∶5∶5，制备成2种桐油糯米复合灰浆，采用多层压实的方法涂抹在整平洁净的遗址土体表面，该夯土方法实施难度小，经济性高.

图 9

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图 9   现场加固剥离土体

Fig.9   On-site restoration of exfoliated earth body


在加固180 d后，土遗址修复痕迹逐渐消失，表面开始出现苔藓，更为贴近周围土体，保持了土遗址原有外观. 夯土修复处复合灰浆在表面形成了坚硬的外壳，保护土体削弱了干湿及冻融侵蚀的影响. 修复层与内部土体间的缝隙变小，在半年内无明显裂缝产生，土遗址表面强度得到提升，表明2种最优质量分数比的桐油糯米复合灰浆能较好地应用于修复剥离病害的遗址现场.

5. 结　论

通过正交设计试验，考虑土体中水的质量分数、生桐油、糯米浆、熟石灰的掺入质量分数对抗剪强度指标黏聚力和内摩擦角的影响，通过SEM、XRD、FTIR微观测试，分析出最优质量分数比的桐油糯米复合灰浆的改良效果，并开展28 d内强度验证与现场局部修复试验.

（1）以黏聚力为评价指标，各因素影响主次顺序为桐油、水、石灰、糯米浆的质量分数，水、桐油、糯米浆、石灰的最佳质量分数为18∶5∶12∶10；就内摩擦角而言，各因素影响主次顺序为水、桐油、糯米浆、石灰的质量分数，水、桐油、糯米浆、石灰的最佳质量分数为9∶3∶5∶5.

（2）桐油糯米复合灰浆的改良效果主要通过桐油成膜、糯米浆黏结，熟石灰碳化的协同增效作用来实现. 在桐油糯米复合灰浆发生碳化反应时，桐油使方解石晶体产生的数量更多，糯米浆使方解石晶体结构更为细致.

（3）最优质量分数比在28 d的短期养护性能逼近正交试验最高组合1 a龄期的指标，验证了最优质量分数比对应的强度. 在夯土修复潮湿环境土遗址剥离病害时，2种最优质量分数比的复合灰浆在遗址土体表面形成较为坚硬的外壳，外观与环境相兼容.

本研究尚未研究复杂环境对桐油糯米复合灰浆抗剪强度的影响，并且未涉及除抗剪强度以外的其他力学性能变化. 下一步将研究干湿循环和冻融循环对桐油糯米灰浆的抗剪强度、抗渗透、抗剥蚀、抗冲蚀等性能的影响.

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