土遺址錨固用燒料礓石拌合遺址土漿液齡期性能

任曉茹，張景科，王 南，單婷婷，趙林毅，李最雄

(1.蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.敦煌研究院 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術(shù)研究中心，甘肅 敦煌 736200)

土遺址錨固用燒料礓石拌合遺址土漿液齡期性能

任曉茹1，張景科1，王 南1，單婷婷1，趙林毅2，李最雄2

(1.蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室 土木工程與力學(xué)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.敦煌研究院 國家古代壁畫與土遺址保護工程技術(shù)研究中心，甘肅 敦煌 736200)

為尋求與土遺址更為兼容的錨固灌漿材料，選擇燒料礓石與民勤縣明長城紅沙堡遺址土以1∶1比例拌合的漿液材料，對其結(jié)石體進行了不同齡期收縮率、含水率、波速、滲透系數(shù)、密度、抗折強度和抗壓強度的測定及微觀結(jié)構(gòu)變化觀測。試驗結(jié)果表明，結(jié)石體在齡期28天的收縮率、波速及含水量基本趨于穩(wěn)定，而抗折強度和抗壓強度28天后仍持續(xù)發(fā)展，直到齡期90天時保持穩(wěn)定。微觀結(jié)構(gòu)觀察結(jié)果較好地證明了以上規(guī)律。燒料礓石前期水化及后期碳化反應(yīng)保證漿液早期及后期強度。同時滲透系數(shù)及密度與遺址土的相近，保證了結(jié)石體與遺址土體的兼容性。研究初步表明，該漿液適宜于土遺址錨固工程中使用。

土遺址； 錨固漿液； 燒料礓石拌合遺址土； 齡期性能； 兼容性

1 引 言

受自然作用和人為因素的影響，我國現(xiàn)存土遺址存在不同程度的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性隱患。錨桿加固技術(shù)是一項加固開裂土體，提高墻體整體性的有效措施[1]。由于錨固工程的隱蔽性，既遵循了土遺址保護理念，又能滿足土遺址保護在強度上的要求。因此，近年來錨固技術(shù)在土遺址力學(xué)穩(wěn)定性控制應(yīng)用中日益廣泛。

20世紀90年代，首次嘗試運用錨固技術(shù)加固甘肅省安西縣破城子遺址[2]，取得了理想的加固效果，由此逐漸開始土遺址錨固系統(tǒng)的探索與研究。雖然現(xiàn)代巖土工程錨固技術(shù)已很成熟，但鑒于土質(zhì)文物的特殊性，依然無法全部應(yīng)用于土遺址加固中。如土遺址中對錨固漿液的選用，除滿足與土體匹配的滲透系數(shù)、適宜的黏結(jié)力、小的收縮率等要求之外，更要求漿液與土遺址材料能最大兼容。對此專家學(xué)者進行了一系列試驗研究：在對已有的水泥砂漿漿液的研究中發(fā)現(xiàn)[3-4]，它可提供足夠的錨固力，但水泥砂漿與遺址土體存在較大的物理化學(xué)性能差異，為避免產(chǎn)生保護性破壞，它只能用于土遺址載體，不能用在土遺址本體；針對體型小、抗拔力要求不高的土遺址墻體，研發(fā)出改性泥漿漿液[5]與PS系列錨固漿液[6]。錨固漿液的選擇總體上依然處于探索與初步應(yīng)用階段。

隨著研究的深入，土遺址加固材料的選用現(xiàn)在更傾向于傳統(tǒng)建造材料，以保證加固材料與土遺址間能最大兼容。李最雄等[7]在對甘肅秦安大地灣仰韶時期遺址房屋地面研究中發(fā)現(xiàn)了中國最早的硅酸鹽膠結(jié)材料，具有很好的強度及耐久性。早在20世紀70年代，歐洲就廣泛使用與這種材料物理力學(xué)特性類似的水硬石灰修繕巖土質(zhì)文物[8-9]，形成了規(guī)范的加固技術(shù)[10]。近年來，我國文物保護工作者在通過對料礓石高溫焙燒改性后的材料特性中發(fā)現(xiàn)[11-12]，它是一種與石質(zhì)及土質(zhì)文物之間能很好兼容的硅酸鹽類膠凝材料。在不

同的焙燒溫度下，可控制燒料礓石各化學(xué)組分的含量，從而得到適用于不同巖土類文物的修復(fù)材料[13]。局部性試驗表明[14]，燒料礓石材料適宜于土遺址裂隙灌漿加固工程。而以往對其拌合材料應(yīng)用于錨固工程中的研究也僅限于錨固系統(tǒng)性能上[15]，針對燒料礓石拌合遺址土材料本身性能的研究依然是空白。

因此，為進一步揭示錨固用燒料礓石拌合遺址土漿液的性能，本試驗選擇燒料礓石拌合遺址土為主要材料，通過對其結(jié)石體的收縮率、含水率、聲波、滲透系數(shù)、密度、抗折和抗壓強度等物理性能的試驗研究，觀測并分析各項指標的發(fā)展規(guī)律，進而初步判斷該漿液材料在土遺址錨固加固工程中的適用性。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

主要試驗材料包括燒料礓石與遺址土。其中燒料礓石由國家古代壁畫與土遺址保護工程技術(shù)研究中心中試基地生產(chǎn)；遺址土取自武威市民勤縣紅沙堡遺址坍塌體，遺址土性能如圖1、表1所示，試驗用水為實驗室自來水。

圖1 紅沙堡遺址土易溶鹽含量Fig.1 Soluble salt content of Hongsha Castle earthen fabric

表1 紅沙堡遺址土基本性質(zhì)指標

經(jīng)研究，隨著拌合料中燒料礓石比例的增加，改性遺址土的性能逐漸加強[16]，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，選擇燒料礓石和遺址土質(zhì)量比為1∶1；通過183mm的流動度確定其水灰比為0.61。

2.2 試樣制備

將上述配比配制的漿液在鐵制模具中成型，各項測試均為三組平行試樣，24小時后拆模具，取出結(jié)石體。為了更接近土遺址所處的實際環(huán)境，結(jié)石體選擇在室外土體中養(yǎng)護，即將結(jié)石體放在15cm厚的夯實土層上，并用15cm厚松散土體掩蓋(圖2)。

圖2 試樣養(yǎng)護布置圖Fig.2 Arrangement plan of specimens maintenance

收縮率試驗、抗折強度和抗壓強度試驗采用規(guī)格為40mm×40mm×160mm試樣；波速測試采用規(guī)格為70mm×70mm×70mm試樣；滲透試驗采用規(guī)格為Φ61.8×20mm試樣。將開始養(yǎng)護當天記為0天，而后在每天的同一時間測試結(jié)石體0天至28天的收縮性、聲波，同時進行結(jié)石體微觀結(jié)構(gòu)變化的觀測，并分別在齡期為3天、7天、14天、28天、60天、90天及120天時進行抗折、抗壓試驗。

2.3 試驗方法

收縮率試驗采用標準桿基準長度為176mm、測量精度為0.001mm的比長儀，依據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70-2009)；波速試驗采用中科智創(chuàng)巖土技術(shù)有限公司出產(chǎn)的RSM-SY型聲波儀，依據(jù)《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70-2009)；含水率、密度、滲透系數(shù)試驗依據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T50123—1999)；抗折強度和抗壓強度測試用天水紅山試驗機有限公司生產(chǎn)的微機控制電子壓力試驗機(WDW-200)，依據(jù)《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)；在齡期0～28天內(nèi)，采用Anyty 600倍無線數(shù)碼顯微鏡(3R-WM601PCTV)，在結(jié)石體的同一位置(由記號筆標出)，進行其顯微鏡照片拍攝。

3 試驗結(jié)果

3.1 結(jié)石體收縮率

試驗結(jié)果(圖3)表明，結(jié)石體在前3天收縮較大，幾乎呈線性發(fā)展，齡期3天時收縮率為0.45%；之后開始逐漸減緩，直到齡期9天后收縮率變化明顯變小；齡期16天之后的變化基本趨于穩(wěn)定，在齡期28天時的收縮率為0.69%，對比看出，前3天收縮率達到28天的65%。

圖3 收縮率隨齡期的變化曲線Fig.3 Variation curve of shrinkage rate with age

3.2 齡期含水量

圖4 含水率隨齡期的變化曲線Fig.4 Variation curve of water content with age

由不同齡期的含水率變化曲線(圖4)可得，該曲線斜率在齡期前9天內(nèi)較大，其后開始變小，18天后幾乎趨于零，直觀表現(xiàn)是曲線與橫坐標軸之間不斷向“平行”狀態(tài)發(fā)展，曲線斜率變化體現(xiàn)出含水率變化情況。試樣的含水率在前9天內(nèi)減少較快的最主要原因是燒料礓石的水化反應(yīng)。

3.3 結(jié)石體聲波

由結(jié)石體波速在不同齡期的變化曲線(圖5)可知，結(jié)石體0天的波速為896m/s，而齡期為1天時下降至370m/s，之后隨齡期的增長波速逐漸增加，齡期9天的波速為899m/s，之后波速增長逐漸減慢，18天之后增長得更加緩慢，即波速的變化呈先減小后增大，最終趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。齡期28天的波速為1198m/s，齡期9天的波速是28天的75%，由此可看出，波速的發(fā)展主要集中在前9天。開始時波速下降的原因是，結(jié)石體在0天時，其內(nèi)部孔隙基本被水分充滿，而燒料礓石還未發(fā)生完全水化反應(yīng)，隨后將結(jié)石體養(yǎng)護于室外的土體中，其中的一部分水分被掩埋的土體吸收，一部分水與燒料礓石反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)石體內(nèi)部孔隙逐漸暴露出來。由于波速的大小受結(jié)石體內(nèi)部孔隙、含水量等諸多因素的影響，這就使得齡期1天時的波速相比0天的有大幅度減少；雖然結(jié)石體中的部分水分被消耗，致使結(jié)石體內(nèi)部孔隙增多，但是燒料礓石與水和二氧化碳的反應(yīng)會使得結(jié)石體的結(jié)構(gòu)逐漸密實，從而使波速逐漸增加。

圖5 波速隨齡期的變化曲線Fig.5 Variation curve of wave velocity with age

3.4 結(jié)石體密度及滲透系數(shù)

結(jié)石體齡期28天的密度及滲透試驗測定結(jié)果表明：結(jié)石體的密度為1.16g/cm3，滲透系數(shù)為8.9×10-7cm/s；而遺址土滲透系數(shù)是5.3×10-6cm/s，遺址土的天然密度為1.66g/cm3。對比可知，遺址土的滲透系數(shù)及密度與漿液結(jié)石體相接近，保證了錨固系統(tǒng)中的土體-漿體之間不會出現(xiàn)分離界面，從而保證了漿液與遺址本體之間能夠緊密接觸，確保錨固效果。

3.5 結(jié)石體不同齡期抗折、抗壓強度

3.5.1 抗折強度 結(jié)石體抗折強度隨齡期的變化結(jié)果(圖6)表明：結(jié)石體抗折強度大體隨齡期的增加而增加，但在齡期28天、90天時其抗折強度均分別較之齡期14天、60天的有所降低。結(jié)石體的抗折強度在齡期3天至7天間發(fā)展緩慢，在齡期7天后發(fā)展加快。其中，齡期3天及28天的抗折強度分別為0.202MPa、0.540MPa，齡期3天的抗折強度大約為28天的40%，說明結(jié)石體有較高的早期抗折強度；結(jié)石體90天的抗折強度為0.701MPa，較之28天的增長了30%，表明結(jié)石體的后期強度在齡期28天后仍在繼續(xù)進行發(fā)展；而在齡期120天時結(jié)石體的抗折強度相比60天的無明顯變化。

圖6 抗折、抗壓強度隨齡期的變化曲線Fig.6 Variation curve of flexural strength and compressive strength with age

結(jié)石體抗折強度在28天、90天的異常，部分原因可能是由于下墊層不平或養(yǎng)護掩蓋的土體給結(jié)石體施加了壓力，致使試樣被壓彎變形，最終影響了結(jié)石體抗折強度的測定結(jié)果。

3.5.2 抗壓強度 由圖6可知，結(jié)石體抗壓強度在整個齡期均不斷增加，但在早期發(fā)展較緩，齡期7天后發(fā)展迅速，齡期3天的抗壓強度為0.809MPa，28天的為3.714MPa，3天的抗壓強度約是28天的20%，說明抗壓強度發(fā)展較快；這種現(xiàn)象維持到齡期60天時開始發(fā)生轉(zhuǎn)變，即強度的發(fā)展變化逐步減緩，但相對之前其增長幅度仍很大，說明該結(jié)石體的后期強度發(fā)展空間較大；直到齡期120天的抗壓強度相比90天的無明顯變化，測定齡期可以選擇至90天。

3.6 結(jié)石體顯微照片觀測

通過觀測所拍攝的微觀顯微鏡照片(圖7)可發(fā)現(xiàn)：結(jié)石體的結(jié)構(gòu)由開始的散粒狀逐漸膠結(jié)成塊狀，由疏松變得更加密實，顆粒之間之所以能形成很好的膠結(jié)，是由燒料礓石的水化和硬化反應(yīng)導(dǎo)致的。將齡期3天的與齡期2天、1天的顯微照片進行對比，可看出構(gòu)成結(jié)石體的物質(zhì)成分由粒狀開始膠結(jié)成小塊，之后隨著齡期的增加逐漸變密變緊湊，到齡期9天這一現(xiàn)象在相鄰齡期變化不再明顯，結(jié)石體在齡期9天前后的收縮率、波速及含水率的變化相比其之前開始發(fā)生轉(zhuǎn)折，漿體微觀觀察結(jié)果與宏觀性能變化相吻合。

4 討 論

試驗選擇將結(jié)石體養(yǎng)護于室外土體，是為與土遺址實際環(huán)境相近，這種養(yǎng)護條件存在許多在標準養(yǎng)護條件中無法加入的不確定因素，更能反映漿液在實際工程中的情況。綜合各試驗結(jié)果可看出，各性能之間均相關(guān)聯(lián)，其中結(jié)石體的波速和強度結(jié)果呈正相關(guān)關(guān)系，同時它們與收縮率和含水率在不同齡期內(nèi)的發(fā)展變化一致。齡期為9天之前各物理力學(xué)指標發(fā)展均很迅速，之后開始逐漸減緩，而大致在齡期18天前后其

圖7 結(jié)石體微觀顯微鏡照片 Fig.7 Microcomic photos of specimen by microscope

變化均很小，但后期還是相應(yīng)有所發(fā)展，尤其是抗折、抗壓強度，它們在28天后相應(yīng)增長量仍很大，同時結(jié)石體有足夠大的前期和后期強度，能滿足土遺址錨固工程前期對強度的要求，保證了在工程中的良好效果。

由于燒料礓石中含有一定量的氣硬性和水硬性膠凝材料[13,17]，它們是結(jié)石體各性能有上述發(fā)展趨勢的根本原因。結(jié)石體的收縮率、含水率、密度及波速的發(fā)展主要集中在前9天，初步分析其原因是在初期結(jié)石體內(nèi)含有較多的水分，而燒料礓石中的水硬性膠凝材料與水的反應(yīng)過程需水量大，水分被大量消耗時，導(dǎo)致結(jié)石體收縮變形大、含水率及密度快速變小，同時燒料礓石的水化反應(yīng)也是提供結(jié)石體早期強度的主要原因；隨著齡期的增加，燒料礓石的水化反應(yīng)逐漸完成，此后試樣含水率和密度變化減慢；隨后燒料礓石中的氣硬性膠凝材料將逐漸吸收利用養(yǎng)護土體中的水分及二氧化碳，發(fā)生緩慢而漫長的碳化反應(yīng)，這就使其收縮率變化減慢，也使得含水率和密度在后期相鄰齡期的變化不明顯，波速逐漸增大，同時為結(jié)石體提供后期強度。燒料礓石的這一系列化學(xué)反應(yīng)，與馬清林等[18]對將燒料礓石應(yīng)用于潮濕環(huán)境下壁畫地仗加固材料試驗研究中的膠凝機理相符。

土遺址中所用的錨固漿液對其強度的要求較嚴格，要求漿液強度要略大于加固土體強度，且錨固漿液的強度對錨桿錨固力影響很大，在一定范圍內(nèi)其強度越大錨桿錨固力就越大。試驗結(jié)果表明，燒料礓石與遺址土以1∶1質(zhì)量比拌合的漿液能滿足其收縮率和早期強度的要求，結(jié)石體密度及滲透系數(shù)均與遺址土的相近，加之膠凝材料后期逐漸碳化，生成與遺址土體相結(jié)合的膠凝體，這些能保證錨固漿液與遺址土體之間能逐漸結(jié)合并具有較好的物理力學(xué)兼容性。

在燒料礓石硬化反應(yīng)過程中，遺址土中易溶鹽含量對反應(yīng)影響不可忽視，試驗中遺址土的選擇均結(jié)合實際工程，而遺址土體本身性質(zhì)決定了漿液材料的差異性。因此燒料礓石拌合遺址土漿體材料的性能，仍需結(jié)合不同土遺址錨固工程性質(zhì)進行評價。

5 結(jié) 論

1.結(jié)石體波速呈現(xiàn)先降低后升高，而后逐漸減慢的過程，其發(fā)展變化狀況與結(jié)石體強度和含水率的發(fā)展情況相對應(yīng)，變化的轉(zhuǎn)折點均在齡期9天和18天。

2.結(jié)石體具有較高的早期抗壓強度，且早期抗壓強度發(fā)展較快；齡期28天后結(jié)石體強度仍在發(fā)展，其中抗壓強度發(fā)展較迅速，直到90天才保持穩(wěn)定。

3.結(jié)石體具有較小的收縮率，前期、后期強度及其滲透系數(shù)也能滿足要求，且與土遺址能最大兼容，符合土遺址保護原則。研究初步表明，燒料礓石拌合遺址土的錨固漿液適用于土遺址錨固加固工程。

4.建議進一步開展微觀機理分析及易溶鹽對漿液結(jié)石體影響的研究。

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Age Performance of Grout Mixed with Calcined Ginger Nuts and Earthen Fabric in Anchoring Conservation of Earthen Sites

REN Xiaoru1， ZHANG Jingke1， WANG Nan1， SHAN Tingting1， ZHAO Linyi2， LI Zuixiong2

(1.Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China, the Ministry of Education of China, School of Civil Engineering and Mechanics, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China; 2.National Research Center for Conservation of Ancient Wall Paintings and Earthen Sites, Dunhuang Academy, Dunhuang 736200, China)

To find more compatible anchoring grout material, caclined ginger nuts and earthen fabric from Hongsabu site of Ming dynasty Great Wall at Minqin country were chosen with the mixture proportion of 1∶1. The properties of grout material including shrinkage, water content, wave velocity, permeability coefficient, density, flexural strength and compressive strength, and photomicrographs were tested or observed. Experimental results show that shrinkage, wave velocity, water content basically keeps stable at a certain value at age of 28d. Meanwhile, flexural and compressive strength keep rising after 28d and terminate at 90d. Microscope observation results testify the above phenomenon. Initial stage dominated by hydration guarantees the early strength to further support the anchor ability, and later stage dominated by carbonation provides the possibility of strength increase with age. Similarity of penetration coefficient and density to some extent proves that harden grout is compatible to earth sites. As a conclusion, the studied grout material is basically suitable to anchoring requirement of earthen sites.

earthen sites； anchor grout； mixture of calcined ginger nuts and earthen fabric； property with age； compatibility

1673-2812(2017)01-0062-06

2016-01-11；

2016-02-17

“中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金”資助項目(lzujbky-2015-179)；國家自然科學(xué)基金資助項目(51578272)；國家十二五科技支撐計劃課題資助項目(2014BAK16B02)

任曉茹(1990-)，女，碩士研究生，研究方向：古遺址保護加固研究，E-mail: renxr14@lzu.edu.cn。

張景科(1980-)，男，副教授，博士。E-mail: zhangjink@lzu.edu.cn。

TU521

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.01.013