用于加固土遺址掏蝕區(qū)的含燒料礓石固化黃土性能研究

李琦峰，黨 冰，孔垂鵬

（甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

土遺址作為文物古跡的一種，是從石器時代開始的，是以土作為主要材料的建筑[1]。中國歷史悠久，擁有極為豐富的文物資源，這些文物資源的歷史、藝術(shù)、社會、文化價值突出，但普遍時代早，掏蝕、坍塌、裂隙、片狀剝蝕、沖溝等病害嚴重[2-11]，整體保存狀態(tài)較差。對遺址本體產(chǎn)生的危害主要是自然威脅，但自然力的破壞是一個長期的過程，破壞速度緩慢；其次是人為威脅，人為威脅雖然危害較小且短暫，但破壞力明顯。自然因素和人為因素兩方面共同作用，使得土遺址嚴重破壞。

針對風、雨、水、鹽類活動等單獨或組合作用下不斷掏蝕凹進形成的底部掏蝕、中部掏蝕等可能引起遺址穩(wěn)定性的病害，主要采取的加固措施有夯土補筑和土坯砌補[12]，此加固措施在高昌故城、交河故城等墻體掏蝕坍塌區(qū)的加固保護中已成功應(yīng)用[13-17]。在使用土坯砌補及夯土補筑2種方式對土遺址進行支頂加固[18]，夯補相較于砌補的優(yōu)勢是：一方面，夯補擁有和遺址本體相同的制作工藝；另一方面，夯補體自身具有一定的穩(wěn)定性，抗風、耐雨蝕能力較強。但夯補也存在一些缺點，其缺點是夯補產(chǎn)生的振動會對遺址本體影響[19-21]；傳統(tǒng)砌補方式也容易造成新砌部位和原遺址分離。

近年來，很多學者逐漸將研究領(lǐng)域延伸到利用料礓石加固巖土質(zhì)文物領(lǐng)域中，在對料礓石進行初步研究時發(fā)現(xiàn)，其主要礦物成分為70%～80%的碳酸鈣和20%～30%的黏土[22]，是一種無毒、無污染的材料。在初步研究的基礎(chǔ)上，趙林毅等[23]研究了700～1 400 ℃煅燒溫度對料礓石材料的改性效果，其結(jié)果表明發(fā)現(xiàn)隨著煅燒溫度的升高，水硬性組分β-硅酸鈣和鋁硅酸鈣含量增加，而氣硬性成分石灰氧化鈣在1 100 ℃時含量最高。李黎和趙林毅[24]對燒料礓石固化機制進行了研究，發(fā)現(xiàn)其主要包括水化反應(yīng)及碳化反應(yīng)。李黎等[25-26]對中國古代建筑中兩種傳統(tǒng)硅酸鹽材料料礓石和阿嘎土以及古建筑中幾種石灰類材料的物理力學特性進行了對比分析，發(fā)現(xiàn)改性的料礓石可用于土遺址的加固；諶文武等[27]以燒料礓石為灌漿基料，夏官營遺址土為拌合料，對燒料礓石漿液結(jié)石體試樣進行物理性質(zhì)、水理性質(zhì)等室內(nèi)試驗，研究結(jié)果表明結(jié)石體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、整體性好，且耐雨蝕能力強，是一種合適的土遺址灌漿材料。

將料礓石引入巖土質(zhì)文物保護領(lǐng)域，前面的學者主要從料礓石成分、固化機制、適用性及燒料礓石拌合遺址土灌漿方面進行了研究。燒料礓石也可被用于加固土遺址掏蝕區(qū)。因此，基于臨潭縣牛頭城遺址掏蝕區(qū)加固工程，針對含燒料礓石固化土的耐候性、力學特性以及色度差異進行了一系列室內(nèi)試驗研究，所得結(jié)論可為燒料礓石改性土夯筑加固土遺址提供理論指導。

2 試驗材料

以臨潭縣牛頭城遺址附近的黃土作為夯筑材料，燒料礓石作為固化劑。圖1為夯土材料。對牛頭城遺址附近的黃土按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）進行測試，測該黃土的基礎(chǔ)物理性能和參數(shù)。其中，圖2為土樣粒徑分布曲線，表1為黃土基本物理性質(zhì)。

圖1 夯土材料

圖2 土樣粒徑分布曲線

表1 臨潭縣牛頭城遺址附近黃土的基本物理性質(zhì)

采用1 100 ℃時的燒料礓石進行室內(nèi)試驗的研究，燒料礓石固化機制主要包括：

（1）水化反應(yīng)。

燒料礓石中含有的水硬性膠凝成分β－CaSiO3和Ca2Al2Si2O8，水硬性組分β－CaSiO3和Ca2Al2Si2O8，與H2O快速進行水化反應(yīng)，生成β－CaO·SiO2·nH2O及2CaO·Al2O3·SiO2·nH2O；同時，氣硬性成分CaO，先與H2O反應(yīng)生成Ca（OH）2，開始產(chǎn)生初始強度。改性后的料礓石與水接觸后的反應(yīng)如下：

（2）碳化反應(yīng)。

后期，氣硬性成分CaO與H2O反應(yīng)后生成Ca（OH）2，再逐漸吸收土體中CO2，碳化生成CaCO3，以上反應(yīng)過程可描述為：

3 試驗方法

將所取夯筑黃土配成燒料礓石質(zhì)量分數(shù)為0、4%、8%低摻量下的改性土。在最大干密度和最優(yōu)含水率條件下，使用不同規(guī)格模具制作含不同燒料礓石摻量的土樣，制作用于崩解、收縮、色度差異的土樣時需分層夯實，且每層采用土工刀進行“打毛”，采用靜壓法對測試抗剪強度的土樣進行制作。對制成的土樣進行脫模處理，進入養(yǎng)護期，養(yǎng)護條件為室內(nèi)溫度（25±2）℃和室內(nèi)相對濕度（30%±2%）。

3.1 崩解性試驗

崩解試驗使用規(guī)格為50 mm×50 mm×50 mm 的土樣，參考 《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）進行崩解試驗，測試土樣在不同養(yǎng)護時間的崩解率，設(shè)置崩解情況的測試時間節(jié)點為土樣養(yǎng)護時間的1 d、7 d、14 d，通過崩解率來評價不同土樣的崩解性能。崩解率At的計算方法見式（5）。

式中：Rt為t時刻液面處對應(yīng)的浮筒刻度（mm）；Ro為浮筒剛進入水中達到瞬時穩(wěn)定狀態(tài)時試驗開始時液面處對應(yīng)的浮筒刻度（mm），Rf為未裝載試樣時液面處對應(yīng)的浮筒刻度（mm）。

3.2 收縮性試驗

用于掏蝕區(qū)加固的新夯土，其密實程度主要受干縮的影響較大。因此，使用規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的土樣，對不同摻量的土樣進行收縮測試，測試不同時間點的收縮情況，由于土樣含水量較高時，土樣會出現(xiàn)快速失水、干縮，所以設(shè)置測試的時間節(jié)點為脫模后40 min、1 h、3 h、6 h各測一次，往后一天一測，測試試驗所用的儀器為游標卡尺。對土樣在制作、脫模后收縮程度的表征采用線縮率δi。線縮率的計算方法見式（6）。

式中：δi為某時刻的軸向線縮率（%）；Zi為某時刻游標卡尺的讀數(shù)（mm）；Zo為開始時游標卡尺的讀數(shù)（mm)；ho為開始時土樣的長度。

3.3 抗剪強度

使用Φ61.8 mm×20 mm的土樣，調(diào)整剪切速率為0.8 mm/min對其進行快速剪切試驗，取4個平行土樣，分別施加50 kPa、100 kPa、150 kPa和200 kPa的軸向壓力，在垂直壓力的作用下，施加水平剪切力對土樣進行剪切。研究不同摻量（0、4%、8%）條件下的抗剪性能。

3.4 色度差異試驗

針對土遺址加固，不同材料和加固工藝的使用會造成原遺址土體和掏蝕區(qū)新夯土體的顏色有所差異，又文物保護應(yīng)遵循“修舊如舊”的原則。因此，色度是判斷材料是否適宜的一個重要指標[28]。故使用規(guī)格為40 mm×40 mm×160 mm的土樣，參考《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019），對不同摻量的土樣進行色度測試。對各土樣分別選取3個測點進行測試，如圖3所示。設(shè)置測試的時間節(jié)點為每天一測，測試不同時間點的色度情況。根據(jù)公式（7）計算色差值△Eab。

圖3 色差試驗試樣

式中：△L表示明暗差異；△a表示紅綠程度差異；△b表示黃藍程度差異。

4 結(jié)果與討論

4.1 崩解性試驗

圖4是養(yǎng)護時間為14 d土樣的最終崩解狀態(tài)。崩解性試驗中的土樣，在不同的養(yǎng)護時間其崩解情況有所不同，不同摻量的土樣在水中經(jīng)歷的過程不同，但基本都會經(jīng)歷前期、中期和后期3個階段，土樣的崩解現(xiàn)象基本表現(xiàn)為在試驗進行的前期土樣剛浸入水中時，表面出現(xiàn)氣泡但未見明顯的崩解，此階段的崩解量較??；在試驗進行到中期時，土體開始從最外層棱角處最先開始崩解，隨即少量剝離掉落，緊接著出現(xiàn)大部分崩解，土塊開始崩塌；在試驗進行到后期時，摻量為0的土樣，在后期其崩解結(jié)果是土樣基本完全崩解，摻量為4%的土樣后期崩塌成顆粒較小的堆狀，但摻量為8%的土樣崩塌成有塊狀的碎樣。

圖4 土樣養(yǎng)護14 d后最終崩解狀態(tài)圖

通過式（5）計算其崩解率，計算結(jié)果如圖5所示。圖5表征了養(yǎng)護時間和摻量與崩解量的關(guān)系，隨著養(yǎng)護時間和摻量的增加崩解量逐漸減小。摻量大且養(yǎng)護時間長的土樣崩解速度比較緩慢，而摻量小且養(yǎng)護時間短的土樣崩解速度快。不同摻量的土樣雖然崩解速率不同，但總體上均呈現(xiàn)出摻量越大其崩解速率越緩慢的趨勢。

圖5 土樣的崩解率

4.2 收縮性試驗

收縮性試驗中試樣的線縮率和質(zhì)量變化分別如圖6、圖7所示，圖6表征了不同摻量的土樣收縮大體趨勢相同，但收縮程度略微有所不同。其收縮主要發(fā)生在脫模后前兩天，隨著土中孔隙水的減少，土體體積產(chǎn)生收縮，土樣的線縮率會出現(xiàn)變化，這是相對于自身含水量而言其相應(yīng)的體積發(fā)生了變化。圖7表征了土樣的質(zhì)量隨養(yǎng)護時間的變化情況，其呈現(xiàn)出了與土樣的線縮率相似的反向變化趨勢。當土樣含水量較高時，土樣會出現(xiàn)快速失水、干縮；當含水率變低后，土樣的收縮速度降低。

圖6 土樣線縮率變化趨勢

圖7 土樣質(zhì)量變化趨勢

4.3 抗剪強度

對不同摻量的土樣進行抗剪強度試驗，養(yǎng)護14 d后得到不同摻量的剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線如圖8所示。不同摻量土樣的剪切荷載-位移曲線均經(jīng)歷了上升段、下降段和收斂段，但相同垂直壓力下，摻量大的土樣抗剪強度強。上升段時從開始加載至峰值荷載時，剪切荷載-位移約成比例增長。下降段時宏觀裂縫不斷擴展延伸，逐漸形成一條貫穿的平直裂縫，土樣被剪切成兩部分，因此，抗剪強度開始減小。收斂段時剪切荷載下降非常緩慢，且相對穩(wěn)定，該階段土樣已完全破壞。碳化反應(yīng)產(chǎn)生的硅酸鈣、鋁硅酸鈣等晶體是產(chǎn)生強度的原因，晶體是決定后期強度的主要因素。其次是離子交換的出現(xiàn)，使土壤顆粒表面吸附Ca2+形成的擴散層變薄，土壤顆粒的分散性降低，大量分散的土壤顆粒形成較大的土壤顆粒團，從而提高土壤的強度。

圖8 不同摻量土樣的抗剪強度

4.4 色度差異試驗

對不同摻量的土樣進行色度差異測試，每種摻量經(jīng)過脫模后測試了其表面的色度情況，每個摻量土樣測3個點，根據(jù)測試結(jié)果計算不同摻量土樣與未摻量色度L、a、b的差值，并根據(jù)公式（7）計算色差值。摻量為4%和8%的土樣經(jīng)過16 d天后表面色度變化情況的計算結(jié)果分別如圖9、圖10所示。

圖9 摻量色度值為4%的變化情況

圖10 摻量色度值為8%的變化情況

結(jié)果表明，燒料礓石的摻量使得土樣表面的顏色略有變化。與未加燒料礓石的土樣相比，固化土的Δa和Δb指標變化較小，且各指標變化趨勢相似。但是，ΔL的變化較明顯，并且ΔEab的值與ΔL相似。因此，土樣表面顏色的明暗度是色差的主要影響因素。但總色差值ΔEab均在3以下，基本滿足土遺址保護要求[29]。

5 結(jié)論

支頂加固為土遺址保護加固的方式之一，支頂加固使用的夯土材料會影響支頂加固的效果，因此采用室內(nèi)試驗對含燒料礓石的固化土進行了耐候性能、力學性能及色度差異的研究。

燒料礓石的引入可以有效地提高土樣的抗崩解性、抗收縮性。土樣崩解率隨摻量和齡期的增加而減少。土樣養(yǎng)護14 d后，隨著燒料礓石摻量的增加，土樣的崩解率從100%降到51.72%。不同摻量土樣的收縮趨勢相似，試樣在早期收縮率變化較快，但不同摻量的土樣收縮程度不同，總體而言，高摻量的土樣收縮較小。

燒料礓石的加入也可使土樣的抗剪強度有所提高。土樣養(yǎng)護14 d后，4%和8%摻量的土樣比未加固時增加了10.79%和47.25%。燒料礓石的加入使土樣表面顏色發(fā)生輕微變化，且主要是明暗程度的變化，4%和8%摻量的土樣總色差值分別為1.9和2.4，但總色差值均在3以下，符合土遺址保護要求。