甲基硅酸鈉對(duì)土遺址水理性質(zhì)改善的掃描電鏡分析

王巍智 朱耀冬 朱文利

摘 要：【目的】在長(zhǎng)期雨水沖刷及毛細(xì)水作用下，土遺址極易受到干濕循環(huán)影響產(chǎn)生裂縫，造成破壞。為增加土遺址疏水性、提升其水理性質(zhì)，利用防水劑對(duì)其進(jìn)行改善?！痉椒ā窟x用甲基硅酸鈉溶液對(duì)土遺址進(jìn)行噴灑處理，使該溶液經(jīng)毛細(xì)作用進(jìn)入土樣內(nèi)部，再由碳化反應(yīng)使土體產(chǎn)生疏水性，并通過(guò)SEM電鏡分析其疏水原理。【結(jié)果】通過(guò)電鏡分析發(fā)現(xiàn)：甲基硅酸鈉在碳化作用下使土顆粒表面形成有機(jī)硅氧膜。隨著噴灑次數(shù)的增加，內(nèi)部獨(dú)立懸浮土顆粒減少，顆粒間連接力有所增加，土樣內(nèi)部孔隙大量減少，阻斷了外界水分的入侵通道，降低了土體吸水率。【結(jié)論】通過(guò)甲基硅酸鈉處理，提高了土遺址的水理性質(zhì)，為土遺址保護(hù)提供了新思路。

關(guān)鍵詞：土遺址；疏水性；SEM電鏡；毛細(xì)作用

中圖分類號(hào)：TU-87;K878? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2024）06-0081-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.06.016

Scanning Electron Microscope Analysis of Methyl Sodium Silicate on the Improvement of Hydraulic Properties of Earthen Sites

WANG Weizhi1 ZHU Yaodong2 ZHU Wenli3

（1. School of Civil Engineering and Architecture of Kaifeng University， Kaifeng 475004， China; 2. University of South China， Hengyang 421001， China; 3. Kaifeng No.27 Middle School， Kaifeng 475003， China）

Abstract： [Purposes] Under the influence of long-term rain erosion and capillary water， soil sites are highly susceptible to cracks caused by dry-wet cycling. In order to increase the hydrophobicity of soil sites and improve their hydro-physical properties， the waterproof agent is used. [Methods] The soil sites were sprayed with methyl sodium silicate solution， which entered the soil samples through capillary action and then produced hydrophobicity by carbonization reaction and the hydrophobic principle was analyzed by SEM electron microscope. [Findings] It was found that the carbonization of methyl sodium silicate made silicone oxygen film on the surface of soil particles. With the increase of spraying times， the internal independent suspended soil particles decreased， the connection force between particles increased， and the internal pores of the soil samples reduced greatly， which blocked the intrusion channel of external water and reduce the water absorption rate of the soil. [Conclusions] The hydrological properties of earthen sites were improved by methyl sodium silicate treatment， which provided a new idea for the protection of earthen sites.

Keywords： earthen ruins; hydrophobicity; SEM electron microscope; capillary action

0 引言

土遺址是一種重要的文物資源，是人類歷史上以土作為主要建筑材料遺留下來(lái)的遺跡［1］。我國(guó)土遺址分布廣泛、組成復(fù)雜，在數(shù)千年自然、人為等因素的作用下，大都存在嚴(yán)重病害，甚至坍塌消失，保護(hù)難度較大［2］。以開(kāi)封市州橋土遺址為例，在未開(kāi)發(fā)保護(hù)之前，其賦存環(huán)境較為惡劣、侵蝕嚴(yán)重，加之開(kāi)封地區(qū)的地下水位距離地表面僅2～4 m［3］，在毛細(xì)作用下土遺址極易受到干濕循環(huán)的影響，產(chǎn)生失水裂縫，導(dǎo)致其力學(xué)性能降低，從而造成破壞。開(kāi)封市位于河南東部，夏季炎熱多雨，暴雨和大暴雨等氣象災(zāi)害較為常見(jiàn)，降雨比較集中［4］，此種環(huán)境使地下土遺址干濕循環(huán)過(guò)程加劇，加速了損壞［5］。因此，如何減少因水分帶來(lái)的土遺址劣化，是亟須解決的問(wèn)題。

提升土遺址賦存環(huán)境，減少水對(duì)現(xiàn)存土遺址的影響一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)界的研究熱點(diǎn)。曹玲等［6］通過(guò)模擬降雨、蒸發(fā)的干濕循環(huán)作用，發(fā)現(xiàn)膨脹土裂縫產(chǎn)生的規(guī)律，總結(jié)出干濕循環(huán)對(duì)土體的危害。周杰等［7］模擬真實(shí)情況下不同性質(zhì)的溶液，對(duì)土遺址進(jìn)行毛細(xì)吸水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶壓和軟化作用是其被破壞的主導(dǎo)動(dòng)力。張虎元等［8］嘗試用直流電場(chǎng)抑制土遺址中毛細(xì)水的上升，為在潮濕環(huán)境下土遺址保護(hù)提供了新的方法。張明泉等［9］對(duì)潮濕環(huán)境黏性土地區(qū)考古現(xiàn)場(chǎng)地下水進(jìn)行控制試驗(yàn)，運(yùn)用人工填砂對(duì)黏性土層中的地下水進(jìn)行疏導(dǎo)排泄，且阻隔土層中毛細(xì)水運(yùn)動(dòng)，減少毛細(xì)水上升對(duì)土體破壞。岳建偉等［10］利用甲基硅酸鈉防水劑，通過(guò)控制碳化時(shí)間和防水劑濃度提高了古青磚的防水性能。總的看來(lái)，通過(guò)防水劑處理土遺址，改善其水理性質(zhì)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)的方法是可行的。

本研究以開(kāi)封州橋土遺址為研究對(duì)象，在保證原位修復(fù)原則的基礎(chǔ)上，將溶液型憎水劑甲基硅酸鈉噴灑在土遺址表面，使其通過(guò)毛細(xì)作用滲透到土體內(nèi)部并經(jīng)碳化反應(yīng)形成覆膜，改善土遺址的毛細(xì)吸水性、水穩(wěn)定性等水理性質(zhì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)保護(hù)土遺址的目的。通過(guò)SEM掃描電鏡深度分析甲基硅酸鈉溶液對(duì)土遺址修復(fù)的作用機(jī)理，以及在微觀層面的改善機(jī)制，為進(jìn)一步探索土遺址保護(hù)技術(shù)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料性質(zhì)

1.1 開(kāi)封州橋遺址土基本物理性質(zhì)

從現(xiàn)場(chǎng)取得開(kāi)封州橋土遺址上層、中層、下層三段土體中原狀土，進(jìn)行液限、塑限、塑性指數(shù)、天然干密度、天然含水量等指標(biāo)的測(cè)定分析，土樣的基本物理指標(biāo)見(jiàn)表1。

由表1可知，上、中、下三層土遺址的液限均大于塑限，說(shuō)明土遺址具有一定的液態(tài)流動(dòng)性和塑形變形能力，屬于塑形土，當(dāng)其受到荷載時(shí)容易發(fā)生變形。土遺址上、中、下三層土的塑形指數(shù)和天然干密度變化不大，但天然含水量呈梯度增加，每層增加約2%，說(shuō)明土遺址受到地下水浸泡及外部雨水沖刷時(shí)，由于毛細(xì)作用，土體內(nèi)部水分經(jīng)時(shí)間遷移更多沉積在下層土體當(dāng)中。水分的影響加之土遺址的物理性質(zhì)，使下層土體極易發(fā)生塑形變形并造成破壞。由于三層土體含水量不同，干濕循環(huán)下三層土體的失水變形能力不協(xié)調(diào)，極易產(chǎn)生裂縫。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)存開(kāi)封州橋土遺址上層比下層開(kāi)裂更加嚴(yán)重，土遺址的保護(hù)工作迫在眉睫。

1.2 開(kāi)封州橋遺址土的水理性質(zhì)

毛細(xì)吸水原理如圖1所示。當(dāng)液體進(jìn)入土體毛細(xì)管中時(shí)，因壓力原因與導(dǎo)管之間形成[θ]角［11］，當(dāng)材料接觸液體時(shí)，液面下B點(diǎn)與相同高度C點(diǎn)由于導(dǎo)管與液體接觸時(shí)存在不同壓力，此時(shí)根據(jù)液體靜力學(xué)相關(guān)理論得知，兩點(diǎn)壓強(qiáng)不同時(shí)，B點(diǎn)液體升高直至兩點(diǎn)壓強(qiáng)相同，這就是土遺址毛細(xì)吸水的原因。

一方面，當(dāng)發(fā)生毛細(xì)吸水時(shí)，土顆粒間表面張力減小，顆粒間約束作用減弱，強(qiáng)度降低，宏觀表現(xiàn)為強(qiáng)度降低，承載力下降，底部受壓發(fā)生膨脹變形甚至坍塌。另一方面，由于該土遺址的物理特性易發(fā)生變形，當(dāng)土體失水收縮時(shí)由于表面張力原因，易產(chǎn)生裂縫［12］。裂縫的產(chǎn)生加劇了土體的毛細(xì)作用，此時(shí)水的浸潤(rùn)作用和內(nèi)外應(yīng)力差引起礦物顆粒膨脹、擠密，不同的礦物膨脹率不同，導(dǎo)致礦物顆粒交界面差異產(chǎn)生錯(cuò)位，宏觀表現(xiàn)為裂紋。隨著水的不斷遷移，裂紋也逐漸增多增大，這也是造成土遺址浸水破壞的主要原因。

1.3 防水劑的選擇

本試驗(yàn)選擇新型剛性防水材料甲基硅酸鈉溶液作為防水劑，該材料具有良好的滲透結(jié)晶性，常用于混凝土、石灰石等材料［13］。其作用機(jī)理為甲基硅酸鈉易被弱酸分解，當(dāng)二氧化碳通過(guò)孔隙進(jìn)入試樣，溶于試樣水分中時(shí)，甲基硅酸鈉便會(huì)被分解成甲基硅酸，同時(shí)很快脫水聚合生成極具憎水性的聚甲基硅氧烷，可在土顆粒表面形成一層極薄的憎水且透氣的聚硅氧烷膜，大大提高土顆粒的憎水性、土體的防水性，降低了土體的吸水量，且不會(huì)改變土遺址本身各項(xiàng)性質(zhì)，造成土體破壞。

2 試驗(yàn)方案

2.1 土體試驗(yàn)

試驗(yàn)土樣取自開(kāi)封州橋土遺址原狀土，選用有機(jī)硅防水劑甲基硅酸鈉為改善材料，通過(guò)噴灑的方式對(duì)土遺址表層進(jìn)行改善處理。噴灑在土樣表面的溶液通過(guò)土體本身毛細(xì)作用向內(nèi)滲透。

試驗(yàn)中甲基硅酸鈉防水劑濃度選擇10%，噴灑次數(shù)選擇2次、4次、6次、8次，在同等條件下碳化養(yǎng)護(hù)9 h。隨后通過(guò)在土樣表面灑水觀察其疏水性，探究防水劑作用深度及甲基硅酸鈉在試件中的堆積情況。

2.2 SEM電鏡試驗(yàn)

SEM掃描電鏡能夠直觀地看到土顆粒大小、形狀、表面特征、接觸關(guān)系、排布特征及孔隙大小、孔隙連通性等性質(zhì)，通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)分析能夠分析出土遺址水理性質(zhì)改善的特點(diǎn)。首先對(duì)原狀土樣進(jìn)行取樣放大觀察，總結(jié)原狀土顆粒的堆積形態(tài)和水理性質(zhì)形成原因。在甲基硅酸鈉濃度為10%條件下，分別對(duì)處理2次、4次、6次、8次土樣進(jìn)行取樣觀測(cè)，取樣位置在土體中間層位置。分別對(duì)土顆粒放大500倍、2 000倍、5 000倍，觀察甲基硅酸鈉對(duì)土遺址水理性質(zhì)的改善機(jī)理。

3 試驗(yàn)分析

3.1 土樣處理后試驗(yàn)分析

土樣經(jīng)處理不同次數(shù)后滴水滲透試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在未處理試塊表面噴水時(shí)，水分通過(guò)毛細(xì)通道全部進(jìn)入試塊內(nèi)部，完全被土樣吸收滲入土體且產(chǎn)生微膨脹。當(dāng)處理2次后，土樣吸水稍有改善，土體濕潤(rùn)，表面有少量水分殘留，土樣疏水性稍有提高，但表面水滴與試樣夾角α逐漸增大（如圖3所示）。隨著處理次數(shù)增加，甲基硅酸鈉防水劑有效封堵土樣內(nèi)部毛細(xì)管道，并在試塊表面形成了一層“隔水膜”，當(dāng)液體滴在試塊表面上時(shí)土樣濕潤(rùn)情況減少，表面殘留水滴與試塊表面夾角α不斷增加，防水性有所體現(xiàn)。由此可見(jiàn)，甲基硅酸鈉溶液對(duì)實(shí)際工程中建筑灰漿的耐久性和耐水性都有增益作用。

3.2 SEM電鏡試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)未經(jīng)處理、處理2次、4次、6次、8次的式樣進(jìn)行500倍、2 000倍、5 000倍放大觀察（如圖4所示）。從未經(jīng)處理式樣電鏡圖4（a）、4（b）、4（c）中可以看到，土顆粒間連接較少、連接力較差，顆粒排列較為松散，形成大量大小不一的空隙。這些空隙導(dǎo)致水分很容易侵入土體內(nèi)部，削弱了土顆粒間的連接力，使土體內(nèi)部原有空隙進(jìn)一步擴(kuò)大，吸水性進(jìn)一步提高。循環(huán)往復(fù)造成土體耐水性愈發(fā)降低、結(jié)構(gòu)疏松，容易發(fā)生破壞。

由圖4（d）、4（e）、4（f）可以看出，當(dāng)經(jīng)甲基硅酸鈉防水劑處理2次時(shí)，土樣中存在少量獨(dú)立懸浮土顆粒，部分顆粒連接在一起，顆粒間排列緊密，但仍存在少量孔隙。從放大2 000倍及5 000倍觀察發(fā)現(xiàn)，其顆粒間連接較為微弱，這是因?yàn)榈蜐舛鹊募谆杷徕c溶液通過(guò)化學(xué)反應(yīng)后生成的有機(jī)硅氧膜數(shù)量有限，不能包覆所有的土顆粒，且不足以使土顆粒上的膜結(jié)構(gòu)相互連接形成更大更完整的膜結(jié)構(gòu)，說(shuō)明少量噴灑能在一定程度上提高土體耐水性。

對(duì)比處理4次、6次土樣，極大部分土顆粒連接緊密，獨(dú)立懸浮的土顆粒大量減少，整體微觀結(jié)構(gòu)更為緊密。從更高放大倍數(shù)電鏡圖片可以看到，顆粒間僅有少量空隙存在，顆粒間連接十分緊密。這是由于高濃度的甲基硅酸鈉溶液可生成足量的有機(jī)硅氧膜，不僅能包覆所有的土顆粒，且膜與膜之間足以相互連接形成更大更完整的膜結(jié)構(gòu)。對(duì)比處理2次試樣來(lái)看，隨著處理次數(shù)的增加，可以有效提高土體耐水性。

當(dāng)處理8次后，經(jīng)過(guò)多次碳化反應(yīng)，試樣內(nèi)部基本不存在獨(dú)立懸浮顆粒，不同于未處理試樣的坑洼不平，土顆粒排列緊密，連接成不規(guī)則的面狀結(jié)構(gòu)。因此，試樣內(nèi)部?jī)H存在極少數(shù)孔隙，使得外界水分不容易侵入土體內(nèi)部，提高土體的耐水性。這是因?yàn)榧谆杷徕c的加入，會(huì)隨機(jī)附著在土顆粒表面，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成有機(jī)硅氧膜，土顆粒間的硅氧膜相互連接，形成更大更完整的膜結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了土顆粒之間的連接，減少孔隙，阻斷了外界水分的入侵通道，且該有機(jī)硅氧膜是憎水性薄膜，極大提高了土體的耐水性，同時(shí)該有機(jī)硅氧膜具有良好的透氣性，可以在提高土遺址耐水性的同時(shí)，不影響其“呼吸”，符合土遺址的修復(fù)原則。

4 結(jié)論

本研究以開(kāi)封州橋土遺址為研究對(duì)象，采用SEM電鏡深度分析溶液型憎水劑甲基硅酸鈉對(duì)遺址土的改良機(jī)理，探究?jī)?nèi)部形貌變化。結(jié)果表明：通過(guò)噴灑10%濃度甲基硅酸鈉溶液并經(jīng)過(guò)碳化反應(yīng)處理改善土遺址水理性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，處理2次后，土樣表面稍有疏水性，滴水后土樣略有濕潤(rùn)。隨著處理次數(shù)的增加，試樣表面呈現(xiàn)疏水性，經(jīng)過(guò)滴水處理后水分沒(méi)有滲入土樣內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)疏水性。分析機(jī)理發(fā)現(xiàn)，甲基硅酸鈉溶液改良機(jī)制通過(guò)相關(guān)化學(xué)反應(yīng)，在土顆粒表面生成一層不溶性樹(shù)脂憎水膜。由于甲基硅酸鈉易被弱酸分解，當(dāng)二氧化碳通過(guò)試樣的孔隙進(jìn)入試樣，溶于試樣的水分中，甲基硅酸鈉便會(huì)被分解成甲基硅酸，同時(shí)很快脫水聚合生成極具憎水性的聚甲基硅氧烷，可在土顆粒表面形成一層極薄的憎水且透氣的聚硅氧烷膜，極大提高了土顆粒的憎水性、土體的防水性，降低了土體吸水量，體現(xiàn)了甲基硅酸鈉溶液對(duì)土遺址水理性質(zhì)改良的可行性。

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