烧料礓石拌合遗址土浆液结石体室内试验研究

谌文武 ，张克文 ，张景科 , ，王东阳 ，周瑾 ，张起勇

(1. 兰州大学 土木工程与力学学院，甘肃 兰州，730000；2. 兰州大学 西部灾害与环境力学教育部重点实验室，甘肃 兰州，730000；3. 兰州大学 丝绸之路经济带研究中心，甘肃 兰州，730000)

我国西北地区保存有大量的土遗址，这些土遗址承载了丰富的历史信息，是我国重要的文物资源[1]。得益于西北地区干旱少雨的气候，土遗址得以保存下来[2]。然而，在长期的自然环境和人类生产生活的影响下，土遗址发育有基础掏蚀、裂隙切割墙体、冲沟和大面积坍塌等病害[3−4]。裂隙是影响我国干旱半干旱区土遗址稳定性和完整性的主要病害之一，裂隙形成后导致墙体的崩塌和冲沟破坏[5]。目前，土遗址保护工程中针对裂隙的加固措施主要为锚固和灌浆2种方式。岩土工程中灌浆主要采用：黏土、石灰、水泥以及水玻璃等无机材料；环氧树脂以及丙烯酸胺等有机类灌浆材料；有机−无机复合材料等。由于传统灌浆材料往往存在一些不足，人们对新型灌浆材料及其性能开展了研究，并取得了很大进展[6−7]。国内针对土遗址灌浆材料的研究开始于20世纪80年代，将PS材料拌合粉煤灰应用于加固砂砾岩石窟取得成功[8−10]。随后敦煌研究院尝试将PS材料应用于土遗址保护中，综合分析 PS浓度、模数对加固后遗址土物理力学性质的影响，研发了PS-(C+F)和PS-C等一系列土遗址灌浆材料，并在交河故城保护中取得了很好的效果，从而形成了系统的 PS加固体系[11−13]。在国外，由德国联邦环保基金会资助研发的水硬性石灰材料(又称欧洲水硬石灰)，兼具水硬和气硬的性质。国内将其应用于花山岩画保护加固中，取得了很好的效果[14−16]。近年来，浙江大学对传统石灰类材料糯米灰浆进行了微观加固机理、物理力学特征及耐久性试验研究，为不可移动文物基于传统石灰的加固材料和方法提供了新的思路[17−18]。敦煌研究院和中国文化遗产研究院合作，将我国传统硅酸盐建筑材料料礓石、阿嘎土进行改性(高温焙烧)，使其同时含有水硬和气硬性。目前，在水硬性和气硬性材料与土相互作用的研究中，对于水泥土和灰土的研究在中最为普遍和深入[19−20]。而烧料礓石中含有的硅酸盐、硅铝酸盐以及氧化钙等与水泥、石灰材料的成分相近，因此，水泥和石灰与土体间相互作用对烧料礓石的研究有一定的指导意义。烧料礓石拌合石英砂浆液结石体物理力学性质研究表明，改性的料礓石和阿嘎土可用于修复加固土石质及砖陶质类等文物[20−24]。随着土遗址保护材料的进一步发展，将烧料礓石作为灌浆材料应用于土遗址中仍需进一步开展系统的室内试验研究。本文作者从烧料礓石拌合遗址土浆液的室内试验研究出发，对其浆液结石体试样分别进行物理、水理性质试验，分析烧料礓石作为土遗址灌浆材料的可行性，为其作为土遗址灌浆材料提供依据。研究结果对灌浆施工养护以及烧料礓石防治土遗址其他病害有重要意义。

1 材料与试样制备

1.1 试验材料

将高温焙烧后的料礓石过孔径75 μm筛。料礓石是产于我国大地湾遗址的第四纪黄土中沉积礓结石(当地称料礓石)。烧料礓石主要成分为水硬性组分(β-CaSiO3和 Ca2Al2Si2O8)和气硬性组分(CaO)。其内部反应过程可描述如下[22]。

遗址土取自兰州市榆中县的宋代夏官营古城，根据GB/T 50123—1999“土工试验方法标准”对夏官营遗址土进行基本试验，该土为砂质粉土。其天然含水率为 1.62%，天然密度为 1.51 g/cm3，干密度为1.49 g/cm3，孔隙率为44.8%。

1.2 试样制备

将遗址土风干后过孔径为1 mm筛，将烧料礓石与遗址土以不同质量比拌合，根据裂隙注浆施工工艺及浆液流动性要求确定适宜的水灰比。按照 GB/T 17671—1999“水泥胶砂强度检验方法(ISO 法)”及JGJ/T 70—2009“建筑砂浆基本性能试验方法标准”进行试验，试样养护龄期均为28 d，每组试验设3组平行样。表1所示为浆液材料及性质。

表1 浆液材料及性质Table 1 Grouting material and properties

2 试验结果与分析

2.1 物理性质

2.1.1 颗粒分析试验

将结石体试样研碎后作颗粒分析试验，图1所示为结石体与遗址土颗粒粒径分布曲线。由图1可见：拌合烧料礓石的结石体相较于遗址土而言，粉粒(粒度为0.005~0.075 mm)增加，黏粒(粒度＜0.005 mm)减少。这主要是由于土粒中具有活性的成分与水接触后生成的硅酸盐及氢氧化钙等凝胶体，凝胶体表面的Na2+和K+与烧料礓石水化反应生成的Ca2+发生吸附交换，黏粒表面扩散层变薄，分散性降低，从而使土中的小颗粒逐渐变为大团粒，最终改变结石体的颗粒组分[25]。

图2所示为结石体粉粒和黏粒质量分数变化。烧料礓石颗粒主要为粉粒，粒径集中于0.015~0.080 mm，如不考虑与土粒之间的相互作用，拌合后混合土体内粉粒的质量分数要小于实际拌合粉粒的质量分数，而黏粒反之。由图2可见：颗分试验结果很好地说明了烧料礓石与土粒之间产生的反应，不仅在一定程度上改变了结石体内部土粒组分，而且改变了其物理及水理性能。

图1 颗粒粒径分布曲线Fig. 1 Particle size distribution curves

图2 粉粒和黏粒质量分数Fig. 2 Mass fraction of silt and clay particle

2.1.2 含水率试验

分别测试结石体3，7，14和28 d龄期的含水率，试样长×宽×高为160 mm×40 mm×40 mm。

图3所示为结石体含水率变化。由图3可见：结石体含水率随着龄期的增加不断减小，但失水速度较慢。CGN-1和CGN-2结石体的含水率比CGN-3结石体的小。说明结石体失水速度与烧料礓石质量分数成正比关系。烧料礓石内部组分发生水化反应是在具有活性的黏土矿物中进行，产生的物理化学反应复杂，反应速度慢；CaO与水反应生成 Ca(OH)2后析出的Ca2+与土中矿物反应生成钙质结晶盐，结构致密[26]；此外，土体以粉粒、黏粒为主，使得结石体内部的孔隙较小。上述原因对结石体内部水化反应及蒸发产生影响，相比烧料礓石拌合石英砂而言[22]，其拌合土的结石体失水速率较慢。

图3 结石体含水率变化Fig. 3 Water contents of calculus body

2.2 水理性质

影响土遗址保护材料适用性的关键因素之一是材料的水理性质。对浆液结石体分别进行收缩、液塑限、渗透、崩解试验，以反映其水理性质特征。其中，除吸湿渗透试验外，其余试验采用的结石体长×宽×高均为160 mm×40 mm×40 mm。

2.2.1 收缩率测试

采用TDBC-16S型比长仪测试结石体28 d的收缩率。表2所示为收缩率测试结果。

表2 收缩率测试结果[9]Table 2 Test results of shrinking and deforming capacity

由表2可知：结石体收缩变形非常小，收缩率在0.6%以下。结石体的收缩主要是由于干湿变形，其内部团粒结构和水化反应生成的钙质结晶盐中骨架结构对结石体的收缩变形有一定的抑制作用。根据 JG/T 333—2011“混凝土裂缝修补灌浆材料技术条件”规定，聚合物基料类灌浆材料体积收缩率不得超过 3%。烧料礓石与 PS类材料收缩率均满足要求。相比而言，烧料礓石结石体收缩率更小。这一方面是由于水灰比相对较小，引起的干湿收缩较小；另一方面，其内部的骨架结构抑制了收缩变形。烧料礓石结石体的收缩变形更能满足土遗址灌浆要求。

2.2.2 液塑限试验

将遗址土及结石体试样研碎后，进行液塑限试验。表3所示为液塑限试验结果。由表3可知：拌合烧料礓石后，结石体的液塑限明显提高，塑性增大。根据相关研究，水硬性组分和气硬性组分与水发生反应，使大量的自由水以结晶的形式固定下来，提高了土体的可塑性[27]；此外，反应生成的Ca2+置换土中黏粒表面吸附的低价粒子，从而增大土粒间孔隙水电荷浓度，使土颗粒产生运动的阻力提高，导致土粒黏性增大，进而使土体的塑性极限增大[20]。烧料礓石作为一种水硬性石灰材料，其内部水硬性、气硬性组分共同作用改变了土体的塑性。由于上述原因，使得土体界限含水率增大，同时也使浆液达到流动度要求的水灰比增大。

表3 液塑限试验结果Table 3 Test results of liquid and plastic limit

图 4所示为烧料礓石结石体(CGN)、灰土和水泥土中材料掺量与界限含水率变化关系[25−28]。

图4 材料掺量与界限含水率变化[25, 28]Fig. 4 Variation of liquid and plastic limit with content of materials

由图4可见：烧料礓石结石体界限含水率随着气硬性组分(CaO)和水硬性组分(β-CaSiO3与Ca2Al2Si2O8)的增加而增大。这一规律与灰土、水泥土材料所表现的规律相符。

2.2.3 渗透试验

对遗址土与结石体试样做渗透试验，试样直径×长度为61.8 mm×40.0 mm。

图5所示为结实体及遗址土的渗透系数。由图5可见：结石体的渗透系数比遗址土的小；而随着烧料礓石掺量增加，试样渗透系数略有减小，但变化不明显。这主要是由于烧料礓石与水反应产生的Ca2+超过粒子交换所需的数量时，多余的部分与土中矿物反应，生成不溶于水的、稳定的硅酸钙或者铝酸钙等结晶化合物，这些化合物在水中逐渐硬化，结构致密，孔隙闭塞，透水性减弱[26]，从而使得烧料礓石结石体有一定的抗渗性。

图 6所示为烧料礓石结石体(CGN)、灰土和水泥土材料掺量与渗透性关系[29−30]。基于浆液结石体内部孔隙和结构等，其渗透性比石灰和水泥固化土的渗透性低。

图5 结实体及遗址土的渗透系数Fig. 5 Seepage coefficient of calculus body and earthen sites’ soil

图6 材料掺量与渗透系数变化 [29−30]Fig. 6 Variation of seepage coefficient withcontent of materials

由图6可见：烧料礓石结石体的渗透性随着材料掺量的增加而整体呈减小趋势，这一规律与灰土、水泥土渗透试验结果相符。渗透试验表明烧料礓石有利于防止雨水进入遗址内部造成破坏，能有效提高浆液结石体的耐雨蚀能力。

2.2.4 崩解试验

崩解是由于水进入土体孔隙后，土粒间斥力产生应力集中，使土体沿着斥力超过吸力最大的面塌落破坏。结实体的崩解试验能很好地体现结实体的耐水性。将结石体试样放入静水中，并观察其在崩解过程中的各种现象，记录放入至土样崩解破坏的时间。表4所示为崩解试验记录，由表4可知：结石体崩解速度相比遗址土明显降低；烧料礓石含量越高，试样的耐崩解性能越好。

表4 结实体和遗址土崩解试验结果Table 4 Disintegration tests results of calculus body and earthen sites’ soil

图7所示为结石体和遗址土土体崩解试验结果。由图7可见：遗址土放入进水中后快速破坏至完全崩解；CGN-3结石体次之，但试样崩解速度明显减慢；CGN-2结石体在崩解24 min后被切割为小块，边角处掉快严重，丧失了整体性；CGN-1结石体在3 h后被微裂隙切割为块状，崩解28 800 min(20 d)后除周围少量掉角外，但仍保持原有形态。试验证明：烧料礓石可明显提高试样的耐崩解能力，结石体有很好的耐水性。

图7 结石体、遗址土崩解试验结果Fig. 7 Disintegration tests results of calculus body and earthen sites’ soil

3 结论

1)烧料礓石浆液充填密度较小；结石体收缩较小，其物理、水理性质都有一定改善。烧料礓石作为灌浆材料，其孔隙率与遗址土的相近，且基本不影响土体内水汽的运移；加固后不会改变遗址原貌，满足土遗址保护中“最大兼容，最小干预”的原则。

2)烧料礓石拌合结石体后黏粒质量分数减少，粉粒质量分数增加，但塑性增强。这与烧料礓石内部水硬性组分(β-CaSiO3和Ca2Al2Si2O8)和气硬性组分(CaO)与土粒、水分的反应密切相关。

3)结石体渗透性小，有很强的耐湿能力和耐崩解能力；烧料礓石与遗址土配比为1:5到1:10之间的结石体物理、水理性能较好，加固土遗址后具有很好的抗水分侵蚀的能力。

4)烧料礓石是一种合适的土遗址灌浆材料，但对烧料礓石拌合遗址土结石体内部结构及耐久性仍需进一步研究。

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