海上丝绸之路窑址裂隙充填灌浆材料比选室内试验研究

2018-11-22梁行洲张景科邵明申刘建辉

文物保护与考古科学 2018年3期

梁行洲，李黎，张景科，邵明申，刘建辉，王南

(1．兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室，土木工程与力学学院，甘肃兰州 730000；2．中国文化遗产研究院，北京 100029； 3．兰州大学丝绸之路经济带研究中心，甘肃兰州 730000)

0 引言

“海上丝绸之路”作为一项持续时间2000多年，范围覆盖大半个地球的人类历史活动和东西方文化经济交流的重要载体，推动了沿线各国的共同发展，成为中国对外贸易往来和文化交流的海上大通道[1]。国内外均保存下来大量的相关遗迹，其中浙江慈溪上林湖越窑遗址作为唐宋时期越窑的中心遗址，是中国陶瓷史上重要的遗址之一[2]。另外，位于福建漳州的东溪窑遗址[3]，为明清时期民窑的杰出代表遗址。近年来，随着南海沉船打捞考古发掘，大量的东溪窑瓷类精品出水，充分说明了东溪窑是我国东南沿海地区重要的外销瓷产地之一，在中国与世界海洋贸易中占有一席之地。

上林湖越窑的后司岙遗址和东溪窑的封门坑、上虾形遗址自考古发掘清理以来，尚未采取回填或有效的本体保护措施。在长期的自然营力作用下，各种病害发育严重危及窑址的安全保存，亟需开展抢救性保护工作。特别是窑址本体在考古发掘后，产生了大量的卸荷裂隙。裂隙沿竖向通过若干层砖，继续发育形成上下贯通的数条裂隙，大大降低了砌体的整体稳定性。因此，很有必要对这些裂隙进行灌浆加固，使遗址得以更好的保存。

众多学者都对灌浆材料在文物保护中的应用作了研究，在洛阳龙门石窟[4]和重庆大足石刻[5]的岩体裂隙治理中采用了环氧树脂、超细水泥作为灌浆加固材料，取得了较好的前期加固效果。但在后期的使用过程中发现了一些问题，如超细水泥碳化后孔隙率增加，且自身含盐量较高，容易析出，在文物表面产生泛盐碱病害。环氧树脂材料本身的收缩性大、易开裂、耐久性差[6]。欧美自20世纪70年代就开始将水硬石灰广泛应用于历史建筑物的修复中，相关研究工作开展较早。如水硬石灰浆液基本物理力学性质[7]、和易性[8]研究；环境温度、相对湿度等不同固化条件[9-12]对水硬石灰浆液物理力学性质、微观结构的影响；粉煤灰、减水剂、二氧化硅粉等添加剂[10，13]对水硬石灰浆液性能的影响以及浆液成分的优化选择[14]。在我国，这类材料在几千年前的人居房屋或寺院建筑中就已经使用，如利用贝壳残骸烧制而成的砺灰，被广泛应用于沿海地区古建筑的砌筑过程中。但将其用于文物的保护修复中相对较晚[15-16]。近年来，国内学者对中国传统的石灰类材料进行了改性研究[17-20]，并与欧美水硬石灰进行对比剖析。研究表明，烧料礓石和烧阿嘎土与欧洲水硬石灰物理力学性质近似，具有孔隙率大、收缩变形性小、透气和透水性好的特点。一系列研究成果有力地推动了我国传统石灰类材料的进一步发展，但是对于南方潮湿地区窑址裂隙充填灌浆用加固材料的研究尚未开展。

因此，选择烧料礓石、烧阿嘎土、砺灰三种传统石灰类材料分别对浙江和福建“海上丝绸之路”窑址的遗址土进行改性研究。比选出适宜浙江和福建窑址裂隙充填灌浆材料，相关研究成果可为窑址本体科技保护提供技术支持。

1 试验方案

1.1 试验材料及窑炉类型

试验采用的石灰类材料为烧料礓石、烧阿嘎土、砺灰三种，其矿物成分分析结果见表1。遗址土取自浙江慈溪上林湖越窑荷花芯、后司岙遗址，福建漳州东溪窑封门坑和上虾形遗址(图1)，遗址土基本物理性质见表2。试验用水符合实验室用水标准。

荷花芯遗址和后司岙遗址的窑炉形式属于龙窑，龙窑是依山坡或土堆倾斜建造成的一长隧道形窑炉，与地平线夹角为10～20°。全窑结构简单，不需要尺寸严格的拱砖。封门坑遗址和上虾形遗址的窑炉形式属于阶梯窑。这种窑是从龙窑演化而来，由燃烧室、窑室、烟囱三部分构成，砌筑材料为粘土砖。

图1 “海上丝绸之路”遗址点

表1 烧料礓石、烧阿嘎土、砺灰的XRD分析结果

注： “—”表示未检测出。

表2 遗址土物理性质

测得风化后粘土砖抗压强度为2.17MPa，为使浆体强度接近砖砌体强度，将遗址土分别与烧料礓石、烧阿嘎土、砺灰按质量比5∶1配制；根据可灌性原则，采用流动度为250mm时的水灰比(表3)配制浆液。制作40mm×40mm×160mm规格的试样，试样成型24h后脱模；利用ETH-1980-20-CP-AR型恒温恒湿试验机，在温度25℃，RH90%条件下养护。

表3 不同浆液水灰比

1.2 试验及测试方案

评价岩土文物裂隙灌浆材料性能的关键指标是浆体龄期强度及环境介质变化对其物理力学性质的影响[13]。因此，对试样进行浆体龄期物理力学性能测试，温湿度循环、冻融循环、水稳定性、安定性、碱性环境等因素对强度的影响试验。试验依据《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)、《建筑砂浆基本性能试验方法标准》(JGJ/T 70—2009)、《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)等标准进行。

1.2.1结石体龄期性能测试在WDW-200型微机控制电子压力试验机上，分别测试试样3d、7d、14d、28d龄期的抗压、抗折强度。利用ZL00261525砂浆膨胀收缩仪，测试结石体28d收缩变形情况。

1.2.2结石体耐候性试验

1) 温湿度循环试验。利用ETH-1980-20-CP-AR型恒温恒湿试验机，将28d龄期的试样，100℃加热12h，然后在温度25℃、RH90%的条件下放置12h。如此反复循环18个周期后对试样进行抗折、抗压强度测试。

2) 冻融循环试验。采用28d龄期的试样，试验仪器为DW-FL90型超低温冷冻储存箱及HBY-20型恒温恒湿箱。首先将28d龄期的试样在-30℃低温下冻12h，然后在温度25℃、相对湿度90%条件下融12h。如此反复冻融18个循环后对试样进行抗折、抗压强度测试，每6个循环后观察试样变化情况并做描述。

3) 水稳定性试验。将28d龄期的试样，在室温水中浸泡24h，取出室内自然风干后进行干试块的抗折、抗压强度测试。另将28d龄期的试样，在室温水中浸泡24h，取出后立即进行湿试块的抗折、抗压强度测试。

4) 安定性试验。将28d龄期的试样，先在饱和Na2SO4溶液中浸泡20h，取出后再80℃烘4h。如此反复循环5次，然后对试样进行抗折、抗压强度测试。

5) 耐碱性试验。将28d龄期的试样，先在2%NaOH溶液中浸泡12h，取出后再80℃烘4h，最后对试样进行抗折、抗压强度测试。

以上测试均采用3个平行试样，取平均值得到最终结果。

2 试验结果

2.1 龄期强度

由图2(a)可知，在荷花芯遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样的龄期强度始终处于增长状态，且试样28d龄期抗压强度较14d有较大幅度提高。烧阿嘎土试样和砺灰试样在28d龄期内抗压强度、抗折强度稳定增长。烧料礓石试样和烧阿嘎土试样28d龄期抗压强度分别高于砺灰试样94.29%、14.29%。烧阿嘎土试样和砺灰试样28d龄期抗折强度都是0.17MPa，为烧料礓石试样的73.91%。

在后司岙遗址裂隙灌浆材料中，28d龄期内，三种试样的龄期强度均处于增长状态，且在3d和14d龄期时强度接近，但烧料礓石试样14d龄期以后强度依然快速提高。烧料礓石试样和砺灰试样28d龄期抗压强度分别高于烧阿嘎土试样34.18%、7.59%。烧阿嘎土试样和砺灰试样28d龄期抗折强度都是0.14MPa，为烧料礓石试样的66.67%。

图2 抗折和抗压强度随龄期的变化

由图2(b)可知，在封门坑遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样在14d龄期内抗压强度快速增长，28d龄期抗压强度较14d略微下降，28d龄期内抗折强度稳定增长。烧阿嘎土试样在14d龄期内抗压强度稳定增长，28d龄期抗压强度较14d略微升高。烧阿嘎土试样抗折强度在28d龄期内增长迅速，28d龄期抗折强度为0.78MPa。烧料礓石和烧阿嘎土试样各龄期强度明显高于砺灰试样。砺灰试样在28d龄期内，强度增长缓慢。烧料礓石试样和烧阿嘎土试样28d龄期抗压强度分别高于砺灰试样126.66%、126.60%，28d龄期抗折强度分别高于砺灰试样158.82%、358.82%。

在上虾形遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样在28d龄期内强度保持稳定快速增长。烧阿嘎土试样在14d龄期内抗压强度增长缓慢，28d龄期抗压强度较14d明显升高，7d龄期内抗折强度增长较快，之后增长缓慢。砺灰试样在14d龄期内抗压强度均增长缓慢，28d龄期抗压强度明显升高，14d龄期以后抗折强度迅速提高。烧料礓石试样和砺灰试样28d龄期抗压强度分别高于烧阿嘎土试样75.45%、18.18%，28d龄期抗折强度分别高于烧阿嘎土试样172.22%、55.56%，烧料礓石、烧阿嘎土、砺灰3种试样的28d龄期平均抗压强度分别为1.62MPa、1.21MPa、0.95MPa，平均抗折强度分别为0.34MPa、0.32MPa、0.19MPa。

2.2 收缩变形测试

测试结果(图3)表明，烧料礓石、烧阿嘎土、砺灰三种传统石灰类材料改性四处遗址土试样的平均收缩率分别为0.66%、0.80%、1.25%。荷花芯、后司岙、封门坑、上虾形遗址土改性试样的平均收缩率依次为0.79%、0.39%、0.66%、1.78%。

图3 收缩变形测试

2.3 温湿度循环试验

温湿度循环试验前后样品外观没有发生明显改变(图4)。从试样温湿度循环试验前后强度对比看(图5)，在荷花芯遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了10.64%、11.76%、50.38%，试验后抗折强度分别下降了38.98%、7.69%、17.14%。

图4 耐候性试验前后样品外观对比

图5 温湿度循环前后抗压、抗折的变化

在后司岙遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了20.60%、10.81%、3.64%，试验后抗折强度分别下降了45.90%、23.40%、44.00%。

在封门坑遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了17.09%、47.28%、57.14%，试验后抗折强度分别下降了1.12%、20.00%、42.70%。

在上虾形遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降29.96%、4.10%、15.46%，试验后抗折强度分别下降了6.52%、27.50%、18.18%。

试样经过18个温湿度循环试验后，强度都出现了不同程度的下降。烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样的抗压强度平均下降了18.82%、18.49%、31.66%，抗折强度平均下降了23.13%、19.65%、30.51%。三种试样都有较强的耐温湿度变化特性。

2.4 冻融循环试验

冻融循环试验前后样品外观没有发生明显改变(图4)。从试样冻融循环试验前后强度对比看(图6)。在荷花芯遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了28.37%、36.03%、31.30%，试验后抗折强度分别下降了40.68%、23.08%、57.14%。

在后司岙遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了31.76%、9.46%、28.48%，试验后抗折强度分别下降了42.62%、31.91%、60.00%。

在封门坑遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了43.59%、37.76%、30.80%，试验后抗折强度分别下降了14.61%、46.67%、15.73%。

在上虾形遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了8.87%、11.26%、29.90%，试验后抗折强度分别下降了36.96%、35.00%、36.36%。

试样经过18个温湿度循环试验后，强度都出现了不同程度的下降。烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样的抗压强度平均下降了28.15%、23.63%、30.12%，抗折强度平均下降了33.72%、34.16%、42.31%。烧料礓石试样、烧阿嘎土试样表现出较好的耐冻融变化特性。

图6 冻融循环前后抗压、抗折的变化

2.5 水稳定性试验

水稳定性试验前后样品外观没有发生明显改变(图4)。从试样水稳定性试验前后强度(干试块)对比看(图7)，在荷花芯遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了39.01%、20.59%、9.16%，试验后抗折强度分别下降了52.54%、30.77%、14.61%。

在后司岙遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了21.89%、28.38%、32.12%，试验后抗折强度分别下降了37.70%、51.06%、32.00%。

在封门坑遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了5.13%、34.01%、41.52%，试验后抗折强度分别下降了15.73%、25.00%、14.61%。

在上虾形遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了20.82%、18.09%、3.44%，试验后抗折强度分别下降了32.61%、20.00%、31.82%。

图7 干试块经水浸泡前后抗压、抗折强度的变化

试样经过水稳定性试验后，强度(干试块)都出现了不同程度的下降。烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样的抗压强度平均下降了21.71%、25.27%、21.56%，抗折强度平均下降了34.65%、31.71%、23.26%。三种试样都有较强的水稳定性。

水稳定性试验前后样品外观没有发生明显改变(图4)。从试样水稳定性试验前后强度(湿试块)对比看(图8)，在荷花芯遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了72.34%、76.68%、54.96%，试验后抗折强度分别下降了59.32%、38.46%、80.00%。

在后司岙遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了48.93%、71.62%、39.39%，试验后抗压强度依次试验后抗折强度分别下降了49.18%、76.60%、72.00%。

在封门坑遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了20.51%、58.50%、70.98%，试验后抗折强度分别下降了42.70%、38.33%、15.73%。

在上虾形遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了19.45%、13.99%、48.11%，试验后抗折强度分别下降了43.38%、65.00%、81.82%。

试样经过水稳定性试验后，强度(湿试块)都出现了不同程度的下降。烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样的抗压强度平均下降了40.31%、55.70%、53.36%，抗折强度平均下降了48.67%、54.60%、62.39%。

图8 湿试块经水浸泡前后抗压、抗折强度的变化

2.6 安定性试验

安定性试验前后样品外观没有发生明显改变(图4)。从试样安定性试验前后强度对比看(图9)，在荷花芯遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了10.64%、6.62%、33.59%。烧料礓石试样、烧阿嘎土试样试验后抗折强度分别下降了44.07%、15.38%，砺灰试样试验后抗折强度升高了34.29%。

在后司岙遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了0.00%、16.89%、17.58%，试验后抗折强度分别下降了0.00%、25.53%、8.00%。

在封门坑遗址裂隙灌浆材料中，烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了5.44%、29.02%，烧料礓石试样试验后抗压强度升高了8.97%。试验后抗折强度分别下降了5.62%、16.67%、5.62%。

在上虾形遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了31.74%、20.82%、30.93%，试验后抗折强度分别下降了28.26%、22.50%、22.73%。

试样经过安定性试验后，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样的抗压强度平均下降了8.35%、12.44%、27.78%，抗折强度平均下降了19.49%、20.02%、0.51%。

图9 安定性试验前后抗压和抗折强度的变化

2.7 耐碱性试验

耐碱性试验前后样品外观没有发生明显改变(图4)。从试样耐碱性试验前后强度对比看(图10)，在荷花芯遗址裂隙灌浆材料中，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样试验后抗压强度分别下降了39.01%、20.59%、9.16%，试验后抗折强度分别下降了52.54%、30.77%、31.43%。

图10 耐碱性试验前后抗压和抗折强度变化

试样经过耐碱性试验后，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样的抗压强度平均下降了21.71%、25.27%、21.56%，抗折强度平均下降了34.65%、31.71%、27.46%。三种试样都有较强的水稳定性。

3 讨论

在相同的配比和养护条件下，烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样28d龄期抗压强度的平均值依次为1.62MPa、1.21MPa、0.95MPa。测得风化后粘土砖抗压强度为2.17MPa，由于受到砂浆强度、流动性、砌筑质量等方面的影响，会导致砖砌体的抗压强度略低于粘土砖的抗压强度。因此，分析认为浆体和遗址体的抗压强度比较接近。后司岙遗址土的塑性指数为7.11，可塑性相对较差，且表现出较低的28d龄期抗压强度。在后续的研究中，应适当增加主剂石灰类材料的比例，以提高浆体强度。烧料礓石试样、烧阿嘎土试样、砺灰试样的平均收缩率分别为0.66%、0.80%、1.25%，对浆体影响较小，可以确保浆体和遗址体界面之间的粘结力。砺灰试样的收缩率相对较大。荷花芯、后司岙、封门坑、上虾形遗址土相关试样的平均收缩率分别为0.79%、0.39%、0.66%、1.78%。在下一步研究中，考虑在上虾形遗址裂隙灌浆材料中添加适当比例的膨胀剂。

荷花芯、后司岙两处遗址点所在地慈溪县近三年(2013～2015年)日最低气温为零下的天数分别为19d、17d、8d。封门坑遗址点所在地南靖县、上虾形遗址点所在地华安县最近三年(2013～2015年)日最低气温均在零度以上。因此，荷花芯、后司岙遗址的裂隙灌浆材料要求具有良好的耐冻融变化性能。烧料礓石试样、烧阿嘎土试样表现出较好的耐冻融变化特性，这对于灌浆加固效果的长期保持具有重要的意义。水稳定性试验表明结石体具有一定的耐水性，但湿试块强度的降低幅度明显大于干试块，可见水环境中结石体的性能会出现劣化。所以应注意遗址点的导排水措施，避免遗址长期在雨水中浸泡。结石体在安定性试验后强度略微降低，由于Na2SO4溶液渗入结石体的孔隙，在80℃加热时形成结晶，填充了结石体部分孔隙，因而强度略微降低。三种试样都具有较好的耐温湿度变化特性和耐碱性。

灌浆材料为传统石灰和遗址土按质量比5∶1加水拌合制成。遗址砌体结构用砖以当地粘土为主要原料烧结而成。因此，灌浆材料和砖砌体之间主要成分一致，浆液结石体和砖砌体之间可以很好地兼容。在遗址土中添加适当比例的水硬性胶凝材料，提高了浆液结石体自身强度以及与砖砌体裂隙两壁面的粘结强度，防止裂隙灌浆后浆液结石体与裂隙两壁面间产生二次裂隙。