新型土遗址修复加固材料试验研究

2021-08-23李鑫赵刚李新明孙晨娇齐嘉

中国文化遗产 2021年4期

关键词：石灰

李鑫　赵刚　李新明　孙晨娇　齐嘉

摘要：考虑到土遗址夯筑本体水敏性和稳定性较差的特性，以及长期受自然因素营力作用的影响，采取科学的修复材料补夯的措施可有效抑制土遗址本体残损的进一步发展。以河南地区典型粉砂土为研究对象，制备不同配比石灰-偏高岭土改良材料，研究其对基准土样强度性能的影响和微观机制，并对比分析水硬性石灰土。结果表明：对比NHL，综合考虑石灰-偏高岭土对基准土样击实特性、无侧限抗压强度和强度增长率的影响，采用6﹪-8﹪石灰+4﹪偏高岭土改良粉砂土，在强度特性方面达到了水硬性石灰的修复性能，实现了对粉砂土更好的改良效果。结合SEM发现，掺入偏高岭土后生成的水化产物，可联结土体颗粒、充填空隙，使改良土微观结构更加致密。

关键词：土遗址;粉砂土，石灰-偏高岭土;强度特性;微观机制

引言

土遗址由比较脆弱的土质材料夯筑而成，在雨水、温差、地下水等自然因素的营力作用下，均出现了较大程度的劣化、裂缝、坍塌和损毁等病害，夯土内部空隙发育丰富，具有土体骨架稳定性弱、水敏性强等特点。采取积极有效的预防性保护措施解决遗址病害问题，并遵循“不改变原状，保持真实性、完整性”的保护原则和“使用恰当保护技术，最低限度干预”的修缮思路，成为当前土遗址保护工作艰巨而复杂的任务。

对土遗址的病害处理，需科学回填修复材料并补夯，修复材料的配比决定了本体加固后的力学性能和水力特性。查阅文献发现，目前用于土遗址的修复材料主要包括有机类和无机类两种。其中水泥类胶凝材料由于过高的机械强度和可溶盐的释放，与土遗址的兼容性较差;石灰作为固化剂的使用源于宋代，但硬化速度慢，耐水性能差的特点限制了其发展;敦煌研究院和兰州大学分别开发了适用于西北干旱地区土遗址修复的PS材料和SH材料，其效用在雨水充足的中原地区试验中明显下降;水硬性石灰在欧美地区广泛应用于土遗址修复，取得了较好的应用效果，既具水泥的水硬性，石灰与遗址土的兼容性，又具有良好的抗渗性和自我修复功能[6]。但国内水硬性石灰矿源稀缺，配方及制备工艺不成熟，而进口水硬性石灰价格昂贵，不利于大规模开发应用。

偏高岭土（MK）作为水泥和混凝土矿物添加剂的使用在近年逐渐成为研究热点。偏高岭土中的主要成分可与石灰水化反应中电离和结晶析出的一系列物质反应生成碳酸钙和多种水化产物，这既可提高土体的强度，也可降低土体体积的收缩。考虑到我国丰富的石灰和偏高岭土资源，在土遗址基准土样中科学添加石灰、偏高岭土，以此实现同添加水硬性石灰后的良好修复效果，并保持其高性价比的特点具有重要的研究意义和实用价值。

鉴于此，以河南地区典型粉砂土为研究对象，制备不同石灰及偏高岭土掺量下的改良土试样，养护至预定龄期后，进行强度试验和微观分析;并与水硬性石灰土进行对比研究，明晰其水硬性过程中的强度变化规律和内在微观机制，开发适用于夯土古城墙修复的改良材料，确定其最佳配合比，以期为土遗址修复材料的研究提供有益借鉴。

一、试验材料与方法

（一）试验材料

试验基准土样取自河南省郑州市苑陵故城，经一系列物性试验得到其粒径级配、液塑限和塑性指数等基本物理参数，如表1。根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019 ），判定苑陵故城遗址土为粉砂土。改良土中添加的偏高岭土、生石灰（CaO含量大于90%）掺料均为市场采购获得;天然水硬性石灰为进口材料，强度等级符合欧洲标准BS.EN459-2015。粉砂土、石灰、偏高岭土及水硬性石灰的主要化学成分分析如表2所示。

（二）试验方案

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》中石灰稳定材料的配比试验，提出了4种石灰配比，即石灰占总质量的比重分别为6%、8%、10%和12%;在掺入石灰的基础上，分别添加偏高岭土，实现偏高岭土占总质量的比重依次为0%、4%、8%和12%。为充分比较石灰-偏高岭土与水硬性石灰的修复效果，设置4种水硬性石灰掺入比，其值同石灰掺入比，改良土试样设计配比见表3。为方便表述，对设计配比的表示进行简化，如6%L+4%MK表示在苑陵故城基准土样中掺入6%石灰、4%偏高岭土形成改良材料，各设计配比改良试样如图1所示。

二、试验结果与分析

（一）击实试验分析

击实试验是模拟现场施工条件，确定改良材料最大干密度及最优含水率的一种试验方法，其目的是了解材料的击实特性，为施工现场提供必要的施工参数。击实试验过程参照《土工试验方法标准》（GB/T 50123-2019）进行轻型击实试验。各设计配比的击实试验结果如图2所示。

从图2可知，在任一石灰配比下，隨着MK掺量的增加，石灰偏高岭土改良材料的最大干密度减小，最优含水率增大;峰值过后的变化趋势逐渐趋缓。分析可知：①材料间的水化反应产物充填于粉砂土颗粒间，使得土体空隙减少，最大干密度降低;②同样的试验条件下，增加石灰的掺入量不但能提高修复材料的最优含水率，还能改善土体塑性，这将降低现场对施工条件的依赖。

（二）强度特性分析

无侧限抗压强度是一项重要的力学指标，图3为试样无侧限抗压强度与材料掺入量及养护龄期之间的关系图。从图3可知，在基准土样中只掺入6%的石灰后，随着养护龄期从7天增至28天，其无侧限抗压强度由0.51MPa提高至0.62MPa，强度特性提升甚微;当掺入偏高岭土后，“水硬性”显著增强，改良材料强度明显优于单掺石灰土。以掺入6%石灰和4%偏高岭土为例，当龄期从7天增至28天后，其抗压强度从2.53 Mpa显著提升至4.47Mpa。可见，偏高岭土对改良土强度特性的改善作用较好。

偏高岭土掺量对改良土抗压强度的增长率至关重要。图4为强度增长率与掺入量及龄期之间的关系曲线。由图3可知，以石灰掺量6%龄期为例，当MK掺量从0%增至12%时，改良土的无侧限抗压强度从0.51MPa增至4.25Mpa;但从图4可发现，抗压强度的增长率呈现随偏高岭土掺量增加后先增大后减小的变化规律。其中，MK掺量从0%增至4%时，强度增长率由155%提高至394%;当MK掺量继续增至12%时，强度增长率则降至13.3%。因此，在施工过程中，需严格控制改良土的掺量配比，以避免材料利用率的下降。

图5为改良土抗压强度与水硬性石灰掺量及龄期之间的关系图。由图5可知，随着水硬性石灰掺量和龄期中单一变量的增加，改良材料的无侧限抗压强度均发生显著的增大。对比图3可发现，掺入6%L+4%MK改良粉砂土，当龄期由7天增加至28天时，抗压强度由2.53Mpa增至4.47MPa，这与8%水硬性石灰（NHL2）28天龄期的强度（4.07MPa）相当。当改良材料中的石灰掺量增加至8%时，其28天龄期的抗压强度为3.4MPa，这显著高于水硬性石灰（NHL2）掺量为10%的强度（2.78MPa）。对比两种改良材料的破坏应变可知，在28天养护龄期下，掺入6%或8%L+4%MK时，分别与NHL掺量为8%和10%的改良材料相当。由此可见，从强度特性和破坏应变角度考虑石灰偏高岭土替代水硬性石灰，改良粉砂土的可行性较高。

（三）微观结构分析

基于扫描电镜（SEM）的土体微观结构研究，既反映了土体的形成条件，又决定了土体的物理、力学和工程性质。图6为8%石灰+不同掺量偏高岭土改良土以及8%水硬性石灰改良土的SEM照片。由图6可知，8%L+0%MK的样品中未发现结晶态水化物生成，且结构较为疏松;当MK掺量增至4%时，微观结构较单掺石灰更加密实，出现了少量C₄AH₁₃和钙钒石。随偏高岭土掺量的继续增大，试样中出现了大量的C₄AH₁₃、钙钒石和絮凝状CSH，填充于结构空隙，微观结构逐渐密实化，这与XRD试验结果相互印证。从土样整体微观结构角度分析，L-MK反应生成了与水硬性石灰类似的水化产物，且掺入偏高岭土后的结构要比水硬性石灰的更加致密和均匀。

（四）微观机理

L-MK的固化过程是指水化反应、碳化反应等共同作用引发的土体硬化过程。石灰在水化反应中生成Ca（OH）₂，并消耗水分，电离出大量的Ca²⁺和OH^-离子。一方面，Ca（OH）₂与空气中的CO2发生碳化反应生成CaCO₃;另一方面，Ca²⁺、OH^-离子与偏高岭土中的主要成分SiO₂和Al₂O₃发生水化反应，生成水化硅酸钙（CSH）、水化钙铝黄长石（C₂ASH₈）和水化鋁酸四钙（C₄AH₁₃）。可见，石灰与偏高岭土作为土体固化剂发生的一系列硬化反应、水化反应和离子交换，使得粉砂土颗粒间的空隙减少，黏结力增强。