开封城墙修复土配合比试验

岳建伟， 杨 雪， 赵丽敏，*， 张大伟

（1.河南大学 土木建筑学院，河南 开封 475004；2.河南大学开封市不可移动文物修复与安全评价重点实验室，河南 开封 475004）

开封市地处黄河下游南岸，具有丰富的地表水资源.夏季降雨增多和黄河水位上涨引起开封市地下水位波动，易溶盐伴随毛细作用在土遗址中不断迁移、结晶，导致开封城墙遗址土出现不同程度的开裂、剥落和泛碱等现象.研究表明，毛细水引发的干湿循环会改变土体内部微观结构，对土体具有一定的劣化作用［1‑4］.如何优化开封城墙修复土的配合比，有效解决地下水分、盐分对开封城墙和墙基夯土的侵蚀，并在提高土遗址力学性能的同时，注重改善其水理性质是修复土遗址的关键问题.

在人类早期的建筑活动中，石灰是最早被使用的胶凝材料之一［5］，被古人大量用于不可移动文物的基础夯土加固.相关学者在加固现存土遗址时，为减少现代建筑痕迹，选用石灰与其他材料共同加固，如：有机硅、粉煤灰、纤维等，这在提高土遗址力学性能和抗风化方面效果显著［6‑9］.在改善土遗址水理性质方面，相关学者从材料选择和加固方式入手，进一步探索土遗址的加固和保护方法，研究结果对土遗址防水抗渗具有重要指导意义［6，10‑13］.然而，由于加固材料的属性不能尽善尽美，对土遗址加固效果各不相同，个别土遗址经加固后会出现“泛白”、抗冻融性能较差等问题.

众学者的研究成果在一定程度上推动了土体改良及提高力学性能等方面的研究，但能同时提高土遗址力学性能和水理性质的研究不多，尤其以粉质黏土为主进行土遗址配合比的研究较少.本文以开封城墙修复土为研究对象，基于开封气候特征变化，采用甲基硅酸钠、石灰和胶粉作为外加剂，通过正交试验优化修复土的配合比，以期提高修复土的力学性能和耐水性能.

1 试验

1.1 原材料

土取自开封城墙附近，根据GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》，测得其为粉质黏土（素土），天然含水率（质量分数，文中涉及的含水率、掺量等均为质量分数）为13.20%，塑限为21.03%，液限为37.63%，塑性指数为16.6，最大干密度为1.68 g/cm3，最优含水率为14.32%.外加剂中：石灰的相对分子质量为56.08，CaO 含量不低于98%，灼蚀量为2%；甲基硅酸钠的pH 值为12～14；胶粉为可再分散聚合物乳胶粉.

1.2 试验方案

采用3 因素4 水平的正交试验设计：3 因素为甲基硅酸钠、石灰、胶粉，分别记为因素A、B、C；4 水平为甲基硅酸钠、石灰、胶粉的4 个掺量，甲基硅酸钠的掺量为1.0%、2.0%、3.0%、4.0%，石灰的掺量为1.0%、3.0%、5.0%、7.0%，胶粉的掺量为0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，将各掺量按从小到大的顺序记为 水 平1、2、3、4.采 用 正 交 表L16（45），设 素 土（A0B0C0）为对照组，共17 组试样.以黏聚力F、内摩擦角θ和吸水质量减少率w作为评价指标.

1.3 试样制备

将素土烘干、碾碎、过筛去除杂质后备用.石灰对试样的含水率影响较大，根据GB/T 50123—2019分别对不同石灰掺量的修复土试样进行击实试验.采用击实试验所得最优含水率及最大干密度，将素土、甲基硅酸钠、石灰、胶粉与纯水按比例混合、搅拌均匀后密封静置24 h.制备φ61.8×20.0 mm 试样用于直接剪切试验，制备φ39.1×80.0 mm 试样用于毛细吸水试验，每组试验均设置3 个平行试样，结果取平均值.试样制备后，放入20 ℃、相对湿度为90%的恒温恒湿箱中养护28 d，使石灰、甲基硅酸钠、胶粉与素土充分反应.

1.4 试验方法

采用北京华勘科技有限责任公司生产的全自动直剪仪进行直接剪切试验，根据GB/T 50123—2019，设定剪切速率为0.8 mm/min，分别施加100、200、300、400 kPa 的垂直压力.根据气象资料显示，开封市近20 a 夏季平均气温为26.9 ℃，平均相对湿度为69.6%，因此毛细吸水试验在27 ℃、相对湿度为70%的恒温恒湿箱中进行，以模拟夏季暴雨过程中城墙土底部积水及暴雨停止后雨水蒸发的过程，24 h后，测得每组试样相对素土试样的吸水质量减少率.用赛默飞世尔FEI Quanta 250 环境扫描电子显微镜（SEM）对修复土最优配合比与素土进行微观测试.

2 正交试验结果及分析

先采用极差分析法确定每种因素对评价指标的影响规律和影响显著性，再通过多功能系数分析对各评价指标进行综合考察评选.正交试验结果见表1，表中A1B1C1为甲基硅酸钠、石灰、胶粉掺量分别为1.0%、1.0%、0.5%的修复土试样，其他类推.

2.1 极差分析

对表1 中黏聚力、内摩擦角、吸水质量减少率等评价指标进行极差分析，结果见表2，表中：Ki（i=1、2、3、4）为某个因素第i个水平的指标之和；ki为其平均值；R为极差，极差越大，表明该试验因素对试验指标的影响越大，作用越显著.由表2 中R的大小可以看出：对修复土黏聚力和内摩擦角指标的影响顺序为石灰＞胶粉＞甲基硅酸钠，对耐水性指标的影响顺序为甲基硅酸钠＞石灰＞胶粉；每个因素水平对应的最大Ki值为该因素的最优水平，满足黏聚力、内摩擦角和吸水质量减少率的最优配合比组合分别是A2B4C3、A1B3C1、A4B1C4.

表1 正交试验结果Table 1 Results of orthogonal tests

表2 正交试验指标分析Table 2 Index analysis of orthogonal tests

甲基硅酸钠、石灰和胶粉在素土中会发生一系列物理、化学反应，从而改变了素土的性质，使其力学性能及耐水性能得到提高.

甲基硅酸钠对修复土黏聚力和内摩擦角指标的影响最小，对耐水性能指标影响最大.与素土相比，随着甲基硅酸钠掺量的增大，修复土黏聚力呈先上升后下降的趋势，内摩擦角呈缓慢下降的趋势，吸水质量减少率呈逐步上升的趋势.甲基硅酸钠分子中的甲基基团是常见的疏水基团，可以在修复土颗粒表面形成憎水层，具有微膨胀、增加密实度的功能［14］.甲基硅酸钠与水、CO2反应生成聚硅氧烷膜（［CH3SiO3/2］n），［CH3SiO3/2］n具有很强的憎水性，能使修复土颗粒表面的接触角增大，提高其耐水性能，其化学反应式为：

石灰可在土体中发生结晶作用和碳化反应，生成Ca（OH）2晶体和CaCO3沉淀.Ca（OH）2晶体是一种强度较高的固体，能够提高试样的力学性能，部分生成的CaCO3能够与土颗粒胶结，增大土样密实度，减少其孔隙率，提高土颗粒间的结合力.随着石灰掺量的增加，修复土黏聚力呈逐渐增大的趋势，内摩擦角呈先增大后减小的趋势，吸水质量减少率由59.77%降至46.65%，耐水性能呈下降趋势.这是由于所掺入的石灰未能全部发生结晶碳化，部分残留在试样中，使修复土颗粒之间的咬合摩擦力减小［15‑16］.试验结果从某种程度上验证了黏聚力和内摩擦角成负相关性的推论［17‑18］，且修复土试样中可与甲基硅酸钠反应的CO2和水逐渐减少，甲基硅酸钠无法生成足够多的聚硅氧烷膜，导致试样耐水性能减弱.下一步将探究不同养护环境对修复土的影响.

胶粉对修复土抗剪强度指标的影响仅次于石灰，随着胶粉掺量的增大，修复土黏聚力呈先增大后减小的趋势，内摩擦角呈整体减小的趋势，吸水质量减少率呈逐渐增加的趋势.这是因为胶粉增大了修复土颗粒间的胶结作用，减少了修复土颗粒之间的内摩擦力，而胶粉与修复土颗粒胶结可提高土体的黏结性和密实度，使其耐水性能得到改善.

2.2 功效系数分析

功效系数法是把要考核的各项指标按照多档次标准，通过功效函数将各指标转化为可度量的评价分数，对研究进行总体评价的一种方法［19］.为综合考察评选开封城墙修复土的评价指标，采用极大型变量单项功效系数计算公式，计算黏聚力、内摩擦角、吸水质量减少率的功效系数dF、dθ、dw.评价指标数值越大，单项功效系数越大，修复土力学性能和水理性能越好.由于本研究目的在于提高开封城墙修复土力学性能和水理性质，故将3 个评价指标的单项功效系乘以相同的权重系数0.333 3，再进行加和得到总功效系数D.功效系数结果见表3.由表3 可见，A2B3C4的总功效系数最高（85.39），这表明其具有较好的力学性能和耐水性能，总体性能最优.由此得到修复土的最优配合比：甲基硅酸钠、石灰、胶粉的掺量分别为2.0%、5.0%、2.0%.

表3 功效系数结果Table 3 Results of efficacy coefficient

2.3 微观分析

素土和最优配合比修复土试样的SEM 照片见图1.由图1 可见：素土内部孔隙率较大，土颗粒排布不均匀，颗粒级配不佳，导致颗粒间黏结作用较弱，且土颗粒表面黏结物较少；最优配合比修复土试样中，石灰、甲基硅酸钠、胶粉及其反应生成物填充了土颗粒之间的空隙，使土体骨架整体性得到提高，土颗粒间填充密实，颗粒级配改善较为明显，从而降低了修复土试样的孔隙率；最优配合比修复土试样表面存在絮状物，可增强土颗粒间的胶结作用，从而提高土体的整体稳定性.甲基硅酸钠溶液中的硅酸盐凝胶粒子在素土孔隙中起填充作用，石灰在土体内反应生成Ca（OH）2和CaCO3晶体，胶粉生成的胶凝物质使分散的土颗粒黏结成整体，在这几种因素作用下，有效提高了修复土力学性能与耐水性能.

图1 素土及最优配合比修复土的SEM 照片Fig.1 SEM images of A0B0C0 and restoration soil with optimum mixture ratio

3 结论

（1）甲基硅酸钠、石灰、胶粉的加入能有效提高开封城墙修复土的力学性能和耐水性能.随着甲基硅酸钠掺量的增加，修复土的黏聚力呈先上升后下降的趋势，内摩擦角呈缓慢下降的趋势，耐水性能呈增大趋势；随着石灰掺量的增加，修复土的黏聚力和内摩擦角有不同程度的提高，耐水性能呈下降趋势；随着胶粉掺量的增加，修复土的黏聚力呈先增大后减少的趋势，内摩擦角整体呈减小的趋势，耐水性能呈增大趋势.

（2）通过正交试验，开封城墙修复土黏聚力、内摩擦角指标的影响顺序为石灰＞胶粉＞甲基硅酸钠，对耐水性能指标的影响顺序为甲基硅酸钠＞石灰＞胶粉.

（3）修复土黏聚力最佳的最优配合比为：甲基硅酸钠掺量2.0%、石灰掺量7.0%、胶粉掺量1.5%；内摩擦角最佳的最优配合比为：甲基硅酸钠掺量1.0%、石灰掺量5.0%、胶粉掺量0.5%；耐水性能最佳的最优配合比为：甲基硅酸钠掺量4.0%、石灰掺量1.0%、胶粉掺量2.0%.采用功效系数法评价得出综合性能最优的修复土配合比为：甲基硅酸钠掺量2.0%、石灰掺量5.0%、胶粉掺量2.0%.最优配合比修复土骨架整体性得到提高，颗粒级配改善较为明显，土颗粒间填充密实，土样孔隙率降低，可有效提高修复土的力学性能和耐水性能.