干旱區PS加固土建筑遺址風化耐久性現場試驗研究

內容摘要：風化是土建筑遺址最為常見和影響嚴重的病害之一，目前關于土遺址風化耐久性研究多為室內、現場模擬試驗。為了探求PS材料（高模數的硅酸鉀溶液）加固土遺址的實際風化耐久性效果，在新疆米蘭遺址現場進行了實體試驗，使用模數為3.7濃度為3%、5%、7%的PS溶液對試驗區進行加固，然后利用掃描電鏡分析其微觀結構，利用紅外熱成像儀測量溫度敏感性，并進行現場風蝕和雨蝕試驗。試驗表明，PS材料可有效提高土建筑遺址表面抗風化能力。

關鍵詞：干旱區；土遺址；風化；PS

中圖分類號：TU361 文獻標識碼：A 文章編號：1000-4106（2013）01-0029-06

引言

古絲綢之路橫貫歐亞大陸，在歷史上促進了歐亞非各國與中國之間的經濟和文化交流[1，2]，古絲綢之路在中國境內主要通過陜西、甘肅、新疆[3]，沿途分布了大量的土遺址。

風化是土遺址較常見和嚴重的病害之一。已有學者針對土遺址風蝕機理及防護等開展了大量研究[4-7]，并開發了多種保護材料[8，9]。PS材料（高模數的硅酸鉀溶液）是迄今為止被普遍認可的一種土遺址保護材料，在20世紀80年就已經開始實驗室和現場研究[10，11]。已有研究對PS材料加固土遺址的風蝕耐久性進行了一些室內試驗和現場模擬實驗[12，13]，本文采用PS材料，選擇新疆米蘭遺址進行風蝕耐久性的室內和現場試驗，將室內試驗和模擬試驗真實化，為土遺址保護從試驗向應用推進提供可靠依據。

1 米蘭遺址

1.1 概況

米蘭遺址位于新疆維吾爾自治區巴音郭楞蒙古自治州若羌縣東北70km的荒漠中，是全國重點文物保護單位，分布于45.6km2的范圍內，由戍堡、佛塔、佛寺、古灌溉渠道、烽燧等組成。

1.2 區域條件

米蘭遺址地處塔克拉瑪干沙漠的東南緣，羅布泊南部的阿爾金山下。因該區域處于中緯度的歐亞大陸腹地，塔里木盆地東部，四周為崇山峻嶺所環抱，地形閉塞，降水稀少，氣候干燥，屬大陸性干旱荒漠氣候。遺址區氣溫日溫差和年溫差較大，多風沙，少雨雪，沙塵暴較頻繁。年降水量約20mm，多集中在夏季，日最大降水量118mm，蒸發量達約3000mm。年平均氣溫10.7-11.5℃，極端最低氣溫-27.2℃，極端最高氣溫43.6℃。全年盛行東北風，八級以上大風日年均36.9天，平均風速2.7m/s，最大風速可達40m/s。

1.3 風蝕病害

米蘭遺址的建筑工藝多樣，有天然土夯筑、紅柳或蘆葦加筋垛泥、土磚砌筑、生土塊砌筑。由于材料和建筑工藝的因素，遺址性質脆弱。該區沙塵暴頻繁及溫度變化劇烈，遺址遭受著嚴重的風蝕破壞。典型的風蝕現象有四種：蜂窩狀墻貌，土磚砌筑縫空虛，加筋層出露，和雅丹層凹進。在風沙磨蝕與旋蝕作用下，局部軟弱部位產生剝離形成蜂窩狀墻貌。土磚與層間膠泥強度發生差異風化，膠泥首先脫落。在使用紅柳或蘆葦加筋工藝建造的位置，夾層腐爛較慢，中間垛泥材質較弱，風化較快，因而出現加筋層出露現象。雅丹層抗風蝕能力較弱，造成建造于雅丹之上的遺址失去支撐，出現墻體裂縫和崩塌。

2 材料及方案

2.1 材料

PS材料加固現場試驗所需區域較大，且為破壞性試驗。鑒于文物的特殊性，不能在文物本體上直接試驗，因此本次試驗所選區域為距離米蘭戍堡較近的雅丹土。另外，文物本體是建造于雅丹地層之上，且土遺址建造原料是取自雅丹后加工而成，雅丹地層的風蝕也嚴重影響到文物本體的穩定，目前有很多文物本體因雅丹地層風蝕縮進而發生拉裂或坍塌。表1為雅丹土的基本物理性質指標。表2是雅丹土的化學分析試驗結果。表3為雅丹土的顆粒組成分析。

現場雅丹土的加固材料選用PS材料，試驗選擇較平整的試驗面，用不同濃度的PS溶液對遺址風化表面進行加固。借鑒新疆交河故城搶險加固工程及其他遺址保護工程的經驗，選取模數為3.7，濃度為21.7%的PS原液，配制3%、5%、7%三種濃度的PS溶液進行噴滲加固。

2.2 方案

本試驗區表面風化層厚約8-10mm，因此選用PS溶液噴灑滲透的方法。將試驗區劃分為四塊面積為100×50㎝的條形試驗區，分別為空白區和PS濃度分別為3%、5%、7%的加固區，每塊條形試驗區上半部分50×50㎝作為風蝕試驗區，下半部分50×50㎝作為雨蝕試驗區。文中W0表示原始表面形狀的風蝕試驗區，W3表示PS溶液濃度為3%的風蝕試驗區，R0表示原始表面形狀的雨蝕試驗區，R3表示PS溶液濃度為3%的雨蝕試驗區，其他編號以此類推。

PS溶液分三次噴灑滲透，三次的滲透量分別為2400ml/m2、2000ml/m2、1000ml/m2。滲透時間間隔為24小時，每次滲透時間選擇在早晨7：00-7：30進行（空氣溫度20℃左右），每次滲透后進行表面覆蓋陰干。使用手動噴壺噴灑滲透，在噴灑PS溶液前首先噴灑800ml/m2的清水濕潤土層表面，噴灑時速度控制為PS溶液不成股流下為宜。養護完成后進行風蝕及雨蝕破壞性試驗。

3 試驗結果及分析

3.1 微觀結構

土體的微觀結構決定了土體的各項指標，為了解試驗區土體的微觀形態，對W0、W3、W5及W7區所取原狀樣進行顯微觀測。設備采用日本生產的HITACHI牌SU-1500型掃描電子顯微鏡，分辨率為5-300000倍，本次拍攝放大倍數為2000倍。

由圖1可見，未加固的試樣（W0）其結構層狀和片狀分明，粒度大，孔隙多，顆粒間黏結弱，顆粒邊界明顯。在PS加固后試樣的顯微結構圖中可見，W3中還能看到一些片狀結構和大顆粒，但較之W0其孔隙率明顯降低，且孔隙變小，在W5中，大顆粒很少，且孔隙更小、更少，而在W7中可以看到PS溶液在其表面上的結晶物，試樣表面變的光滑，顆粒間隙被充填，顆粒被固定。圖中的微觀結構信息表明，土體在經PS溶液滲透后，其顆粒結構形態及排列發生了顯著變化，顆粒變小，顆粒由點接觸式變為膠結，PS充當了膠凝材料，充填了顆粒間隙，使孔隙率降低，促使土體強度提高。

PS 作用于黏土礦物后，改變了分離的、片狀的晶態黏土礦物的微觀結構，形成了一種致密的非晶態凝膠網狀結構，這種結構的變化決定了其物理強度和抗風化能力的增強。黏土顆粒與PS 溶液的作用分為兩個方面：一個方面是PS 的離解產物對黏土顆粒的金屬陽離子的靜電吸附作用，這種作用的結果是破壞了黏土顆粒的結構，形成了非晶態的硅鋁酸鹽；另一方面是黏土顆粒與PS 中鉀離子的交換和吸附作用，使分散的黏土顆粒形成較大的團粒，形成了整體的聯結[14，15]。

3.2 溫度敏感性

采用紅外熱成像儀進行PS滲透區和空白對比區進行表面溫度測量。儀器采用武漢高德公司生產的IR928+型非制冷焦平面紅外熱像儀，測溫范圍為-20℃-500℃，在-20℃-125℃溫度范圍內，測量精度±1℃，發射率取0. 93。測量時間為環境溫度較低即環境溫度逐漸開始升高的時間段（早晨），當地環境溫度在一天內相對較高時刻（中午），環境溫度較低即環境溫度逐漸降低的時間段（傍晚）。圖2為土體表面溫度與PS濃度的關系。

由圖2可見，W0與W3、W5 和 W7對溫度的敏感性發生了變化，在環境溫度較低且溫度逐漸升高的時刻（早晨）和環境溫度逐漸降低的時刻（傍晚），W0區溫度低于W3、W5和W7，這說明在土體向外界進行能量輸出時，PS滲透區土體有利于能量由土體內部向環境中的輸出，出現表面溫度相對較高的現象，而環境溫度相對較高的時刻（中午），W0區溫度高于W3、W5、W7，在土體從外界吸收能量時，PS滲透區土體可以及時將能量由環境輸入到土體內部，而出現表面溫度相對較低的現象。在未經PS加固的情況下，天然土體的表面最高與相對最低溫度之差達到23.3℃。當采用3%PS進行滲透處理后，相同氣象條件下最高與相對最低溫度之差達到19.8℃。當采用5%PS進行滲透處理后，最高與相對最低溫度之差達到18.2℃。當采用7%PS進行滲透處理后，最高與相對最低溫度之差達到16.3℃。由此說明PS溶液的滲入改變了土體的溫度敏感性，使能量在表面的聚集程度降低，可以使能量比較有效地傳遞至能量較低的環境中去，且PS滲透濃度越高，表面溫度變化越小。PS溶液與土顆粒接觸，改變了土體結構，從而改變了土體中一定厚度土體的熱傳導系數。

在西北地區，環境氣溫會發生劇烈的日變化和季節變化，遺址表層土體的溫度也會隨之發生改變。這會引起土顆粒骨架不斷地重復膨脹—收縮循環過程，加速土體的劣化與分解。以上試驗數據表明，PS加固后，能在一定程度上降低土遺址隨環境氣溫變化的敏感性。這就是說，PS加固不僅提高了土體自身的強度，且加固后的土體還表現出抑制熱脹冷縮的熱力學特點。這顯然對提高遺址的防風化能力是有益的。PS加固土熱力學性質改良，可能與加固土熱傳導系數的變化有關。

3.3 風蝕耐久性

現場風蝕試驗設備采用功率為370W的鼓風機，出風口連接導流筒，風速固定為19m/s，吹蝕時間為5min。試驗時砂粒由導流筒上方的漏斗加入，通過流量控制閥控制進入導流筒中的砂量，導流筒保持水平放置，與試驗面間距為0.5m。試驗所用砂子取用遺址周圍普遍存在的戈壁天然砂，其級配見表4。

圖版21所示為試驗區風蝕前后的形態。從圖中可以看出，W0為風蝕區整體剝離破壞，邊界上仍可看到被剝離的截面，W3為風蝕中心區逐漸風蝕造成中心區片狀破壞，而中心區周圍仍為點狀破壞，W5僅風蝕中心區出現一小片剝離區，而多為點狀破壞，W7僅在風蝕中心區出現數個點狀破壞區，中心區周圍發育了一些小的裂紋。表5為上述4個區風蝕程度統計表。

圖3為風蝕面積與PS濃度和風蝕時間的關系。從圖中可以看出，風蝕面積隨風蝕時間的加長而逐漸增大，隨PS濃度的升高而逐漸變小，且在風蝕后期風蝕速率逐漸降低，這是因為表部的強風化層已經被該風速下的攜砂風侵蝕殆盡，出露的底層仍比較堅硬，同時這一過程也是風蝕不斷推進演化的過程。另外在濃度由3%到5%之間的風蝕面積曲線有一個大的跳躍，因此對于該種土應使用濃度不小于5%的PS溶液進行加固保護，才能保證其加固效果。從表5和圖3中點狀和面狀破壞的起蝕時間以及風蝕深度上也可以看出，從W0、W3、W5到W7，起蝕時間在逐漸增長（時間效應），而風蝕的最大深度在逐漸減小，由此說明不同濃度的PS溶液對土遺址的加固效果不同。

現有研究成果表明[16]，隨著PS濃度的增大，土體的各項性能指標逐漸提高。但PS濃度太高時，SiO2含量高，凝結時間短，影響滲透，加固效率和深度有所下降。PS濃度過低，SiO2含量低，凝結時間長，而殘余K2O和CO2遇水將生成K2CO3，不僅影響外觀，而且降低了膠結體的穩定性。因此，對不同土遺址的PS滲透加固，應選擇合適的濃度。

3.4 雨蝕耐久性

待試驗區養護完成后（滲透后1周）進行雨蝕試驗。使用自行設計的雨蝕試驗設備，最大流速為17.3m/s。雨蝕試驗所用水來自當地的自來水。出水噴頭距試驗面50cm，噴頭與墻面垂直。對每塊試驗區以固定的流量（66ml/s或143ml/s）雨蝕5min。觀察試驗面變化，記錄開始破壞時間、破壞面積、破壞深度，測定水入滲深度。

PS噴滲加固區雨蝕后區域表面較為平整，作舊層被水流帶走，干燥后顯露出作舊前的深黃色，但試驗面無明顯的雨蝕坑（圖版22），表面形態雨蝕前后差異不大，無原始物質被水流帶走。未加固的R0區在水流的作用下，松散的風化層被水流帶走，雨蝕中心區出現較大的雨蝕坑，顯露出風化較弱的內部土體。雨蝕過程中，空白區形成的水流呈黃色，雨蝕后形成雨蝕坑，而由PS噴滲加固區流下的水流較清。

4 結論

（1）通過對試驗區進行表面紅外拍攝監測其表面溫度變化可以發現，PS改變了土體的溫度敏感性。在西北地區，劇烈的溫度變化使土遺址表層土體不斷地進行著膨脹—收縮—膨脹的循環過程，加上水分干濕循環和凍融循環的作用，加劇了土體的風化，PS在一定程度上降低了土遺址的溫度敏感性，有利于抵抗風化。

（2）由微觀結構信息可以分析得出土體在經PS溶液滲透后，其顆粒結構形態及排列發生了顯著變化，顆粒變小，顆粒由點接觸式變為膠結，PS充當了膠凝材料，充填了顆粒間隙，使孔隙率降低，促使土體強度提高。但過大的濃度使表面龜裂，因此噴滲時需控制PS的濃度。

（3）現場風蝕耐久性試驗中，隨著PS濃度的提高，試驗區遭受風蝕破壞的面積及深度減小，且起蝕時間延長，即抗風蝕能力在增強。

（4）現場風蝕試驗中，未加固區（W0）在短時間內表層破裂而發生片狀剝離破壞，3%PS溶液加固區為點—小片—大片的破壞模式，5%PS溶液加固區的風蝕現象為點—小片，濃度7%PS溶液加固區的風蝕現象為點狀破壞，表面小裂紋發育。

（5）雨蝕試驗中，空白區在水流作用下強風化層形成泥流而損失，顯露出仍具有一定強度的弱風化層或未風化層，雨蝕中心區呈現雨蝕坑。PS噴滲試驗區在水流作用下表面作舊層被帶走，但表面沒有發生損壞，在作舊層損失后從表面流下的為清水，水下滲深度在1-4cm之間。

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