無機改性固化劑在南方潮濕環(huán)境土遺址中的性能研究

潘崇根 陳柯宇，2 奚三彩 王韜 郭佩佩

（1.浙江大學寧波理工學院，浙江寧波 315100；2.浙江理工大學，浙江杭州 310018）

1 引言

土遺址是人類精神文明的載體，具有分布范圍廣、遺址之間差異性大等特點。2010 年以來，潮濕環(huán)境土遺址文物保護單位的數(shù)量約占全國的半數(shù)，所處的特殊環(huán)境使得遺址內部文物受到影響和破壞，因而針對潮濕環(huán)境土遺址的保護具有重要意義。以華東地區(qū)浙江河姆渡遺址為例，其反映了我國原始社會母系氏族時的景象［1］，是新世紀以來最具有研究價值的土遺址之一，且在浙江具有眾多分支遺址，其中當屬距離河姆渡遺址僅7 km 的寧波田螺山土遺址最為著名。寧波田螺山土遺址地處浙江東南沿海，處于亞熱帶季風氣候，氣溫常年溫和濕潤。同時寧波水網(wǎng)密布，年降水量大且不均勻，呈雙峰型，相對濕度約為81%［2-3］，尤其在寧波田螺山土遺址附近區(qū)域，年降水量大，2018 年降水量在1 850 mm 以上，遺址土壤更為潮濕，且遺址易受到雨水、溫濕度驟變、鹽析等多種環(huán)境因素的影響，造成土體軟化、倒塌、剝落、沖溝以及真菌、藻類滋生等病害，其中影響較為嚴重的是田螺山遺址殘存的木樁等建筑結構。基于對以寧波田螺山為代表的潮濕環(huán)境下的土遺址實現(xiàn)原位保護的目的，采用化學固化劑保護遺址土的方式有一定優(yōu)勢［4-7］。

無機化合物類土固化劑是現(xiàn)階段應用較廣的一種保護材料，其主要機理是以充足的鈣源為基礎，在加入土體后能夠較快地發(fā)生水解和水化反應，生成氫氧化鈣、含水碳酸鈣及水泥桿菌等混合物［8-9］。常見的無機化合物類固化劑有無機材料硅酸鉀、硅酸鋰、硅酸鋁、氫氧化鈣等，這些材料在干燥土遺址條件下得到充分應用，國內外學者也在土遺址上付諸工程實踐。早在1980 年，意大利政府就使用波特蘭水泥對地費拉拉潮濕土遺址進行固化。近年來，無機化合固化劑的種類不斷增加，逐步取代水泥等改變土體原狀的固化材料。張金風等［10］采用5%的硅酸鉀溶液對秦始皇兵馬俑炭化遺跡進行加固，土樣的力學強度得到提高，具有耐水、耐凍融、耐溫度、耐濕度變化能力；張憲朝［11］、張得煊等［12］通過對遺址土樣添加不同濃度的PS 溶液加固后，發(fā)現(xiàn)PS 加固對土體抗剪強度、豎向壓力、孔隙率等均有加大影響；韓向娜等［13］則制備納米氫氧化鈣，改善石灰在水中溶解度低、粒徑大的問題，使得固化效果增強。

但是針對更加復雜的潮濕環(huán)境下的土遺址，傳統(tǒng)的固化材料難以得到有效滲透，甚至導致土遺址表面失去透水和透氣性，從而造成表面的整體剝離，對土體環(huán)境影響較大。這些不利因素讓一概而論的無機化合物固化技術使用推廣受到制約［14-15］，因此選用一種新材料的固化劑一直是土遺址保護的重點和難點，新材料在滿足力學性能的同時，也需要具有環(huán)境友好性。例如針對高有機質的干旱土遺，高分子SH 固化材料能有效粘結土顆粒及腐蝕基［16］；針對西部干旱半干旱地區(qū)土遺址，PS 加固材料能填充有效土體裂縫［17］；使用糯米漿為加固劑的灰漿或三合土作為建筑材料能對黃土土遺址進行較大面積的修復［18］。而潮濕土遺址存在含水率大、土體滲透能力差、孔隙率小等一系列特征。本文基于田螺山原狀土樣理化性能，研制出一種無機改性固化劑，通過固化劑自然滲透深度、pH 值、抗壓抗折強度、固化前后質量、水穩(wěn)性、耐鹽腐蝕性等多方面性能，分析新型固化劑對土體的作用效果及其工程應用價值，以期為保護潮濕環(huán)境下的土遺址提供參考依據(jù)。

2 材料及試驗方法

本文研制的無機改性固化劑也稱CaO-Al2O3-SiO2-H2O（CASH），系膠凝材料水化物，是一種以鈣源為主，并含有鋁源和硅源的無機納米改性材料。納米改性材料改善了傳統(tǒng)固化材料在水中濃度低、粒徑大的問題，使得其溶液能夠應用于孔隙率較小的文物基體。CASH 試劑各項成分與田螺山天然土體相近，在不改變土遺址原生狀態(tài)的前提下，實現(xiàn)較優(yōu)的保護效果。

2.1 試驗試劑和儀器設備

土樣（寧波田螺山土遺址地表下5 m 處）、CASH試劑（自制）、5%PS（高模數(shù)硅酸鉀，敦煌研究院研制）、土樣壓制模具和壓力計、HS-010 恒溫恒濕試驗箱、電子天平、量尺、BPH-7200 型實驗室pH 計、APS80 系列液相色譜儀、TYE-2000B 液壓式壓力試驗機、循環(huán)水式特制真空泵及存樣筒、DKZ-6000 型電動抗折試驗機、LP-100 數(shù)顯液塑限聯(lián)合測定儀。

2.2 無機改性固化劑CASH制備

CASH 試劑的制備采用表1 配比方式，其目標在于配置得到的固化材料成分總體與寧波市田螺山土樣的成分相似，能夠最大程度避免對遺址土體性能的改變。將各原材料置于燒杯中并密封，按照水與材料4∶1 的方式進行加水并水浴加熱（35 ℃）發(fā)生水化反應，120 d 后，采用無水乙醇洗滌3 次終止水化。用恒溫干燥箱烘干冷卻后得顆粒狀固體。

表1 CASH 固化試劑各組分比例 %

2.3 試驗方法

針對遺址現(xiàn)場的土樣物理性質測試均以《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—1999）為依據(jù)。

固化劑在實際工程中有2 種使用方式：（1）表面噴灑［19-20］，主要用于干燥土遺址的固化與潮濕土遺址淺層修復；（2）加壓灌注［21-22］，主要適用于孔隙率小的潮濕土遺址深層修復，灌注深度可根據(jù)壓力水頭的大小來控制。除測定自然滲透深度采用表面噴灑外，其余數(shù)據(jù)測定過程中的添加方式均采用加壓灌注法。固化劑選用CASH 試劑，縱向比較加固前后土體的性能，并與當前市面上應用較多的PS試劑進行橫向比較。后續(xù)天然土樣與固化材料配比見表2。

表2 實驗固化劑配比 %

取蒸餾水、PS 試劑、CASH 試劑各 1.5 L，分別加入紅墨水進行上色。從加固重塑土樣作業(yè)開始計時，通過軸向切除土樣的方式測量不同時點的滲透深度。將固化劑添加進重塑土樣，分別填充進100 mm×100 mm×100 mm、40 mm×40 mm×160 mm，并在自然條件下養(yǎng)護 7，14，28，60，90 d。拆模后放在室外干燥0.5 h 分別測定抗壓、抗折強度；取養(yǎng)護90 d的田螺山土遺址固化土樣試塊稱量后計算其質量變化率，并浸泡在水中24 h 后再進行抗壓強度測試，與原始強度進行比較進而判定其水穩(wěn)性；同取90 d 固化土樣裝入橡皮膜內以避免水分蒸發(fā)對強度影響，溫度場的交替周期為8 h：放入冰凍箱內-20 ℃冷凍4 h 后，在保濕器20 ℃融化4 h，記為1次凍融循環(huán)，循環(huán)次數(shù)設置為5，10 次，測定其抗壓強度性能；同取90 d 固化試塊放入Na2SO4溶液中浸泡12 h 后取出，在100 ℃下烘干，再浸泡至飽和鹽溶液中，循環(huán)多次測定固化前后耐鹽腐蝕能力。

3 試驗結果

3.1 土樣的理化性質分析

土樣為良好級配的不均質潮濕軟黏土，其基本物理力學性能指標見表3。

表3 田螺山土遺址天然土樣（地表下5 m）基本物理力學性能指標

土樣顆粒所占百分含量見表4。

表4 田螺山土遺址天然土樣（地表下5 m）顆粒所占百分含量（篩分法、密度計法）

土樣主要成分為SiO2與Al2O3，分別占61.58%與13.61%（表5）。采用烘干天然土樣去除雜質，并后期添加蒸餾水的方式制備重塑土樣，試驗所用的重塑土樣含水率為35%，干密度為1.36 g/cm3。

表5 田螺山土遺址烘干后土樣（地表下5 m）化學全分析結果 %

3.2 固化劑自然滲透深度測定

實驗結果如圖1。

圖1 重塑土樣表面固化滲透深度測量圖

不同固化劑在相同時間下的滲透能力有所差異，滲透能力均小于蒸餾水，可能是由于固化劑在滲透過程中與遺址土發(fā)生反應，導致土體孔隙率減小，固化劑難以有效滲透。且CASH 試劑的最大滲透深度大于PS 試劑，約為78.9 mm，原因在于納米級材料的顆粒粒徑更小，沉積速度更快。由于本次試驗時間有限，在實際工程應用中的固化劑滲透深度還會更大，可見CASH 試劑可針對難以進行修復的深層裂縫、塌陷進行有效保護。

3.3 抗壓強度試驗

7 d 抗壓強度試驗見圖2。

圖2 7 d 抗壓強度試驗

抗壓強度試驗結果見表6。由表6 可知，添加不同固化劑的試塊的抗壓強度均隨齡期增強，增長幅度各有差異。CASH 的固化能力在5%～10%的范圍隨著添加量呈增長趨勢，而在添加量繼續(xù)增大時，CASH 的固化能力呈下降趨勢，從而可知寧波市田螺山土樣會在CASH 添加至10%～15%的范圍內達到飽和。且在同樣添加比例的情況下，添加CASH試劑的固化試塊的早期抗壓強度形成（28 d 前）比添加PS 試劑的快，CASH 試劑的自然滲透能力更強，單位土體能吸收更多的固化試劑，最終抗壓強度趨近于3 500 kPa。當CASH 試劑摻量過大，固化能力反而有所下降，造成這一現(xiàn)象的主要原因可能是土體孔隙對固化劑的吸收量有限，超過飽和點后會因自由土顆粒過少，難以實現(xiàn)土顆粒之間的有效膠結。

表6 固化試塊抗壓強度試驗結果 kPa

3.4 抗折強度試驗

抗折強度試驗見圖3。

圖3 抗折強度試驗

固化試塊抗折結果見表7。由表7 可知，添加不同固化劑的試塊的抗折強度均隨齡期增強，增長幅度各有差異。且添加同樣比例的PS 試劑與CASH試劑相比，后者對田螺山重塑土樣的抗折性能增加的幅度更大。CASH 試劑添加量超過10%后，對抗折性能的增加不明顯。對受折破壞面的分析可知，其破壞面均在中部位置，對照組沒有破壞面。試驗能達到的最大抗折強度趨于700 kPa，最大抗壓強度3 500 kPa，這一數(shù)值小于干燥條件下使用PS 試劑能達到的最終強度［23-24］。造成這一現(xiàn)象的原因可能是遺址土中的水分對固化劑的作用造成干擾，固化劑未能有效進入毛細孔隙中，故前期對于土遺址的排水措施較為關鍵。

表7 固化試塊抗折強度試驗結果 kPa

3.5 pH值變化

不同潮濕環(huán)境土遺址的原狀土的pH 值是不同的，即原狀土為堿性的土壤，處理后也應該為堿性，不影響土體原有的堿性環(huán)境［25］。已知未加固的原狀土樣呈弱堿性，添加5%的CASH 加固的土樣pH 值變化不大，基本未改變原狀土樣的弱堿性環(huán)境。但隨著摻量增加，PS 試劑和過量CASH 加固的土樣呈強堿性，見表8。因此未來實際工程中，堿性助劑的添加量應當控制在合適的比例。

表8 土樣固化前后pH 值變化

3.6 質量變化

質量變化作為一項重要的指標，可揭示土體吸收固化劑的限度。經(jīng)各固化劑加固前后土體質量變化見表9。本文研究的幾種固化劑進入土體后生成膠結物質，也有一部分固化劑揮發(fā)。在添加等量固化劑的前提下，固化土的質量越高，土體對固化劑的吸收能力越好。由表9 可知，B 組的質量變化率最大，相比PS 試劑土體能吸收較多的無機改性固化劑，且實際應用中合適的摻量應在10%～15%之間。

表9 土樣固化前后質量對比 %

3.7 凍融循環(huán)試驗

凍融循環(huán)試驗從溫度變化角度對固化材料加固土樣的物理力學性質的影響入手，研究固化遺址土在環(huán)境變化下的劣化機制［26-27］。從表10 中可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)在5 次后，原狀土樣已經(jīng)破壞，而固化試件都能保持其結構完整性，當固化劑摻量較大時抗壓強度甚至有小幅度增大；當凍融循環(huán)次數(shù)達到10 次時，試件表面出現(xiàn)裂縫且抗壓強度明顯減小。CASH 試劑和PS 試劑摻量較低時，強度損失較大，損失率接近20%。

表10 固化試塊的凍融循環(huán)試驗結果 kPa

3.8 水穩(wěn)性試驗

水穩(wěn)定性系數(shù)是以不同齡期飽水抗壓強度與干抗壓強度的比值表征水穩(wěn)定性［28-29］。浸水后，土樣強度明顯下降，表面產生裂縫，但整體結構依舊良好。從表11 中可以看出，固化試塊的水穩(wěn)定系數(shù)均在90%以上，一定程度內固化劑的摻量越高，水穩(wěn)定性能越好。造成這個結果的原因可能是固化劑能有效膠結土顆粒，土體吸收固化劑的量與水穩(wěn)定系數(shù)呈一定的正比關系。

表11 固化試塊的水穩(wěn)定性能試驗結果（浸水時間24 h）

3.9 耐鹽腐蝕性試驗

沿海潮濕環(huán)境土遺址富含NaCl，MgCl2，MgSO4等無機鹽，易造成土體剝落、侵蝕［30-31］，耐鹽腐蝕試驗模擬沿海環(huán)境鹽分反復侵蝕土體的情況［32-33］，其中重塑土固化前破壞時間為2～3 min。添加固化劑后耐鹽腐蝕能力有明顯提高，實現(xiàn)良好的土遺址保護效果，且隨著固化劑摻量的增加，耐腐蝕性增強。試驗結果見表12。

表12 固化試塊的耐鹽腐蝕性能試驗結果

4 總結與展望

本文通過室內試驗的手段，研究和探討了CASH對潮濕環(huán)境下土遺址的滲透加固潛力。通過自然滲透試驗、抗壓抗折試驗、水穩(wěn)性、耐鹽腐蝕性及固化前后部分理化性能指標的分析，主要得到以下結論：

以納米硅粉和膠凝材料為主要原料，外摻堿性助劑、增凝劑復合而成的土遺址固化劑CASH，在成分上含Si，Al，Ca 等多種元素，與遺址天然土樣成分接近，相比PS 固化劑不易改變土體原有性質，且具有良好的固化性能，能有效增加天然土樣的力學性能。

CASH 固化試劑與pS 固化試劑相比，兩者的水穩(wěn)定性、耐鹽腐蝕性、質量及pH 值變化率、凍融情況均相近，但前者的早期固化能力更好，具體表現(xiàn)在抗壓和抗折強度上。當CASH 固化試劑的摻量達到15%，固化能力反而有所下降；在土遺址保護工程中要考慮到固化劑的最大添加量，對CASH 的摻量應控制在10%～15%范圍內。

現(xiàn)階段，針對潮濕環(huán)境下的土遺址保護仍有待改進，對潮濕環(huán)境下的土遺址保護提出如下建議：

（1）制定針對潮濕環(huán)境下的土遺址保護材料的相應規(guī)范。現(xiàn)階段土遺址保護方面仍然面臨缺少相應的規(guī)范要求，其中人為對土遺址的破壞占了很大比例。針對土遺址固化的相應化學材料、土遺址保護的要求等劃定規(guī)范，如利用與環(huán)境友好的固化材料或不破壞土遺址原狀的錨桿保護，均有利于土遺址的長期保護。

（2）可以考慮從多種方式協(xié)同保護土遺址，單純從固化土的角度對土遺址保護較為單一，有必要采用多種途徑共同保護，如采用微型竹錨桿加固潮濕土、裂隙灌漿、支頂加固技術等措施。