新型土遺址修復(fù)加固材料試驗研究

李鑫　趙剛　李新明　孫晨嬌　齊嘉

摘要：考慮到土遺址夯筑本體水敏性和穩(wěn)定性較差的特性，以及長期受自然因素營力作用的影響，采取科學(xué)的修復(fù)材料補夯的措施可有效抑制土遺址本體殘損的進一步發(fā)展。以河南地區(qū)典型粉砂土為研究對象，制備不同配比石灰-偏高嶺土改良材料，研究其對基準(zhǔn)土樣強度性能的影響和微觀機制，并對比分析水硬性石灰土。結(jié)果表明：對比NHL，綜合考慮石灰-偏高嶺土對基準(zhǔn)土樣擊實特性、無側(cè)限抗壓強度和強度增長率的影響，采用6﹪-8﹪石灰+4﹪偏高嶺土改良粉砂土，在強度特性方面達到了水硬性石灰的修復(fù)性能，實現(xiàn)了對粉砂土更好的改良效果。結(jié)合SEM發(fā)現(xiàn)，摻入偏高嶺土后生成的水化產(chǎn)物，可聯(lián)結(jié)土體顆粒、充填空隙，使改良土微觀結(jié)構(gòu)更加致密。

關(guān)鍵詞：土遺址;粉砂土，石灰-偏高嶺土;強度特性;微觀機制

引言

土遺址由比較脆弱的土質(zhì)材料夯筑而成，在雨水、溫差、地下水等自然因素的營力作用下，均出現(xiàn)了較大程度的劣化、裂縫、坍塌和損毀等病害，夯土內(nèi)部空隙發(fā)育豐富，具有土體骨架穩(wěn)定性弱、水敏性強等特點。采取積極有效的預(yù)防性保護措施解決遺址病害問題，并遵循“不改變原狀，保持真實性、完整性”的保護原則和“使用恰當(dāng)保護技術(shù)，最低限度干預(yù)”的修繕?biāo)悸罚蔀楫?dāng)前土遺址保護工作艱巨而復(fù)雜的任務(wù)。

對土遺址的病害處理，需科學(xué)回填修復(fù)材料并補夯，修復(fù)材料的配比決定了本體加固后的力學(xué)性能和水力特性。查閱文獻發(fā)現(xiàn)，目前用于土遺址的修復(fù)材料主要包括有機類和無機類兩種。其中水泥類膠凝材料由于過高的機械強度和可溶鹽的釋放，與土遺址的兼容性較差;石灰作為固化劑的使用源于宋代，但硬化速度慢，耐水性能差的特點限制了其發(fā)展;敦煌研究院和蘭州大學(xué)分別開發(fā)了適用于西北干旱地區(qū)土遺址修復(fù)的PS材料和SH材料，其效用在雨水充足的中原地區(qū)試驗中明顯下降;水硬性石灰在歐美地區(qū)廣泛應(yīng)用于土遺址修復(fù)，取得了較好的應(yīng)用效果，既具水泥的水硬性，石灰與遺址土的兼容性，又具有良好的抗?jié)B性和自我修復(fù)功能[6]。但國內(nèi)水硬性石灰礦源稀缺，配方及制備工藝不成熟，而進口水硬性石灰價格昂貴，不利于大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。

偏高嶺土（MK）作為水泥和混凝土礦物添加劑的使用在近年逐漸成為研究熱點。偏高嶺土中的主要成分可與石灰水化反應(yīng)中電離和結(jié)晶析出的一系列物質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鈣和多種水化產(chǎn)物，這既可提高土體的強度，也可降低土體體積的收縮。考慮到我國豐富的石灰和偏高嶺土資源，在土遺址基準(zhǔn)土樣中科學(xué)添加石灰、偏高嶺土，以此實現(xiàn)同添加水硬性石灰后的良好修復(fù)效果，并保持其高性價比的特點具有重要的研究意義和實用價值。

鑒于此，以河南地區(qū)典型粉砂土為研究對象，制備不同石灰及偏高嶺土摻量下的改良土試樣，養(yǎng)護至預(yù)定齡期后，進行強度試驗和微觀分析;并與水硬性石灰土進行對比研究，明晰其水硬性過程中的強度變化規(guī)律和內(nèi)在微觀機制，開發(fā)適用于夯土古城墻修復(fù)的改良材料，確定其最佳配合比，以期為土遺址修復(fù)材料的研究提供有益借鑒。

一、試驗材料與方法

（一）試驗材料

試驗基準(zhǔn)土樣取自河南省鄭州市苑陵故城，經(jīng)一系列物性試驗得到其粒徑級配、液塑限和塑性指數(shù)等基本物理參數(shù)，如表1。根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019 ），判定苑陵故城遺址土為粉砂土。改良土中添加的偏高嶺土、生石灰（CaO含量大于90%）摻料均為市場采購獲得;天然水硬性石灰為進口材料，強度等級符合歐洲標(biāo)準(zhǔn)BS.EN459-2015。粉砂土、石灰、偏高嶺土及水硬性石灰的主要化學(xué)成分分析如表2所示。

（二）試驗方案

按照《公路工程無機結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗規(guī)程》中石灰穩(wěn)定材料的配比試驗，提出了4種石灰配比，即石灰占總質(zhì)量的比重分別為6%、8%、10%和12%;在摻入石灰的基礎(chǔ)上，分別添加偏高嶺土，實現(xiàn)偏高嶺土占總質(zhì)量的比重依次為0%、4%、8%和12%。為充分比較石灰-偏高嶺土與水硬性石灰的修復(fù)效果，設(shè)置4種水硬性石灰摻入比，其值同石灰摻入比，改良土試樣設(shè)計配比見表3。為方便表述，對設(shè)計配比的表示進行簡化，如6%L+4%MK表示在苑陵故城基準(zhǔn)土樣中摻入6%石灰、4%偏高嶺土形成改良材料，各設(shè)計配比改良試樣如圖1所示。

二、試驗結(jié)果與分析

（一）擊實試驗分析

擊實試驗是模擬現(xiàn)場施工條件，確定改良材料最大干密度及最優(yōu)含水率的一種試驗方法，其目的是了解材料的擊實特性，為施工現(xiàn)場提供必要的施工參數(shù)。擊實試驗過程參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123-2019）進行輕型擊實試驗。各設(shè)計配比的擊實試驗結(jié)果如圖2所示。

從圖2可知，在任一石灰配比下，隨著MK摻量的增加，石灰偏高嶺土改良材料的最大干密度減小，最優(yōu)含水率增大;峰值過后的變化趨勢逐漸趨緩。分析可知：①材料間的水化反應(yīng)產(chǎn)物充填于粉砂土顆粒間，使得土體空隙減少，最大干密度降低;②同樣的試驗條件下，增加石灰的摻入量不但能提高修復(fù)材料的最優(yōu)含水率，還能改善土體塑性，這將降低現(xiàn)場對施工條件的依賴。

（二）強度特性分析

無側(cè)限抗壓強度是一項重要的力學(xué)指標(biāo)，圖3為試樣無側(cè)限抗壓強度與材料摻入量及養(yǎng)護齡期之間的關(guān)系圖。從圖3可知，在基準(zhǔn)土樣中只摻入6%的石灰后，隨著養(yǎng)護齡期從7天增至28天，其無側(cè)限抗壓強度由0.51MPa提高至0.62MPa，強度特性提升甚微;當(dāng)摻入偏高嶺土后，“水硬性”顯著增強，改良材料強度明顯優(yōu)于單摻石灰土。以摻入6%石灰和4%偏高嶺土為例，當(dāng)齡期從7天增至28天后，其抗壓強度從2.53 Mpa顯著提升至4.47Mpa。可見，偏高嶺土對改良土強度特性的改善作用較好。

偏高嶺土摻量對改良土抗壓強度的增長率至關(guān)重要。圖4為強度增長率與摻入量及齡期之間的關(guān)系曲線。由圖3可知，以石灰摻量6%齡期為例，當(dāng)MK摻量從0%增至12%時，改良土的無側(cè)限抗壓強度從0.51MPa增至4.25Mpa;但從圖4可發(fā)現(xiàn)，抗壓強度的增長率呈現(xiàn)隨偏高嶺土摻量增加后先增大后減小的變化規(guī)律。其中，MK摻量從0%增至4%時，強度增長率由155%提高至394%;當(dāng)MK摻量繼續(xù)增至12%時，強度增長率則降至13.3%。因此，在施工過程中，需嚴(yán)格控制改良土的摻量配比，以避免材料利用率的下降。

圖5為改良土抗壓強度與水硬性石灰摻量及齡期之間的關(guān)系圖。由圖5可知，隨著水硬性石灰摻量和齡期中單一變量的增加，改良材料的無側(cè)限抗壓強度均發(fā)生顯著的增大。對比圖3可發(fā)現(xiàn)，摻入6%L+4%MK改良粉砂土，當(dāng)齡期由7天增加至28天時，抗壓強度由2.53Mpa增至4.47MPa，這與8%水硬性石灰（NHL2）28天齡期的強度（4.07MPa）相當(dāng)。當(dāng)改良材料中的石灰摻量增加至8%時，其28天齡期的抗壓強度為3.4MPa，這顯著高于水硬性石灰（NHL2）摻量為10%的強度（2.78MPa）。對比兩種改良材料的破壞應(yīng)變可知，在28天養(yǎng)護齡期下，摻入6%或8%L+4%MK時，分別與NHL摻量為8%和10%的改良材料相當(dāng)。由此可見，從強度特性和破壞應(yīng)變角度考慮石灰偏高嶺土替代水硬性石灰，改良粉砂土的可行性較高。

（三）微觀結(jié)構(gòu)分析

基于掃描電鏡（SEM）的土體微觀結(jié)構(gòu)研究，既反映了土體的形成條件，又決定了土體的物理、力學(xué)和工程性質(zhì)。圖6為8%石灰+不同摻量偏高嶺土改良土以及8%水硬性石灰改良土的SEM照片。由圖6可知，8%L+0%MK的樣品中未發(fā)現(xiàn)結(jié)晶態(tài)水化物生成，且結(jié)構(gòu)較為疏松;當(dāng)MK摻量增至4%時，微觀結(jié)構(gòu)較單摻石灰更加密實，出現(xiàn)了少量C₄AH₁₃和鈣釩石。隨偏高嶺土摻量的繼續(xù)增大，試樣中出現(xiàn)了大量的C₄AH₁₃、鈣釩石和絮凝狀CSH，填充于結(jié)構(gòu)空隙，微觀結(jié)構(gòu)逐漸密實化，這與XRD試驗結(jié)果相互印證。從土樣整體微觀結(jié)構(gòu)角度分析，L-MK反應(yīng)生成了與水硬性石灰類似的水化產(chǎn)物，且摻入偏高嶺土后的結(jié)構(gòu)要比水硬性石灰的更加致密和均勻。

（四）微觀機理

L-MK的固化過程是指水化反應(yīng)、碳化反應(yīng)等共同作用引發(fā)的土體硬化過程。石灰在水化反應(yīng)中生成Ca（OH）₂，并消耗水分，電離出大量的Ca²⁺和OH^-離子。一方面，Ca（OH）₂與空氣中的CO2發(fā)生碳化反應(yīng)生成CaCO₃;另一方面，Ca²⁺、OH^-離子與偏高嶺土中的主要成分SiO₂和Al₂O₃發(fā)生水化反應(yīng)，生成水化硅酸鈣（CSH）、水化鈣鋁黃長石（C₂ASH₈）和水化鋁酸四鈣（C₄AH₁₃） 。可見，石灰與偏高嶺土作為土體固化劑發(fā)生的一系列硬化反應(yīng)、水化反應(yīng)和離子交換，使得粉砂土顆粒間的空隙減少，黏結(jié)力增強。

三、結(jié)論

1.從基于粉砂土的擊實試驗中可知，石灰偏高嶺土的摻入，可提高改良材料的最優(yōu)含水率，降低其最大干密度，有助于現(xiàn)場施工。

2.從試樣破壞應(yīng)變、無側(cè)限抗壓強度、強度增長率及對比水硬性石灰的強度等方面綜合考慮，采用6% - 8%石灰+4%偏高嶺土改良苑陵故城粉砂土，可有效取代8%、10%的水硬性石灰，實現(xiàn)對粉砂土更好的改良效果。

3.結(jié)合改良材料的微觀結(jié)構(gòu)和機理發(fā)現(xiàn)，摻入石灰偏高嶺土后形成的水化產(chǎn)物充填于空隙，使改良土具有一定的水硬性且微觀結(jié)構(gòu)更加密實。