干旱區(qū)PS加固土建筑遺址風(fēng)化耐久性現(xiàn)場試驗研究

內(nèi)容摘要：風(fēng)化是土建筑遺址最為常見和影響嚴(yán)重的病害之一，目前關(guān)于土遺址風(fēng)化耐久性研究多為室內(nèi)、現(xiàn)場模擬試驗。為了探求PS材料（高模數(shù)的硅酸鉀溶液）加固土遺址的實際風(fēng)化耐久性效果，在新疆米蘭遺址現(xiàn)場進(jìn)行了實體試驗，使用模數(shù)為3.7濃度為3%、5%、7%的PS溶液對試驗區(qū)進(jìn)行加固，然后利用掃描電鏡分析其微觀結(jié)構(gòu)，利用紅外熱成像儀測量溫度敏感性，并進(jìn)行現(xiàn)場風(fēng)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(fēng)化能力。

關(guān)鍵詞：干旱區(qū)；土遺址；風(fēng)化；PS

中圖分類號：TU361 文獻(xiàn)標(biāo)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(jìn)了歐亞非各國與中國之間的經(jīng)濟(jì)和文化交流[1，2]，古絲綢之路在中國境內(nèi)主要通過陜西、甘肅、新疆[3]，沿途分布了大量的土遺址。

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

1 米蘭遺址

1.1 概況

米蘭遺址位于新疆維吾爾自治區(qū)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(hù)單位，分布于45.6km2的范圍內(nèi)，由戍堡、佛塔、佛寺、古灌溉渠道、烽燧等組成。

1.2 區(qū)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(qū)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(huán)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(qū)氣溫日溫差和年溫差較大，多風(fēng)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(fā)量達(dá)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(fēng)，八級以上大風(fēng)日年均36.9天，平均風(fēng)速2.7m/s，最大風(fēng)速可達(dá)40m/s。

1.3 風(fēng)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(zhì)脆弱。該區(qū)沙塵暴頻繁及溫度變化劇烈，遺址遭受著嚴(yán)重的風(fēng)蝕破壞。典型的風(fēng)蝕現(xiàn)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(jìn)。在風(fēng)沙磨蝕與旋蝕作用下，局部軟弱部位產(chǎn)生剝離形成蜂窩狀墻貌。土磚與層間膠泥強(qiáng)度發(fā)生差異風(fēng)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(zhì)較弱，風(fēng)化較快，因而出現(xiàn)加筋層出露現(xiàn)象。雅丹層抗風(fēng)蝕能力較弱，造成建造于雅丹之上的遺址失去支撐，出現(xiàn)墻體裂縫和崩塌。

2 材料及方案

2.1 材料

PS材料加固現(xiàn)場試驗所需區(qū)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(qū)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(fēng)蝕也嚴(yán)重影響到文物本體的穩(wěn)定，目前有很多文物本體因雅丹地層風(fēng)蝕縮進(jìn)而發(fā)生拉裂或坍塌。表1為雅丹土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)。表2是雅丹土的化學(xué)分析試驗結(jié)果。表3為雅丹土的顆粒組成分析。

現(xiàn)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(fēng)化表面進(jìn)行加固。借鑒新疆交河故城搶險加固工程及其他遺址保護(hù)工程的經(jīng)驗，選取模數(shù)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(jìn)行噴滲加固。

2.2 方案

本試驗區(qū)表面風(fēng)化層厚約8-10mm，因此選用PS溶液噴灑滲透的方法。將試驗區(qū)劃分為四塊面積為100×50㎝的條形試驗區(qū)，分別為空白區(qū)和PS濃度分別為3%、5%、7%的加固區(qū)，每塊條形試驗區(qū)上半部分50×50㎝作為風(fēng)蝕試驗區(qū)，下半部分50×50㎝作為雨蝕試驗區(qū)。文中W0表示原始表面形狀的風(fēng)蝕試驗區(qū)，W3表示PS溶液濃度為3%的風(fēng)蝕試驗區(qū)，R0表示原始表面形狀的雨蝕試驗區(qū)，R3表示PS溶液濃度為3%的雨蝕試驗區(qū)，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(jìn)行（空氣溫度20℃左右），每次滲透后進(jìn)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(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行風(fēng)蝕及雨蝕破壞性試驗。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 微觀結(jié)構(gòu)

土體的微觀結(jié)構(gòu)決定了土體的各項指標(biāo)，為了解試驗區(qū)土體的微觀形態(tài)，對W0、W3、W5及W7區(qū)所取原狀樣進(jìn)行顯微觀測。設(shè)備采用日本生產(chǎn)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(shù)為2000倍。

由圖1可見，未加固的試樣（W0）其結(jié)構(gòu)層狀和片狀分明，粒度大，孔隙多，顆粒間黏結(jié)弱，顆粒邊界明顯。在PS加固后試樣的顯微結(jié)構(gòu)圖中可見，W3中還能看到一些片狀結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)信息表明，土體在經(jīng)PS溶液滲透后，其顆粒結(jié)構(gòu)形態(tài)及排列發(fā)生了顯著變化，顆粒變小，顆粒由點接觸式變?yōu)槟z結(jié)，PS充當(dāng)了膠凝材料，充填了顆粒間隙，使孔隙率降低，促使土體強(qiáng)度提高。

PS 作用于黏土礦物后，改變了分離的、片狀的晶態(tài)黏土礦物的微觀結(jié)構(gòu)，形成了一種致密的非晶態(tài)凝膠網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的變化決定了其物理強(qiáng)度和抗風(fēng)化能力的增強(qiáng)。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(chǎn)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(jié)果是破壞了黏土顆粒的結(jié)構(gòu)，形成了非晶態(tài)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(tuán)粒，形成了整體的聯(lián)結(jié)[14，15]。

3.2 溫度敏感性

采用紅外熱成像儀進(jìn)行PS滲透區(qū)和空白對比區(qū)進(jìn)行表面溫度測量。儀器采用武漢高德公司生產(chǎn)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(nèi)，測量精度±1℃，發(fā)射率取0. 93。測量時間為環(huán)境溫度較低即環(huán)境溫度逐漸開始升高的時間段（早晨），當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度在一天內(nèi)相對較高時刻（中午），環(huán)境溫度較低即環(huán)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(guān)系。

由圖2可見，W0與W3、W5 和 W7對溫度的敏感性發(fā)生了變化，在環(huán)境溫度較低且溫度逐漸升高的時刻（早晨）和環(huán)境溫度逐漸降低的時刻（傍晚），W0區(qū)溫度低于W3、W5和W7，這說明在土體向外界進(jìn)行能量輸出時，PS滲透區(qū)土體有利于能量由土體內(nèi)部向環(huán)境中的輸出，出現(xiàn)表面溫度相對較高的現(xiàn)象，而環(huán)境溫度相對較高的時刻（中午），W0區(qū)溫度高于W3、W5、W7，在土體從外界吸收能量時，PS滲透區(qū)土體可以及時將能量由環(huán)境輸入到土體內(nèi)部，而出現(xiàn)表面溫度相對較低的現(xiàn)象。在未經(jīng)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(dá)到23.3℃。當(dāng)采用3%PS進(jìn)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(dá)到19.8℃。當(dāng)采用5%PS進(jìn)行滲透處理后，最高與相對最低溫度之差達(dá)到18.2℃。當(dāng)采用7%PS進(jìn)行滲透處理后，最高與相對最低溫度之差達(dá)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(huán)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(jié)構(gòu)，從而改變了土體中一定厚度土體的熱傳導(dǎo)系數(shù)。

在西北地區(qū)，環(huán)境氣溫會發(fā)生劇烈的日變化和季節(jié)變化，遺址表層土體的溫度也會隨之發(fā)生改變。這會引起土顆粒骨架不斷地重復(fù)膨脹—收縮循環(huán)過程，加速土體的劣化與分解。以上試驗數(shù)據(jù)表明，PS加固后，能在一定程度上降低土遺址隨環(huán)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(qiáng)度，且加固后的土體還表現(xiàn)出抑制熱脹冷縮的熱力學(xué)特點。這顯然對提高遺址的防風(fēng)化能力是有益的。PS加固土熱力學(xué)性質(zhì)改良，可能與加固土熱傳導(dǎo)系數(shù)的變化有關(guān)。

3.3 風(fēng)蝕耐久性

現(xiàn)場風(fēng)蝕試驗設(shè)備采用功率為370W的鼓風(fēng)機(jī)，出風(fēng)口連接導(dǎo)流筒，風(fēng)速固定為19m/s，吹蝕時間為5min。試驗時砂粒由導(dǎo)流筒上方的漏斗加入，通過流量控制閥控制進(jìn)入導(dǎo)流筒中的砂量，導(dǎo)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(qū)風(fēng)蝕前后的形態(tài)。從圖中可以看出，W0為風(fēng)蝕區(qū)整體剝離破壞，邊界上仍可看到被剝離的截面，W3為風(fēng)蝕中心區(qū)逐漸風(fēng)蝕造成中心區(qū)片狀破壞，而中心區(qū)周圍仍為點狀破壞，W5僅風(fēng)蝕中心區(qū)出現(xiàn)一小片剝離區(qū)，而多為點狀破壞，W7僅在風(fēng)蝕中心區(qū)出現(xiàn)數(shù)個點狀破壞區(qū)，中心區(qū)周圍發(fā)育了一些小的裂紋。表5為上述4個區(qū)風(fēng)蝕程度統(tǒng)計表。

圖3為風(fēng)蝕面積與PS濃度和風(fēng)蝕時間的關(guān)系。從圖中可以看出，風(fēng)蝕面積隨風(fēng)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(fēng)蝕后期風(fēng)蝕速率逐漸降低，這是因為表部的強(qiáng)風(fēng)化層已經(jīng)被該風(fēng)速下的攜砂風(fēng)侵蝕殆盡，出露的底層仍比較堅硬，同時這一過程也是風(fēng)蝕不斷推進(jìn)演化的過程。另外在濃度由3%到5%之間的風(fēng)蝕面積曲線有一個大的跳躍，因此對于該種土應(yīng)使用濃度不小于5%的PS溶液進(jìn)行加固保護(hù)，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(fēng)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(yīng)），而風(fēng)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(xiàn)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(biāo)逐漸提高。但PS濃度太高時，SiO2含量高，凝結(jié)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(jié)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(jié)體的穩(wěn)定性。因此，對不同土遺址的PS滲透加固，應(yīng)選擇合適的濃度。

3.4 雨蝕耐久性

待試驗區(qū)養(yǎng)護(hù)完成后（滲透后1周）進(jìn)行雨蝕試驗。使用自行設(shè)計的雨蝕試驗設(shè)備，最大流速為17.3m/s。雨蝕試驗所用水來自當(dāng)?shù)氐淖詠硭３鏊畤婎^距試驗面50cm，噴頭與墻面垂直。對每塊試驗區(qū)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(qū)雨蝕后區(qū)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(tài)雨蝕前后差異不大，無原始物質(zhì)被水流帶走。未加固的R0區(qū)在水流的作用下，松散的風(fēng)化層被水流帶走，雨蝕中心區(qū)出現(xiàn)較大的雨蝕坑，顯露出風(fēng)化較弱的內(nèi)部土體。雨蝕過程中，空白區(qū)形成的水流呈黃色，雨蝕后形成雨蝕坑，而由PS噴滲加固區(qū)流下的水流較清。

4 結(jié)論

（1）通過對試驗區(qū)進(jìn)行表面紅外拍攝監(jiān)測其表面溫度變化可以發(fā)現(xiàn)，PS改變了土體的溫度敏感性。在西北地區(qū)，劇烈的溫度變化使土遺址表層土體不斷地進(jìn)行著膨脹—收縮—膨脹的循環(huán)過程，加上水分干濕循環(huán)和凍融循環(huán)的作用，加劇了土體的風(fēng)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(fēng)化。

（2）由微觀結(jié)構(gòu)信息可以分析得出土體在經(jīng)PS溶液滲透后，其顆粒結(jié)構(gòu)形態(tài)及排列發(fā)生了顯著變化，顆粒變小，顆粒由點接觸式變?yōu)槟z結(jié)，PS充當(dāng)了膠凝材料，充填了顆粒間隙，使孔隙率降低，促使土體強(qiáng)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(xiàn)場風(fēng)蝕耐久性試驗中，隨著PS濃度的提高，試驗區(qū)遭受風(fēng)蝕破壞的面積及深度減小，且起蝕時間延長，即抗風(fēng)蝕能力在增強(qiáng)。

（4）現(xiàn)場風(fēng)蝕試驗中，未加固區(qū)（W0）在短時間內(nèi)表層破裂而發(fā)生片狀剝離破壞，3%PS溶液加固區(qū)為點—小片—大片的破壞模式，5%PS溶液加固區(qū)的風(fēng)蝕現(xiàn)象為點—小片，濃度7%PS溶液加固區(qū)的風(fēng)蝕現(xiàn)象為點狀破壞，表面小裂紋發(fā)育。

（5）雨蝕試驗中，空白區(qū)在水流作用下強(qiáng)風(fēng)化層形成泥流而損失，顯露出仍具有一定強(qiáng)度的弱風(fēng)化層或未風(fēng)化層，雨蝕中心區(qū)呈現(xiàn)雨蝕坑。PS噴滲試驗區(qū)在水流作用下表面作舊層被帶走，但表面沒有發(fā)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。

參考文獻(xiàn)：

[1]DeFalco， Daphne Li-mei. The Silk Road in China[M]. California State University， Long Beach. M.A. 2007.

[2]涂裕春.古絲綢之路與各民族的融合[J]. 西南民族大學(xué)學(xué)報·人文社科版，2004，25（2）：21-23.

[3]Wu Dunfu. Footprints of foreign explorers on the Silk Road[M].Beijing：China Intercontinental Press，2005.

[4]Qu Jianjun，Cheng Guodong，Zhang Kecun，et al. An experimental study of the mechanisms of freeze/thaw and wind erosion of ancient adobe buildings in northwest China[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment，2007，66（2）：153-159.

[5]屈建軍，張偉民，王遠(yuǎn)萍，等.敦煌莫高窟古代生土建筑物風(fēng)蝕機(jī)理與防護(hù)對策的研究[J].地理研究， 1994， 13（4）：41-46.

[6]Fatma M. Helmi. Deterioration and Conservation of Some Mud Brick in Egypt[C] // Neville Agnew， Michael Taylor， and Alejandro Alva Balderramma ed， Proceedings of the 6th International Conference on the Conservation of Earthen Architecture. Los Angeles： The Getty Conservation Institute，1990：277-282.

[7]Stephen P.Koob，Mark H.Rogers，and G.Kenneth Sams. Preserving the Eighth-Century B. C. Mud Brick Architecture at Gordion， Turkey： Approaches to Conservation[C] // Neville Agnew， Michael Taylor， and Alejandro Alva Balderramma ed， Proceedings of the 6th International Conference on the Conservation of Earthen Architecture. Los Angeles： The Getty Conservation Institute，1990：289-294.

[8]周雙林.土遺址防風(fēng)化保護(hù)概況[J].中原文物，2003（6）：78-83.

[9]Giacomo Chiari， Chemical Surface Treatments and Capping Techniques of Earthen Structures： A Long-Term Evaluation[C]// Neville Agnew， Michael Taylor， and Alejandro Alva Balderramma ed， Proceedings of the 6th International Conference on the Conservation of Earthen Architecture. Los Angeles： The Getty Conservation Institute，1990：267-273.

[10]李最雄.絲綢之路古遺址保護(hù)[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[11]Li Zuixiong， Consolidation of a Neolithic Earthen Site with Potassium Silicate[C]// Neville Agnew， Michael Taylor， and Alejandro Alva Balderramma ed， Proceedings of the 6th International Conference on the Conservation of Earthen Architecture. Los Angeles： The Getty Conservation Institute，1990：295-301.

[12]李最雄，張虎元，王旭東.古代土建筑遺址的加固研究[J].敦煌研究，1995（3）：1-17.

[13]趙海英，李最雄，汪稔，等.PS材料加固土遺址風(fēng)蝕試驗研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（2）： 392-396.

[14]蘇伯民，李最雄，胡之德.PS與土遺址作用機(jī)理的初步探討[J].敦煌研究，2000（1）：30-35.

[15]李最雄.絲綢之路古遺址保護(hù)[J].中國文化遺產(chǎn)，2004（3）：118-122.

[16]趙海英， 王旭東， 李最雄， 等. PS 材料模數(shù)、濃度對西北干旱區(qū)土遺址加固效果的影響[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2006， 25（3）： 557-562.