海上絲綢之路窯址裂隙充填灌漿材料比選室內試驗研究

梁行洲，李 黎，張景科，邵明申，劉建輝，王 南

(1． 蘭州大學西部災害與環境力學教育部重點實驗室，土木工程與力學學院，甘肅蘭州 730000；2． 中國文化遺產研究院，北京 100029； 3． 蘭州大學絲綢之路經濟帶研究中心，甘肅蘭州 730000)

0 引 言

“海上絲綢之路”作為一項持續時間2000多年，范圍覆蓋大半個地球的人類歷史活動和東西方文化經濟交流的重要載體，推動了沿線各國的共同發展，成為中國對外貿易往來和文化交流的海上大通道[1]。國內外均保存下來大量的相關遺跡，其中浙江慈溪上林湖越窯遺址作為唐宋時期越窯的中心遺址，是中國陶瓷史上重要的遺址之一[2]。另外，位于福建漳州的東溪窯遺址[3]，為明清時期民窯的杰出代表遺址。近年來，隨著南海沉船打撈考古發掘，大量的東溪窯瓷類精品出水，充分說明了東溪窯是我國東南沿海地區重要的外銷瓷產地之一，在中國與世界海洋貿易中占有一席之地。

上林湖越窯的后司岙遺址和東溪窯的封門坑、上蝦形遺址自考古發掘清理以來，尚未采取回填或有效的本體保護措施。在長期的自然營力作用下，各種病害發育嚴重危及窯址的安全保存，亟需開展搶救性保護工作。特別是窯址本體在考古發掘后，產生了大量的卸荷裂隙。裂隙沿豎向通過若干層磚，繼續發育形成上下貫通的數條裂隙，大大降低了砌體的整體穩定性。因此，很有必要對這些裂隙進行灌漿加固，使遺址得以更好的保存。

眾多學者都對灌漿材料在文物保護中的應用作了研究，在洛陽龍門石窟[4]和重慶大足石刻[5]的巖體裂隙治理中采用了環氧樹脂、超細水泥作為灌漿加固材料，取得了較好的前期加固效果。但在后期的使用過程中發現了一些問題，如超細水泥碳化后孔隙率增加，且自身含鹽量較高，容易析出，在文物表面產生泛鹽堿病害。環氧樹脂材料本身的收縮性大、易開裂、耐久性差[6]。歐美自20世紀70年代就開始將水硬石灰廣泛應用于歷史建筑物的修復中，相關研究工作開展較早。如水硬石灰漿液基本物理力學性質[7]、和易性[8]研究；環境溫度、相對濕度等不同固化條件[9-12]對水硬石灰漿液物理力學性質、微觀結構的影響；粉煤灰、減水劑、二氧化硅粉等添加劑[10，13]對水硬石灰漿液性能的影響以及漿液成分的優化選擇[14]。在我國，這類材料在幾千年前的人居房屋或寺院建筑中就已經使用，如利用貝殼殘骸燒制而成的礪灰，被廣泛應用于沿海地區古建筑的砌筑過程中。但將其用于文物的保護修復中相對較晚[15-16]。近年來，國內學者對中國傳統的石灰類材料進行了改性研究[17-20]，并與歐美水硬石灰進行對比剖析。研究表明，燒料礓石和燒阿嘎土與歐洲水硬石灰物理力學性質近似，具有孔隙率大、收縮變形性小、透氣和透水性好的特點。一系列研究成果有力地推動了我國傳統石灰類材料的進一步發展，但是對于南方潮濕地區窯址裂隙充填灌漿用加固材料的研究尚未開展。

因此，選擇燒料礓石、燒阿嘎土、礪灰三種傳統石灰類材料分別對浙江和福建“海上絲綢之路”窯址的遺址土進行改性研究。比選出適宜浙江和福建窯址裂隙充填灌漿材料，相關研究成果可為窯址本體科技保護提供技術支持。

1 試驗方案

1.1 試驗材料及窯爐類型

試驗采用的石灰類材料為燒料礓石、燒阿嘎土、礪灰三種，其礦物成分分析結果見表1。遺址土取自浙江慈溪上林湖越窯荷花芯、后司岙遺址，福建漳州東溪窯封門坑和上蝦形遺址(圖1)，遺址土基本物理性質見表2。試驗用水符合實驗室用水標準。

荷花芯遺址和后司岙遺址的窯爐形式屬于龍窯，龍窯是依山坡或土堆傾斜建造成的一長隧道形窯爐，與地平線夾角為10～20°。全窯結構簡單，不需要尺寸嚴格的拱磚。封門坑遺址和上蝦形遺址的窯爐形式屬于階梯窯。這種窯是從龍窯演化而來，由燃燒室、窯室、煙囪三部分構成，砌筑材料為粘土磚。

圖1 “海上絲綢之路”遺址點

表1 燒料礓石、燒阿嘎土、礪灰的XRD分析結果

注： “—”表示未檢測出。

表2 遺址土物理性質

測得風化后粘土磚抗壓強度為2.17MPa，為使漿體強度接近磚砌體強度，將遺址土分別與燒料礓石、燒阿嘎土、礪灰按質量比5∶1配制；根據可灌性原則，采用流動度為250mm時的水灰比(表3)配制漿液。制作40mm×40mm×160mm規格的試樣，試樣成型24h后脫模；利用ETH-1980-20-CP-AR型恒溫恒濕試驗機，在溫度25℃，RH90%條件下養護。

表3 不同漿液水灰比

1.2 試驗及測試方案

評價巖土文物裂隙灌漿材料性能的關鍵指標是漿體齡期強度及環境介質變化對其物理力學性質的影響[13]。因此，對試樣進行漿體齡期物理力學性能測試，溫濕度循環、凍融循環、水穩定性、安定性、堿性環境等因素對強度的影響試驗。試驗依據《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—1999)、《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》(JGJ/T 70—2009)、《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)等標準進行。

1.2.1結石體齡期性能測試 在WDW-200型微機控制電子壓力試驗機上，分別測試試樣3d、7d、14d、28d齡期的抗壓、抗折強度。利用ZL00261525砂漿膨脹收縮儀，測試結石體28d收縮變形情況。

1.2.2結石體耐候性試驗

1) 溫濕度循環試驗。利用ETH-1980-20-CP-AR型恒溫恒濕試驗機，將28d齡期的試樣，100℃加熱12h，然后在溫度25℃、RH90%的條件下放置12h。如此反復循環18個周期后對試樣進行抗折、抗壓強度測試。

2) 凍融循環試驗。采用28d齡期的試樣，試驗儀器為DW-FL90型超低溫冷凍儲存箱及HBY-20型恒溫恒濕箱。首先將28d齡期的試樣在-30℃低溫下凍12h，然后在溫度25℃、相對濕度90%條件下融12h。如此反復凍融18個循環后對試樣進行抗折、抗壓強度測試，每6個循環后觀察試樣變化情況并做描述。

3) 水穩定性試驗。將28d齡期的試樣，在室溫水中浸泡24h，取出室內自然風干后進行干試塊的抗折、抗壓強度測試。另將28d齡期的試樣，在室溫水中浸泡24h，取出后立即進行濕試塊的抗折、抗壓強度測試。

4) 安定性試驗。將28d齡期的試樣，先在飽和Na2SO4溶液中浸泡20h，取出后再80℃烘4h。如此反復循環5次，然后對試樣進行抗折、抗壓強度測試。

5) 耐堿性試驗。將28d齡期的試樣，先在2%NaOH溶液中浸泡12h，取出后再80℃烘4h，最后對試樣進行抗折、抗壓強度測試。

以上測試均采用3個平行試樣，取平均值得到最終結果。

2 試驗結果

2.1 齡期強度

由圖2(a)可知，在荷花芯遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣的齡期強度始終處于增長狀態，且試樣28d齡期抗壓強度較14d有較大幅度提高。燒阿嘎土試樣和礪灰試樣在28d齡期內抗壓強度、抗折強度穩定增長。燒料礓石試樣和燒阿嘎土試樣28d齡期抗壓強度分別高于礪灰試樣94.29%、14.29%。燒阿嘎土試樣和礪灰試樣28d齡期抗折強度都是0.17MPa，為燒料礓石試樣的73.91%。

在后司岙遺址裂隙灌漿材料中，28d齡期內，三種試樣的齡期強度均處于增長狀態，且在3d和14d齡期時強度接近，但燒料礓石試樣14d齡期以后強度依然快速提高。燒料礓石試樣和礪灰試樣28d齡期抗壓強度分別高于燒阿嘎土試樣34.18%、7.59%。燒阿嘎土試樣和礪灰試樣28d齡期抗折強度都是0.14MPa，為燒料礓石試樣的66.67%。

圖2 抗折和抗壓強度隨齡期的變化

由圖2(b)可知，在封門坑遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣在14d齡期內抗壓強度快速增長，28d齡期抗壓強度較14d略微下降，28d齡期內抗折強度穩定增長。燒阿嘎土試樣在14d齡期內抗壓強度穩定增長，28d齡期抗壓強度較14d略微升高。燒阿嘎土試樣抗折強度在28d齡期內增長迅速，28d齡期抗折強度為0.78MPa。燒料礓石和燒阿嘎土試樣各齡期強度明顯高于礪灰試樣。礪灰試樣在28d齡期內，強度增長緩慢。燒料礓石試樣和燒阿嘎土試樣28d齡期抗壓強度分別高于礪灰試樣126.66%、126.60%，28d齡期抗折強度分別高于礪灰試樣158.82%、358.82%。

在上蝦形遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣在28d齡期內強度保持穩定快速增長。燒阿嘎土試樣在14d齡期內抗壓強度增長緩慢，28d齡期抗壓強度較14d明顯升高，7d齡期內抗折強度增長較快，之后增長緩慢。礪灰試樣在14d齡期內抗壓強度均增長緩慢，28d齡期抗壓強度明顯升高，14d齡期以后抗折強度迅速提高。燒料礓石試樣和礪灰試樣28d齡期抗壓強度分別高于燒阿嘎土試樣75.45%、18.18%，28d齡期抗折強度分別高于燒阿嘎土試樣172.22%、55.56%，燒料礓石、燒阿嘎土、礪灰3種試樣的28d齡期平均抗壓強度分別為1.62MPa、1.21MPa、0.95MPa，平均抗折強度分別為0.34MPa、0.32MPa、0.19MPa。

2.2 收縮變形測試

測試結果(圖3)表明，燒料礓石、燒阿嘎土、礪灰三種傳統石灰類材料改性四處遺址土試樣的平均收縮率分別為0.66%、0.80%、1.25%。荷花芯、后司岙、封門坑、上蝦形遺址土改性試樣的平均收縮率依次為0.79%、0.39%、0.66%、1.78%。

圖3 收縮變形測試

2.3 溫濕度循環試驗

溫濕度循環試驗前后樣品外觀沒有發生明顯改變(圖4)。從試樣溫濕度循環試驗前后強度對比看(圖5)，在荷花芯遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了10.64%、11.76%、50.38%，試驗后抗折強度分別下降了38.98%、7.69%、17.14%。

圖4 耐候性試驗前后樣品外觀對比

圖5 溫濕度循環前后抗壓、抗折的變化

在后司岙遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了20.60%、10.81%、3.64%，試驗后抗折強度分別下降了45.90%、23.40%、44.00%。

在封門坑遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了17.09%、47.28%、57.14%，試驗后抗折強度分別下降了1.12%、20.00%、42.70%。

在上蝦形遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降29.96%、4.10%、15.46%，試驗后抗折強度分別下降了6.52%、27.50%、18.18%。

試樣經過18個溫濕度循環試驗后，強度都出現了不同程度的下降。燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣的抗壓強度平均下降了18.82%、18.49%、31.66%，抗折強度平均下降了23.13%、19.65%、30.51%。三種試樣都有較強的耐溫濕度變化特性。

2.4 凍融循環試驗

凍融循環試驗前后樣品外觀沒有發生明顯改變(圖4)。從試樣凍融循環試驗前后強度對比看(圖6)。在荷花芯遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了28.37%、36.03%、31.30%，試驗后抗折強度分別下降了40.68%、23.08%、57.14%。

在后司岙遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了31.76%、9.46%、28.48%，試驗后抗折強度分別下降了42.62%、31.91%、60.00%。

在封門坑遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了43.59%、37.76%、30.80%，試驗后抗折強度分別下降了14.61%、46.67%、15.73%。

在上蝦形遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了8.87%、11.26%、29.90%，試驗后抗折強度分別下降了36.96%、35.00%、36.36%。

試樣經過18個溫濕度循環試驗后，強度都出現了不同程度的下降。燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣的抗壓強度平均下降了28.15%、23.63%、30.12%，抗折強度平均下降了33.72%、34.16%、42.31%。燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣表現出較好的耐凍融變化特性。

圖6 凍融循環前后抗壓、抗折的變化

2.5 水穩定性試驗

水穩定性試驗前后樣品外觀沒有發生明顯改變(圖4)。從試樣水穩定性試驗前后強度(干試塊)對比看(圖7)，在荷花芯遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了39.01%、20.59%、9.16%，試驗后抗折強度分別下降了52.54%、30.77%、14.61%。

在后司岙遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了21.89%、28.38%、32.12%，試驗后抗折強度分別下降了37.70%、51.06%、32.00%。

在封門坑遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了5.13%、34.01%、41.52%，試驗后抗折強度分別下降了15.73%、25.00%、14.61%。

在上蝦形遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了20.82%、18.09%、3.44%，試驗后抗折強度分別下降了32.61%、20.00%、31.82%。

圖7 干試塊經水浸泡前后抗壓、抗折強度的變化

試樣經過水穩定性試驗后，強度(干試塊)都出現了不同程度的下降。燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣的抗壓強度平均下降了21.71%、25.27%、21.56%，抗折強度平均下降了34.65%、31.71%、23.26%。三種試樣都有較強的水穩定性。

水穩定性試驗前后樣品外觀沒有發生明顯改變(圖4)。從試樣水穩定性試驗前后強度(濕試塊)對比看(圖8)，在荷花芯遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了72.34%、76.68%、54.96%，試驗后抗折強度分別下降了59.32%、38.46%、80.00%。

在后司岙遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了48.93%、71.62%、39.39%，試驗后抗壓強度依次試驗后抗折強度分別下降了49.18%、76.60%、72.00%。

在封門坑遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了20.51%、58.50%、70.98%，試驗后抗折強度分別下降了42.70%、38.33%、15.73%。

在上蝦形遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了19.45%、13.99%、48.11%，試驗后抗折強度分別下降了43.38%、65.00%、81.82%。

試樣經過水穩定性試驗后，強度(濕試塊)都出現了不同程度的下降。燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣的抗壓強度平均下降了40.31%、55.70%、53.36%，抗折強度平均下降了48.67%、54.60%、62.39%。

圖8 濕試塊經水浸泡前后抗壓、抗折強度的變化

2.6 安定性試驗

安定性試驗前后樣品外觀沒有發生明顯改變(圖4)。從試樣安定性試驗前后強度對比看(圖9)，在荷花芯遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了10.64%、6.62%、33.59%。燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣試驗后抗折強度分別下降了44.07%、15.38%，礪灰試樣試驗后抗折強度升高了34.29%。

在后司岙遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了0.00%、16.89%、17.58%，試驗后抗折強度分別下降了0.00%、25.53%、8.00%。

在封門坑遺址裂隙灌漿材料中，燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了5.44%、29.02%，燒料礓石試樣試驗后抗壓強度升高了8.97%。試驗后抗折強度分別下降了5.62%、16.67%、5.62%。

在上蝦形遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了31.74%、20.82%、30.93%，試驗后抗折強度分別下降了28.26%、22.50%、22.73%。

試樣經過安定性試驗后，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣的抗壓強度平均下降了8.35%、12.44%、27.78%，抗折強度平均下降了19.49%、20.02%、0.51%。

圖9 安定性試驗前后抗壓和抗折強度的變化

2.7 耐堿性試驗

耐堿性試驗前后樣品外觀沒有發生明顯改變(圖4)。從試樣耐堿性試驗前后強度對比看(圖10)，在荷花芯遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了39.01%、20.59%、9.16%，試驗后抗折強度分別下降了52.54%、30.77%、31.43%。

在后司岙遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了21.89%、28.38%、32.12%，試驗后抗折強度分別下降了37.70%、51.06%、32.00%。

在封門坑遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了5.13%、34.01%、41.52%， 試驗后抗折強度分別下降了15.73%、25.00%、14.61%。

圖10 耐堿性試驗前后抗壓和抗折強度變化

在上蝦形遺址裂隙灌漿材料中，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣試驗后抗壓強度分別下降了20.82%、18.09%、3.44%，試驗后抗折強度分別下降了32.61%、20.00%、31.82%。

試樣經過耐堿性試驗后，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣的抗壓強度平均下降了21.71%、25.27%、21.56%，抗折強度平均下降了34.65%、31.71%、27.46%。三種試樣都有較強的水穩定性。

3 討 論

在相同的配比和養護條件下，燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣28d齡期抗壓強度的平均值依次為1.62MPa、1.21MPa、0.95MPa。測得風化后粘土磚抗壓強度為2.17MPa，由于受到砂漿強度、流動性、砌筑質量等方面的影響，會導致磚砌體的抗壓強度略低于粘土磚的抗壓強度。因此，分析認為漿體和遺址體的抗壓強度比較接近。后司岙遺址土的塑性指數為7.11，可塑性相對較差，且表現出較低的28d齡期抗壓強度。在后續的研究中，應適當增加主劑石灰類材料的比例，以提高漿體強度。燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣的平均收縮率分別為0.66%、0.80%、1.25%，對漿體影響較小，可以確保漿體和遺址體界面之間的粘結力。礪灰試樣的收縮率相對較大。荷花芯、后司岙、封門坑、上蝦形遺址土相關試樣的平均收縮率分別為0.79%、0.39%、0.66%、1.78%。在下一步研究中，考慮在上蝦形遺址裂隙灌漿材料中添加適當比例的膨脹劑。

荷花芯、后司岙兩處遺址點所在地慈溪縣近三年(2013～2015年)日最低氣溫為零下的天數分別為19d、17d、8d。封門坑遺址點所在地南靖縣、上蝦形遺址點所在地華安縣最近三年(2013～2015年)日最低氣溫均在零度以上。因此，荷花芯、后司岙遺址的裂隙灌漿材料要求具有良好的耐凍融變化性能。燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣表現出較好的耐凍融變化特性，這對于灌漿加固效果的長期保持具有重要的意義。水穩定性試驗表明結石體具有一定的耐水性，但濕試塊強度的降低幅度明顯大于干試塊，可見水環境中結石體的性能會出現劣化。所以應注意遺址點的導排水措施，避免遺址長期在雨水中浸泡。結石體在安定性試驗后強度略微降低，由于Na2SO4溶液滲入結石體的孔隙，在80℃加熱時形成結晶，填充了結石體部分孔隙，因而強度略微降低。三種試樣都具有較好的耐溫濕度變化特性和耐堿性。

灌漿材料為傳統石灰和遺址土按質量比5∶1加水拌合制成。遺址砌體結構用磚以當地粘土為主要原料燒結而成。因此，灌漿材料和磚砌體之間主要成分一致，漿液結石體和磚砌體之間可以很好地兼容。在遺址土中添加適當比例的水硬性膠凝材料，提高了漿液結石體自身強度以及與磚砌體裂隙兩壁面的粘結強度，防止裂隙灌漿后漿液結石體與裂隙兩壁面間產生二次裂隙。

4 結 論

通過對三種傳統石灰類材料齡期性能、耐候性的對比研究，初步結論與建議如下：

1) 燒料礓石試樣、燒阿嘎土試樣、礪灰試樣均具有良好的耐候性，但礪灰試樣的耐凍融變化特性稍差，不適宜用于浙江上林湖越窯的荷花芯、后司岙遺址。

2) 燒料礓石試樣的28d齡期收縮率最低，強度最高，且經過溫濕度循環試驗、凍融循環試驗、水穩定性試驗、安定性試驗、耐堿性試驗后，仍具有相對較高的抗壓、抗折強度，體現出了良好的耐候性，建議將燒料礓石作為主劑應用于四處窯址的灌漿材料中。

3) 由于后司岙遺址土的可塑性較差，建議增加石灰材料的比例。針對上蝦形遺址裂隙灌漿材料收縮率較大的特點，考慮在下一步研究中，添加適量的膨脹劑。

致謝： 感謝國家古代壁畫與土遺址保護工程技術研究中心中試基地李志鵬工程師的大力幫助。