復合固化劑加注方法對土遺址加固效果的影響

張迎敏，諶文武，楊光，戴鵬飛，李永杰

(1.蘭州大學土木工程與力學學院，西部災害與環境力學教育部重點實驗室，甘肅蘭州，730000；2.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津，300222；3.浙江省古建筑設計研究院，浙江杭州，310014)

土遺址是指人類在不同歷史時期生產、生活而遺留下來的以土為主要建筑材料的遺跡，在中國歷史、文化以及民族精神中具有崇高的地位[1]。然而，土遺址受自然環境、人為破壞等因素影響，病害發展迅速，多數土遺址正面臨著嚴重的威脅，因此，對土遺址進行保護加固已刻不容緩[2]。國際古跡遺址理事會，美國蓋蒂文物保護所、國際羅馬文物保護修復研究中心、敦煌研究院、蘭州大學文物保護研究中心等土遺址保護機構對土遺址保護進行了大量的研究工作，但土遺址的表面風化問題未能很好的解決，化學加固仍然是現階段的重要加固手段。有機材料具有良好的滲透性、黏接性和耐水性，已在很多實際工程中得以應用[3-4]，如納米二氧化硅可以有效增加黃土的抗壓強度[5]，但也存在滋養微生物、耐老化性差[6-7]等問題。以石灰水[8]、堿性硅酸鹽[9]為代表的無機材料因具有優良的兼容性和耐久性[10]，近年來已成為化學加固的探索方向，但其滲透性較差，往往會堵塞遺址表面孔隙形成局部硬殼，造成遺址表面開裂脫落。因此，無機材料目前還未能很好地取代有機材料的補強作用，將二者進行復合是相對簡單有效的加固方法。曾余瑤等[11]將石灰與糯米漿、蛋清進行配比，驗證了無機和有機復合加固劑良好的黏接能力、耐水性和耐老化性能。CHEN等[12]通過對比復合加固劑與單一材料加固后土體的性能發現復合加固劑可以有效改善加固效果。基于復合加固劑一系列優良的性能，本文選取微米石灰和硅酸乙酯混合的方式進行加固。常規的加注方法包括涂刷、鉆孔滴注、浸泡、毛細吸收等[3]。目前關于固化劑加注方法對土體透氣性和力學特征的改變的研究還沒有取得顯著的成果。根據文物古跡保護準則[13]，加固材料不應過多改變土遺址原狀。若透氣性降低太大，將導致遺址內部和外界環境之間物質和能量交換受阻，水汽、易溶鹽等在阻斷界面聚集，遺址將受高低溫交變體積脹縮而發生坍塌、裂隙和剝落等病害[14]。此外，加固后的強度問題是文物保護的另一核心問題。加固材料應有足夠的強度，以緩解損傷，但加固后強度增強不宜過大，以免內外層應力差過大而產生開裂剝落等威脅遺址保存的現象[15]。因此，加固后土體的透氣性和強度是文物保護的關鍵問題。本文作者研究固化劑加注方法對土體透氣性及力學特性的影響，以尋求具有良好加固效果的加注工藝。現場工程實例表明，土遺址風化層的厚度一般為3～5 cm，由于不同加注方法的加固深度存在差異，故將復合加固劑分別以鉆孔注漿、浸泡、毛細吸收和表面噴灑4種方式對永昌明長城遺址土進行加固，通過固化劑的有效吸收量控制試樣的透氣性，并對加固后試樣表面和整體力學特性的變化進行評價。

1 加固材料的配制

復合加固劑選用的有機材料是上海德賽堡建筑材料有限公司生產的碧林@增強劑(型號為KSE OH300)，為硅酸乙酯增強材料，其與建筑材料孔隙或空氣中的水分發生反應，無定形的水合二氧化硅與土顆粒相連，作為黏接物沉淀下來，具有補強作用。硅酸乙酯憑借其超強的滲透性，已在潮濕地區和西北干旱地區多處土遺址及石質文物保護中推廣使用[4,16-17]。

選用的無機材料是該公司生產的碧林@微-納米石灰(型號為NHL-010)。石灰水自20世紀初就已被文物保護工作者嘗試使用，后因其常溫下濃度低，滲透深度小而被棄用；隨著材料科學和納米技術的發展，經改進后的微-納米石灰克服了傳統石灰水的缺點，成為極具發展潛力的加固材料。其加固原理是石灰與空氣中的水分和二氧化碳反應生成氫氧化鈣，氫氧化鈣在遺址孔隙內繼續反應生成碳酸鈣沉淀，提升顆粒間的黏接力[18-19]。微米石灰已在磚、石、土質文物古跡的修繕保護工程中得以應用，并取得了顯著的加固效果。

KSE OH300 外觀無色透明，純度＞99%，NHL-010 外觀呈乳白色，質量濃度為5 g/L。工程實踐及試驗資料表明，采用高濃度硅酸乙酯會導致遺址表面顏色加深，不符合文物保護的原則，而使用低濃度時加固效果不理想，因此，將硅酸乙酯和無水乙醇按體積比1∶3 配比，然后與微-納米石灰混合，攪拌均勻后用聚乙烯保鮮膜封存備用。

2 加固試驗

2.1 試樣制備

選用的遺址土屬于粉質黏土(液限為27.17%，塑限為17.01%，相對密度為2.72)。將擾動土充分碾碎后過孔徑2 mm篩，將篩下土放入電熱鼓風恒溫干燥箱內，設定溫度為108 ℃，干燥12 h。將烘干土冷卻至室溫后加入蒸餾水，按含水率16.5%配土，拌和均勻，用聚乙烯塑料袋密封后放入保濕器內浸潤24 h，使水均勻分布在土體中。用土遺址專用制樣機按照干密度為1.65 g/cm3，將土壓制成邊長為5 cm 的立方體試樣。將壓制成型的試樣放在室內環境下自然風干。

2.2 加注方法

為了對比不同加注方法加固前后土體性質的變化，排除試樣含水率的影響，將自然風干的立方體樣放入68 ℃烘箱內至恒質量，取出后測量試樣實際尺寸、質量和表面硬度。依據土樣體積、干密度、相對密度等計算所需加固劑的量。對試樣采取鉆孔注漿、浸泡、毛細吸收、表面噴灑4種方法進行加固，同時設置空白對照組和鉆孔對照組作為參照。加注方法和具體操作步驟見表1。

鉆孔注漿和表面噴灑加注方法的加固劑用量U參考文獻[22]，按最大飽和度Sr=85%計算：

式中：ρd為試樣干密度，ρd=1.65 g/cm3；V 為試樣實際體積，cm3；Gs為土的相對密度，Gs=2.72；ρw為水的密度。

加固后，將所有試樣放置在塑料箱內，并用保鮮膜密封，以減緩溶劑無水乙醇的蒸發。18 h后將保鮮膜打開，將試樣置于室內環境下養護28 d。

3 試驗結果及分析

3.1 固化劑吸收量

固化劑的有效吸收量與試樣的透氣性相關。采用同種方法加固時，可通過固化劑的有效吸收量來控制試樣的透氣性。固化劑的吸收量由加固前后試樣的質量變化確定[23]：

表1 加注方法和操作步驟Table 1 Consolidation methods and procedures

式中：w和w′分別為土體中固化劑的含量及其有效吸收量，mg/g；md和m′d分別為加固前和加固28 d后的各組試樣的平均干質量，g；m′為加固處理后室內養護28 d時各組試樣的平均質量，g。

將所有試樣放入68 ℃烘箱內至恒質量后(由于部分材料的耐熱程度約為80 ℃，溫度提高會使材料的質量和性質發生變化，因此，設定烘干溫度為68 ℃，烘干時間為48 h)取出，然后放置于干燥器內冷卻至室溫后稱質量，結果如表2所示。

由表2可知：不同加注方法處理后的試樣對固化劑的有效吸收量存在差異。試樣采用鉆孔注漿法加固時，固化劑的有效吸收量最大，因為其滲透深度大，表面揮發慢。表面噴灑法次之，其采用低濃度多次滲透的方式，也獲得了較高的有效固化劑含量。相比之下，毛細吸收和浸泡法中，固化劑的有效吸收量較低。

總體而言，在這4種加注方法中，試樣對復合加固劑的有效吸收量是微量的(w′＜1%)，加固后試樣的透氣性和力學強度需進一步進行檢驗。需要指出的是，鉆孔注漿試樣在鉆孔的過程中，對試樣的擾動程度不同，孔的直徑和深度也存在略微差異，導致固化劑有效吸收量的標準差較大，浸泡、毛細吸收、表面噴灑方法加固試樣的固化劑有效吸收量較為接近。

3.2 透氣性

透氣性試驗經常被用來檢測固化劑是否堵塞遺址原有的孔隙，優良的加固材料應盡可能保持孔隙通道暢通，加固后的試樣應具有一定的透氣性，確保遺址內的水分能夠以流體水或水蒸氣的形式與大氣交流。本文在以往對透氣性檢測的基礎上[24]，進一步改進試驗方案，探究一種可行的透氣性檢測方法。

加固完養護28 d 后，對各組試樣進行透氣性檢驗，試驗操作步驟如下：1)將試樣烘干，在干燥器內冷卻至室溫后稱質量；2)將直徑約為5 cm的寬口徑玻璃錐形瓶洗凈烘干并稱質量；3)向錐形瓶內倒入一定量的水，將土樣蓋在錐形瓶口上，用聚乙烯保鮮膜包裹試樣與燒杯的連接處，用絕緣膠帶固定，并用透明膠帶封嚴，如圖1 所示；4) 將蓋有土樣的錐形瓶置于恒溫裝置內，每隔5 min對錐形瓶進行稱質量，記錄時間和質量。

圖1 處理后的錐形瓶裝置Fig.1 Processed conical bottle device

透氣性試驗原理是：錐形瓶內外存在溫度差，錐形瓶內的水蒸氣通過土樣擴散到溫度相對較低的空氣中，因此，可通過分析錐形瓶裝置的累計失水量隨時間的變化對比不同方法加固后試樣的透氣性：

式中：X為累計失水率；mt為某時刻錐形瓶裝置總質量，g；m0為開始時刻錐形瓶裝置總質量，g；mw為初始錐形瓶內加入水的質量，g。

表2 與初始烘干質量相比復合加固劑的吸收量和干質量殘留量Table 2 Amount of composite consolidant absorbed and dry matter retained compared with initial dry mass

3.2.1 水浴法測透氣性

水浴法測透氣性使用的是水浴恒溫震蕩箱，設定溫度為60 ℃。在試驗初期，每隔5 min 對錐形瓶裝置進行稱質量。35 min 后，每隔15 min 進行稱質量，并按式(4)計算質量損失率(圖2)。其中，空白對照試樣在50 min時被人為損壞。

圖2 水浴法測累計失水率與時間關系Fig.2 Relationship between cumulative water loss rate and time measured by water bath method

從圖2可見：試樣的質量損失率在水浴恒溫箱內經過3個階段：第1階段，試驗初期，質量迅速增加，是因為錐形瓶內水蒸氣溫度較低，其透過試樣散發到空氣中的量較少，而恒溫水浴箱內有大量的水蒸氣，土樣快速吸收；第2階段，質量基本保持不變，在該溫度和濕度環境下，錐形瓶內水蒸氣排出量與土樣吸收環境中的水蒸氣量達到平衡；第3階段，錐形瓶內水蒸氣大量散失，質量持續下降。

水浴法中，由于恒溫水浴箱內大量水蒸氣的影響，質量隨時間的下降規律不太明顯，因此，用此裝置進行試樣的透氣性檢驗存在一定的弊端。為盡量減小恒溫水浴箱內大量的水蒸氣對錐形瓶裝置總質量的干擾，將水浴改為砂浴進行試驗。

3.2.2 砂浴法測透氣性

砂浴法測透氣性使用的是恒溫砂浴箱(圖3)，初期設定溫度為80 ℃，預熱錐形瓶裝置，以免冷的錐形瓶接觸砂浴箱，溫差太大，而出現炸裂等情況。2 h后待錐形瓶內水溫度上升至一定溫度后，將砂浴溫度調為120 ℃。每隔5 min 對錐形瓶裝置進行稱質量，并按式(4)計算質量損失率(圖4)，根據質量損失率與時間的關系變化，判斷加固后試樣的透氣性。

圖3 砂浴法測透氣性Fig.3 Sand bath for measuring breathability

圖4 砂浴法測累計失水率與時間關系Fig.4 Relationship between cumulative water loss rate and time measured by sand bath method

從圖4可以看出：毛細吸收加固試樣在透氣性試驗中，隨時間的增加錐形瓶內水的質量持續快速下降，且累計失水率最大，在445 min后質量下降速度更快。浸泡、表面噴灑、空白對照、鉆孔注漿與鉆孔對照這5組試樣呈現出相似的趨勢，錐形瓶內水的質量先增加后減少。在砂浴初期，錐形瓶裝置內水的質量上升，是因為烘干的土樣吸收了空氣中的水。在325～385 min區間處于變化的節點，這5組試樣吸收空氣中水的質量與錐形瓶內水的散發質量平衡。毛細吸收和浸泡法加固使得土體透氣性增加。表面噴灑法加固試樣與空白對照試樣曲線大致重疊，表明表面噴灑后，土體的透氣性能維持原狀。鉆孔注漿加固試樣較鉆孔對照試樣隨時間的增加，質量下降速度較快，因此，注漿后土體透氣性增強。但兩者相對其余4組變化較慢，尤其是鉆孔對照試樣在試驗初期質量幾乎沒有下降，485 min 后質量才略微下降。鉆孔后的試樣無論加固與否，錐形瓶內水的質量下降均較慢。這是因為試樣溫度較高，尤其在鉆孔處，與頂部周圍環境形成溫差，空氣中冷的水蒸氣遇熱在試樣頂部凝結。

在砂浴透氣性試驗中，毛細吸收和浸泡法加固后土體透氣性有所增加。表面噴灑后，試樣的透氣性基本能維持原狀。鉆孔后的試樣受空氣中水蒸氣影響顯著，結果需進一步改善。從空氣濕度、水浴箱內水加熱產生的水蒸氣對透氣性裝置影響以及結果的有效性等因素考慮，砂浴檢測法較水浴檢測法更具可行性。

4 加固方法對土體力學特性的影響

4.1 表面硬度試驗

表面硬度是檢測遺址表面風化程度的重要手段。不同加注方法對試樣表面硬度的影響不同，因此，在試樣加固前、加固前烘干后、加固后室內養護28 d、加固28 d烘干后，分別采用邵氏橡膠硬度計對各組試樣的表面硬度(HA)進行測量，測量范圍為0～100。按照硬度計的操作說明，在試樣頂面選擇5個區，每個區各取1個測點，為避免對試樣造成破壞且保證測量結果的準確性，各測點的位置應至少距離試樣邊緣1.2 cm，將壓針平穩垂直壓在土樣的頂面，1 s 時記錄讀數[25]，取點位置具體如圖5 所示，取其平均值作為試樣的表面硬度，結果如圖6和表3所示。

由圖6和表3可知：烘干后試樣的表面硬度增大。表面噴灑和浸泡后試樣的表面硬度增加較大，且兩者具有較高的表面硬度。因為這2種加注方法中，試樣表面直接與加固劑接觸，固化劑含量較高，加固劑滲入試樣，增加了土顆粒間的黏結力。鉆孔注漿后試樣在室內環境下硬度增幅很小，是由于鉆孔操作在試樣烘干后進行，對試樣頂面鉆孔使得表面土體變得松散，鉆孔對照試樣在室內環境下放置28 d 后，表面硬度顯著下降，也驗證了上述結論。毛細吸收是利用毛細作用，自下而上吸收加固劑，而表面硬度測量的是試樣頂面的表面力學特征，頂面吸收的材料相對較少，因而表面硬度增幅最小。空白對照組試樣在28 d 后，室內環境下表面硬度和烘干后表面硬度均十分接近，也驗證了該測量結果的準確性。

表3 加固前后表面硬度增幅Table 3 Surface hardness increase before and after treatment

可見，表面硬度是表征土體表面強度較為可靠的指標。表面噴灑和浸泡后試樣的表面硬度增加較大，鉆孔注漿試樣烘干后硬度增加明顯，毛細吸收試樣的表面硬度增幅較小。

4.2 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度是檢測加注方法對遺址土體力學性能的影響最直接的一種測量手段。為去除含水率對試樣抗壓強度的影響，將加固養護28 d后的試樣烘干并冷卻至室溫后，采用電液伺服萬能試驗機對6組立方體試樣進行抗壓試驗，設定加載速率為1 mm/min。試驗結果見圖7和表4。

圖7 試樣應力應變關系Fig.7 Stress-strain curves of uniaxial compression test samples

表4 不同加注方法加固后試樣抗壓強度Table 4 Unconfined compressive strengths of samples after treatment with different consolidation methods

表面噴灑對試樣表面硬度提升較高，從表4可以看出：表面噴灑對試樣的抗壓強度也有大幅度的提升，因此，適量的表面噴灑可以有效地對土遺址表面風化進行加固。浸泡和毛細吸收加注方法對土體的抗壓強度有明顯的積極作用，且兩者應力應變曲線大致相同。與空白對照試樣相比，兩者強度提升了約50%。鉆孔注漿加固后的試樣和鉆孔對照試樣的抗壓強度最低，兩者均在注漿孔處產生破壞。在鉆孔和注漿的過程中，由于注漿孔周圍土體疏松而隆起，萬能試驗機頂部夾具接觸的是中間注漿孔與側邊線，因此，抗壓強度不是垂直于頂底面獲得，造成結果偏低。但仍然可以看出，注漿加固對試樣的抗壓強度略有提升。因此，鉆孔注漿后的試樣應對注漿孔用鉚釘進行補強，使得注漿孔的強度略有提升，而不應成為土體的脆弱點。

5 結論

1)在不同的加注方法下，相同的加固材料可能會產生不同的加固效果。不同的加注方法不僅導致固化劑有效吸收量和透氣性存在差異，而且表面和整體力學特征也不同。

2)采用鉆孔注漿和表面噴灑的方式，試樣獲得了較高的有效固化劑含量，表面噴灑后試樣的透氣性能維持原狀。鉆孔注漿后試樣的透氣性受注漿孔影響顯著。毛細吸收和浸泡法中，試樣對固化劑的有效吸收量較低，透氣性有所增加。

3)在透氣性方面，水浴法由于恒溫水浴箱內大量水蒸氣的影響存在明顯弊端，而砂浴法測得結果更具有效性，該方法可為評估透氣性提供新思路。

4) 試樣烘干后的表面硬度大體呈增大趨勢。表面噴灑和浸泡加注方法對試樣表面硬度和抗壓強度的增加較大。鉆孔注漿由于注漿孔未做后續處理，室溫下表面硬度增幅很小，抗壓強度提升較小。由于毛細吸收是自下而上吸收加固的，該方式對試樣的表面硬度增幅最小，但是抗壓強度顯著提升。表面硬度是表征土體表面強度較為可靠的指標。

5)就整體加固效果而言，鉆孔注漿對固化劑的吸收量較大，烘干后表面硬度增幅較大，但由于注漿孔的存在抗壓強度增加較小，加固后應對注漿孔用鉚釘進行補強。浸泡和毛細吸收試樣的固化劑吸收量較低，土體的透氣性增加，由于其由外而內滲透的加注方式表面硬度提升明顯，抗壓強度也較高，加固效果較好。表面噴灑試樣的固化劑有效吸收量較大，透氣性能維持原狀，同時獲得了較高的表面硬度和抗壓強度。因此，浸泡、毛細吸收和表面噴灑是處理土遺址表面風化較為有效的方法。