開封城墻修復土配合比試驗

岳建偉， 楊 雪， 趙麗敏，*， 張大偉

（1.河南大學 土木建筑學院，河南 開封 475004；2.河南大學開封市不可移動文物修復與安全評價重點實驗室，河南 開封 475004）

開封市地處黃河下游南岸，具有豐富的地表水資源.夏季降雨增多和黃河水位上漲引起開封市地下水位波動，易溶鹽伴隨毛細作用在土遺址中不斷遷移、結晶，導致開封城墻遺址土出現不同程度的開裂、剝落和泛堿等現象.研究表明，毛細水引發的干濕循環會改變土體內部微觀結構，對土體具有一定的劣化作用［1?4］.如何優化開封城墻修復土的配合比，有效解決地下水分、鹽分對開封城墻和墻基夯土的侵蝕，并在提高土遺址力學性能的同時，注重改善其水理性質是修復土遺址的關鍵問題.

在人類早期的建筑活動中，石灰是最早被使用的膠凝材料之一［5］，被古人大量用于不可移動文物的基礎夯土加固.相關學者在加固現存土遺址時，為減少現代建筑痕跡，選用石灰與其他材料共同加固，如：有機硅、粉煤灰、纖維等，這在提高土遺址力學性能和抗風化方面效果顯著［6?9］.在改善土遺址水理性質方面，相關學者從材料選擇和加固方式入手，進一步探索土遺址的加固和保護方法，研究結果對土遺址防水抗滲具有重要指導意義［6，10?13］.然而，由于加固材料的屬性不能盡善盡美，對土遺址加固效果各不相同，個別土遺址經加固后會出現“泛白”、抗凍融性能較差等問題.

眾學者的研究成果在一定程度上推動了土體改良及提高力學性能等方面的研究，但能同時提高土遺址力學性能和水理性質的研究不多，尤其以粉質黏土為主進行土遺址配合比的研究較少.本文以開封城墻修復土為研究對象，基于開封氣候特征變化，采用甲基硅酸鈉、石灰和膠粉作為外加劑，通過正交試驗優化修復土的配合比，以期提高修復土的力學性能和耐水性能.

1 試驗

1.1 原材料

土取自開封城墻附近，根據GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》，測得其為粉質黏土（素土），天然含水率（質量分數，文中涉及的含水率、摻量等均為質量分數）為13.20%，塑限為21.03%，液限為37.63%，塑性指數為16.6，最大干密度為1.68 g/cm3，最優含水率為14.32%.外加劑中：石灰的相對分子質量為56.08，CaO 含量不低于98%，灼蝕量為2%；甲基硅酸鈉的pH 值為12～14；膠粉為可再分散聚合物乳膠粉.

1.2 試驗方案

采用3 因素4 水平的正交試驗設計：3 因素為甲基硅酸鈉、石灰、膠粉，分別記為因素A、B、C；4 水平為甲基硅酸鈉、石灰、膠粉的4 個摻量，甲基硅酸鈉的摻量為1.0%、2.0%、3.0%、4.0%，石灰的摻量為1.0%、3.0%、5.0%、7.0%，膠粉的摻量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，將各摻量按從小到大的順序記為 水 平1、2、3、4.采 用 正 交 表L16（45），設 素 土（A0B0C0）為對照組，共17 組試樣.以黏聚力F、內摩擦角θ和吸水質量減少率w作為評價指標.

1.3 試樣制備

將素土烘干、碾碎、過篩去除雜質后備用.石灰對試樣的含水率影響較大，根據GB/T 50123—2019分別對不同石灰摻量的修復土試樣進行擊實試驗.采用擊實試驗所得最優含水率及最大干密度，將素土、甲基硅酸鈉、石灰、膠粉與純水按比例混合、攪拌均勻后密封靜置24 h.制備φ61.8×20.0 mm 試樣用于直接剪切試驗，制備φ39.1×80.0 mm 試樣用于毛細吸水試驗，每組試驗均設置3 個平行試樣，結果取平均值.試樣制備后，放入20 ℃、相對濕度為90%的恒溫恒濕箱中養護28 d，使石灰、甲基硅酸鈉、膠粉與素土充分反應.

1.4 試驗方法

采用北京華勘科技有限責任公司生產的全自動直剪儀進行直接剪切試驗，根據GB/T 50123—2019，設定剪切速率為0.8 mm/min，分別施加100、200、300、400 kPa 的垂直壓力.根據氣象資料顯示，開封市近20 a 夏季平均氣溫為26.9 ℃，平均相對濕度為69.6%，因此毛細吸水試驗在27 ℃、相對濕度為70%的恒溫恒濕箱中進行，以模擬夏季暴雨過程中城墻土底部積水及暴雨停止后雨水蒸發的過程，24 h后，測得每組試樣相對素土試樣的吸水質量減少率.用賽默飛世爾FEI Quanta 250 環境掃描電子顯微鏡（SEM）對修復土最優配合比與素土進行微觀測試.

2 正交試驗結果及分析

先采用極差分析法確定每種因素對評價指標的影響規律和影響顯著性，再通過多功能系數分析對各評價指標進行綜合考察評選.正交試驗結果見表1，表中A1B1C1為甲基硅酸鈉、石灰、膠粉摻量分別為1.0%、1.0%、0.5%的修復土試樣，其他類推.

2.1 極差分析

對表1 中黏聚力、內摩擦角、吸水質量減少率等評價指標進行極差分析，結果見表2，表中：Ki（i=1、2、3、4）為某個因素第i個水平的指標之和；ki為其平均值；R為極差，極差越大，表明該試驗因素對試驗指標的影響越大，作用越顯著.由表2 中R的大小可以看出：對修復土黏聚力和內摩擦角指標的影響順序為石灰＞膠粉＞甲基硅酸鈉，對耐水性指標的影響順序為甲基硅酸鈉＞石灰＞膠粉；每個因素水平對應的最大Ki值為該因素的最優水平，滿足黏聚力、內摩擦角和吸水質量減少率的最優配合比組合分別是A2B4C3、A1B3C1、A4B1C4.

表1 正交試驗結果Table 1 Results of orthogonal tests

表2 正交試驗指標分析Table 2 Index analysis of orthogonal tests

甲基硅酸鈉、石灰和膠粉在素土中會發生一系列物理、化學反應，從而改變了素土的性質，使其力學性能及耐水性能得到提高.

甲基硅酸鈉對修復土黏聚力和內摩擦角指標的影響最小，對耐水性能指標影響最大.與素土相比，隨著甲基硅酸鈉摻量的增大，修復土黏聚力呈先上升后下降的趨勢，內摩擦角呈緩慢下降的趨勢，吸水質量減少率呈逐步上升的趨勢.甲基硅酸鈉分子中的甲基基團是常見的疏水基團，可以在修復土顆粒表面形成憎水層，具有微膨脹、增加密實度的功能［14］.甲基硅酸鈉與水、CO2反應生成聚硅氧烷膜（［CH3SiO3/2］n），［CH3SiO3/2］n具有很強的憎水性，能使修復土顆粒表面的接觸角增大，提高其耐水性能，其化學反應式為：

石灰可在土體中發生結晶作用和碳化反應，生成Ca（OH）2晶體和CaCO3沉淀.Ca（OH）2晶體是一種強度較高的固體，能夠提高試樣的力學性能，部分生成的CaCO3能夠與土顆粒膠結，增大土樣密實度，減少其孔隙率，提高土顆粒間的結合力.隨著石灰摻量的增加，修復土黏聚力呈逐漸增大的趨勢，內摩擦角呈先增大后減小的趨勢，吸水質量減少率由59.77%降至46.65%，耐水性能呈下降趨勢.這是由于所摻入的石灰未能全部發生結晶碳化，部分殘留在試樣中，使修復土顆粒之間的咬合摩擦力減?。?5?16］.試驗結果從某種程度上驗證了黏聚力和內摩擦角成負相關性的推論［17?18］，且修復土試樣中可與甲基硅酸鈉反應的CO2和水逐漸減少，甲基硅酸鈉無法生成足夠多的聚硅氧烷膜，導致試樣耐水性能減弱.下一步將探究不同養護環境對修復土的影響.

膠粉對修復土抗剪強度指標的影響僅次于石灰，隨著膠粉摻量的增大，修復土黏聚力呈先增大后減小的趨勢，內摩擦角呈整體減小的趨勢，吸水質量減少率呈逐漸增加的趨勢.這是因為膠粉增大了修復土顆粒間的膠結作用，減少了修復土顆粒之間的內摩擦力，而膠粉與修復土顆粒膠結可提高土體的黏結性和密實度，使其耐水性能得到改善.

2.2 功效系數分析

功效系數法是把要考核的各項指標按照多檔次標準，通過功效函數將各指標轉化為可度量的評價分數，對研究進行總體評價的一種方法［19］.為綜合考察評選開封城墻修復土的評價指標，采用極大型變量單項功效系數計算公式，計算黏聚力、內摩擦角、吸水質量減少率的功效系數dF、dθ、dw.評價指標數值越大，單項功效系數越大，修復土力學性能和水理性能越好.由于本研究目的在于提高開封城墻修復土力學性能和水理性質，故將3 個評價指標的單項功效系乘以相同的權重系數0.333 3，再進行加和得到總功效系數D.功效系數結果見表3.由表3 可見，A2B3C4的總功效系數最高（85.39），這表明其具有較好的力學性能和耐水性能，總體性能最優.由此得到修復土的最優配合比：甲基硅酸鈉、石灰、膠粉的摻量分別為2.0%、5.0%、2.0%.

表3 功效系數結果Table 3 Results of efficacy coefficient

2.3 微觀分析

素土和最優配合比修復土試樣的SEM 照片見圖1.由圖1 可見：素土內部孔隙率較大，土顆粒排布不均勻，顆粒級配不佳，導致顆粒間黏結作用較弱，且土顆粒表面黏結物較少；最優配合比修復土試樣中，石灰、甲基硅酸鈉、膠粉及其反應生成物填充了土顆粒之間的空隙，使土體骨架整體性得到提高，土顆粒間填充密實，顆粒級配改善較為明顯，從而降低了修復土試樣的孔隙率；最優配合比修復土試樣表面存在絮狀物，可增強土顆粒間的膠結作用，從而提高土體的整體穩定性.甲基硅酸鈉溶液中的硅酸鹽凝膠粒子在素土孔隙中起填充作用，石灰在土體內反應生成Ca（OH）2和CaCO3晶體，膠粉生成的膠凝物質使分散的土顆粒黏結成整體，在這幾種因素作用下，有效提高了修復土力學性能與耐水性能.

圖1 素土及最優配合比修復土的SEM 照片Fig.1 SEM images of A0B0C0 and restoration soil with optimum mixture ratio

3 結論

（1）甲基硅酸鈉、石灰、膠粉的加入能有效提高開封城墻修復土的力學性能和耐水性能.隨著甲基硅酸鈉摻量的增加，修復土的黏聚力呈先上升后下降的趨勢，內摩擦角呈緩慢下降的趨勢，耐水性能呈增大趨勢；隨著石灰摻量的增加，修復土的黏聚力和內摩擦角有不同程度的提高，耐水性能呈下降趨勢；隨著膠粉摻量的增加，修復土的黏聚力呈先增大后減少的趨勢，內摩擦角整體呈減小的趨勢，耐水性能呈增大趨勢.

（2）通過正交試驗，開封城墻修復土黏聚力、內摩擦角指標的影響順序為石灰＞膠粉＞甲基硅酸鈉，對耐水性能指標的影響順序為甲基硅酸鈉＞石灰＞膠粉.

（3）修復土黏聚力最佳的最優配合比為：甲基硅酸鈉摻量2.0%、石灰摻量7.0%、膠粉摻量1.5%；內摩擦角最佳的最優配合比為：甲基硅酸鈉摻量1.0%、石灰摻量5.0%、膠粉摻量0.5%；耐水性能最佳的最優配合比為：甲基硅酸鈉摻量4.0%、石灰摻量1.0%、膠粉摻量2.0%.采用功效系數法評價得出綜合性能最優的修復土配合比為：甲基硅酸鈉摻量2.0%、石灰摻量5.0%、膠粉摻量2.0%.最優配合比修復土骨架整體性得到提高，顆粒級配改善較為明顯，土顆粒間填充密實，土樣孔隙率降低，可有效提高修復土的力學性能和耐水性能.